Topology driven visualization of complex data
Visualisation de champs scalaires guidée par la topologie
Résumé
Critical points of a scalar function (minima, saddle points and maxima) are important features
to characterize large scalar datasets, like topographic data. But the acquisition of such
datasets introduces noise in the values. Many critical points are caused by the noise, so there is
a need to delete these extra critical points. The Morse-Smale complex is a mathematical object
which is studied in the domain of Visualization because it allows to simplify scalar functions
while keeping the most important critical points of the studied function and the links between
them. We propose in this dissertation a method to construct a function which corresponds to a
Morse-Smale complex defined on R2 after the suppression of pairs of critical points.
Firstly, we propose a method which defines a monotone surface (a surface without critical
points).This surface interpolates function values at a grid points. Furthermore, it is composed
of a set of triangular cubic Bézier patches which define a C1 continuous surface. We give
sufficient conditions on the function values at the grid points and on the partial derivatives
at the grid points so that the surface is increasing in the (x + y) direction. It is not easy to
compute partial derivatives values which respect these conditions. That’s why we introduce
two algorithms : the first modifies the partial derivatives values on input such that they respect
the conditions and the second computes these values from the function values at the grid points.
Then, we describe a reconstruction method of scalar field from simplified Morse-Smale
complexes.We begin by approximating the 1-cells of the complex (which are the links between
the critical points, described by polylines) by curves composed of cubic Bézier curves.We then
describe how our monotone interpolant of values at grid points is used to construct monotone
surfaces which interpolate the curves we computed before. Furthermore, we show that the
function we compute contains all the critical points of the simplified Morse-Smale complex
and has no others.
Les points critiques d’une fonction scalaire (minima, points col et maxima) sont des caractéristiques
importantes permettant de décrire de gros ensembles de données, comme par exemple
les données topographiques. L’acquisition de ces données introduit souvent du bruit sur les
valeurs. Un grand nombre de points critiques sont créés par le bruit, il est donc important de
supprimer ces points critiques pour faire une bonne analyse de ces données. Le complexe de
Morse-Smale est un objet mathématique qui est étudié dans le domaine de la Visualisation Scientifique
car il permet de simplifier des fonctions scalaires tout en gardant les points critiques
les plus importants de la fonction étudiée, ainsi que les liens entre ces points critiques. Nous
proposons dans cette thèse une méthode permettant de construire une fonction qui correspond
à un complexe de Morse-Smale d’une fonction définie sur R2 après suppression de paires de
points critiques dans celui-ci.
Tout d’abord, nous proposons une méthode qui définit une surface interpolant des valeurs
de fonction aux points d’une grille de façon monotone, c’est-à-dire en ne créant pas de point
critique. Cette surface est composée d’un ensemble de patchs de Bézier triangulaires cubiques
assemblés de telle sorte que la surface soit globalement C1. Nous donnons des conditions
suffisantes sur les valeurs de fonction et les valeurs de dérivées partielles aux points de la
grille afin que la surface soit croissante dans la direction (x + y). Il n’est pas évident de créer
des valeurs de dérivées partielles en chaque point de la grille vérifiant ces conditions. C’est
pourquoi nous introduisons deux algorithmes : le premier permet de modifier des valeurs de
dérivées partielles données en entrée afin que celles-ci vérifient les conditions et le second
calcule des valeurs de dérivées partielles à partir des valeurs de fonctions aux points de la
grille.
Ensuite, nous décrivons une méthode de reconstruction de champs scalaires à partir de complexes
de Morse-Smale simplifiés. Pour cela, nous commençons par approximer les 1-cellules
(les liens entre les points critiques dans le complexe de Morse-Smale , ceux-ci sont décrits
par des polylignes) par des courbes composées de courbes de Bézier cubiques. Nous décrivons
ensuite comment notre interpolation monotone de valeurs aux points d’une grille est utilisée
pour construire des surfaces monotones interpolant les courbes construites précédemment. De
plus, nous montrons que la fonction reconstruite contient tout les points critiques du complexe
de Morse-Smale simplifié et n’en contient aucun autre.
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