背景
调和函数 (harmonic functions) 是拉普拉斯方程的解。球谐函数(spherical harmonic, SH)是限制在球上的解,已被广泛用于用于解决各个领域中的问题。
球谐函数是单位圆上傅里叶基的球面模拟,由于球谐函数形成了一组完整的正交函数,形成了正交基,因此定义在球面上的每个函数都可以写成这些球谐函数的总和。与信号处理中使用的傅立叶基一样,在截断序列时必须小心,以尽量减少可能发生的“振铃”伪影。
定义
球谐函数是球面S上的正交基, 基函数的定义为
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其中
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常在图形学中用到的实值基的为:
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表示“波段(band)”,每个波段等价于该度数的多项式,包括
个函数。
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中央一列的函数()被称为带状谐波(zonal harmonics, ZH),这些函数围绕z轴旋转对称,零点(函数为零的位置)是球体上平行于XY平面的轮廓线。
的函数被称为扇形谐波(sectorial harmonics ),零点定义了像苹果片一样的区域。
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投影和重构
因为 SH 基是正交的,所以定义在 S 上的标量函数 的最小二乘投影是通过简单地将要投影的函数
与基函数相积分来完成的。
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这些系数可以用来重构函数f的近似值
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通常情况下,对投影系数和基函数使用一个单一的索引是很方便的,通过
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第一个系数(或
)代表函数在球面上的平均值,有时将被称为DC项。
重构时阶数越高精度越高。
基本性质
旋转不变性,与傅里叶变换中的平移不变性类似,给定一个函数,它代表函数f(s)由一个旋转矩阵Q旋转,所以
,g的投影与旋转f的投影再重新投影是相同的。
由于SH基的正交性,给定任何两个SH函数a和b,积的积分是系数向量的点积。
卷积
给定一个具有圆对称性的核函数 ,可以生成一个新的 SH 函数,它是核与原始函数 f 的卷积结果。
必须具有圆对称性,卷积的结果也可以在球体 S 上表示,而不是在旋转组 SO(3) 上表示。可以使用以下等式直接在频域中进行卷积:
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这相当于简单地将 的每个带按
中相应的 m=0 项缩放。
参考:
https://www.jianshu.com/p/a379b4c6d346
https://justinwillmert.com/articles/2020/notes-on-calculating-the-spherical-harmonics/
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