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    An Orbifold Framework for Point Scan = 점별 스캔을 위한 오비폴드 프레임워크

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    https://www.riss.kr/link?id=T17313183

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    다국어 초록 (Multilingual Abstract) kakao i 다국어 번역

    This dissertation introduces a novel orbifold-based framework that resolves the
    three main challenges in point scanning system such as phase shifts, mechanical-
    coupling errors, and optimal frequency selection. Point scan systems, which
    trace Lissajous or Rosette paths are increasingly used in LiDAR and confocal
    microscopy.
    Scanning paths are modeled as geodesics on a Clifford torus in S3; lifting
    the dynamics to the *2222 and *22 orbifolds exposes differential geometric tools
    and fits naturally into a pull-back push-forward structure.
    At the heart of the framework is the SO(4) action on the torus. Phase shifts
    appear as internal T 2 automorphisms and mechanical coupling error correspond
    to rotations in the Grassmannian Gr(2, R4). Gauge directions are quotiented
    out, leaving a base space for reconstruction.
    The orbifold framework induces a general folded error functional, denoted
    E(g), defined on SO(4) where g represents a system perturbation. This func-
    tional quantifies internal inconsistencies within the lifted observed image by
    measuring deviations from perfect symmetry across fibers generated by g. Cru-
    cially, E(g) is proven to be locally convex along non-gauge directions. That
    result shows that gradient descent can find the optimal point and solve the
    problem.
    Furthermore, the theorems established for this SO(4) framework naturally
    extend to higher-dimensional frameworks, such as multiple frequency compo
    nents or more complex harmonic distortions
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    This dissertation introduces a novel orbifold-based framework that resolves the three main challenges in point scanning system such as phase shifts, mechanical- coupling errors, and optimal frequency selection. Point scan systems, which trace Lissajou...

    This dissertation introduces a novel orbifold-based framework that resolves the
    three main challenges in point scanning system such as phase shifts, mechanical-
    coupling errors, and optimal frequency selection. Point scan systems, which
    trace Lissajous or Rosette paths are increasingly used in LiDAR and confocal
    microscopy.
    Scanning paths are modeled as geodesics on a Clifford torus in S3; lifting
    the dynamics to the *2222 and *22 orbifolds exposes differential geometric tools
    and fits naturally into a pull-back push-forward structure.
    At the heart of the framework is the SO(4) action on the torus. Phase shifts
    appear as internal T 2 automorphisms and mechanical coupling error correspond
    to rotations in the Grassmannian Gr(2, R4). Gauge directions are quotiented
    out, leaving a base space for reconstruction.
    The orbifold framework induces a general folded error functional, denoted
    E(g), defined on SO(4) where g represents a system perturbation. This func-
    tional quantifies internal inconsistencies within the lifted observed image by
    measuring deviations from perfect symmetry across fibers generated by g. Cru-
    cially, E(g) is proven to be locally convex along non-gauge directions. That
    result shows that gradient descent can find the optimal point and solve the
    problem.
    Furthermore, the theorems established for this SO(4) framework naturally
    extend to higher-dimensional frameworks, such as multiple frequency compo
    nents or more complex harmonic distortions

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    국문 초록 (Abstract) kakao i 다국어 번역

    이 학위 논문은 위상 밀림과 기계적 결합 오류, 최적화 되지 않은 주파수 쌍의 점별
    스캔의 세 문제를 해결하는 통일된 기하적 모델, 즉 새로운 오비폴드 기반의 프레
    임워크를 제안한다. 이 점별 스캔은 리사주나 로제트 경로를 이용하며, 라이다부터
    공초점 현미경 등에 쓰인다. 이 프레임은 스캔 경로를 S3 속 클리포드 토러스의
    지오데식으로 해석하며, *2222와 *22 오비폴드의 동역학을 미분기하학적 툴을 이
    용하여 해석하며, 자연스럽게 유도되는 풀백과 푸시 포워드 구조로 해석한다.
    이 논문의 핵심은 토러스의 SO(4) 액션을 생각하는 것이다. 위상 밀림 현상은
    토러스 내부의 자기동형사상으로 해석할 수 있으며, 기계적 결합 오류는 그라스
    마니안 Gr(2,R4) 의 회전들로 생각할 수 있다. 이 방향의 운동들만이 이미지를
    움직이며, 자연스럽게 주번들 구조를 형성한다. 게이지 방향은 나눠 없어지며, 복
    원 가능한 주 공간을 남긴다.
    이 오비폴드 프레임워크는 SO(4) 요동이 만들어 내는, E(g)로 표현되는 겹침
    오류 범함수를 자연스럽게 생성한다. 이 범함수는 관찰된 이미지 내부의 불일치를
    측정해서 요동 g 에 의해 만들어지는 대칭을 추측한다. 우리는 이 함수가 비-게이
    지 방향으로는 국소적으로 볼록임을 증명하였다. 이를 통해 우리는 경사하강법을
    적용하여 최적 해를 도출하여 문제를 해결할 수 있음을 밝혔다. 더불어, SO(4)
    프레임워크에서 유도된 이 정리들은, 자연스럽게 배수파 오차들과 더 복잡한 조화
    왜곡들을 해석할 수 있는 고차원 프레임워크로 확장될 수 있음을 보였다
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    이 학위 논문은 위상 밀림과 기계적 결합 오류, 최적화 되지 않은 주파수 쌍의 점별 스캔의 세 문제를 해결하는 통일된 기하적 모델, 즉 새로운 오비폴드 기반의 프레 임워크를 제안한다. 이 ...

    이 학위 논문은 위상 밀림과 기계적 결합 오류, 최적화 되지 않은 주파수 쌍의 점별
    스캔의 세 문제를 해결하는 통일된 기하적 모델, 즉 새로운 오비폴드 기반의 프레
    임워크를 제안한다. 이 점별 스캔은 리사주나 로제트 경로를 이용하며, 라이다부터
    공초점 현미경 등에 쓰인다. 이 프레임은 스캔 경로를 S3 속 클리포드 토러스의
    지오데식으로 해석하며, *2222와 *22 오비폴드의 동역학을 미분기하학적 툴을 이
    용하여 해석하며, 자연스럽게 유도되는 풀백과 푸시 포워드 구조로 해석한다.
    이 논문의 핵심은 토러스의 SO(4) 액션을 생각하는 것이다. 위상 밀림 현상은
    토러스 내부의 자기동형사상으로 해석할 수 있으며, 기계적 결합 오류는 그라스
    마니안 Gr(2,R4) 의 회전들로 생각할 수 있다. 이 방향의 운동들만이 이미지를
    움직이며, 자연스럽게 주번들 구조를 형성한다. 게이지 방향은 나눠 없어지며, 복
    원 가능한 주 공간을 남긴다.
    이 오비폴드 프레임워크는 SO(4) 요동이 만들어 내는, E(g)로 표현되는 겹침
    오류 범함수를 자연스럽게 생성한다. 이 범함수는 관찰된 이미지 내부의 불일치를
    측정해서 요동 g 에 의해 만들어지는 대칭을 추측한다. 우리는 이 함수가 비-게이
    지 방향으로는 국소적으로 볼록임을 증명하였다. 이를 통해 우리는 경사하강법을
    적용하여 최적 해를 도출하여 문제를 해결할 수 있음을 밝혔다. 더불어, SO(4)
    프레임워크에서 유도된 이 정리들은, 자연스럽게 배수파 오차들과 더 복잡한 조화
    왜곡들을 해석할 수 있는 고차원 프레임워크로 확장될 수 있음을 보였다

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    목차 (Table of Contents)

    • Abstract i
    • I Introduction and Motivation 1
    • Chapter 1 Introduction 2
    • 1.1 What is the scanning 2
    • 1.1.1 Scanning Paradigms 2
    • Abstract i
    • I Introduction and Motivation 1
    • Chapter 1 Introduction 2
    • 1.1 What is the scanning 2
    • 1.1.1 Scanning Paradigms 2
    • 1.1.2 Lissajous Trajectories 3
    • 1.1.3 Rosette Trajectories 4
    • 1.1.4 Fill Factor: Quantifying Coverage 4
    • 1.1.5 Key points 5
    • 1.2 Industrial Context 6
    • 1.2.1 Biomedical Imaging 6
    • 1.2.2 LiDAR and Remote Sensing 7
    • 1.2.3 Surface Metrology and Atomic-Force Microscopy 7
    • 1.2.4 Cross-Domain Metric Summary 7
    • 1.3 Three Core Problems 8
    • 1.3.1 Overview 8
    • 1.3.2 Phase Control and Mechanical Error 9
    • 1.3.3 Frequency Choice and Fill Factor 9
    • 1.3.4 Coupled Impact and Thesis Objective 10
    • 1.4 Research Goals 11
    • 1.4.1 Statement of Purpose 11
    • 1.4.2 Goal AGuessing phase and Error Calibration 11
    • 1.4.3 Goal BOptimal Frequency Choice 12
    • 1.5 Dissertation Structure 12
    • Chapter 2 Contribution 14
    • 2.1 Folding framework Paradigm 14
    • 2.2 Unified Solutions to Three Core Problems 16
    • 2.2.1 Master Error Functional 17
    • 2.2.2 Phase Search 17
    • 2.2.3 Mechanical error Calibration 18
    • 2.2.4 Frequency Selection 19
    • 2.3 High-Dimensional Extension 19
    • 2.3.1 Multi-harmonic error the SO(4m) Lift 19
    • 2.3.2 n-Dimensional Folding Confocal LiDAR Example 20
    • 2.4 Summary of Contributions 22
    • II Mathematical Foundation 24
    • Chapter 3 An Orbifold Framework 25
    • 3.1 Definition of the scanning system 25
    • 3.2 Curves and the Clifford torus 27
    • 3.2.1 The Clifford Torus 27
    • 3.2.2 The Curve Geodesic Transformation Map 27
    • 3.2.3 The Projection Theorem for Lissajous Curves 28
    • 3.2.4 The Projection Theorem for Rosette Patterns 28
    • 3.3 PhaseSpace and Orbifold covering 29
    • 3.3.1 Phase map and lifting of an image 29
    • 3.3.2 Orbifold charts and good-ness 30
    • 3.3.3 The regular 4fold covering 30
    • 3.3.4 BV stability of the lift 31
    • 3.3.5 Symmetryaveraged error functional 31
    • 3.4 SO(4) Motion in Phase Space 32
    • 3.4.1 Six infinitesimal generators 32
    • 3.4.2 Coincidence multiplicity for arbitrary g 32
    • 3.4.3 Generalized error functional 33
    • 3.4.4 Generatorwise behavior 33
    • 3.4.5 Outlook to Chapter 4 (Optimization) 33
    • 3.5 A Grassmannian Viewpoint 34
    • 3.5.1 Gauge rotations generated by L13 and L24 34
    • 3.5.2 The Grassmann manifold Gr(2, R4) 34
    • 3.5.3 Error functional reduced to the Grassmannian 35
    • 3.5.4 Geometric intuition & Optimization message 35
    • Chapter 4 Problem Setting 37
    • 4.1 Formal Setting 37
    • 4.1.1 Domain the Clifford torus T 37
    • 4.1.2 Sheet (folding) structure 38
    • 4.1.3 Function space BV(T) 38
    • 4.1.4 Group action small rotations in (SO(4)) 38
    • 4.1.5 Folding-aware error functional 39
    • 4.1.6 Local convexity assumption 39
    • 4.2 Phase Shifting (Phase Alignment) 40
    • 4.2.1 Folding-aware error restricted to H 40
    • 4.2.2 Example I Constant image (fully symmetric) 41
    • 4.2.3 Example II One-axis step image (only x varies) 41
    • 4.2.4 Example III Two-axis quadrant image (x and y both
    • vary) 42
    • 4.3 Mechanical Coupling Error Correction 43
    • 4.3.1 Lie-algebra decomposition 43
    • 4.3.2 Grassmann manifold as the effective space 43
    • 4.3.3 Minimization problem on Gr(2, R4) 43
    • 4.3.4 Strict-convexity remark 44
    • 4.3.5 Summary 44
    • 4.4 Frequency Optimization 45
    • 4.4.1 Why we optimize on the phase torus, not in image space 45
    • 4.4.2 A coverage metric: the maximal gap 45
    • 4.4.3 One-dimensional recall: the Three-Gap Theorem 45
    • 4.4.4 Gapminimizing objective 46
    • 4.4.5 Why smaller gaps imply better fill factor 46
    • 4.4.6 Choosing ω 47
    • III Main Theorem and Applications 48
    • Chapter 5 Convexity Theorem 49
    • 5.1 Error Functional Setting and Lemmas 49
    • 5.1.1 Standing hypotheses and notation 49
    • 5.1.2 Folded squarederror functional 50
    • 5.1.3 Change locus of the folding multiplicity 50
    • 5.2 Global C2 Regularity of the Folded Functional 52
    • 5.2.1 Functional Definition and Assumptions 52
    • 5.2.2 Regularity Theorem 56
    • 5.2.3 Example: Clifford torus with SO(4) 60
    • 5.3 Apply to our framework 61
    • 5.3.1 Lifted data on the Clifford torus 61
    • 5.3.2 Folding fiber 62
    • 5.3.3 Reference embedding (zero phase) 62
    • 5.3.4 Liealgebra split of SO(4) 62
    • 5.3.5 Foldingaware error functional 63
    • 5.4 Main Convexity Theorems 63
    • 5.4.1 Global Minimum Theorem 63
    • 5.4.2 Gauge Invariant Theorem 67
    • 5.4.3 Locally Convex Theorem 69
    • 5.4.4 Corollaries of Convexity Theorem 72
    • Chapter 6 Application to Main Problems 75
    • 6.1 Motivation and Problem Statement 75
    • 6.2 Sensor-Free Phase Estimation 77
    • 6.2.1 Problem statement 77
    • 6.2.2 Error functional 77
    • 6.2.3 Convexity and uniqueness 78
    • 6.3 Mechanical Coupling Calibration 79
    • 6.3.1 Problem statement 79
    • 6.3.2 Error functional 80
    • 6.3.3 Convexity and uniqueness 81
    • 6.3.4 Gauge fixing and effective degrees of freedom 82
    • 6.4 Frequency Optimization 83
    • 6.4.1 Problem statement 83
    • 6.4.2 ThreeGap formula 84
    • 6.4.3 Bounds via continued fractions 85
    • 6.4.4 Optimal largest gap 86
    • IV High dimensional Extension 88
    • Chapter 7 High Frequency Extension 89
    • 7.1 Motivation and Problem Statement 89
    • 7.2 Setup 91
    • 7.2.1 Torus Embedding and Coordinates 91
    • 7.2.2 Rotations Acting on the Scan Path 91
    • 7.2.3 GaugeEffective Decomposition 91
    • 7.2.4 The Generalized Error Functional Structure 92
    • 7.3 Gauge actions for the SO(4m) Action 92
    • 7.3.1 Identification of the Gauge Lie Algebra 93
    • 7.3.2 Effective Subspace 94
    • 7.4 Convexity Analysis for SO(4m) 94
    • 7.4.1 Main Convexity Theorem for SO(4m) 94
    • 7.4.2 Consequences for Optimization 96
    • 7.5 Expressivity of the SO(4m) Geodesic Model 97
    • 7.5.1 Harmonics as orthogonal 2planes 97
    • 7.5.2 Approximation theorem 98
    • 7.5.3 Dimensional bookkeeping 99
    • Chapter 8 k-axis extension 100
    • 8.1 Motivation and Problem Statement 100
    • 8.2 Mathematical Setting for the k-Dimensional Case 102
    • 8.2.1 Torus Embedding and Coordinates 102
    • 8.2.2 Rotation Group Action 102
    • 8.2.3 Gauge and Effective Subspaces 102
    • 8.2.4 Notational Summary 103
    • 8.3 Convexity of the Error Functional on fGr(k, R2k) 103
    • 8.3.1 Error Functional Restated and C2 Regularity 103
    • 8.3.2 First and Second Variations (Hessian) 104
    • 8.3.3 Main Theorem 106
    • 8.3.4 Implications 107
    • 8.4 Frequency Optimization 107
    • 8.4.1 Why choose the frequency vector carefully 107
    • 8.4.2 Small denominators and the Diophantine condition 108
    • 8.4.3 No single "golden ratio'' for k 2: Badly Approximable (BA) vectors 108
    • 8.4.4 Practical heuristics for picking a BA vector 108
    • 8.5 Summary 109
    • V Limitation and Future-work 110
    • Chapter 9 Noise Robustness 111
    • 9.1 Motivation 111
    • 9.2 Type A Noise: Pixel-Value Perturbation 112
    • 9.2.1 Set-up and Notation 112
    • 9.2.2 Expected Discrete TV of White Noise 113
    • 9.2.3 Relating sigma to PSNR 113
    • 9.2.4 Effect on the Convexity Margin 114
    • 9.2.5 Coarse-to-Fine Remedy 114
    • 9.3 Type B Noise: DomainShift Perturbations 114
    • 9.3.1 Model 114
    • 9.3.2 Meansquare error of the displacement 115
    • 9.3.3 Firstorder approximation 116
    • 9.3.4 Displacementdefined PSNR 116
    • 9.3.5 Erosion of the convexity margin 116
    • 9.3.6 Critical displacementPSNR 116
    • 9.3.7 Mitigation in practice 117
    • Chapter 10 Future work 118
    • 10.1 PhaseSpace Sampling and PushForward Reconstruction 118
    • 10.1.1 Data Model 118
    • 10.1.2 Geodesic Sampling Gaps 118
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