离散三角网格上的法向量和曲率估计

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曲率是曲面的重要几何量。在传统微分几何中,隐式曲面或参数曲面有完备的定义和计算公式。离散三角网格是由离散点云以及点之间的拓扑关系定义的。传统微分几何中的一阶微分公式和二阶微分公式不能应用在离散三角网格上,各种估计方法应运而生。与此同时,三角网格上任意点的曲率估计是很多应用的基础,像对网格曲面的特征提取、网格简化、网格光顺、网格变形、模型分块等处理都有重要应用价值。Taubin等给出了一种时间和空间上都是线性的简单算法。他们描述了一种在三角网格上任意点估计曲率张量的方法。通过计算3×3对称矩阵的特征值和特征向量可以得出主曲率和主方向,而该对称矩阵是由积分公式定义并且与曲率张量的矩阵表达密切相关。但是,我们发现Taubin算法中,法向量的估计使用面积加权的方法,忽视了三角片形状对法向量的影响,Sheng-Gwo Chen(2004)等提出选择重心为权值来估计法向量和主曲率的方法。对于法曲率的估计方法,Taubin(1995)使用圆弧来估计法曲率,Chen-ShiDong(2005)描述了一种更为精确的方法,利用相邻点法向信息来估计法曲率。本文利用重心加权的法向量估算方法以及新的法曲率估计方法改进Taubin(1995)的方法。我们选择隐式曲面和参数曲面做了详细的误差比较。在单位球面和环面上,利用不同的曲率估计方法得到法向量以及高斯曲率,平均曲率的估算值,再将估算值与实际值做比较求误差。改进的Taubin方法无论在稳定性还是在精确度上,较原始Taubin方法都有明显改善。我们也与Meyer的方法做了比较,对于平均曲率的估计,在某些情况下,我们获得了更精确的结果。
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