離散微分與計算幾何

共形參數化(conformal parameterization)

要把材質貼到 3D 模型上,或把彎曲曲面攤平而不弄皺其細節,你需要一個從曲面到平面的映射。共形參數化就是這樣一種保持角度的展平:它可以在這裡把曲面拉大、在那裡縮小,卻絕不剪切——曲面上的小圓映成平面上的小圓,絕不成橢圓。製圖者稱此為麥卡托的點子:形狀在局部是對的,即使格陵蘭的大小被嚴重扭曲。

形式上,參數化是一個從曲面(或網格塊)到平面的映射 f;若其微分把度量按一個正函數縮放,即在每點 df^T df = lambda * I(某 lambda > 0),等價地若它保持曲線間的角度,則它是共形的。在三角網格上,你通常無法精確達成(一般網格的非零曲率集中在頂點),所以「離散共形」意味著滿足某個離散角度條件。存在數種嚴格的離散化:最小平方共形映射(LSCM)與等價的離散共形能量,極小化對柯西-黎曼方程的偏離,並化為一個由餘切拉普拉斯算子構成的稀疏線性系統;圓模式與三角網格的共形等價(Springborn-Schroder-Pinkall)保持長度交比的離散概念,導向一個求逐頂點尺度因子的凸變分問題。在每一種中,餘切拉普拉斯算子或其複版本都是核心算子。

共形參數化之所以重要,是因為保角讓材質與重網格化免於剪切扭曲,也因為其底層理論連結到深刻的數學——單值化定理說每個曲面都帶有一個與球面、平面或雙曲平面共形等價的共形結構,而離散共形幾何是那的計算影子。誠實的告誡:共形映射一般無法同時保持面積(你拿一個換另一個——這正是麥卡托把兩極脹大的原因),圓盤型曲面可被展平,但虧格 0 的閉曲面需要一刀切口或一個球面/球極投影的目標,而更高虧格的曲面共形地映到雙曲平面,而非歐氏平面。「共形」固定角度,絕不固定長度。

最小平方共形映射把一個圓盤型網格塊展平,方法是極小化離散共形能量 E_C(u) = E_D(u) - A(u),其中 E_D 是狄利克雷能量(一個餘切拉普拉斯二次型),A 是展平像的帶號面積;釘住兩個頂點以固定原本自由的平移/旋轉/縮放,結果是一個稀疏的最小平方求解,其輸出在不可避免的面積扭曲之外是無剪切的。

共形展平保持角度正確,代價是拉伸面積;釘住兩點固定了規範。

共形不等於等距或保面積:保角一般迫使面積扭曲(這正是單值化的內容),所以一個「看起來被拉伸」的共形映射是正確的,而非出錯。要忠實展平,你必須接受角度誤差或面積誤差之一——一般而言你無法兩者皆免。

又稱
angle-preserving flatteningconformal mesh parameterizationUV unwrapping (angle-preserving)保角展平共形網格參數化