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        平面雙線性映射的伸縮率分析

        2021-10-30 08:59:30王旭輝
        大學(xué)數(shù)學(xué) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:定義

        李 倩, 王旭輝

        (合肥工業(yè)大學(xué) 數(shù)學(xué)學(xué)院,合肥230601)

        1 引 言

        平面(2D)變形是圖像處理中具有多種應(yīng)用程序的操作,有著廣泛的應(yīng)用.例如,利用WarpGAN自動(dòng)生成漫畫(huà)[1].平面變形在3D幾何參數(shù)化中也有著重要貢獻(xiàn)[2].

        經(jīng)典的平面變形方法有Free-From變形(FFD)[3]、Thin-Plate樣條(TPS)[4]和Mean-Value坐標(biāo)(MVC)[5],但它們并不能保證局部失真.因此,最近的平面變形強(qiáng)調(diào)控制局部失真,即保證角度的局部變形,為此引入了共形映射,可以最大程度地保留角度.因此,近年來(lái)共形映射及其近似被廣泛用于平面變形[6-9]以及參數(shù)化[10-11].但共形映射的自由度少,且很難插入四個(gè)及以上的點(diǎn)并保證單射性.

        在此基礎(chǔ)上,研究者提出最小化共形失真,即構(gòu)造最優(yōu)擬共形映射.例如,Lipman等[12]提出了4點(diǎn)插值公式(FPI),可以最小化最大共形失真且均勻分布在整個(gè)區(qū)域;Nian等[13]提出了一種基于交替方向乘法器(ADMM)迭代算法來(lái)計(jì)算Teichmüller映射,能產(chǎn)生更均勻的參數(shù)化,提高精度;Goswami等[14]在多邊形之間提出一種基于O(1/ε4)的迭代算法來(lái)獲得連續(xù)的極值擬共形映射,保證了伸縮商的減小;Weber等[15]基于Teichmüller對(duì)極值映射的全純二次微分伸縮商的刻畫(huà),提出了一種計(jì)算零類曲面極值擬共形映射分段線性逼近的算法,具有良好的收斂性;Lui等[16]提出了擬共形迭代(QC迭代)算法來(lái)計(jì)算Teichmüller映射,其基本思想是用Beltrami系數(shù)(BCs)表示微分同胚集,尋找與Teichmüller映射相關(guān)的Beltrami系數(shù)(BC),最后使用Linear Beltrami Solver(LBS)構(gòu)造最優(yōu)擬共形映射.

        本文在平面區(qū)域內(nèi)通過(guò)雙線性映射[17]構(gòu)造擬共形映射,針對(duì)平面凸四邊形,研究雙線性映射的伸縮率極值情況.

        2 預(yù)備知識(shí)

        本文考察雙線性映射的伸縮率極值情況.令z=s+it是一個(gè)復(fù)變量,其中i2=-1,s,t∈分別是z的實(shí)部和虛部,記為z的共軛.對(duì)于任意可微復(fù)變函數(shù)f(z),它將一個(gè)復(fù)平面映射到另一個(gè)復(fù)平面上,其導(dǎo)函數(shù)可被定義為

        定義1(擬共形映射) 假設(shè)f∶D?→是復(fù)變函數(shù),且具有連續(xù)偏導(dǎo).若f滿足Beltrami方程

        (1)

        且復(fù)值函數(shù)μf(z)滿足‖μf(z)‖∞<1,則稱f為擬共形映射.其中,μf(z)被稱為f的Beltrami系數(shù).

        擬共形映射的Beltrami系數(shù)μf(z)可以用來(lái)衡量共形程度.擬共形映射是一種從微小圓到微小橢圓的映射,其中橢圓的離心率即f的伸縮商是由旋轉(zhuǎn)角度arg(μf)/2的最大放大倍數(shù)1+|μf|和旋轉(zhuǎn)角度(arg(μf)-π)/2的最大縮小倍數(shù)1-|μf|給出(見(jiàn)圖1).因此,f(z)在z點(diǎn)處的伸縮商定義為

        f的最大伸縮商定義為

        由于當(dāng)‖μf‖∈[0,1) 時(shí),Kf關(guān)于‖μf‖成嚴(yán)格單調(diào)遞增,故討論伸縮商的最大值情況等價(jià)于討論‖μf‖的最大值情況.下面分析雙線性映射的伸縮商情況.

        3 雙線性映射

        給定平面上一個(gè)凸四邊形Q,其四個(gè)頂點(diǎn)分別為q00,q01,q10,q11∈2,且q00,q01,q10,q11為逆時(shí)針排序.將2上的向量(s,t)表示為復(fù)變量z=s+it的形式,則該四邊形的頂點(diǎn)qij=(xij,yij),i,j=0,1,可表示為qij=xij+iyij.定義雙線性映射如下:

        F(z)=x(s,t)+iy(s,t)=q00(1-s)(1-t)+q01(1-s)t+q10s(1-t)+q11st,

        (2)

        其中(s,t)∈Ω=[0,1]×[0,1].該雙線性映射為單位正方形區(qū)域映射到凸四邊形區(qū)域Q上的一一映射.

        由伸縮率函數(shù)的定義(1),雙線性映射F(z)的伸縮率函數(shù)μF可表示為

        從而

        (3)

        (4)

        引理1設(shè)H(s,t),G(s,t),N(s,t),D(s,t)如公式(4)所定義,則有如下關(guān)系式

        證由(4)得

        定理1雙線性映射F(z)對(duì)應(yīng)的γ(s,t)=|μF|2有且僅有一個(gè)駐點(diǎn),且在該駐點(diǎn)處取極小值.

        證首先記M?2是γ(s,t)的駐點(diǎn)集合,即

        由引理1可得

        所以

        M={(s,t)|HGs-HsG=HGt-HtG=0,D≠0,s,t∈}.

        由雙線性映射的定義(2)知

        deg(H)=2, deg(G)=deg(Hs)=deg(Ht)=1,

        所以deg(HGs-HsG)=deg(HGt-HtG)=2,因此M中最多存在4組解.另外,由(4)可知

        (5)

        可得

        (6)

        根據(jù)雙線性映射的定義(2),可得

        (7)

        為了簡(jiǎn)化計(jì)算,將(7)記為

        Fs=A0t+A1,Ft=A0s+A2,Fs t=A0,

        (8)

        其中A0=q00+q11-q01-q10,A1=q10-q00,A2=q01-q00.因此,(6)式的四個(gè)解可記為

        又因?yàn)镈=H-iG≠0,故只保留一組解,即

        (9)

        因此,γ(s,t)=|μF|2有且只有一個(gè)駐點(diǎn),即雙線性映射的伸縮率函數(shù)μF有且只有一個(gè)駐點(diǎn).

        再計(jì)算γ(s,t)的Hessian矩陣行列式值為

        代入(4),(5),(8)式和駐點(diǎn),可化簡(jiǎn)為

        (10)

        (11)

        令A(yù)1=q10-q00,A2=q01-q00,A3=q11-q10,則A0=A3-A2.將A1,A2,A3記為

        A1=ρ1eiθ1,A2=ρ2eiθ2,A3=ρ3eiθ3,

        (12)

        其中ρ0,ρ1,ρ2,ρ3是向量A0,A1,A2,A3的模長(zhǎng),θ1,θ2,θ3∈[0,π]為A1,A2,A3的輻角.則

        (13)

        (14)

        從而,(11)式化為

        故該駐點(diǎn)是極值點(diǎn).又

        所以在該駐點(diǎn)處取得極小值.

        例1給定一個(gè)平面凸四邊形Q1,其頂點(diǎn)分別為q00(0,0),q01(0,1),q10(2,0),q11(1,2),則從Ω到Q1的雙線性映射為

        F(z)=2s(1-t)+i(1-s)t+(1+2i)st,

        顯然,F(xiàn)s=2-(1-i)t,Ft=i-(1-i)s,Fs t=-1+i,其中A0=-1+i,A1=2,A2=i.

        又因?yàn)?/p>

        D=H-iG=9+12s+5s2-6t+5t2≠0,

        定理2雙線性映射F(z)的伸縮率函數(shù)μF的最大值發(fā)生在區(qū)域Ω的頂點(diǎn)處.

        證若γ(s,t)=|μF|2最大值在區(qū)域Ω=[0,1]×[0,1]內(nèi)部取得,由于γ(s,t)在除極點(diǎn)外充分光滑,那么γ(s,t)一定存在另一個(gè)駐點(diǎn),使得最大值發(fā)生在Ω內(nèi)部,與定理1矛盾.所以,γ(s,t)的最大值只能在邊界上取得.下面考察γ(s,t)在邊界s=0,s=1,t=0,t=1上的取值情形.由(4)和(8)式,可得

        下面只考察γ(s,t)在s=0上的取值情況,其余三條邊界類似.令

        顯然上式的分母在區(qū)間內(nèi)[0,1]不為零.對(duì)T0(t)求導(dǎo),可得

        由于T0(t)的一階導(dǎo)數(shù)的分母恒大于0,故只需討論其分子.令g(t)為上式的分子部分,即

        設(shè)g(t)=0,可得駐點(diǎn)

        由(12)知

        因此

        當(dāng)θ3>θ2時(shí)且q′00位于四邊形內(nèi)部時(shí),SΔq00q01q10>SΔq′00q01q10,即t>1(見(jiàn)圖2(a)(b));當(dāng)θ3>θ2時(shí)且q′00位于四邊形外部時(shí),q′00的位置在q00與q10之間,仍有SΔq00q01q10>SΔq′00q01q10,即t>1(見(jiàn)圖2(c)(d));當(dāng)θ3<θ2時(shí),ρ2ρ3sin(θ3-θ2)<0,即t<0.

        (i) 當(dāng)θ3>θ2時(shí),函數(shù)g(t)開(kāi)口向下,對(duì)稱軸t>1,那么在[0,1]間至多只有一個(gè)駐點(diǎn)t1.

        若t1在[0,1]內(nèi),此時(shí)在[0,t1]上g(t)<0,在[t1,1]上g(t)>0,則T0(t)在[0,t1]上單調(diào)遞減,[t1,1]上單調(diào)遞增.又t1是駐點(diǎn),取得極小值,故T0(t)的最大值在t=0或t=1處取得,即在頂點(diǎn)處取得最大值.

        若t1不在[0,1]內(nèi),此時(shí)g(t)在[0,1]上恒大于0或者恒小于0,則T0(t)在[0,1]上單調(diào).再考慮f(0)與f(1)的大小,有

        故T0(t)在[0,1]上單調(diào)遞增.又t1是駐點(diǎn),取得極小值,故T0(t)的最大值在t=1處取得,即在頂點(diǎn)處取得最大值.

        (ii) 當(dāng)θ3≤θ2時(shí),函數(shù)f(t)開(kāi)口向上,對(duì)稱軸t<0,那么在[0,1]間至多只有一個(gè)駐點(diǎn)t2.

        若t2在[0,1]內(nèi),此時(shí)在[0,t2]上g(t)<0,在[t2,1]上g(t)>0,則T0(t)在[0,t2]上單調(diào)遞減,[t2,1]上單調(diào)遞增.又t2是駐點(diǎn),取得極小值,故T0(t)的最大值在t=0或t=1處取得,即在頂點(diǎn)處取得最大值.

        若t2不在[0,1]內(nèi),此時(shí)g(t)恒大于0或者恒小于0,,則T0(t)在[0,1]上單調(diào).再考慮f(0)與f(1)的大小,有

        所以T0(t)在[0,1]上單調(diào)遞增.又t2是駐點(diǎn),取得極小值,故T0(t)的最大值在t=1處取得,即在頂點(diǎn)處取得最大值.

        故|μF|2的最大值發(fā)生在頂點(diǎn)處,即雙線性映射的伸縮率函數(shù)μF的最大值發(fā)生在頂點(diǎn)處.

        例2由例1,從單位正方形Ω到Q1的雙線性映射為

        F(z)=2s(1-t)+i(1-s)t+(1+2i)st,

        其伸縮率函數(shù)為

        可以得到伸縮率函數(shù)圖像(見(jiàn)圖4),且清楚看出μQ1的最大值發(fā)生在頂點(diǎn)處.

        例3給定一個(gè)平面凸四邊形Q2,其頂點(diǎn)分別為q00(0,0),q01(0,3),q10(2,0),q11(3,2).那么,從Ω到Q2的雙線性映射為G(z)=2s(1-t)+3i(1-s)t+(3+2i)st,其伸縮率函數(shù)為

        4 結(jié) 論

        本文討論了在平面區(qū)域上基于雙線性函數(shù)的擬共形映射的最大值發(fā)生情況.首先定義單位正方形區(qū)域到凸四邊形區(qū)域之間的雙線性函數(shù),然后在此基礎(chǔ)上求出擬共形映射的伸縮率函數(shù)μF,最終通過(guò)定理1和定理2給出了擬共形映射的最大值發(fā)生在平面凸四邊形的頂點(diǎn)處的結(jié)論.

        致謝作者非常感謝相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)本文的啟發(fā)以及審稿專家提出的寶貴意見(jiàn).

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