Shape manipulation using physically based wire deformations

This paper develops an efficient, physically based shape manipulation technique. It defines a 3D model with profile curves, and uses spine curves generated from the profile curves to control the motion and global shape of 3D models. Profile and spine curves are changed into profile and spine wires by specifying proper material and geometric properties together with external forces. The underlying physics is introduced to deform profile and spine wires through the closed form solution to ordinary differential equations for axial and bending deformations. With the proposed approach, global shape changes are achieved through manipulating spine wires, and local surface details are created by deforming profile wires. A number of examples are presented to demonstrate the applications of our proposed approach in shape manipulation

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

Multiscale Geometric Modeling of Macromolecules I: Cartesian Representation

This paper focuses on the geometric modeling and computational algorithm development of biomolecular structures from two data sources: Protein Data Bank (PDB) and Electron Microscopy Data Bank (EMDB) in the Eulerian (or Cartesian) representation. Molecular surface (MS) contains non-smooth geometric singularities, such as cusps, tips and self-intersecting facets, which often lead to computational instabilities in molecular simulations, and violate the physical principle of surface free energy minimization. Variational multiscale surface definitions are proposed based on geometric flows and solvation analysis of biomolecular systems. Our approach leads to geometric and potential driven Laplace–Beltrami flows for biomolecular surface evolution and formation. The resulting surfaces are free of geometric singularities and minimize the total free energy of the biomolecular system. High order partial differential equation (PDE)-based nonlinear filters are employed for EMDB data processing. We show the efficacy of this approach in feature-preserving noise reduction. After the construction of protein multiresolution surfaces, we explore the analysis and characterization of surface morphology by using a variety of curvature definitions. Apart from the classical Gaussian curvature and mean curvature, maximum curvature, minimum curvature, shape index, and curvedness are also applied to macromolecular surface analysis for the first time. Our curvature analysis is uniquely coupled to the analysis of electrostatic surface potential, which is a by-product of our variational multiscale solvation models. As an expository investigation, we particularly emphasize the numerical algorithms and computational protocols for practical applications of the above multiscale geometric models. Such information may otherwise be scattered over the vast literature on this topic. Based on the curvature and electrostatic analysis from our multiresolution surfaces, we introduce a new concept, the polarized curvature, for the prediction of protein binding sites