Function bases on manifolds

Bases de fonctions sur les variétés

Bruno Vallet (1)

1 ALICE - Geometry and Lighting

Function bases are fundamental objects in geometry processing as they allow to represent functions as vectors, that is to apply tools from linear algebra to functional analysis. In this thesis, we present various constructions of useful functions bases for geometry processing. We start by presenting usual function bases, their theory and limits. We then study the Laplacian operator and its discretization, and use it to define a particular function basis : Laplacian eigenfunctions or Manifold harmonics. The Manifold Hamonics form a function basis that allows to generalize the Fourier transform and spectral filtering on a surface. We present some applications and extensions of this basis for geometry processing. To define function bases in a mesh-independant manner, we need to build a global parameterization, and especially the direction fields required to define them. Thus, in the last part of this thesis we study N-symmetry direction fields on surfaces, and in particular their geometry and topology. We then give tools to build, edit, control and visualize them.

Les bases de fonctions sont des outils indispensables de la géométrie numérique puisqu'ils permettent de représenter des fonctions comme des vecteurs, c'est à dire d'appliquer les outils de l'algèbre linéaire à l'analyse fonctionnelle. Dans cette thèse, nous présentons plusieurs constructions de bases de fonctions sur des surfaces pour la géométrie numérique. Nous commençons par présenter les bases de fonctions usuelles des éléments finis et du calcul extérieur discret, leur théorie et leurs limites. Nous étudions ensuite le Laplacien et sa discrétisation, ce qui nous permettra de construire une base de fonctions particulière: les fonctions propres de l'opérateur de Laplace-Beltrami, ou harmoniques variétés. Celles-ci permettent de généraliser la transformée de Fourier et le filtrage spectral aux fonctions définies sur des surfaces. Nous présentons ensuite des applications de cette base de fonction à la géométrie numérique. En particulier, nous montrons qu'une fois calculée, cette base de fonction permet de filtrer la géométrie en temps interactif. Pour pouvoir définir des bases de fonctions de façon plus indépendante du maillage de la surface, nous nous intéressons ensuite aux paramétrisations globales, et en particulier aux champs de directions à symétries qui permettent de les définir. Ainsi, dans la dernière partie, nous étudions ces champs de directions à symétries, et en particulier leur géométrie et leur topologie. Nous proposons enfin des outils pour les construire, les manipuler et les visualiser.

Mots clés: Manifold; differential geometry; Hilbert space; finite elements; direction field; global parameterization

Mots clés: Variétés; géométrie différentielle; espaces de Hilbert; éléments finis; champs de direction; <br />paramétrisation globale

Domaines: Informatique [cs]; Interface homme-machine [cs.HC]; Modélisation et simulation

Bruno Vallet. Bases de fonctions sur les variétés. Informatique [cs]. Institut National Polytechnique de Lorraine - INPL, 2008. Français. ⟨NNT : 2008INPL034N⟩. ⟨tel-01748689v2⟩