Numerical Methods in Shape Spaces and Optimal Branching Patterns

The contribution of this thesis is twofold. The main part deals with numerical methods in the context of shape space analysis, where the shape space at hand is considered as a Riemannian manifold. In detail, we apply and extend the time-discrete geodesic calculus (established by Rumpf and Wirth [WBRS11, RW15]) to the space of discrete shells, i.e. triangular meshes with fixed connectivity. The essential building block is a variational time-discretization of geodesic curves, which is based on a local approximation of the squared Riemannian distance on the manifold. On physical shape spaces this approximation can be derived e.g. from a dissimilarity measure. The dissimilarity measure between two shell surfaces can naturally be defined as an elastic deformation energy capturing both membrane and bending distortions. Combined with a non-conforming discretization of a physically sound thin shell model the time-discrete geodesic calculus applied to the space of discrete shells is shown to be suitable to solve important problems in computer graphics and animation. To extend the existing calculus, we introduce a generalized spline functional based on the covariant derivative along a curve in shape space whose minimizers can be considered as Riemannian splines. We establish a corresponding time-discrete functional that fits perfectly into the framework of Rumpf and Wirth, and prove this discretization to be consistent. Several numerical simulations reveal that the optimization of the spline functional—subject to appropriate constraints—can be used to solve the multiple interpolation problem in shape space, e.g. to realize keyframe animation. Based on the spline functional, we further develop a simple regression model which generalizes linear regression to nonlinear shape spaces. Numerical examples based on real data from anatomy and botany show the capability of the model. Finally, we apply the statistical analysis of elastic shape spaces presented by Rumpf and Wirth [RW09, RW11] to the space of discrete shells. To this end, we compute a Fréchet mean within a class of shapes bearing highly nonlinear variations and perform a principal component analysis with respect to the metric induced by the Hessian of an elastic shell energy. The last part of this thesis deals with the optimization of microstructures arising e.g. at austenite-martensite interfaces in shape memory alloys. For a corresponding scalar problem, Kohn and Müller [KM92, KM94] proved existence of a minimizer and provided a lower and an upper bound for the optimal energy. To establish the upper bound, they studied a particular branching pattern generated by mixing two different martensite phases. We perform a finite element simulation based on subdivision surfaces that suggests a topologically different class of branching patterns to represent an optimal microstructure. Based on these observations we derive a novel, low dimensional family of patterns and show—numerically and analytically—that our new branching pattern results in a significantly better upper energy bound

Macro- and micro-modeling of crack propagation in encapsulation-based self-healing materials : application of XFEM and cohesive surface techniques

Encapsulation-based materials are produced introducing some small healing fluid-filled capsules in a matrix. These materials can self-heal when internal cracks intercept and break the capsules. If the healing agent is released, the crack can be sealed. However, this is not always the case. These capsules need to be designed with the adequate shape and material to be properly broken. This paper presents two application models based on the combination of eXtended Finite Element Method (XFEM) elements and Cohesive Surfaces technique (CS) to predict crack propagation. Two types of encapsulated systems are considered: a concrete beam in a three-point bending test, and a micro-scale model of a representative volume element of a polymer subjected to a uniaxial tensile test. Despite both systems rely on different capsule shapes and different constituent materials, the models predict a similar non-linear response of the overall material strength governed by the coupled effect of the interface strength and the capsule radii-to-thickness ratio. Furthermore, even if an inadequate material and geometry combination is used, it is found that the mere presence of capsules might achieve, under certain conditions, an interesting overall reinforcement effect. This effect is discussed in terms of clustering and volume fraction of capsules

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

An ALE method for simuations of elastic surfaces in flow

Die Dynamik von elastischen Membranen, Kapseln und Schalen hat sich zu einem aktiven Forschungsgebiet in der simulationsgestützten Physik und Biologie entwickelt. Die dünne Oberfläche dieser elastischen Materialien ermöglicht es, sie effizient als Hyperfläche zu approximieren. Solche Oberflächen reagieren auf Dehnungen in Oberflächenrichtung und Verformungen in Normalenrichtung mit einer elastischen Kraft. Zusätzlich können Oberflächenspannungskräfte auftreten. In dieser Arbeit präsentieren wir eine neuartige Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) Methode um solche in (Navier-Stokes) Fluiden eingebetteten elastischen Schalen zu simulieren. Dadurch, dass das Gitter an die elastische Oberfläche angepasst ist, kombiniert die vorgeschlagene Methode hohe Genauigkeit mit Effizienz in der Berechnung der Lösungen. Folglich kann man die Simulationen mit einer verhältnismäßig geringen Gitterauflösung durchführen. Der Fokus dieser Arbeit liegt bei achsensymmetrischen Formen und Strömungen, wie sie bei vielen biophysikalischen Anwendungen zu finden sind. Neben einer allgemeinen dreidimensionalen Beschreibung formulieren wir achsensymmetrische Kräfte auf der Oberfläche, für welche wir eine Diskretisierung mit der Finite Differenzen Methode vorschlagen, welche an eine Finite-Elemente Methode für die umgebenden Fluide gekoppelt ist. Weiterhin entwickeln wir eine Strategie zur impliziten Kopplung der Kräfte, um Zeitschrittrestriktionen zu reduzieren. In verschiedenen numerischen Tests werden wir zeigen, dass akkurate Ergebnisse schon in einer Größenordnung von Minuten auf einer Single-Core CPU erreicht werden können. Die Methode wurde in drei aktuellen Anwendungen verwendet, wobei mindestens zwei davon nach unserer Kenntnis im Moment mit keiner anderen numerischen Methode simuliert werden können: Zunächst präsentieren wir Simulationen von biologischen Zellen, die im Zuge eines RT-DC (Real-Time Deformability Cytometry) Experiments durch einen schmalen mikrofluidischen Kanal advektiert und dabei verformt werden. Danach zeigen wir die Ergebnisse erster Simulationen der uniaxialen Kompression biologischer Zellen zwischen zwei parallelen Platten im Zuge eines AFM Experiments. Schließlich präsentieren wir Resultate erster Simulationen von neuartigen mikroschwimmenden Schalen, welche lediglich durch äußere Einflüsse (wie z.B. Ultraschall), zum Schwimmen angeregt werden können.The dynamics of membranes, shells, and capsules in fluid flow has become an active research area in computational physics and computational biology. The small thickness of these elastic materials enables their efficient approximation as a hypersurface, which exhibits an elastic response to in-plane stretching and out-of-plane bending, possibly accompanied by a surface tension force. In this work, we present a novel arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method to simulate such elastic surfaces immersed in Navier-Stokes fluids. The method combines high accuracy with computational efficiency, since the grid is matched to the elastic surface and can therefore be resolved with relatively few grid points. The focus of this work is on axisymmetric shapes and flow conditions, which are present in a wide range of biophysical problems. Next to a general three-dimensional description, we formulate axisymmetric elastic surface forces and propose a discretization with surface finite-differences coupled to evolving finite elements. We further develop an implicit coupling strategy to reduce time step restrictions. Several numerical test cases show that accurate results can be achieved at computational times on the order of minutes on a single core CPU. Three state-of-the-art applications are demonstrated, where to our knowledge at least two of them cannot be simulated with any other numerical method so far. First, simulations of biological cells being advected through a microfluidic channel and therefore being deformed during an RT-DC (Real-Time Deformability Cytometry) experiment are presented. Then, the uniaxial compression of the cortex of a biological cell during an AFM experiment is investigated. Finally, we present the results of first simulations of the observed shape oscillations of novel microswimming shells which can be locomoted by exterior influences (e.g. ultrasound waves) only