QEM网格简化算法
欢迎关注更多精彩关注我,学习常用算法与数据结构,一题多解,降维打击。qem 全称Quadic Error Metrics 网格简化。它是一种基于二次度量误差的优化算法。边塌缩算法qem算法的基本思想是对某一边进行塌缩,将边的2点合成一个点,如下图。那么要选择哪条边进行塌缩呢。就是基于二次度量误差。上图表示。假设pi,pj点边塌缩前的端点,px为塌缩后的点坐标假设p_i,p_j点边塌缩前的端点,p_
欢迎关注更多精彩
关注我,学习常用算法与数据结构,一题多解,降维打击。
qem 全称Quadic Error Metrics 网格简化。
它是一种基于二次度量误差的优化算法。
边塌缩算法
qem算法的基本思想是对某一边进行塌缩,将边的2点合成一个点,如下图。
那么要选择哪条边进行塌缩呢。
就是基于二次度量误差。
上图表示。
假
设
p
i
,
p
j
点
边
塌
缩
前
的
端
点
,
p
x
为
塌
缩
后
的
点
坐
标
假设p_i,p_j点边塌缩前的端点,p_x为塌缩后的点坐标
假设pi,pj点边塌缩前的端点,px为塌缩后的点坐标
那
么
p
x
需
要
到
p
i
,
p
i
各
邻
面
的
距
离
平
方
和
最
小
那么p_x需要到p_i,p_i 各邻面的距离平方和最小
那么px需要到pi,pi各邻面的距离平方和最小
能量如下:
E
x
=
∑
P
s
∈
Ω
(
i
)
d
(
p
x
,
P
s
)
2
+
∑
P
s
∈
Ω
(
j
)
d
(
p
x
,
P
s
)
2
E_x = \displaystyle \sum_{P_s \in \Omega(i)}d(p_x,P_s)^2 + \displaystyle \sum_{P_s \in \Omega(j)}d(p_x,P_s)^2
Ex=Ps∈Ω(i)∑d(px,Ps)2+Ps∈Ω(j)∑d(px,Ps)2
d ( p x , P s ) 代 表 p x 到 平 面 P s 的 垂 线 距 离 d(p_x, P_s) 代表p_x到平面P_s的垂线距离 d(px,Ps)代表px到平面Ps的垂线距离
只 要 向 量 p x 在 P s 法 向 上 的 投 影 减 去 平 面 上 一 点 在 法 向 上 的 投 影 即 可 只要向量p_x在P_s法向上的投影减去平面上一点在法向上的投影即可 只要向量px在Ps法向上的投影减去平面上一点在法向上的投影即可
由
于
p
i
是
P
s
上
一
点
由于p_i是P_s上一点
由于pi是Ps上一点
d
(
p
x
,
P
s
)
=
p
x
⋅
n
s
−
p
i
⋅
n
s
d(p_x, P_s)=p_x\cdot n_s-p_i\cdot n_s
d(px,Ps)=px⋅ns−pi⋅ns
E x = ∑ P s ∈ Ω ( i ) ( p x ⋅ n s − p i ⋅ n s ) 2 + ∑ P s ∈ Ω ( j ) ( p x ⋅ n s − p j ⋅ n s ) 2 E_x = \displaystyle \sum_{P_s \in \Omega(i)}(p_x\cdot n_s-p_i\cdot n_s)^2 + \displaystyle \sum_{P_s \in \Omega(j)}(p_x\cdot n_s-p_j\cdot n_s)^2 Ex=Ps∈Ω(i)∑(px⋅ns−pi⋅ns)2+Ps∈Ω(j)∑(px⋅ns−pj⋅ns)2
优化上述方程使得E最小就可以得到px坐标。
从矩阵角度来求距离平方和
上
式
中
n
i
,
−
d
i
都
是
常
量
,
所
以
Q
i
也
是
常
上式中n_i, -d_i都是常量,所以Q_i也是常
上式中ni,−di都是常量,所以Qi也是常
再看上式
令 p x ‾ = ( p x , 1 ) 令\overline{p_x} = (p_x, 1) 令px=(px,1)
∑ P s ∈ Ω ( i ) d ( p x , P s ) 2 \displaystyle \sum_{P_s \in \Omega(i)}d(p_x,P_s)^2 Ps∈Ω(i)∑d(px,Ps)2
= ∑ P s ∈ Ω ( i ) p x ‾ T Q s p x ‾ =\displaystyle \sum_{P_s \in \Omega(i)}\overline{p_x}^TQ_s \overline{p_x} =Ps∈Ω(i)∑pxTQspx
= p x ‾ T [ ∑ P s ∈ Ω ( i ) Q s ] p x ‾ =\overline{p_x}^T\left[\displaystyle \sum_{P_s \in \Omega(i)}Q_s \right]\overline{p_x} =pxT⎣⎡Ps∈Ω(i)∑Qs⎦⎤px
从上述可以看出可以先对某点的总和计算。
Q t i = [ ∑ P s ∈ Ω ( i ) Q s ] Qt_i = \left[\displaystyle \sum_{P_s \in \Omega(i)}Q_s \right] Qti=⎣⎡Ps∈Ω(i)∑Qs⎦⎤
E x = p x ‾ T Q t i p x ‾ + p x ‾ T Q t j p x ‾ E_x=\overline{p_x}^TQt_i\overline{p_x}+\overline{p_x}^TQt_j\overline{p_x} Ex=pxTQtipx+pxTQtjpx
= p x ‾ T ( Q t i + Q t j ) p x ‾ =\overline{p_x}^T(Qt_i+Qt_j)\overline{p_x} =pxT(Qti+Qtj)px
可 以 看 出 上 只 有 p x 是 变 量 , 是 一 个 二 次 能 量 , 可 以 通 过 优 化 得 到 p x 最 优 解 , 即 为 塌 缩 后 的 点 坐 标 位 置 可以看出上只有p_x是变量,是一个二次能量,可以通过优化得到p_x最优解,即为塌缩后的点坐标位置 可以看出上只有px是变量,是一个二次能量,可以通过优化得到px最优解,即为塌缩后的点坐标位置
将
v
看
成
是
一
个
向
量
v
=
[
x
,
y
,
z
,
1
]
,
并
展
开
得
到
下
式
,
然
后
进
行
求
导
,
并
可
以
得
到
A
v
=
b
形
式
,
角
得
v
=
A
−
1
b
将v看成是一个向量v=[x,y,z,1],并展开得到下式,然后进行求导,并可以得到Av=b形式, 角得v=A^{-1}b
将v看成是一个向量v=[x,y,z,1],并展开得到下式,然后进行求导,并可以得到Av=b形式,角得v=A−1b
算法步骤
for 所有点 i {
计算点能量总和Qti
}
for 所有边 x{
得到Ex, 并解出最优点px
}
while(点总数>目标值) {
先出Ex最小的边
将该边的两点从网格中删除。
将两点从网格中删除。
添加新的点。
连接受影响的点。
重新计算新边的能量。
}
代码实现
//
// Created by chenbinbin on 2022/5/9.
//
#include "hw9.h"
#include "../../PolyMesh/IOManager.h"
#include <Eigen/Dense>
#include <queue>
#include <map>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
#include <string>
using namespace std;
#define lambda 1e3
using namespace acamcad;
using namespace polymesh;
struct Edge_priority
{
double cost;
MEdge* eh;
int state;
MPoint3 NewPoint;
};
struct cmp
{
bool operator()(const Edge_priority &a, const Edge_priority &b)
{
return a.cost > b.cost;
}
};
std::priority_queue<Edge_priority, std::vector<Edge_priority>, cmp> Cost;
std::map<MVert*, Eigen::Matrix4d> Qv;
std::map<MEdge*, int> State;
void cal_Q(MVert* vh, PolyMesh* mesh)
{
MVector3 p_vh = vh->position();
Eigen::Matrix4d Q_temp;
Q_temp.setZero();
MVector3 face_nor;
double a, b, c, d;
Eigen::Matrix<double, 4, 1> p;
/*for (auto vf_it = mesh->vf_iter(vh); vf_it.isValid(); ++vf_it)
{
face_nor = (*vf_it)->normal();
a = face_nor[0], b = face_nor[1], c = face_nor[2], d = -dot(face_nor, p_vh);
p = { a,b,c,d };
Q_temp += p * p.transpose();
}
Qv[vh] = Q_temp;*/
if (!mesh->isBoundary(vh))
{
for (auto vf_it = mesh->vf_iter(vh); vf_it.isValid(); ++vf_it)
{
face_nor = (*vf_it)->normal();
a = face_nor[0], b = face_nor[1], c = face_nor[2], d = -dot(face_nor, p_vh);
p = { a,b,c,d };
Q_temp += p * p.transpose();
}
Qv[vh] = Q_temp;
}
else
{
/*for (auto vf_it = mesh->vf_iter(vh); vf_it.isValid(); ++vf_it)
{
face_nor = (*vf_it)->normal();
a = face_nor[0], b = face_nor[1], c = face_nor[2], d = -dot(face_nor, p_vh);
p = { a,b,c,d };
Q_temp += p * p.transpose();
for (auto fhh_it = mesh->fhe_iter(*vf_it); fhh_it.isValid(); ++fhh_it)
{
if ((*fhh_it)->pair()->isBoundary())
{
MVector3 vir_face_nor = (cross((*fhh_it)->pair()->tangent(), face_nor)).normalized();
a = vir_face_nor[0], b = vir_face_nor[1], c = vir_face_nor[2], d = -dot(vir_face_nor, p_vh);
p = { a,b,c,d };
Q_temp += lambda * (p * p.transpose());
break;
}
}
}*/
for (auto vhh_it = mesh->voh_iter(vh); vhh_it.isValid(); ++vhh_it)
{
if (!(*vhh_it)->isBoundary())
{
MPolyFace* vf = (*vhh_it)->polygon();
MVector3 face_nor = vf->normal();
double a = face_nor[0], b = face_nor[1], c = face_nor[2], d = -dot(face_nor, p_vh);
Eigen::Matrix<double, 4, 1> p = { a,b,c,d };
Q_temp += p * p.transpose();
}
else
{
MHalfedge* hh_boundary = *vhh_it;
MHalfedge* prev_hh_boundary = hh_boundary->prev();
MPolyFace* face_hh = hh_boundary->pair()->polygon(), *face_prev_hh = prev_hh_boundary->pair()->polygon();
MVector3 face_hh_nor = face_hh->normal(), face_prev_hh_nor = face_prev_hh->normal();
MVector3 vir_face_hh_nor = cross(hh_boundary->tangent(), face_hh_nor).normalized(), vir_face_prev_hh_nor = cross(prev_hh_boundary->tangent(), face_prev_hh_nor).normalized();
double a = vir_face_hh_nor[0], b = vir_face_hh_nor[1], c = vir_face_hh_nor[2], d = -dot(vir_face_hh_nor, p_vh);
Eigen::Matrix<double, 4, 1> p = { a,b,c,d };
Q_temp += lambda * (p * p.transpose());
a = vir_face_prev_hh_nor[0], b = vir_face_prev_hh_nor[1], c = vir_face_prev_hh_nor[2], d = -dot(vir_face_prev_hh_nor, p_vh);
p = { a,b,c,d };
Q_temp += lambda * (p * p.transpose());
}
}
Qv[vh] = Q_temp;
}
}
void cal_Cost(MEdge* eh)
{
Edge_priority temp;
MHalfedge* hh = eh->halfEdge();
MVert* v_from = hh->fromVertex(), *v_to = hh->toVertex();
Eigen::Matrix4d Q_plus = Qv[v_from] + Qv[v_to], Q_solve = Q_plus;
Q_solve(3, 0) = 0.0, Q_solve(3, 1) = 0.0, Q_solve(3, 2) = 0.0, Q_solve(3, 3) = 1.0;
MPoint3 new_point;
Eigen::Vector4d new_vec;
if (Q_solve.determinant() == 0)
{
MVector3 temp = 0.5*(v_from->position() + v_to->position());
new_point = { temp[0], temp[1], temp[2] };
new_vec = { new_point[0], new_point[1], new_point[2], 1.0 };
}
else
{
Eigen::Vector4d temp = { 0.0,0.0,0.0,1.0 };
new_vec = Q_solve.inverse()*temp;
new_point = { new_vec[0], new_vec[1], new_vec[2] };
}
temp.cost = new_vec.transpose()*Q_plus*new_vec;
temp.eh = eh;
temp.state = State[eh];
temp.NewPoint = new_point;
Cost.push(temp);
}
void update_Q_and_Cost(MVert* vh, PolyMesh* mesh)
{
cal_Q(vh, mesh);
for (auto vv_it = mesh->vv_iter(vh); vv_it.isValid(); ++vv_it)
{
cal_Q(*vv_it, mesh);
}
for (auto ve_it = mesh->ve_iter(vh); ve_it.isValid(); ++ve_it)
{
State[*ve_it]++;
cal_Cost(*ve_it);
}
}
bool QEM_collapse(const Edge_priority &temp_edge, PolyMesh* mesh)
{
bool is_collapse = false;
MEdge* eh = temp_edge.eh;
MHalfedge* hh = eh->halfEdge(), *hh_oppo = hh->pair();
MVert *v_from = hh->fromVertex(), *v_to = hh->toVertex();
MVert* vh;
// if (mesh->is_collapse_ok(hh))
if (mesh->is_collapse_ok_Triangle(hh))
{
v_to->setPosition(temp_edge.NewPoint);
//mesh->collapse(hh);
mesh->collapseTriangle(hh);
is_collapse = true;
vh = v_to;
}
// else if (mesh->is_collapse_ok(hh_oppo))
else if (mesh->is_collapse_ok_Triangle(hh_oppo))
{
v_from->setPosition(temp_edge.NewPoint);
//mesh->collapse(hh_oppo);
mesh->collapseTriangle(hh_oppo);
is_collapse = true;
vh = v_from;
}
if (is_collapse)
{
update_Q_and_Cost(vh, mesh);
}
return is_collapse;
}
void QEM(PolyMesh* mesh)
{
if (mesh->numVertices() == 3)
return;
/// Initial Qv
for (MVert* vh : mesh->vertices())
{
MVector3 p_vh = vh->position();
Eigen::Matrix4d Q_temp;
Q_temp.setZero();
MVector3 face_nor;
double a, b, c, d;
Eigen::Matrix<double, 4, 1> p;
if (!mesh->isBoundary(vh))
{
for (auto vf_it = mesh->vf_iter(vh); vf_it.isValid(); ++vf_it)
{
face_nor = (*vf_it)->normal();
a = face_nor[0], b = face_nor[1], c = face_nor[2], d = -dot(face_nor, p_vh);
p = { a,b,c,d };
Q_temp += p * p.transpose();
}
Qv.insert(std::make_pair(vh, Q_temp));
}
else
{
for (auto vhh_it = mesh->voh_iter(vh); vhh_it.isValid(); ++vhh_it)
{
if (!(*vhh_it)->isBoundary())
{
MPolyFace* vf = (*vhh_it)->polygon();
MVector3 face_nor = vf->normal();
double a = face_nor[0], b = face_nor[1], c = face_nor[2], d = -dot(face_nor, p_vh);
Eigen::Matrix<double, 4, 1> p = { a,b,c,d };
Q_temp += p * p.transpose();
}
else
{
MHalfedge* hh_boundary = *vhh_it;
MHalfedge* prev_hh_boundary = hh_boundary->prev();
MPolyFace* face_hh = hh_boundary->pair()->polygon(), *face_prev_hh = prev_hh_boundary->pair()->polygon();
MVector3 face_hh_nor = face_hh->normal(), face_prev_hh_nor = face_prev_hh->normal();
MVector3 vir_face_hh_nor = cross(hh_boundary->tangent(), face_hh_nor).normalized(), vir_face_prev_hh_nor = cross(prev_hh_boundary->tangent(), face_prev_hh_nor).normalized();
double a = vir_face_hh_nor[0], b = vir_face_hh_nor[1], c = vir_face_hh_nor[2], d = -dot(vir_face_hh_nor, p_vh);
Eigen::Matrix<double, 4, 1> p = { a,b,c,d };
Q_temp += lambda * (p * p.transpose());
a = vir_face_prev_hh_nor[0], b = vir_face_prev_hh_nor[1], c = vir_face_prev_hh_nor[2], d = -dot(vir_face_prev_hh_nor, p_vh);
p = { a,b,c,d };
Q_temp += lambda * (p * p.transpose());
}
}
Qv.insert(std::make_pair(vh, Q_temp));
}
/*for (auto vf_it = mesh->vf_iter(vh); vf_it.isValid(); ++vf_it)
{
face_nor = (*vf_it)->normal();
double a = face_nor[0], b = face_nor[1], c = face_nor[2], d = -dot(face_nor, p_vh);
Eigen::Matrix<double, 4, 1> p = { a,b,c,d };
Q_temp += p * p.transpose();
}
Qv.insert(std::make_pair(vh, Q_temp));*/
}
///Initial Cost
for (MEdge* eh : mesh->edges())
{
State.insert(std::make_pair(eh, 0));
cal_Cost(eh);
}
/// simplification
int N_V = mesh->numVertices();
int target_num = std::min((int)(0.5*N_V), 1000);
while(N_V > target_num)
{
Edge_priority temp_edge = Cost.top();
Cost.pop();
MEdge* eh = temp_edge.eh;
if (temp_edge.state == State[eh])
{
if (eh->index() != -1)
{
if (QEM_collapse(temp_edge, mesh))
{
N_V--;
}
}
}
}
}
void qem_simplification()
{
char buffer[500];
getcwd(buffer, 500);
printf("The current directory is: %s/../\n", buffer);
string mesh_path = buffer;
mesh_path += "/../src/hw9/dragon.obj";
PolyMesh* mesh = new PolyMesh();
loadMesh(mesh_path, mesh);
// read input mesh
//PolyMesh* mesh = new PolyMesh();
//loadMesh("cat_open.obj", mesh);
clock_t start, end;
std::cout << "Begin QEM" << std::endl;
start = clock();
QEM(mesh);
end = clock();
std::cout << "time: " << (double)(end - start) / CLOCKS_PER_SEC << "s" << std::endl;
writeMesh("dragon-simplification-tri.obj", mesh);
}
效果展示
简化前
简化到20000点
简化10000点
简化到5000点
简化到2000点
简化到1000点
可以看到简化后网格数少了,基本形状还是维持得不错。
三角网格Loop细分
本人码农,希望通过自己的分享,让大家更容易学懂计算机知识。
开放原子开发者工作坊旨在鼓励更多人参与开源活动,与志同道合的开发者们相互交流开发经验、分享开发心得、获取前沿技术趋势。工作坊有多种形式的开发者活动,如meetup、训练营等,主打技术交流,干货满满,真诚地邀请各位开发者共同参与!
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