Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2012. / ENGLISH ABSTRACT: Subdivision is an important and e cient tool for rendering smooth curves and surfaces in computer graphics, by repeatedly applying a subdivision (re ning) scheme to a given set of points. In the literature, attention has been mostly restricted to developing binary subdivision schemes. The primary emphasis of this thesis is on ternary subdivision, and in particular on the interpolatory case. We will derive a symmetric ternary interpolatory subdivision scheme for the rendering of curves, satisfying analogous properties to the Dubuc-Deslauriers binary scheme. Explicit construction methods, as well as a corresponding convergence analysis, will be presented. Graphical illustrations of the results will also be provided. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Subdivisie bied 'n belangrike en doeltre ende metode om gladde krommes en oppervlakke in rekenaargra ka te genereer. Hierdie metode behels dat 'n subdivisieskema (of verfyningskema) herhaaldelik toegepas word op 'n gegewe versameling punte. In die literatuur word daar hoofsaaklik gefokus op die ont- wikkeling van bin^ere subdivisieskemas. In hierdie tesis word die klem gel^e op tern^ere subdivisieskemas, en in die besonder op interpolerende skemas. Ons sal 'n simmetriese tern^ere interpolerende subdivisieskema, wat analo e eienskappe as di e van die Dubuc-Deslauriers bin^ere skema bevredig, ontwikkel, om krom- mes te lewer. Eksplisiete konstruksiemetodes en ooreenkomstige konvergensie- analise, asook gra ese illustrasies van die resultate, sal getoon word.

De nos jours, les objets virtuels sont devenus omniprésents. On les trouve dans de nombreux domaines comme le divertissement (cinéma, jeux vidéo, etc.), la conception assistée par ordinateur ou encore la réalité virtuelle. Nous nous intéressons en particulier à la modélisation d'objets 3D dans le domaine de la création artistique. Ici, la création d'images riches nécessite de faire appel à des modèles très détaillés et donc extrêmement complexes. Les surfaces de subdivision, traditionnellement utilisées dans ces domaines, voient leur complexité croître rapidement lorsqu'on ajoute des détails, et la gestion de la connectivité du maillage de contrôle devient trop contraignante. Une approche standard pour gérer la complexité de tels modèles est d'utiliser des représentations différentes pour la forme générale de la surface et les détails. Cependant, ces détails sont représentés par des cartes matricielles qui ne possèdent pas la plupart des avantages des représentations vectorielles, et cela complexifie certaines tâches, comme par exemple l'animation. Dans cette thèse, nous proposons deux nouvelles représentations vectorielles, la première pour les surfaces de base, la deuxième pour les détails. Nous utilisons pour cette dernière une représentation vectorielle appelée images de diffusion permettant de créer des variations lisses à l'aide d'un ensemble réduit de contraintes. Cela nous permet de représenter aussi bien la géométrie que la couleur ou d'autres paramètres nécessaires au rendu de façon purement vectoriel, en conservant des contrôles de haut niveau.Notre première contribution est une représentation de surfaces, baptisée LS3, issue de la combinaison entre surfaces de subdivision et -point set surfaces. Cette approche réduit notablement les artefacts des surfaces de subdivision aux alentours de sommets dits extraordinaires, qui sont connus pour poser problème. Nous présentons une analyse numérique des propriétés de ces surfaces, qui tend à montrer que du point de vue de la continuité elles se comportent au moins aussi bien que les schémas de subdivision linéaires traditionnels. Notre deuxième contribution est un solveur pour les images de diffusion dont le principal avantage est de produire en sortie une autre représentation vectorielle légère et très rapide à évaluer. Nous illustrons la force de note solveur sur de nombreux exemples difficiles ou impossibles à réaliser avec les méthodes précédentes. Pour conclure, nous montrons comment combiner nos deux contributions pour obtenir une représentation de surface entièrement vectorielle capable de représenter des détails sans avoir à manipuler la connectivité d'un maillage. / Nowadays, virtual objects have become omnipresent. We can find them in various domains such as entertainment (movies, video games, etc.), computer-aided design or virtual reality. Our main focus in this document is the modeling of 3D objects in the domain of artistic creation, where rich images creation requires highly detailed and complex models.Subdivision surfaces, the most used surface representation in this domain, quickly become very dense as the user add details, and manual handling of the connectivity becomes too cumbersome. A standard approach to handle the complexity of such models is to separate the overall shape of the surface and the details. Although, these detail maps are often stored in bitmap images that does not provide the advantages of vectorial representation, which complicate some tasks, like animation.In this document, we present two new vectorial representations: the first one for the base surface, the second one for the detail maps. For the later, we use a vectorial representation called diffusion images that allow to create smooth or sharp variations from a small set of constraints. This enables us to represent geometry as well as color or any other parameter required for rendering, while keeping high-level controls.Our first contribution is a surface representation, called LS3, based on the combination of subdivision surfaces and point set surfaces. This approach reduces notably artifacts that subdivision surfaces produce around so called extraordinary vertices. We also present a numerical analysis of the mathematical properties of these surfaces, that show that they behave at least as well as classical subdivision schemes.Our second contribution is a solver for diffusion images that has the particularity to produce as output a denser vectorial representation which is light and fast to evaluate. We show the advantages of this approach on several examples that would be hard or impossible to produce with former methods.To conclude, we show how these two contributions can be used together to obtain a fully vectorial surface representation able to produce detailed surfaces without needing to deal with complex connectivity.

This thesis describes extensions to 2D and 3D model-based segmentation algorithms for the analysis of ultrasound images and sequences. Starting from a common 2D+t "track-to-last" algorithm, it is shown that the typical method of searching for boundary candidates perpendicular to the model contour is unnecessary if, for each boundary candidate, its corresponding position on the model contour is optimised jointly with the model contour geometry. With this observation, two 2D+t segmentation algorithms, which accurately recover boundary displacements and are capable of segmenting arbitrarily long sequences, are formulated and validated. Generalising to 3D, subdivision surfaces are shown to be natural choices for continuous model surfaces, and the algorithms necessary for joint optimisation of the correspondences and model surface geometry are described. Three applications of 3D model-based segmentation for ultrasound image analysis are subsequently presented and assessed: skull segmentation for fetal brain image analysis; face segmentation for shape analysis, and single-frame left ventricle (LV) segmentation from echocardiography images for volume measurement. A framework to perform model-based segmentation of multiple 3D sequences - while jointly optimising an underlying linear basis shape model - is subsequently presented for the challenging application of right ventricle (RV) segmentation from 3D+t echocardiography sequences. Finally, an algorithm to automatically select boundary candidates independent of a model surface estimate is described and presented for the task of LV segmentation. Although motivated by challenges in ultrasound image analysis, the conceptual contributions of this thesis are general and applicable to model-based segmentation problems in many domains. Moreover, the components are modular, enabling straightforward construction of application-specific formulations for new clinical problems as they arise in the future.

This thesis presents a new technique for the reconstruction of a smooth surface from a set of 3D data points. The reconstructed surface is represented by an everywhere -continuous subdivision surface which interpolates all the given data points. And the topological structure of the reconstructed surface is exactly the same as that of the data points. The new technique consists of two major steps. First, use an efficient surface reconstruction method to produce a polyhedral approximation to the given data points. Second, construct a Doo-Sabin subdivision surface that smoothly passes through all the data points in the given data set. A new technique is presented for the second step in this thesis. The new technique iteratively modifies the vertices of the polyhedral approximation 1CM until a new control meshM, whose Doo-Sabin subdivision surface interpolatesM, is reached. It is proved that, for any mesh M with any size and any topology, the iterative process is always convergent with Doo-Sabin subdivision scheme. The new technique has the advantages of both a local method and a global method, and the surface reconstruction process can reproduce special features such as edges and corners faithfully.

Spindulių trasavimas ir padalijimo paviršiai yra svarbūs įrankiai realistiškai atrodantiems vaizdams generuoti. Padalijimas – tai algoritmas, leidžiantis gauti glotnius paviršius pakartotinai dalijant gardeles. Spindulių trasavimas yra technologija, kuri remiasi apšvietimo skaičiavimu. Jos dėka galima gauti atspindžius, permatomumą, spindulių lūžimą kertant skaidrius objektus, taipogi realistiškus šešėlius. Mūsų darbo tikslas buvo suderinti šiuos du metodus, kuriant programinę priemonę, kuri leistų gauti sudėtingų objektų idealiai glotnius aukštos kokybės realistiškus vaizdus. Siekdami to, mes pritaikėme ir tokias kompiuterinės grafikos technologijas, kaip dengimas tekstūromis ir tūrių algebra. / Ray tracing and subdivision surfaces are important tools for generating realistic looking images. Subdivision is an algorithmic technique to generate smooth surfaces as a sequence of successively refined polyhedral meshes. Ray tracing is a technique that performs global calculations of lighting and shading, reflection and transmission of light, casting of shadows, and other effects. The basic idea behind ray tracing is to follow the paths of light rays around a 3-D scene. Our goal is generation of a high-quality realistic images by combining these two techniques. We also implemented other computer graphics methods designed to increase image realism (Texture Mapping) and to simplify modeling process (Boolean operations with solids).

This work focuses on generating approximations of complex T-spline surfaces with similar but less complex T-splines. Two approaches to simplifying T-splines are proposed: a bottom-up approach that iteratively refines an over-simple T-spline to approximate a complex one, and a top-down approach that evaluates existing control points for removal in producing an approximations. This thesis develops and compares the two simplification methods, determining the simplification tasks to which each is best suited. In addition, this thesis documents supporting developments made to T-spline research as simplification was developed.

Les surfaces de subdivision fournissent une méthode alternative prometteuse dans la modélisation géométrique, et ont des avantages sur la représentation classique de trimmed-NURBS, en particulier dans la modélisation de surfaces lisses par morceaux. Dans ce mémoire, nous considérons le problème des opérations géométriques sur les surfaces de subdivision, avec l'exigence stricte de forme topologique correcte. Puisque ce problème peut être mal conditionné, nous proposons une approche pour la gestion de l'incertitude qui existe dans le calcul géométrique. Nous exigeons l'exactitude des informations topologiques lorsque l'on considère la nature de robustesse du problème des opérations géométriques sur les modèles de solides, et il devient clair que le problème peut être mal conditionné en présence de l'incertitude qui est omniprésente dans les données. Nous proposons donc une approche interactive de gestion de l'incertitude des opérations géométriques, dans le cadre d'un calcul basé sur la norme IEEE arithmétique et la modélisation en surfaces de subdivision. Un algorithme pour le problème planar-cut est alors présenté qui a comme but de satisfaire à l'exigence topologique mentionnée ci-dessus. / Subdivision surfaces are a promising alternative method for geometric modelling, and have some important advantages over the classical representation of trimmed-NURBS, especially in modelling piecewise smooth surfaces. In this thesis, we consider the problem of geometric operations on subdivision surfaces with the strict requirement of correct topological form, and since this problem may be ill-conditioned, we propose an approach for managing uncertainty that exists inherently in geometric computation. We take into account the requirement of the correctness of topological information when considering the nature of robustness for the problem of geometric operations on solid models, and it becomes clear that the problem may be ill-conditioned in the presence of uncertainty that is ubiquitous in the data. Starting from this point, we propose an interactive approach of managing uncertainty of geometric operations, in the context of computation using the standard IEEE arithmetic and modelling using a subdivision-surface representation. An algorithm for the planar-cut problem is then presented, which has as its goal the satisfaction of the topological requirement mentioned above.

Les surfaces de subdivision fournissent une méthode alternative prometteuse dans la modélisation géométrique, et ont des avantages sur la représentation classique de trimmed-NURBS, en particulier dans la modélisation de surfaces lisses par morceaux. Dans ce mémoire, nous considérons le problème des opérations géométriques sur les surfaces de subdivision, avec l'exigence stricte de forme topologique correcte. Puisque ce problème peut être mal conditionné, nous proposons une approche pour la gestion de l'incertitude qui existe dans le calcul géométrique. Nous exigeons l'exactitude des informations topologiques lorsque l'on considère la nature de robustesse du problème des opérations géométriques sur les modèles de solides, et il devient clair que le problème peut être mal conditionné en présence de l'incertitude qui est omniprésente dans les données. Nous proposons donc une approche interactive de gestion de l'incertitude des opérations géométriques, dans le cadre d'un calcul basé sur la norme IEEE arithmétique et la modélisation en surfaces de subdivision. Un algorithme pour le problème planar-cut est alors présenté qui a comme but de satisfaire à l'exigence topologique mentionnée ci-dessus. / Subdivision surfaces are a promising alternative method for geometric modelling, and have some important advantages over the classical representation of trimmed-NURBS, especially in modelling piecewise smooth surfaces. In this thesis, we consider the problem of geometric operations on subdivision surfaces with the strict requirement of correct topological form, and since this problem may be ill-conditioned, we propose an approach for managing uncertainty that exists inherently in geometric computation. We take into account the requirement of the correctness of topological information when considering the nature of robustness for the problem of geometric operations on solid models, and it becomes clear that the problem may be ill-conditioned in the presence of uncertainty that is ubiquitous in the data. Starting from this point, we propose an interactive approach of managing uncertainty of geometric operations, in the context of computation using the standard IEEE arithmetic and modelling using a subdivision-surface representation. An algorithm for the planar-cut problem is then presented, which has as its goal the satisfaction of the topological requirement mentioned above.