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Generalized Barycentric Coordinates Kai Hormann Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana Lugano Università della Svizzera italiana, Lugano

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Page 1: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Generalized Barycentric Coordinates

Kai Hormann

Faculty of InformaticsUniversità della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano

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Cartesian coordinates

point (2,2) with

x-coordinate: 2di 2y

2

3(2,2)

y-coordinate: 2

mathematically:

(2 2) 2 (1 0)

x1 2 3–3 –2 –1

1

–1

(0,0)

(–3,1) (2,2) = 2 · (1,0)+ 2 · (0,1)

in general:

–3

–2(1,–2)

(x,y) = x · (1,0)+ y · (0,1)

René Descartes(1596–1650)

x- and y-coordinatesw.r.t. base points

(1,0) and (0,1)

1 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

(1,0) and (0,1)

Page 3: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Barycentric coordinates

(1 0 0)

point (a,b,c) with 3 coordinates w.r.t. base points A B C(1,0,0)

(0.5,0.5,0)

(0,1,0)

base points A, B, C

mathematically:

(a b c) = a · A

(0.25,0.25,0.5)

(a,b,c) = a · A+ b · B+ c · C

where

(0,0,1)(0.25,–0.25,1)

whereA = (1,0,0)B = (0,1,0)

( )

August Ferdinand Möbius(1790–1868)

C = (0,0,1)and

a + b + c = 1

2 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

Page 4: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Barycentric coordinates

system of masses at positions

position of the system’s barycentre :position of the system s barycentre :

are the barycentric coordinates of

not unique

at leastpoints

needed tospan

3 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

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Barycentric coordinates

Theorem [Möbius, 1827] :

The barycentric coordinates of withThe barycentric coordinates of with respect to are unique up to a common factor

example:

4 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

Page 6: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Computing areas

area of triangle with vertices

similar for the triangles and

5 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

Page 7: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Barycentric coordinates for triangles

normalized barycentric coordinates

propertiesproperties

partition of unity

reproductionep oduct o

positivity

Lagrange propertyg g p p y

application

linear interpolation of data

6 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

linear interpolation of data

Page 8: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Generalized barycentric coordinates

finite-element-method with polygonal elements

convex [Wachspress 1975]convex [Wachspress 1975]

weakly convex [Malsch & Dasgupta 2004]

arbitrary [Sukumar & Malsch 2006]arbitrary [Sukumar & Malsch 2006]

interpolation of scattered datainterpolation of scattered data

natural neighbour interpolants [Sibson 1980]

f h h d– " – of higher order [Hiyoshi & Sugihara 2000]

Dirichlet tessellations [Farin 1990]

7 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

Page 9: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Generalized barycentric coordinates

parameterization of piecewise linear surfaces

shape preserving coordinates [Floater 1997]shape preserving coordinates [Floater 1997]

discrete harmonic (DH) coordinates [Eck et al. 1995]

mean value (MV) coordinates [Floater 2003]mean value (MV) coordinates [Floater 2003]

other applicationsother applications

discrete minimal surfaces [Pinkall & Polthier 1993]

l lcolour interpolation [Meyer et al. 2002]

boundary value problems [Belyaev 2006]

8 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

Page 10: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Arbitrary polygons

barycentric coordinates

normalized coordinatesnormalized coordinates

properties linear precision

partition of unity

reproduction

9 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

for all

Page 11: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Convex polygons[Floater, H. & Kós 2006]

Theorem: If all , then

positivity

[ , ]

positivity

Lagrange property

linear along boundarylinear along boundary

applicationapplication

interpolation of data given at the vertices

d h h ll f hinside the convex hull of the

direct and efficient evaluation

10 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

Page 12: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Examples

Wachspress (WP) coordinates

mean value (MV) coordinates

discrete harmonic (DH) coordinatesdiscrete harmonic (DH) coordinates

11 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

Page 13: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Normal form[Floater, H. & Kós 2006]

Theorem: All barycentric coordinates can be written as

[ , ]

with certain real functions

three-point coordinates

with

Theorem: Such a generating functiong g

exists for all three point coordinates

12 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

exists for all three-point coordinates

Page 14: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Three-point coordinates

Theorem: if and only if is

positivepositive

monotonic

convexconvex

sub-linear

examples

WP coordinates

MV coordinates

DH coordinates

13 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

Page 15: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Non-convex polygons

Wachspress mean value discrete harmonic

poles, if , because

14 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

Page 16: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Star-shaped polygons

Theorem: if and only if is

positivepositive

super-linear

examples

MV coordinates

DH coordinates

Th f if iTheorem: for some if is

strictly super-linear

15 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

Page 17: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Mean value coordinates[H. & Floater 2006]

Theorem: MV coordinates have no poles in

[ ]

16 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

Page 18: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Mean value coordinates

properties

well-defined everywhere in

Lagrange property

linear along boundaryg y

linear precision for

smoothness at , otherwise,

similarity invariance for

application

direct interpolation of data

17 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

Page 19: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Implementation

Mean Value coordinates

18 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

Page 20: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Implementation

efficient and robust evaluation of the function

19 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

Page 21: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Colour interpolation

20 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

Page 22: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Vector fields

21 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

Page 23: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Smooth shading

22 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

Page 24: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Rendering of quadrilateral elements

23 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

Page 25: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Transfinite interpolation

mean value coordinates radial basis functions

24 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

Page 26: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Mesh animation

25 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

Page 27: Faculty of Informatics Università della Svizzera italiana ... · Università della Svizzera italiana LuganoUniversità della Svizzera italiana, Lugano. Cartesian coordinates point

Image warping

original image warped imagemask

26 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

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Mesh warping

MV coordinates in 3D [Ju et al. 2005]

negative inside the domain

positive MV coordinates [Lipman et al. 2007]

MVC PMVC

only C0-continuous

no closed form

27 Generalized Barycentric Coordinates – New York – 25 July 2012

MVC PMVC