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符号付き距離関数

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固定された円板(上、灰色)とその円板を含むxy平面(青色)上の点との間の符号付き距離のグラフ(下、赤)
より複雑な集合(上)とその符号付き距離関数のグラフ(下、赤)

符号付き距離関数(ふごうつききょりかんすう、英語: signed distance functionまたは英語: oriented distance function、SDF)は、与えられた点xから距離空間における集合Ωの境界までの垂直距離(英語版)である。xがΩの内部にあるかどうかによって符号が決まる。この関数は、Ωの内部の点xでは正の値を持ち、Ωの境界に近づくにつれて値が減少し、符号付き距離関数がゼロになる場所でΩの境界に達し、Ωの外部では負の値を取る[1]。負の値を内部、正の値を外部とする規約が採用されることもある[2]。

Ωを距離空間Xの部分集合とし、をその境界とする。Xの点xとXの部分集合との距離は自然に次のように定義される。 ここでは下限を表す。

点xからXのまでの符号付き距離関数は次のように定義される。

ユークリッド空間における特性

Ωがユークリッド空間Rnの区分的に滑らかな境界を持つ部分集合である場合、符号付き距離関数はほとんど至る所で微分可能であり、その勾配はアイコナール方程式を満たす。

Ωの境界がk ≥ 2でCk(滑らかな関数#滑らかさの分類を参照)である場合、dはΩの境界に十分に近い点でCkである。[3] 特に、境界f上においては

を満たす。ここでNは内向きの法ベクトル場である。したがって、符号付き距離関数は法ベクトル場の微分可能な拡張である。特に、Ωの境界における符号付き距離関数のヘッセ行列は形作要素(英語版)を与える。

さらに、Ωの境界に十分に近くfがその上で2回連続的に微分可能である領域Γに対し、符号付き距離関数と最も近い境界点の変数変換のヤコビアンには形作用素Wxを用いた公式が存在する。特に、T(∂Ω, μ)がΩの境界から距離μ以内の点の集合(つまり、半径μの管状近傍)であり、gがΓ上の絶対可積分関数である場合、

が成り立つ。ここでdetは行列式を示し、dSuは面積分を取ることを示す[4]。

アルゴリズム

符号付き距離関数を計算するためのアルゴリズムには、効率的なファストマーチング法(英語版)、ファストスウィーピング法(英語版)[5] およびより一般的なレベルセット法(英語版)がある。

ボクセルレンダリング向けには、タクシー幾何学でSDFを計算するために範囲総和表(英語版)を使用する高速アルゴリズムが存在する[6]。

応用

脚注

関連項目

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