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编辑 | 郑智心
顾险峰,美国纽约州立大学石溪分校计算机系终身教授,哈佛大学数学科学与应用中心兼职教授。曾获美国国家自然科学基金CAREER奖,有华人菲尔茨奖之称的晨兴应用数学金奖等。他是国际著名微分几何大师菲尔茨奖得主丘成桐先生的得意门生,在丘先生的指导下,将抽象的现代几何与拓扑理论转化成实用的计算方法。创立了横跨数学与计算机科学的学科计算共形几何,并广泛应用于计算机图形学、计算机视觉、计算机辅助设计、物联网、医学影像,和人工智能等领域。
建筑设计中的数学几何原理:大兴国际机场
所以大兴机场,其实非常完美地体现了艺术和数学的结合。
三维扫描技术
通过扫描撒贝宁先生的脸,得到了非常完美的纹理和几何
文艺作品中的数学几何原理
有一个特别知名的荷兰画家叫埃舍尔。他一辈子创作了大量的将数学和艺术结合的画作。这幅图画就是他的一个非常有名的画作,叫做《画廊》。
似幻还真,画中的虚拟世界和现实世界融为一体
在右侧,真实的世界,和虚拟的世界融为一体。从虚假世界融入到真实世界。
(平面共形变换:局部保持形状,整体剧烈变化)
(曲面间的共形变换:弯曲展平直,三维变二维,降维攻击,局部保形)
共形变换与一般变换的比較
我们看它所有的细节,大卫头的眼睛和耳朵映到平面保持没有发生改变,非常复杂的头发映过来也没有发生改变。刘慈欣作为一个作家,他用非常瑰丽的想象,想象出降维攻击实际上在几何上的确存在。
通过保角变换我们的确可以实现降维,把三维变成二维。极大地简化了计算问题。在微分几何和共形几何中,有一个非常深刻的定理,我个人觉得也是整个几何界的具有奠基性的一个基本定理叫大一统定理。
(大一统定理:克萊因、龐家萊單值化:任意度量曲面都可以共形地映射到球面、歐式平面或者雙曲曲面上。)
电子游戏
这里最难的就是,如何保证把三维的复杂曲面印到二维平面上来,同时使得每个区域可以按照你的要求放大或者缩小。比如说我们想放大这个怪兽的翅膀范围,如何使得这个翅膀变得比较大。如果我们想突出某个部分,使这个部分比较大,这后边用到很深刻的几何原理。大家天天都在打的电子游戏,最深层的研发和设计是用到非常深刻的数学原理的。
人脸曲面配准
给定两张三维人脸,如何在他们之间,建立比较好的一一映射?我们的方法就是把三维人脸,用黎曼映照,映到二维的圆盘上。这样通过降维攻击,就把这三维问题变成了二维问题。二维问题,会简化非常多。
三维几何问题转换成二维图像问题
动漫
比如这幅图,我们在平面上采样,采样之后在平面上重新进行三角剖分得到这个简化的模型。这边如果我们只用2000个这个采样点,得到的是左侧这张人脸。如果用4000的话得到右侧这张人脸。所以增加采样率,可以使得图像几何的特征越来越细腻。这样就可以求得一个渲染的质量和这个所谓的空间的存储一个很好的一个平衡。这是在VR、AR中几何压缩的一个应用。
发动机设计,存在于工业界六七十年,但是一直介于艺术和科学之间。没有一种完全自动的方法,完全靠人的手工去调整。直到最近我们才发现,原来这种技术强烈地依赖于一条非常古老的定理,一条阿贝尔和雅可比几百年前发现的定理。但是找到这个定理和这个工程问题之间的联系,花了人们几十年的时间。
来看一个简单的例子显示计算效果。我们用很多人脸图片,学习了人脸图片的流形,在流形上均匀采样。采样的每一个采样点就是一张三维的人脸,一张人脸图片。流形中的任意一个曲线段就是一个变换过程,从一张脸渐变成另外一张脸。我们不知道这些人是不是存在过,也不知道他们未来是不是会存在,但是我们人眼分辨不出来这些人脸是真的还是假的。这个实验用的还是刚才讲的蒙日-安培方程和科夫斯基的问题。
——顾险峰
本文经授权转载自微信公众号“世纪大讲堂”。
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