Parametrizations.hpp

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#pragma once
 
#include "Parametrization.hpp"
#include <polyfem/Common.hpp>
#include <map>
 
namespace polyfem::mesh
{
    class Mesh;
}
 
namespace polyfem::basis
{
    class ElementBases;
}
 
namespace polyfem::solver
{
    class ParametrizationFactory
    {
    private:
        ParametrizationFactory() {}
 
    public:
        static std::vector<std::shared_ptr<Parametrization>> build(const json &params, const int full_size);
    };
 
    class ExponentialMap : public Parametrization
    {
    public:
        ExponentialMap(const int from = -1, const int to = -1);
 
        int size(const int x_size) const override { return x_size; }
        Eigen::VectorXd inverse_eval(const Eigen::VectorXd &y) override;
        Eigen::VectorXd eval(const Eigen::VectorXd &x) const override;
        Eigen::VectorXd apply_jacobian(const Eigen::VectorXd &grad, const Eigen::VectorXd &x) const override;
 
    private:
        const int from_, to_;
    };
 
    class Scaling : public Parametrization
    {
    public:
        Scaling(const double scale, const int from = -1, const int to = -1);
 
        int size(const int x_size) const override { return x_size; }
        Eigen::VectorXd inverse_eval(const Eigen::VectorXd &y) override;
        Eigen::VectorXd eval(const Eigen::VectorXd &x) const override;
        Eigen::VectorXd apply_jacobian(const Eigen::VectorXd &grad, const Eigen::VectorXd &x) const override;
 
    private:
        const int from_, to_;
        const double scale_;
    };
 
    class PowerMap : public Parametrization
    {
    public:
        PowerMap(const double power = 1, const int from = -1, const int to = -1) : power_(power), from_(from), to_(to)
        {
            assert(from_ < to_ || from_ < 0);
            assert(power_ > 0);
        }
 
        int size(const int x_size) const override { return x_size; }
        Eigen::VectorXd inverse_eval(const Eigen::VectorXd &y) override;
        Eigen::VectorXd eval(const Eigen::VectorXd &x) const override;
        Eigen::VectorXd apply_jacobian(const Eigen::VectorXd &grad, const Eigen::VectorXd &x) const override;
 
    private:
        const double power_;
        const int from_, to_;
    };
 
    class ENu2LambdaMu : public Parametrization
    {
    public:
        ENu2LambdaMu(const bool is_volume);
 
        int size(const int x_size) const override { return x_size; }
 
        Eigen::VectorXd inverse_eval(const Eigen::VectorXd &y) override;
        Eigen::VectorXd eval(const Eigen::VectorXd &x) const override;
        Eigen::VectorXd apply_jacobian(const Eigen::VectorXd &grad, const Eigen::VectorXd &x) const override;
 
    private:
        const bool is_volume_;
    };
 
    class PerBody2PerNode : public Parametrization
    {
    public:
        PerBody2PerNode(const mesh::Mesh &mesh, const std::vector<basis::ElementBases> &bases, const int n_bases);
 
        int size(const int x_size) const override;
        Eigen::VectorXd eval(const Eigen::VectorXd &x) const override;
        Eigen::VectorXd apply_jacobian(const Eigen::VectorXd &grad, const Eigen::VectorXd &x) const override;
 
    private:
        const mesh::Mesh &mesh_;
        const std::vector<basis::ElementBases> &bases_;
        int full_size_;
        int reduced_size_;
        Eigen::VectorXi node_id_to_body_id_;
    };
 
    class PerBody2PerElem : public Parametrization
    {
    public:
        PerBody2PerElem(const mesh::Mesh &mesh);
 
        int size(const int x_size) const override;
        Eigen::VectorXd eval(const Eigen::VectorXd &x) const override;
        Eigen::VectorXd apply_jacobian(const Eigen::VectorXd &grad, const Eigen::VectorXd &x) const override;
 
    private:
        const mesh::Mesh &mesh_;
        int full_size_;
        int reduced_size_;
        std::map<int, std::array<int, 2>> body_id_map_; // from body_id to {elem_id, index}
    };
 
    class SliceMap : public Parametrization
    {
    public:
        SliceMap(const int from = -1, const int to = -1, const int total = -1);
 
        int size(const int x_size) const override { return to_ - from_; }
 
        Eigen::VectorXd inverse_eval(const Eigen::VectorXd &y) override;
        Eigen::VectorXd eval(const Eigen::VectorXd &x) const override;
        Eigen::VectorXd apply_jacobian(const Eigen::VectorXd &grad, const Eigen::VectorXd &x) const override;
 
    private:
        const int from_, to_, total_;
    };
 
    class InsertConstantMap : public Parametrization
    {
    public:
        InsertConstantMap(const int size = -1, const double val = 0, const int start_index = -1);
        InsertConstantMap(const Eigen::VectorXd &values, const int start_index = -1);
 
        int size(const int x_size) const override;
        Eigen::VectorXd inverse_eval(const Eigen::VectorXd &y) override;
        Eigen::VectorXd eval(const Eigen::VectorXd &x) const override;
        Eigen::VectorXd apply_jacobian(const Eigen::VectorXd &grad, const Eigen::VectorXd &x) const override;
 
    private:
        // const int size_;
        // const double val_;
        int start_index_ = -1;
        Eigen::VectorXd values_;
    };
 
    class LinearFilter : public Parametrization
    {
    public:
        LinearFilter(const mesh::Mesh &mesh, const double radius);
 
        int size(const int x_size) const override { return x_size; }
        Eigen::VectorXd eval(const Eigen::VectorXd &x) const override;
        Eigen::VectorXd apply_jacobian(const Eigen::VectorXd &grad, const Eigen::VectorXd &x) const override;
 
    private:
        Eigen::SparseMatrix<double> tt_radius_adjacency;
        Eigen::VectorXd tt_radius_adjacency_row_sum;
    };
 
    class ScalarVelocityParametrization : public Parametrization
    {
    public:
        ScalarVelocityParametrization(const double start_val, const double dt) : start_val_(start_val), dt_(dt) {}
 
        int size(const int x_size) const override { return x_size; }
        Eigen::VectorXd inverse_eval(const Eigen::VectorXd &y) override;
        Eigen::VectorXd eval(const Eigen::VectorXd &x) const override;
        Eigen::VectorXd apply_jacobian(const Eigen::VectorXd &grad, const Eigen::VectorXd &x) const override;
 
    private:
        const double start_val_;
        const double dt_;
    };
} // namespace polyfem::solver