Viscous regularization and r-adaptive remeshing for finite element analysis of lipid membrane mechanics

As two-dimensional fluid shells, lipid bilayer membranes resist bending and stretching but are unable to sustain shear stresses. This property gives membranes the ability to adopt dramatic shape changes. In this paper, a finite element model is developed to study static equilibrium mechanics of membranes. In particular, a viscous regularization method is proposed to stabilize tangential mesh deformations and improve the convergence rate of nonlinear solvers. The Augmented Lagrangian method is used to enforce global constraints on area and volume during membrane deformations. As a validation of the method, equilibrium shapes for a shape-phase diagram of lipid bilayer vesicle are calculated. These numerical techniques are also shown to be useful for simulations of three-dimensional large-deformation problems: the formation of tethers (long tube-like exetensions); and Ginzburg-Landau phase separation of a two-lipid-component vesicle. To deal with the large mesh distortions of the two-phase model, modification of vicous regularization is explored to achieve r-adaptive mesh optimization

Geometric modeling and optimization over regular domains for graphics and visual computing

The effective construction of parametric representation of complicated geometric objects can facilitate many design, analysis, and simulation tasks in Computer-Aided Design (CAD), Computer-Aided Manufacturing (CAM), and Computer-Aided Engineering (CAE). Given a 3D shape, the procedure of finding such a parametric representation upon a canonical domain is called geometric parameterization. Regular geometric regions, such as polycubes and spheres, are desirable domains for parameterization. Parametric representations defined upon regular geometric domains have many desirable mathematical properties and can facilitate or simplify various surface/solid modeling and processing computation. This dissertation studies the construction of parameterization on regular geometric domains and explores their applications in shape modeling and computer-aided design. Specifically, we studies (1) the surface parameterization on the spherical domain for closed genus-zero surfaces; (2) the surface parameterization on the polycube domain for general closed surfaces; and (3) the volumetric parameterization for 3D-manifolds embedded in 3D Euclidean space. We propose novel computational models to solve these geometric problems. Our computational models reduce to nonlinear optimizations with various geometric constraints. Hence, we also need to explore effective optimization algorithms. The main contributions of this dissertation are three-folded. (1) We developed an effective progressive spherical parameterization algorithm, with an efficient nonlinear optimization scheme subject to the spherical constraint. Compared with the state-of-the-art spherical mapping algorithms, our algorithm demonstrates the advantages of great efficiency, lower distortion, and guaranteed bijectiveness, and we show its applications in spherical harmonic decomposition and shape analysis. (2) We propose a first topology-preserving polycube domain optimization algorithm that simultaneously optimizes polycube domain together with the parameterization to balance the mapping distortion and domain simplicity. We develop effective nonlinear geometric optimization algorithms dealing with variables with and without derivatives. This polycube parameterization algorithm can benefit the regular quadrilateral mesh generation and cross-surface parameterization. (3) We develop a novel quaternion-based optimization framework for 3D frame field construction and volumetric parameterization computation. We demonstrate our constructed 3D frame field has better smoothness, compared with state-of-the-art algorithms, and is effective in guiding low-distortion volumetric parameterization and high-quality hexahedral mesh generation

Numerical and variational aspects of mesh parameterization and editing

A surface parameterization is a smooth one-to-one mapping between the surface and a parametric domain. Typically, surfaces with disk topology are mapped onto the plane and genus-zero surfaces onto the sphere. As any attempt to flatten a non-trivial surface onto the plane will inevitably induce a certain amount of distortion, the main concern of research on this topic is to minimize parametric distortion. This thesis aims at presenting a balanced blend of mathematical rigor and engineering intuition to address the challenges raised by the mesh parameterization problem. We study the numerical aspects of mesh parameterization in the light of parallel developments in both mathematics and engineering. Furthermore, we introduce the concept of quasi-harmonic maps for reducing distortion in the fixed boundary case and extend it to both the free boundary and the spherical case. Thinking of parameterization in a more general sense as the construction of one or several scalar fields on a surface, we explore the potential of this construction for mesh deformation and surface matching. We propose an \u27;on-surface parameterization\u27; for guiding the deformation process and performing surface matching. A direct harmonic interpolation in the quaternion domain is also shown to give promising results for deformation transfer.Eine Flächenparameterisierung ist eine globale bijektive Abbildung zwischen der Fläche und einem zugehörigen parametrischen Gebiet. Gewöhnlich werden Flächen mit scheibenförmiger Topologie auf eine Kreisscheibe und Flächen mit Genus Null auf eine Sphäre abgebildet. Das Hauptinteresse der Forschung an diesem Thema ist die Minimierung der parametrischen Verzerrung, die unweigerlich bei jedem Versuch, eine nicht triviale Fläche über einer Ebene zu parameterisieren, erzeugt wird. Diese Arbeit strebt zur Behandlung des Parametrisierungsproblems eine ausgeglichene Mischung zwischen mathematischer Präzision und ingenieurwissenschaftlicher Intuition an. Wir behandeln dabei die numerischen Aspekte des Parameterisierungsproblems im Hinblick auf die aktuellen parallelen Entwicklungen in der Mathematik und den Ingenieurwissenschaften. Weiterhin führen wir das Konzept der quasi-harmonischen Abbildungen ein, um die Verzerrung bei gegebenen Randbedingungen zu verringern. Anschließend verallgemeinern wir dieses Konzept auf den sphärischen Fall und auf den Fall mit freien Randbedingungen. Durch allgemeinere Betrachtung der Parameterisierung als Konstruktion eines oder mehrerer skalarer Felder auf einer Fläche ergibt sich ein neuer Ansatz zur Netzdeformation und der Erzeugung von Flächenkorrespondenzen. Wir stellen eine \u27;on-surface parameterization\u27; vor, welche den Deformationsprozess leitet und Flächenkorrespondenzen erstellt. Darüber hinaus zeigt eine direkte harmonische Interpolation in der Domäne der Quaternionen auch vielversprechende Resultate für die Übertragung von Deformationen

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

Numerical Methods and Uniquness for the Canham-Helfrich Model of Biomembranes

The classical Canham-Helfrich models of biomembranes consist of a family of geometric constrained variational problems. Their physical importance and mathematical challenge attract the attention of both biophysicists and geometric analysts. In this PhD thesis, we develop a numerical method for these models. Our method uses a high-order approximation of surfaces with arbitrary topology based on subdivision methods. We also develop multiscale and parallel versions of our method which substantially speed up computations. An implementation based on Matlab and CUDA is provided along with this thesis. We use our solver to explore a phenomenon known as conformal diusion in the biophysical literature, which is also connected to the open uniqueness question for the Canham and Helfrich variation problems. We establish the uniqueness of solution of the Canham problem in a special case related to the Willmore conjecture (now the Marques-Neves theorem).Ph.D., Mathematics -- Drexel University, 201