How can one analyze detailed 3D biological objects, such as neurons and botanical trees, that exhibit complex geometrical and topological variation? In this paper, we develop a novel mathematical framework for representing, comparing, and computing geodesic deformations between the shapes of such tree-like 3D objects. A hierarchical organization of subtrees characterizes these objects -- each subtree has the main branch with some side branches attached -- and one needs to match these structures across objects for meaningful comparisons. We propose a novel representation that extends the Square-Root Velocity Function (SRVF), initially developed for Euclidean curves, to tree-shaped 3D objects. We then define a new metric that quantifies the bending, stretching, and branch sliding needed to deform one tree-shaped object into the other. Compared to the current metrics, such as the Quotient Euclidean Distance (QED) and the Tree Edit Distance (TED), the proposed representation and metric capture the full elasticity of the branches (i.e., bending and stretching) as well as the topological variations (i.e., branch death/birth and sliding). It completely avoids the shrinkage that results from the edge collapse and node split operations of the QED and TED metrics. We demonstrate the utility of this framework in comparing, matching, and computing geodesics between biological objects such as neurons and botanical trees. The framework is also applied to various shape analysis tasks: (i) symmetry analysis and symmetrization of tree-shaped 3D objects, (ii) computing summary statistics (means and modes of variations) of populations of tree-shaped 3D objects, (iii) fitting parametric probability distributions to such populations, and (iv) finally synthesizing novel tree-shaped 3D objects through random sampling from estimated probability distributions.


翻译:如何分析详细的 3D 生物物体, 如神经元和植物树, 显示复杂的几何和地形变异? 在本文中, 我们开发了一个新的数学框架, 用于代表、 比较和计算树形3D 对象形状之间的大地变形。 子树的等级组织特征是这些对象 -- 每个子树有主分支和一些侧分支, 并且需要将这些结构在对象之间进行有意义的比较 。 我们提出一个新的表达方式, 将最初为 Euclidean 曲线开发的 Squal- Root 速度函数( SRVF) 扩展为树形 3D 对象。 然后我们定义一个新的矩阵框架, 使一个树形物体的形状变弯、 伸展和树形变变。 与当前测量方式, 比如 Quoticente Eclimate 距离( QED) 和树形变形框架的全缩缩缩 (i. i. brealal- deal dial distrual ) 和直径变 (我们的直径变数) 和直径变数分析结果, 。

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