A Survey of Developable Surfaces: From Shape Modeling to Manufacturing

Developable surfaces are commonly observed in various applications such as architecture, product design, manufacturing, and mechanical materials, as well as in the development of tangible interaction and deformable robots, with the characteristics of easy-to-product, low-cost, transport-friendly, and deformable. Transforming shapes into developable surfaces is a complex and comprehensive task, which forms a variety of methods of segmentation, unfolding, and manufacturing for shapes with different geometry and topology, resulting in the complexity of developable surfaces. In this paper, we reviewed relevant methods and techniques for the study of developable surfaces, characterize them with our proposed pipeline, and categorize them based on digital modeling, physical modeling, interaction, and application. Through the analysis to the relevant literature, we also discussed some of the research challenges and future research opportunities.Comment: 20 pages, 24 figures, Author submitted manuscrip

Human perception-oriented segmentation for triangle meshes

A segmentação de malhas é um tópico importante de investigação em computação gráfica, em particular em modelação geométrica. Isto deve-se ao facto de as técnicas de segmentaçãodemalhasteremváriasaplicações,nomeadamentenaproduçãodefilmes, animaçãoporcomputador, realidadevirtual, compressãodemalhas, assimcomoemjogosdigitais. Emconcreto, asmalhastriangularessãoamplamenteusadasemaplicações interativas, visto que sua segmentação em partes significativas (também designada por segmentação significativa, segmentação perceptiva ou segmentação perceptualmente significativa ) é muitas vezes vista como uma forma de acelerar a interação com o utilizador ou a deteção de colisões entre esses objetos 3D definidos por uma malha, bem como animar uma ou mais partes significativas (por exemplo, a cabeça de uma personagem) de um dado objeto, independentemente das restantes partes. Acontece que não se conhece nenhuma técnica capaz de segmentar correctamente malhas arbitrárias −ainda que restritas aos domínios de formas livres e não-livres− em partes significativas. Algumas técnicas são mais adequadas para objetos de forma não-livre (por exemplo, peças mecânicas definidas geometricamente por quádricas), enquanto outras são mais talhadas para o domínio dos objectos de forma livre. Só na literatura recente surgem umas poucas técnicas que se aplicam a todo o universo de objetos de forma livre e não-livre. Pior ainda é o facto de que a maioria das técnicas de segmentação não serem totalmente automáticas, no sentido de que quase todas elas exigem algum tipo de pré-requisitos e assistência do utilizador. Resumindo, estes três desafios relacionados com a proximidade perceptual, generalidade e automação estão no cerne do trabalho descrito nesta tese. Para enfrentar estes desafios, esta tese introduz o primeiro algoritmo de segmentação baseada nos contornos ou fronteiras dos segmentos, cuja técnica se inspira nas técnicas de segmentação baseada em arestas, tão comuns em análise e processamento de imagem,porcontraposiçãoàstécnicasesegmentaçãobaseadaemregiões. Aideiaprincipal é a de encontrar em primeiro lugar a fronteira de cada região para, em seguida, identificar e agrupar todos os seus triângulos internos. As regiões da malha encontradas correspondem a saliências e reentrâncias, que não precisam de ser estritamente convexas, nem estritamente côncavas, respectivamente. Estas regiões, designadas regiões relaxadamenteconvexas(ousaliências)eregiõesrelaxadamentecôncavas(oureentrâncias), produzem segmentações que são menos sensíveis ao ruído e, ao mesmo tempo, são mais intuitivas do ponto de vista da perceção humana; por isso, é designada por segmentação orientada à perceção humana (ou, human perception- oriented (HPO), do inglês). Além disso, e ao contrário do atual estado-da-arte da segmentação de malhas, a existência destas regiões relaxadas torna o algoritmo capaz de segmentar de maneira bastante plausível tanto objectos de forma não-livre como objectos de forma livre. Nesta tese, enfrentou-se também um quarto desafio, que está relacionado com a fusão de segmentação e multi-resolução de malhas. Em boa verdade, já existe na literatura uma variedade grande de técnicas de segmentação, bem como um número significativo de técnicas de multi-resolução, para malhas triangulares. No entanto, não é assim tão comum encontrar estruturas de dados e algoritmos que façam a fusão ou a simbiose destes dois conceitos, multi-resolução e segmentação, num único esquema multi-resolução que sirva os propósitos das aplicações que lidam com malhas simples e segmentadas, sendo que neste contexto se entende que uma malha simples é uma malha com um único segmento. Sendo assim, nesta tese descreve-se um novo esquema (entenda-seestruturasdedadosealgoritmos)demulti-resoluçãoesegmentação,designado por extended Ghost Cell (xGC). Este esquema preserva a forma das malhas, tanto em termos globais como locais, ou seja, os segmentos da malha e as suas fronteiras, bem como os seus vincos e ápices são preservados, não importa o nível de resolução que usamos durante a/o simplificação/refinamento da malha. Além disso, ao contrário de outros esquemas de segmentação, tornou-se possível ter segmentos adjacentes com dois ou mais níveis de resolução de diferença. Isto é particularmente útil em animação por computador, compressão e transmissão de malhas, operações de modelação geométrica, visualização científica e computação gráfica. Em suma, esta tese apresenta um esquema genérico, automático, e orientado à percepção humana, que torna possível a simbiose dos conceitos de segmentação e multiresolução de malhas trianguladas que sejam representativas de objectos 3D.The mesh segmentation is an important topic in computer graphics, in particular in geometric computing. This is so because mesh segmentation techniques find many applications in movies, computer animation, virtual reality, mesh compression, and games. Infact, trianglemeshesarewidelyusedininteractiveapplications, sothattheir segmentation in meaningful parts (i.e., human-perceptually segmentation, perceptive segmentationormeaningfulsegmentation)isoftenseenasawayofspeedinguptheuser interaction, detecting collisions between these mesh-covered objects in a 3D scene, as well as animating one or more meaningful parts (e.g., the head of a humanoid) independently of the other parts of a given object. It happens that there is no known technique capable of correctly segmenting any mesh into meaningful parts. Some techniques are more adequate for non-freeform objects (e.g., quadricmechanicalparts), whileothersperformbetterinthedomainoffreeform objects. Only recently, some techniques have been developed for the entire universe of objects and shapes. Even worse it is the fact that most segmentation techniques are not entirely automated in the sense that almost all techniques require some sort of pre-requisites and user assistance. Summing up, these three challenges related to perceptual proximity, generality and automation are at the core of the work described in this thesis. In order to face these challenges, we have developed the first contour-based mesh segmentation algorithm that we may find in the literature, which is inspired in the edgebased segmentation techniques used in image analysis, as opposite to region-based segmentation techniques. Its leading idea is to firstly find the contour of each region, and then to identify and collect all of its inner triangles. The encountered mesh regions correspond to ups and downs, which do not need to be strictly convex nor strictly concave, respectively. These regions, called relaxedly convex regions (or saliences) and relaxedly concave regions (or recesses), produce segmentations that are less-sensitive to noise and, at the same time, are more intuitive from the human point of view; hence it is called human perception- oriented (HPO) segmentation. Besides, and unlike the current state-of-the-art in mesh segmentation, the existence of these relaxed regions makes the algorithm suited to both non-freeform and freeform objects. In this thesis, we have also tackled a fourth challenge, which is related with the fusion of mesh segmentation and multi-resolution. Truly speaking, a plethora of segmentation techniques, as well as a number of multiresolution techniques, for triangle meshes already exist in the literature. However, it is not so common to find algorithms and data structures that fuse these two concepts, multiresolution and segmentation, into a symbiotic multi-resolution scheme for both plain and segmented meshes, in which a plainmeshisunderstoodasameshwithasinglesegment. So, weintroducesuchanovel multiresolution segmentation scheme, called extended Ghost Cell (xGC) scheme. This scheme preserves the shape of the meshes in both global and local terms, i.e., mesh segments and their boundaries, as well as creases and apices are preserved, no matter the level of resolution we use for simplification/refinement of the mesh. Moreover, unlike other segmentation schemes, it was made possible to have adjacent segments with two or more resolution levels of difference. This is particularly useful in computer animation, mesh compression and transmission, geometric computing, scientific visualization, and computer graphics. In short, this thesis presents a fully automatic, general, and human perception-oriented scheme that symbiotically integrates the concepts of mesh segmentation and multiresolution

A Novel Framework to Model the Short and Medium Term Mechanical Response of the Medial Gastrocnemius

Musculoskeletal disorders (MSDs) are the second largest cause of disability worldwide and cost the UK National Health Service (NHS) over £4.7 billion yearly. One holistic approach to alleviate this burden is to create in silico models that provide insight into MSDs which will improve diagnostic and therapeutic procedures. This thesis presents a modelling framework that analyses the mechanical behaviour of anatomical skeletal muscles. The anatomical geometry and fibre paths of the medial gastrocnemius muscle were acquired from the Living Human Data Library (LHDL). The medial gastrocnemius model was further sophisticated by incorporating morphological representations of the aponeurosis and myotendon transition region. Having carried out a finite element analysis on the medial gastrocnemius, it was found that the morphology and size of the transition region significantly affected the mechanical response of the muscle. Three illustrative simulations were subsequently carried out on the model, to better understand the muscle’s mechanical response in differing mechanical environments: (1) the effects of high extensions on the muscle’s mechanical response, (2) lengthening of the aponeurosis - a phenomenon often observed following aponeurosis regression - and (3) the stress-strain regime of the muscle when the tendon experiences a laceration and heals over 21 days. These models show the regions that experienced the highest strains were the muscle-tendon transition regions. As MSDs tend to be of a degenerative nature and progress over time, the temporal changes of the mechanical response of skeletal muscle tissue is of great interest. In the penultimate chapter, the medial gastrocnemius was assessed across various remodelling regimes. It was found that the muscle returned to homeostasis only when both the muscle and tendon remodelled – albeit, at different remodelling rates. Whilst this observation seems intuitive, most other growth and remodelling models of skeletal muscles have only remodelled either the muscle or tendon constituent. The model developed in this thesis therefore has the potential to inform multi-scale musculo-skeletal muscle models thus providing a significant contribution to understanding MSDs