Applied Mathematics and Computational Physics

As faster and more efficient numerical algorithms become available, the understanding of the physics and the mathematical foundation behind these new methods will play an increasingly important role. This Special Issue provides a platform for researchers from both academia and industry to present their novel computational methods that have engineering and physics applications

Advanced Information Processing Methods and Their Applications

This Special Issue has collected and presented breakthrough research on information processing methods and their applications. Particular attention is paid to the study of the mathematical foundations of information processing methods, quantum computing, artificial intelligence, digital image processing, and the use of information technologies in medicine

A structure-preserving one-sided Jacobi method for computing the SVD of a quaternion matrix

Abstract(#br)In this paper, we propose a structure-preserving one-sided cyclic Jacobi method for computing the singular value decomposition of a quaternion matrix. In our method, the columns of the quaternion matrix are orthogonalized in pairs by using a sequence of orthogonal JRS-symplectic Jacobi matrices to its real counterpart. We establish the quadratic convergence of our method specially. We also give some numerical examples to illustrate the effectiveness of the proposed method

A Surrogate Model of Gravitational Waveforms from Numerical Relativity Simulations of Precessing Binary Black Hole Mergers

We present the first surrogate model for gravitational waveforms from the coalescence of precessing binary black holes. We call this surrogate model NRSur4d2s. Our methodology significantly extends recently introduced reduced-order and surrogate modeling techniques, and is capable of directly modeling numerical relativity waveforms without introducing phenomenological assumptions or approximations to general relativity. Motivated by GW150914, LIGO's first detection of gravitational waves from merging black holes, the model is built from a set of $276$ numerical relativity (NR) simulations with mass ratios $q \leq 2$, dimensionless spin magnitudes up to $0.8$, and the restriction that the initial spin of the smaller black hole lies along the axis of orbital angular momentum. It produces waveforms which begin $\sim 30$ gravitational wave cycles before merger and continue through ringdown, and which contain the effects of precession as well as all $\ell \in \{2, 3\}$ spin-weighted spherical-harmonic modes. We perform cross-validation studies to compare the model to NR waveforms \emph{not} used to build the model, and find a better agreement within the parameter range of the model than other, state-of-the-art precessing waveform models, with typical mismatches of $10^{-3}$. We also construct a frequency domain surrogate model (called NRSur4d2s_FDROM) which can be evaluated in $50\, \mathrm{ms}$ and is suitable for performing parameter estimation studies on gravitational wave detections similar to GW150914.Comment: 34 pages, 26 figure

Vision-Aided Autonomous Precision Weapon Terminal Guidance Using a Tightly-Coupled INS and Predictive Rendering Techniques

This thesis documents the development of the Vision-Aided Navigation using Statistical Predictive Rendering (VANSPR) algorithm which seeks to enhance the endgame navigation solution possible by inertial measurements alone. The eventual goal is a precision weapon that does not rely on GPS, functions autonomously, thrives in complex 3-D environments, and is impervious to jamming. The predictive rendering is performed by viewpoint manipulation of computer-generated of target objects. A navigation solution is determined by an Unscented Kalman Filter (UKF) which corrects positional errors by comparing camera images with a collection of statistically significant virtual images. Results indicate that the test algorithm is a viable method of aiding an inertial-only navigation system to achieve the precision necessary for most tactical strikes. On 14 flight test runs, the average positional error was 166 feet at endgame, compared with an inertial-only error of 411 feet

Surface Deformation Potentials on Meshes for Computer Graphics and Visualization

Shape deformation models have been used in computer graphics primarily to describe the dynamics of physical deformations like cloth draping, collisions of elastic bodies, fracture, or animation of hair. Less frequent is their application to problems not directly related to a physical process. In this thesis we apply deformations to three problems in computer graphics that do not correspond to physical deformations. To this end, we generalize the physical model by modifying the energy potential. Originally, the energy potential amounts to the physical work needed to deform a body from its rest state into a given configuration and relates material strain to internal restoring forces that act to restore the original shape. For each of the three problems considered, this potential is adapted to reflect an application specific notion of shape. Under the influence of further constraints, our generalized deformation results in shapes that balance preservation of certain shape properties and application specific objectives similar to physical equilibrium states. The applications discussed in this thesis are surface parameterization, interactive shape editing and automatic design of panorama maps. For surface parameterization, we interpret parameterizations over a planar domain as deformations from a flat initial configuration onto a given surface. In this setting, we review existing parameterization methods by analyzing properties of their potential functions and derive potentials accounting for distortion of geometric properties. Interactive shape editing allows an untrained user to modify complex surfaces, be simply grabbing and moving parts of interest. A deformation model interactively extrapolates the transformation from those parts to the rest of the surface. This thesis proposes a differential shape representation for triangle meshes leading to a potential that can be optimized interactively with a simple, tailored algorithm. Although the potential is not physically accurate, it results in intuitive deformation behavior and can be parameterized to account for different material properties. Panorama maps are blends between landscape illustrations and geographic maps that are traditionally painted by an artist to convey geographic surveyknowledge on public places like ski resorts or national parks. While panorama maps are not drawn to scale, the shown landscape remains recognizable and the observer can easily recover details necessary for self location and orientation. At the same time, important features as trails or ski slopes appear not occluded and well visible. This thesis proposes the first automatic panorama generation method. Its basis is again a surface deformation, that establishes the necessary compromise between shape preservation and feature visibility.Potentiale zur Flächendeformation auf Dreiecksnetzen für Anwendungen in der Computergrafik und Visualisierung Deformationsmodelle werden in der Computergrafik bislang hauptsächlich eingesetzt, um die Dynamik physikalischer Deformationsprozesse zu modellieren. Gängige Beispiele sind Bekleidungssimulationen, Kollisionen elastischer Körper oder Animation von Haaren und Frisuren. Deutlich seltener ist ihre Anwendung auf Probleme, die nicht direkt physikalischen Prozessen entsprechen. In der vorliegenden Arbeit werden Deformationsmodelle auf drei Probleme der Computergrafik angewandt, die nicht unmittelbar einem physikalischen Deformationsprozess entsprechen. Zu diesem Zweck wird das physikalische Modell durch eine passende Änderung der potentiellen Energie verallgemeinert. Die potentielle Energie entspricht normalerweise der physikalischen Arbeit, die aufgewendet werden muss, um einen Körper aus dem Ruhezustand in eine bestimmte Konfiguration zu verformen. Darüber hinaus setzt sie die aktuelle Verformung in Beziehung zu internen Spannungskräften, die wirken um die ursprüngliche Form wiederherzustellen. In dieser Arbeit passen wir für jedes der drei betrachteten Problemfelder die potentielle Energie jeweils so an, dass sie eine anwendungsspezifische Definition von Form widerspiegelt. Unter dem Einfluss weiterer Randbedingungen führt die so verallgemeinerte Deformation zu einer Fläche, die eine Balance zwischen der Erhaltung gewisser Formeigenschaften und Zielvorgaben der Anwendung findet. Diese Balance entspricht dem Equilibrium einer physikalischen Deformation. Die drei in dieser Arbeit diskutierten Anwendungen sind Oberflächenparameterisierung, interaktives Bearbeiten von Flächen und das vollautomatische Erzeugen von Panoramakarten im Stile von Heinrich Berann. Zur Oberflächenparameterisierung interpretieren wir Parameterisierungen über einem flachen Parametergebiet als Deformationen, die ein ursprünglich ebenes Flächenstück in eine gegebene Oberfläche verformen. Innerhalb dieses Szenarios vergleichen wir dann existierende Methoden zur planaren Parameterisierung, indem wir die resultierenden potentiellen Energien analysieren, und leiten weitere Potentiale her, die die Störung geometrischer Eigenschaften wie Fläche und Winkel erfassen. Verfahren zur interaktiven Flächenbearbeitung ermöglichen schnelle und intuitive Änderungen an einer komplexen Oberfläche. Dazu wählt der Benutzer Teile der Fläche und bewegt diese durch den Raum. Ein Deformationsmodell extrapoliert interaktiv die Transformation der gewählten Teile auf die restliche Fläche. Diese Arbeit stellt eine neue differentielle Flächenrepräsentation für diskrete Flächen vor, die zu einem einfach und interaktiv zu optimierendem Potential führt. Obwohl das vorgeschlagene Potential nicht physikalisch korrekt ist, sind die resultierenden Deformationen intuitiv. Mittels eines Parameters lassen sich außerdem bestimmte Materialeigenschaften einstellen. Panoramakarten im Stile von Heinrich Berann sind eine Verschmelzung von Landschaftsillustration und geographischer Karte. Traditionell werden sie so von Hand gezeichnet, dass bestimmt Merkmale wie beispielsweise Skipisten oder Wanderwege in einem Gebiet unverdeckt und gut sichtbar bleiben, was große Kunstfertigkeit verlangt. Obwohl diese Art der Darstellung nicht maßstabsgetreu ist, sind Abweichungen auf den ersten Blick meistens nicht zu erkennen. Dadurch kann der Betrachter markante Details schnell wiederfinden und sich so innerhalb des Gebietes orientieren. Diese Arbeit stellt das erste, vollautomatische Verfahren zur Erzeugung von Panoramakarten vor. Grundlage ist wiederum eine verallgemeinerte Oberflächendeformation, die sowohl auf Formerhaltung als auch auf die Sichtbarkeit vorgegebener geographischer Merkmale abzielt