Exact computation of the adjacency graph of an arrangement of quadrics [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Michael Hemmer

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• Publié le: 01 janvier 2008
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Extrait

Exact Computation of the Adjacency Graph of
an Arrangement of Quadrics
Dissertation
zur Erlangung des Grades
”Doktor der Naturwissenschaften”
am Fachbereich Physik, Mathematik und Informatik
der Johannes Gutenberg-Universit at in Mainz,
vorgelegt von
Michael Hemmer
geboren in Puttlingen.
Mainz, den 18. September 2007Abstract
We present a complete, exact and e cient algorithm to compute the adjacency graph
of an arrangement of quadrics, i.e. surfaces of algebraic degree 2. This is a ma-
jor step towards the computation of the full 3D arrangement. We enhanced an
implementation [58] for an exact parameterization of the intersection curves of two
quadrics [23, 24, 25], such that we can compute the exact parameter value for intersec-
tionpointsandfromthattheadjacencygraphofthearrangement. Ourimplementation
is complete in the sense that it can handle all kinds of inputs including all degenerate
ones, i.e. singularities or tangential intersection points. It is exact in that it always
computes the mathematically correct result. It is e cient measured in running times,
i.e. it compares favorably to the only previously implemented approach.
Our approach has been implemented within the Exacus [6] project. The central
goal of Exacus is the development of a demonstrator of a reliable and e cient CAD
geometrykernel. Althoughwecallourlibrarydesignprototypical,wespentnonetheless
a great e ort on completeness, exactness, e ciency, documentation and reusability.
Beside its primary contribution, the algorithm presented in this work had an essential
impact on fundamental parts of Exacus due to its speci c requirements. This work
has in particular contributed to the generic number type support and the modular
methods used within Exacus. In the context of our ongoing integration of Exacus
into Cgal [33, 54] these parts have been successfully advanced into mature Cgal
packages.Zusammenfassung
Prasentiert wird ein vollstandiger, exakter und e zienter Algorithmus zur Berechnung
des Nachbarschaftsgraphen eines Arrangements von Quadriken (Algebraische Flachen
vom Grad 2). Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Berechnung des vol-
len 3D Arrangements. Dabei greifen wir auf eine bereits existierende Implementie-
rung [58] zur Berechnung der exakten Parametrisierung der Schnittkurve von zwei
Quadriken [23, 24, 25] zuruck. Somit ist es moglich, die exakten Parameterwerte der
Schnittpunkte zu bestimmen, diese entlang der Kurven zu sortieren und den Nachbar-
schaftsgraphen zu berechnen. Wir bezeichnen unsere Implementierung als vollstandig,
da sie auch die Behandlung aller Sonderfalle wie singularer oder tangentialer Schnitt-
punkte einschlie t. Sie ist exakt, da immer das mathematisch korrekte Ergebnis be-
rechnet wird. Und schlie lich bezeichnen wir unsere Implementierung als e zient, da
sie im Vergleich mit dem einzigen bisher implementierten Ansatz gut abschneidet.
Implementiert wurde unser Ansatz im Rahmen des ProjektesExacus [6]. Das zentra-
le Ziel von Exacus ist es, einen Prototypen eines zuverlass igen und leistungsfahi gen
CADGeometriekernszuentwickeln.ObwohlwirdasDesignunsererBibliothekalspro-
totypisch bezeichnen, legen wir dennoch gro ten Wert auf Vollst and igkeit, Exaktheit,
E zienz, Dokumentation und Wiederverwendbarkeit. Uber den eigentlich Beitrag zu
Exacus hinaus, hatte der hier vorgestellte Ansatz durch seine besonderen Anforde-
rungenauchwesentlichenEin ussaufgrundlegendeTeilevon Exacus.ImBesonderen
hat diese Arbeit zur generischen Unterstutzung der Zahlentypen und der Verwendung
modularer Methoden innerhalb von Exacus beigetragen. Im Rahmen der derzeitigen
Integration von Exacus in Cgal [33, 54] wurden diese Teile bereits erfolgreich in
ausgereifte Cgal Pakete weiterentwickelt.Acknowledgement
I would like to thank all participants of the EU-funded projects ECG and ACS,
with whom I enjoyed working. I am in particular thankful to all members from
the Cgal Editorial Board for their advice and many useful remarks.
This work was partially supported by the IST Program of the EU as a Shared-cost RTD (FET
Open) Project under Contract No IST-2000-26473
(ECG - E ective Computational Geometry for Curves and Surfaces).
This work was partially supported by the IST Program of the EU as a Shared-cost RTD (FET
Open) Project under Contract No IST-006413
(ACS - Algorithms for Complex Shapes with certi ed numerics and topology).Preamble
In 2002 six European research groups at INRIA Sophia-Antipolis, University Groningen, ETH
Zur ich, FU-Berlin, Tel-AvivandMPIISaarbruc kenconceivedtheecg-project(E ective Com-
putational Geometry for Curves and Surfaces). Enriched by a research group from Athens and
GeometryFactory this project was succeeded by another EU-funded project, namely the acs-
project (Algorithms for Complex Shapes with certied numerics and topology) which started
in 2005.
TheplatformforthemajorityofsoftwarejointventureswithinbothprojectswasandisCgal,
theComputationalGeometryAlgorithmsLibrary. Cgalisthestate-of-the-artinimplementing
geometric algorithms completely, exactly, and e ciently. However, when Cgal was started
in 1996 it was designed having linear geometry in mind and in particular the number type
support of Cgal was not able to cope with the new algebraic challenges. Moreover, Cgal
was already a huge library with many users and therefore it seemed quite intricate to change
such fundamental issues. Therefore, the group at the MPI decided to initially outsource its
investigations for curved geometry from Cgal and conceived the Exacus-project (E cient
and Exact Algorithms for Curves and Surfaces) in April 2002. In the past years Exacus
proved to be a good laboratory for our ideas. In order to pro t from these experiences and
from synergy e ects, the acs partners