TheHiddenTopology$ of$aNoisyPointCloud · Seminario3-Parte1-20140113.pptx Author: Andrea Pedrini...

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The Hidden Topology of a Noisy Point Cloud (Part I) A cri&cal reading of “Geometric Inference for Probability Measures” by Chazal, Steiner & Merigot, 2011. A. Pedrini, M. Piastra

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The  Hidden  Topology  of  a  Noisy  Point  Cloud  

(Part    I)    

A  cri&cal  reading  of  “Geometric  Inference  for  Probability  Measures”  

by  Chazal,  Steiner  &  Merigot,  2011.    

A.  Pedrini,  M.  Piastra  

The hidden topology of a noisy point cloud 2

Bibliography

•  F.  Chazal,  D.  Cohen-­‐Steiner,  Q.  Mérigot  Geometric  Inference  for  Probability  Measures  Founda&ons  of  Computa&onal  Mathema&cs  (2011)  

•  F.  Chazal,  D.  Cohen-­‐Steiner,  A.  LieuBer  A  Sampling  Theory  for  Compact  Sets  in  Euclidean  Space  Discrete  Computa&onal  Geometry  (2009)  

•  J.D.  Boissonnat,  F.  Chazal,  M.  Yvinec  ComputaBonal  Geometric  Learning  Lecture  Notes  (2012)  

The hidden topology of a noisy point cloud 3

The problem •           is  a  compact  subset  of    

The hidden topology of a noisy point cloud 4

The problem •           is  a  compact  subset  of    •             is  a  point  cloud  obtained  by                                                      a  noise  sample  from              

The hidden topology of a noisy point cloud 5

The problem

Which  of  the  topologic  

proper&es  of  a    are  s&ll  present      

in            ?      

•           is  a  compact  subset  of    •             is  a  point  cloud  obtained  by                                                      a  noise  sample  from            

The hidden topology of a noisy point cloud 6

The problem •  Previously,  in  this  reading  group  (see  webpage):  

•  Point  cloud  samples  coming  from  shapes  sBll  contain  traces  of  the  original  topology  

•  If  the  point  cloud  is  dense  enough  and  the  outliers  are  not  too  far  away  from  the  original  shape,  the  topology  can  be  reconstructed  

•  This  Bme:  •  What  if  the  noise  is  not  so  well  behaved?    

The hidden topology of a noisy point cloud 7

Offsets •  If                                          ,  the  offset                of  a  compact  set                        

   is  the  compact  set:  

 

The hidden topology of a noisy point cloud 8

Offsets •  If                                          ,  the  offset                of  a  compact  set                        

   is  the  compact  set:  

 

The hidden topology of a noisy point cloud 9

Offsets •  If                                          ,  the  offset                of  a  compact  set                        

   is  the  compact  set:  

 

The hidden topology of a noisy point cloud 10

•  The  Euclidean  distance  of  a  point                                          from  a  compact  set                                      is  

 

Distance function

The hidden topology of a noisy point cloud

The hidden topology of a noisy point cloud 11

•  The  Hausdorff  distance  of  two  compact  sets                                                      is:  

Hausdorff distance

The hidden topology of a noisy point cloud 12

•  The  Hausdorff  distance  of  two  compact  sets                                                      is:  

Hausdorff distance

The hidden topology of a noisy point cloud 13

•  The  Hausdorff  distance  of  two  compact  sets                                                      is:  

Hausdorff distance

The hidden topology of a noisy point cloud 14

•  The  Hausdorff  distance  of  two  compact  sets                                                      is:  

Hausdorff distance

The hidden topology of a noisy point cloud 15

•  The  Hausdorff  distance  of  two  compact  sets                                                      is:  

Hausdorff distance

The hidden topology of a noisy point cloud 16

•  The  Hausdorff  distance  of  two  compact  sets                                                      is  (alterna&ve  defini&on):  

Hausdorff distance

The hidden topology of a noisy point cloud 17

Beyond homeomorphism •  In  general,        ,              and                  are  not  homeomorphic:    

The hidden topology of a noisy point cloud 18

Beyond homeomorphism •  In  general,        ,              and                  are  not  homeomorphic:    

The hidden topology of a noisy point cloud 19

Beyond homeomorphism •  In  general,        ,              and                  are  not  homeomorphic:    

The hidden topology of a noisy point cloud 20

•  How  does  the  homotopy  of  the  offsets  change?  

Homotopy and offsets

The hidden topology of a noisy point cloud 21

•  How  does  the  homotopy  of  the  offsets  change?  

Homotopy and offsets

The hidden topology of a noisy point cloud 22

•  How  does  the  homotopy  of  the  offsets  change?  

First  change  of  the  

homotopy  type  

Homotopy and offsets

The hidden topology of a noisy point cloud 23

•  How  does  the  homotopy  of  the  offsets  change?  

Second  change  of  the  

homotopy  type  

Homotopy and offsets

The hidden topology of a noisy point cloud 24

•  How  does  the  homotopy  of  the  offsets  change?  

Third  change  of  the  

homotopy  type  

Homotopy and offsets

The hidden topology of a noisy point cloud 25

•  Comparing  the  changes  in  homotopy  type  

Homotopy types

The hidden topology of a noisy point cloud 26

•                                   is  a  compact  set,              is  a  point  

Generalized gradient

The hidden topology of a noisy point cloud 27

•                                   is  a  compact  set,              is  a  point  

Generalized gradient

Note:  point          has  been  chosen  so  that  it  has  two  closest  neighbors  in        

The hidden topology of a noisy point cloud 28

•                                   is  a  compact  set,              is  a  point  

• Closest  neighbors:  

Generalized gradient

The hidden topology of a noisy point cloud 29

•                                   is  a  compact  set,              is  a  point  

Generalized gradient

The hidden topology of a noisy point cloud 30

•                                   is  a  compact  set,              is  a  point  

Generalized gradient

The hidden topology of a noisy point cloud 31

•  The  generalized  gradient                                                                                  of  the  distance  funcBon                of  a  compact  set  

                                                                   at  a  point                              is  

Generalized gradient

The hidden topology of a noisy point cloud 32

Generalized gradient •  The  generalized  gradient                                                                                  of  the  distance  funcBon                of  a  compact  set  

                                                                   at  a  point                              is  

The hidden topology of a noisy point cloud 33

•  The  generalized  gradient                                                                                  of  the  distance  funcBon                of  a  compact  set  

                                                                   at  a  point                              is  

Generalized gradient

(              is  the  aperture  of  the  smallest  cone                                with  apex            containing                              )  

The hidden topology of a noisy point cloud 34

Generalized gradient

The hidden topology of a noisy point cloud 35

•  The  medial  axis  of              is  the  set  

Medial axis

The hidden topology of a noisy point cloud 36

•  The  medial  axis  of              is  the  set  

Medial axis

The hidden topology of a noisy point cloud 37

•  The  medial  axis  of              is  the  set  

Medial axis

The hidden topology of a noisy point cloud 38

•  The  medial  axis  of              is  the  set  

Medial axis

The hidden topology of a noisy point cloud 39

•  The  reach  of  a  compact                                      is  

Reach

The hidden topology of a noisy point cloud 40

•  A  cri6cal  point  of  a  compact  set                  is  a  point                                  such  that  

                                                             is  cri&cal                                                                                                                                                              iff  

   

Critical points and wfs

criBcal  point  

The hidden topology of a noisy point cloud 41

•  A  cri6cal  point  of  a  compact  set                  is  a  point                                  such  that  

             

Critical points and wfs

•  A  real                                is                                                      a  cri6cal  value  of                                          if  there  exists  a  cri&cal  point        

                   such  that  •  A  regular  value  of                  is  a                            real                          which  is  not  criBcal  

•         is  always  considered  criBcal  

The hidden topology of a noisy point cloud 42

•  A  cri6cal  point  of  a  compact  set                  is  a  point                                  such  that  

             

Critical points and wfs

The hidden topology of a noisy point cloud 43

•  A  cri6cal  point  of  a  compact  set                  is  a  point                                  such  that  

             

Critical points and wfs

The hidden topology of a noisy point cloud 44

•  A  cri6cal  point  of  a  compact  set                  is  a  point                                  such  that  

             

Critical points and wfs

The hidden topology of a noisy point cloud 45

•  A  cri6cal  point  of  a  compact  set                  is  a  point                                  such  that  

             

Critical points and wfs

criBcal  point:    the  homotopy  of  the  offset  changes  

 

The hidden topology of a noisy point cloud 46

•  A  cri6cal  point  of  a  compact  set                  is  a  point                                  such  that  

             

Critical points and wfs

The hidden topology of a noisy point cloud 47

•  A  cri6cal  point  of  a  compact  set                  is  a  point                                  such  that  

             

Critical points and wfs

The hidden topology of a noisy point cloud 48

•  A  cri6cal  point  of  a  compact  set                  is  a  point                                  such  that  

             

Critical points and wfs

criBcal  point:    the  homotopy  of  the  offset  changes  

 

The hidden topology of a noisy point cloud 49

•  A  cri6cal  point  of  a  compact  set                  is  a  point                                  such  that  

             

Critical points and wfs

criBcal  point:    the  homotopy  of  the  offset  changes  

 

The hidden topology of a noisy point cloud 50

•  A  cri6cal  point  of  a  compact  set                  is  a  point                                  such  that  

   

   

             

Critical points and wfs

•  The  weak  feature  size                of                                        is                                          the  Euclidean  distance  of                to  the  set        of  its  criBcal  points  

The hidden topology of a noisy point cloud 51

•  Theorem  1:    Let                                    be  a  compact  set.                    If                                                                        ,    then                  and                are  isotopic  (and  hence  homeomorphic)  

Offsets and Isotopy

The hidden topology of a noisy point cloud 52

•  Theorem  1:    Let                                    be  a  compact  set.                    If                                                                        ,    then                  and                are  isotopic  (and  hence  homeomorphic)  

Offsets and Isotopy

The hidden topology of a noisy point cloud 53

•  Theorem  1:    Let                                    be  a  compact  set.                    If                                                                        ,    then                  and                are  isotopic  (and  hence  homeomorphic)  

Offsets and Isotopy

The hidden topology of a noisy point cloud 54

•  Theorem  1:    Let                                    be  a  compact  set.                    If                                                                        ,    then                  and                are  isotopic  (and  hence  homeomorphic)  

                                                                                                                               Theorem  1                                    does  not  hold  

Offsets and Isotopy

The hidden topology of a noisy point cloud 55

•  A          -­‐cri6cal  point  (                                    )                                                      of  a  compact  set          is  a  point                                  such  that  

   

µ-critical points

The hidden topology of a noisy point cloud 56

•  A          -­‐cri6cal  point  (                                    )                                                      of  a  compact  set          is  a  point                                  such  that  

   

µ-critical points

The hidden topology of a noisy point cloud 57

•  A          -­‐cri6cal  point  (                                    )                                                      of  a  compact  set          is  a  point                                  such  that  

   

µ-critical points

The hidden topology of a noisy point cloud 58

•  A          -­‐cri6cal  point  (                                    )                                                      of  a  compact  set          is  a  point                                  such  that  

   

µ-critical points

The hidden topology of a noisy point cloud 59

•  A          -­‐cri6cal  point  (                                    )                                                      of  a  compact  set          is  a  point                                  such  that  

   

µ-critical points

The hidden topology of a noisy point cloud 60

•  A          -­‐cri6cal  point  (                                    )                                                      of  a  compact  set          is  a  point                                  such  that  

   

µ-critical points

The hidden topology of a noisy point cloud 61

•  A          -­‐cri6cal  point  (                                    )                                                      of  a  compact  set          is  a  point                                  such  that  

   

µ-critical points

The hidden topology of a noisy point cloud 62

•  A          -­‐cri6cal  point  (                                    )                                                      of  a  compact  set          is  a  point                                  such  that  

   

µ-critical points

cos(30°)-­‐criBcal  points  

The hidden topology of a noisy point cloud 63

•  A          -­‐cri6cal  point  (                                    )                                                      of  a  compact  set          is  a  point                                  such  that  

   

µ-critical points

cos(35°)-­‐criBcal  points  

The hidden topology of a noisy point cloud 64

•  A          -­‐cri6cal  point  (                                    )                                                      of  a  compact  set          is  a  point                                  such  that  

   

µ-critical points

cos(45°)-­‐criBcal  points  

The hidden topology of a noisy point cloud 65

•  The          -­‐medial  axis  of              is  

   

µ-medial axis

The hidden topology of a noisy point cloud 66

•  The          -­‐medial  axis  of              is  

   

µ-medial axis

The hidden topology of a noisy point cloud 67

•  The          -­‐medial  axis  of              is  

   

µ-medial axis

The hidden topology of a noisy point cloud 68

•  The          -­‐medial  axis  of              is  

   

µ-medial axis

The hidden topology of a noisy point cloud 69

•  The          -­‐reach  of              is  

   

µ-reach

The hidden topology of a noisy point cloud 70

•  The          -­‐reach  of              is  

   

µ-reach

The hidden topology of a noisy point cloud 71

•  The          -­‐reach  of              is  

   

µ-reach

The hidden topology of a noisy point cloud 72

•  The          -­‐reach  of              is  

   

µ-reach

The hidden topology of a noisy point cloud 73

 

Reconstruction Theorem

 

 

•  Theorem  8  :            and              compact  subsets  of            ,                                            .  

 Then  for  any              such  that                                                                and  for  any              and              such  that    

               

                                                                             and  

 we  have  that                      and                  are                        homotopy  equivalent  

 

The hidden topology of a noisy point cloud 74

•  The  assumpBon                                                            (with        small)  means  that  the  point  cloud  must  be                        close  enough:  

Main limitations: outliers

The hidden topology of a noisy point cloud 75

•  The  assumpBon                                                            (with        small)  means  that  the  point  cloud  must  be                      close  enough:  

Main limitations: outliers

The hidden topology of a noisy point cloud 76

•  The  assumpBon                                                            (with        small)  means  that  the  point  cloud  must  be                      close  enough:  

Main limitations: outliers

Just  a  few  outliers  can  make  the  reconstrucBon  impossible!  

The hidden topology of a noisy point cloud 77

•  The  assumpBon                                                            (with        small)  means  that  the  point  cloud  must  be                      close  enough:  

Main limitations: outliers

Just  a  few  outliers  can  make  the  reconstrucBon  impossible!