Minkowski-Lorentz Spaces Applications: Resolution of Apollonius and Dupin Problems

International audience

Estimation géométrique des tangentes à partir de coniques et algèbre géométrique. Exemples sous GAviewer

National audience; Les nombres complexes sont fortement liés à la géométrie plane. Si les rotations, symétries et similitudes planes parmi d'autres s'expriment aisément à l'aide des complexes, le mérite de ce mode de représentation prend tout son sens dans toutes les compositions de ces transformations. Cette algébrisation des problèmes géométriques est le fil directeur de l'article. Elle fournit ainsi des formules de calcul aisément exploitables sur ordinateur. A titre d'exemple, l'article propose un algorithme géométrique de calcul de tangentes à une conique, son adaptation au contexte de l'algèbre géométrique et son implémentation au moyen d'un logiciel dédié. L'algorithme repose sur le …

Espace de Minkowski-Lorentz et des sphères : un état de l'art

International audience; Dans cet article, nous faisons une présentation de l'espace de Minkowski-Lorentz généralisant, à Ê 5 l'espace utilisé dans la théorie de la relativité. Cet espace de dimension 5 contient un paraboloïde de dimension 3 et isométrique à l'espace affine euclidien usuel E 3 , l'ensembles des sphères et plans orientés de E 3 regroupés sur une pseudo-sphère unité de dimension 4. Une premier avantage de cet espace est l'écriture intuitive d'une sphère qui est caractérisée par un point, un vecteur normal en ce point et une courbure. Un deuxième avantage est la manipulation de surfaces canal qui sont représentées par des courbes. Un troisième avantage concernant la simplificat…

Dupin cyclide blends between non-natural quadrics of revolution and concrete shape modeling applications

Abstract In this work, we focus on the blending of two quadrics of revolution by two patches of Dupin cyclides. We propose an algorithm for the blending of non-natural quadrics of revolution by decomposing the blending operation into two complementary sub-blendings, each of which is a Dupin cyclide-based blending between one of the two quadrics and a circular cylinder, thus enabling the direct computation of the two Dupin cyclide patches and offering better flexibility for shape composition. Our approach uses rational quadric Bezier curves to model the relevant arcs of the principal circles of Dupin cyclides. It is quite general and we have successfully used it for the blending of several n…

INITIAL PARAMETRIC REPRESENTATION OF BLOBS

Blobs, developed by J.F. Blinn in 1982, are the implicit surfaces obtained by composition of a real numerical function and a distance function. Since, many authors (C. Murakami, H. Nishimura, G. Wyvill…) defined their own function of density, from these implicit surfaces are interesting from several points of view. In particular, their fusion makes it possible to easily obtain an implicit equation of resulting surface. However, these surfaces do not admit a parametric equation yet. In this article, we will establish the parametric equation of two blobs in fusion, defined by the function of density of C. Murakami, by using an algebraic method. Then, we will develop another method, based on …

Courbe d'une fraction rationnelle et courbes de Bézier à points massiques

Modelling polynomial curves or arcs with Bezier curves can be seen as a basis conversion not so easy for the rational curves. The classical representation of Rational curves based on controlled points with non negative weights as in NURBS does not cover all rational curves. This can be fixed by using the rational Bezier representation by mass points that are weighted points with negative or null weights. The curve of any rational function includes arcs denoted as connex components. These curves and their asymptotic lines are here modelled by the use of mass control points. The asymptotic lines are described by a point that are one weighted point or a vector. An algorithm proposes to represe…

Homographic and quadratic parameter changes for Bézier curves with mass points of control

Points massiques, hyperbole et hyperboloïde à une nappe

National audience; Les courbes de Bézier rationnelles quadratiques jouent un rôle fondamental pour la modélisation d'arcs de coniques propre. Cependant, lorsque les deux points extrémaux de l'arc ne sont pas sur la même branche d'une hyperbole, l'utilisation des courbes de Bézier classiques est impossible. Il suffit de considérer les points massiques, à la place des points pondérés, pour remédier à ce problème. De plus, nous gardons la structure (pseudo)-métrique du plan dans lequel nous nous trouvons et il possible de modéliser une branche d'hyperbole dont les extrémités sont deux vecteurs, non colinéaires, de même norme, définis par les directions des asymptotes. Nous donnons comme applic…

Blending canal surfaces along given circles using Dupin cyclides

We study blends between canal surfaces using Dupin cyclides via the space of spheres. We have already studied the particular case where it is possible to blend two canal surfaces using one piece of Dupin cyclide bounded by two characteristic circles, but this is not possible in the general case. That is why we solve this problem using two pieces of different cyclides, which is always possible. To get this conclusion and give the algorithms allowing to obtain such a result, we study, at first, the blend between two circles by a piece of cyclide. We impose to the cyclide to be tangent to a given sphere containing one of the circles. We give the existence condition on the previous circles to h…

Usage des points massiques et des courbes de Bézier pour la modélisation des cubiques

International audience; Cet article étend l'étude des points singuliers et des points d'inflexion des courbes rationnelles cubiques en s'ins-pirant de la méthode proposée par M. Sakai dans le cadre des points massiques. L'intérêt des points massiques est de généraliser le tracé des courbes admettant des points doubles et de contrôler sans calcul supplémentaire l'en-semble des fonctions algébriques cubiques. Un exemple d'application est la réalisation de lettre à l'anglaise ou lettre manuscrite. Les courbes de Bézier permettent d'approcher des profils complexes, le travail présenté permet d'aborder de la même manière l'ensemble des courbes, ce que ne permet pas les splines cubiques d'Hermite.

Conversion of Dupin Cyclide Patches into Rational Biquadratic Bézier Form

This paper uses the symmetry properties of circles and Bernstein polynomials to establish a series of interesting barycentric properties of rational biquadratic Bezier patches. A robust algorithm is presented, based on these properties, for the conversion of Dupin cyclide patches into Bezier form. A set of conversion examples illustrates the use of this algorithm.

Jointure G 2 de deux courbes par une courbe de Bézier rationnelle à points massiques de contrôle

Cet article s'intéresse aux jointures entre deux courbes données par une courbe de Bézier rationnelle quintique à points massiques de contrôle. Pour ce faire, les propriétés différentielles de ces courbes de Bézier fournissent les formules de calcul des courbures en 0 et 1 ainsi que le cercle osculateur idoine. Chaque jointure présente deux degrés de liberté où deux points appartiennent chacun à une droite. Si la jointure G 2 est aussi une jointure C 2 alors la solution est unique. Après le cas d'école d'une jointure entre un cercle et une droite et en guise d'illustration des résultats, deux exemples de jointures entre les boucles d'un Folium de Descartes et d'une Lemniscate de Bernouilli …

The non-degenerate Dupin cyclides in the space of spheres using Geometric Algebra

International audience; Dupin cyclides are algebraic surfaces of degree 4 discovered by the French mathematician Pierre-Charles Dupin early in the 19th century and \textcolor{black}{were} introduced in CAD by R. Martin in 1982. A Dupin cyclide can be defined, in two different ways, as the envelope of a one-parameter family of oriented spheres. So, it is very interesting to model the Dupin cyclides in the space of spheres, space wherein each family of spheres can be seen as a conic curve. In this paper, we model the non-degenerate Dupin cyclides and the space of spheres using Conformal Geometric Algebra. This new approach permits us to benefit from the advantages of the use of Geometric Alge…

Points massiques, espace des sphères et « hyperbole »

The use of massic points permits to define a branch of a hyperbola in the Euclidean plane using a Rational Quadratic Bézier Curve. In the space of spheres, a circular cone, a circular cylinder, a torus, a pencil of spheres or a Dupin cyclide is represented by a conic. If the kind of the pencil is Poncelet or if the canal surface is a circular cone, a spindle torus, a spindle or a horned Dupin cyclide, the curve is a circle which is seen as a hyperbole. The limit points of the pencil or the singular points of the Dupin cyclide can be determined using the asymptotes of this circle. In this article, we show that the use of massic points simplifies the modelization of these pencils or these Dup…

Blending Planes and Canal Surfaces Using Dupin Cyclides

We develop two different new algorithms of G1-blending between planes and canal surfaces using Dupin cyclides. It is a generalization of existing algorithms that blend revolution surfaces and planes using a plane called construction plane. Spatial constraints were necessary to do that. Our work consist in building three spheres to determine the Dupin cyclide of the blending. The first algorithm is based on one of the definitions of Dupin cyclides taking into account three spheres of the same family enveloping the cyclide. The second one uses only geometric properties of Dupin cyclide. The blending is fixed by a circle of curvature onto the canal surface. Thanks to this one, we can determine…

Computation of Yvon-Villarceau circles on Dupin cyclides and construction of circular edge right triangles on tori and Dupin cyclides

Ring Dupin cyclides are non-spherical algebraic surfaces of degree four that can be defined as the image by inversion of a ring torus. They are interesting in geometric modeling because: (1) they have several families of circles embedded on them: parallel, meridian, and Yvon-Villarceau circles, and (2) they are characterized by one parametric equation and two equivalent implicit ones, allowing for better flexibility and easiness of use by adopting one representation or the other, according to the best suitability for a particular application. These facts motivate the construction of circular edge triangles lying on Dupin cyclides and exhibiting the aforementioned properties. Our first contr…

Skeleton-Based Multiview Reconstruction

International audience; The advantage of skeleton-based 3D reconstruction is to completely generate a single 3D object from well chosen views. Having numerous views is necessary for a reliable reconstruction but projections of skeletons lead to different topologies. We reconstruct 3D objects with curved medial axis (whose topology is a tree) from the perspective skeletons on an arbitrary number of calibrated acquisitions. The main contribution is to estimate the 3D skeleton, from multiple images: its topology is chosen as the closest to those of the perspective skeletons on the set of images, which means that the number of topology changes to map the 3D skeleton topology to topologies on im…

Courbes de Bézier quadratiques et nombres complexes massiques

International audience; Les courbes de Bézier quadratiques jouent un rôle fondamental pour la modélisation d'arcs de coniques. L'utili-sation de points massiques permet de modéliser des demi-coniques dans le plan affine euclidien ou des surfaces canal dans l'espace de Minkowski-Lorentz. L'utilisation des nombres complexes permet de simplifier beaucoup de raisonnements en géométrie et de simplifier l'utilisation des transformations affines planes. Dans cet article, nous définissons dans un premier temps les nombres complexes massiques et dans un second temps, nous modéli-sons des arcs de coniques en utilisant des courbes de Bézier rationnelles quadratiques avec des points complexes massiques…

Une introduction aux points massiques

International audience; L’article présente une série de résultats du domaine de la conception géométrique et fabrication assistée par ordinateur. Les courbes planes sont modélisées par des courbes Bézier rationnelles connues par la donnée de points massiques de contrôle. Le cas des coniques illustre ce mode de représentation. Une hyperbole peut ainsi être définie par un point pondéré et deux vecteurs purs. L’hyperbole est ensuite tracée sur un hyperboloïde à une nappe. La forme quadratique non dégénérée et non positive attachée à l’hyperboloïde permet de voir la quadrique comme une sphère unité. Ces travaux constituent un premier pas vers l’ espace de Minkowski-Lorentz et l’espace des sphèr…

Conversion d'un carreau de Bézier rationnel biquadratique en un carreau de cyclide de Dupin quartique

Dupin cyclides were introduced in 1822 by the French mathematician C-P. Dupin. They are algebraic surfaces of degree 3 or 4. The set of geometric properties of these surfaces has encouraged an increasing interest in using them for geometric modeling. A couple of algorithmes is already developed to convert a Dupin cyclide patch into a rational biquadratic Bezier patch. In this paper, we consider the inverse problem: we investigate the conditions of convertibility of a Bezier patch into a Dupin cyclide one, and we present a conversion algorithm to compute the parameters of a Dupin cyclide with the boundary of the patch that corresponds to the given Bezier patch.

Iterative construction of Dupin cyclides characteristic circles using non-stationary Iterated Function Systems (IFS)

International audience; A Dupin cyclide can be defined, in two different ways, as the envelope of an one-parameter family of oriented spheres. Each family of spheres can be seen as a conic in the space of spheres. In this paper, we propose an algorithm to compute a characteristic circle of a Dupin cyclide from a point and the tangent at this point in the space of spheres. Then, we propose iterative algorithms (in the space of spheres) to compute (in 3D space) some characteristic circles of a Dupin cyclide which blends two particular canal surfaces. As a singular point of a Dupin cyclide is a point at infinity in the space of spheres, we use the massic points defined by J.C. Fiorot. As we su…

G1-Blend between a Differentiable Superquadric of Revolution and a Plane or a Sphere Using Dupin Cyclides

In this article, we present a method to perform G1-continuous blends between a differentiable superquadric of revolution and a plane or a sphere using Dupin cyclides. These blends are patches delimited by four lines of curvature. They allow to avoid parameterization problems that may occur when parametric surfaces are used. Rational quadratic Bezier curves are used to approximate the principal circles of the Dupin cyclide blends and thus a complex 3D problem is now reduced to a simpler 2D problem. We present the necessary conditions to be satisfied to create the blending patches and illustrate our approach by a number of superellipsoid/plane and superellipsoid/sphere blending examples.

Iterative constructions of central conic arcs using non-stationary IFS

Several methods of subdivision exist to build parabola arcs or circle arcs in the usual Euclidean affine plane. Using a compass and a ruler, it is possible to construct, from three weighted points, circles arcs in the affine space without projective considerations. This construction is based on rational quadratic Bézier curve properties. However, when the conic is an ellipse or a hyperbola, the weight computation is relatively hard. As the equation of a conic is $\qaff(x,y)=1$, where $\qaff$ is a quadratic form, one can use the pseudo-metric associed to $\qaff$ in the affine plane and then, the conic geometry is also handled as an Euclidean circle. At each step of the iterative algorithm, t…

Solving the pentahedron problem

Nowadays, all geometric modelers provide some tools for specifying geometric constraints. The 3D pentahedron problem is an example of a 3D Geometric Constraint Solving Problem (GCSP), composed of six vertices, nine edges, five faces (two triangles and three quadrilaterals), and defined by the lengths of its edges and the planarity of its quadrilateral faces. This problem seems to be the simplest non-trivial problem, as the methods used to solve the Stewart platform or octahedron problem fail to solve it. The naive algebraic formulation of the pentahedron yields an under-constrained system of twelve equations in eighteen unknowns. Even if the use of placement rules transforms the pentahedron…

Dupin Cyclide Blends Between Quadric Surfaces for Shape Modeling

We introduce a novel method to define Dupin cyclide blends between quadric primitives. Dupin cyclides are nonspherical algebraic surfaces discovered by French mathematician Pierre-Charles Dupin at the beginning of the 19th century. As a Dupin cyclide can be fully characterized by its principal circles, we have focussed our study on how to determine principal circles tangent to both quadrics being blended. This ensures that the Dupin cyclide we are constructing constitutes aG 1 blend. We use the Rational Quadratic Bezier Curve (RQBC) representation of circular arcs to model the principal circles, so the construction of each circle is reduced to the determination of the three control points o…

Espace de Minkowski-Lorentz et des sphères : un état de l’art

International audience; Dans cet article, nous faisons une présentation de l'espace de Minkowski-Lorentz généralisant, a E 5 l'espace utilise dans la théorie de la relativité. Cet espace de dimension 5 contient un paraboloïde de dimension 3 et isométrique a l'espace affine euclidien usuel E 3 , l'ensemble des sphères et plans orientes de E 3 regroupes sur une pseudo-sphère unité de dimension 4. Une premier avantage de cet espace est l'écriture intuitive d'une sphère qui est caractérisée par un point, un vecteur normal en ce point et une courbure. Un deuxième avantage est la manipulation de surfaces canal qui sont représentées par des courbes. Un troisième avantage concernant la simplificati…

Points massiques, courbes de Bézier quadratiques et coniques : un état de l'art

It is well known quadratic Bézier curves define conics. The use of massic points permits to define a semi-conic in the Euclidean plane. Moreover, from a given quadratic Bézier curve, we can determine the properties of the underlying conic. Moreover, the choice of an adequat non-degenerate indefinite quadratic form permits to see the non-degenerate central conic as an unitary circle.

Modéliser un demi-cercle et autres questions de poids nuls

National audience; Les courbes de Bézier rationnelles avec des points pondérés peinent à prendre en compte certaines situations élémentaires comme la modélisation d'un demi-cercle avec une courbe de degré 2. Dans cet article nous mon-trons comment l'utilisation de courbes de Bézier rationnelles avec des points massiques résout ce problème. Plus largement, nous montrons aussi que la formulation usuelle de Bézier rationnelles n'est pas complète.

From Dupin cyclides to scaled cyclides

Dupin cyclides are algebraic surfaces introduced for the first time in 1822 by the French mathematician Pierre-Charles Dupin. They have a low algebraic degree and have been proposed as a solution to a variety of geometric modeling problems. The circular curvature line’s property facilitates the construction of the cyclide (or the portion of a cyclide) that blends two circular quadric primitives. In this context of blending, the only drawback of cyclides is that they are not suitable for the blending of elliptic quadric primitives. This problem requires the use of non circular curvature blending surfaces. In this paper, we present another formulation of cyclides: Scaled cyclides. A scaled cy…

Subdivisions of Ring Dupin Cyclides Using Bézier Curves with Mass Points

Dupin cyclides are algebraic surfaces introduced for the first time in 1822 by the French mathematician Pierre-Charles Dupin. A Dupin cyclide can be defined as the envelope of a one-parameter family of oriented spheres, in two different ways. R. Martin is the first author who thought to use these surfaces in CAD/CAM and geometric modeling. The Minkowski-Lorentz space is a generalization of the space-time used in Einstein’s theory, equipped of the non-degenerate indefinite quadratic form $$Q_{M} ( \vec{u} ) = x^{2} + y^{2} + z^{2} - c^{2} t^{2}$$ where (x, y, z) are the spacial components of the vector $$ \vec{u}$$ and t is the time component of $$ \vec{u}$$ and c is the constant of the spee…

Points massiques, cubiques Bézier rationnelles et leur points singuliers

National audience; Cet articleétend l'étude des points singuliers des courbes rationnelles cubiques. Ellle porte sur les points d'inflexion, les points doubles et points de rebroussement. Les courbes cubiques rationnelleś etudiées sont décrites au moyen de la technique des points massiques. Un point massique est soit un point pondéré soit un vecteur pur. Il prend le statut de point de contrôle pour une représentation pa-ramétrique exploitable sur ordinateur dans le domaine de la géométrie de la Conception Assistée par Ordinateur. L'intérêt des points massiques est de pouvoir généraliser le tracé des courbes admettant des points doubles et de contrôler sans calcul supplémentaire l'ensemble d…

Nouveaux modèles géométriques pour la CAO et la synthèse d'images

La géométrie du 21ème siècle est indissociable de l'ordinateur. La performance des logiciels de géométrie qu'ils soient gratuits ou sous licence d'exploitation s'accroit de jour en jour. La plupart repose sur la représentation de courbes à l'aide de points de contrôle communément appelés courbes Bézier ou courbes splines. L'ouvrage traite de ses courbes représentées par des points massiques c'est à dire des points pondérés ou des vecteurs. Plongées dans un espace non euclidien dit espace de Minkovski- Lorentz, elles servent à la représentation de surfaces canal, enveloppes de sphères orientées. En particulier, les coniques planes représentées par des points massiques de contrôle, placées da…

Surface canal, squelette et espace des sphères

A canal surface is the envelope of a one-parameter familly of oriented spheres. With the knowledge of center an radius functions associated to it, it is easy to compute a parametrisation of the surface. In this article, we study the inverse operation, which is the search for the spheres in the canal surface. By selecting a point on the boundary and using the sphere space, we estimate the maximal sphere tangent with this point and a second point on the boundary. Furthermore, we estimate a second sphere, which allows to build the characteiristic circle of the canal surface. So this article consists in a new approach of the skeletonization of an object. Indeed, a skeleton is a shape representa…

Espace de Minkowski-Lorentz et des sphères : un état de l'art

Dans cet article, nous faisons une présentation de l'espace de Minkowski-Lorentz généralisant, à Ê 5 l'espace utilisé dans la théorie de la relativité. Cet espace de dimension 5 contient un paraboloïde de dimension 3 et isométrique à l'espace affine euclidien usuel E 3 , l'ensembles des sphères et plans orientés de E 3 regroupés sur une pseudo-sphère unité de dimension 4. Une premier avantage de cet espace est l'écriture intuitive d'une sphère qui est caractérisée par un point, un vecteur normal en ce point et une courbure. Un deuxième avantage est la manipulation de surfaces canal qui sont représentées par des courbes. Un troisième avantage concernant la simplification des calculs quadrati…

Famille à un paramètre de coniques utilisant des courbes de Bézier à poids complexes

The paper deals with conics in a rational Bézier representation based on mass points where the weights are complex numbers here. A special representation of conics using weighted points and vectors offers a calculus flexibility in the handle elementary geometrical transformations as rotations, homotheties and direct similarity transformations. Some examples are proposed to the reader.

Gluing Dupin cyclides along circles, finding a cyclide given three contact conditions.

Dupin cyclides form a 9-dimensional set of surfaces which are, from the viewpoint of differential geometry, the simplest after planes and spheres. We prove here that, given three oriented contact conditions, there is in general no Dupin cyclide satisfying them, but if the contact conditions belongs to a codimension one subset, then there is a one-parameter family of solutions, which are all tangent along a curve determined by the three contact conditions.

Construction of 3D Triangles on Dupin Cyclides

This paper considers the conversion of the parametric Bézier surfaces, classically used in CAD-CAM, into patched of a class of non-spherical degree 4 algebraic surfaces called Dupin cyclides, and the definition of 3D triangle with circular edges on Dupin cyclides. Dupin cyclides was discovered by the French mathematician Pierre-Charles Dupin at the beginning of the 19th century. A Dupin cyclide has one parametric equation, two implicit equations, and a set of circular lines of curvature. The authors use the properties of these surfaces to prove that three families of circles (meridian arcs, parallel arcs, and Villarceau circles) can be computed on every Dupin cyclide. A geometric algorithm …