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2012 年度 実施状況報告書

幾何図形の列挙に関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 24500008
研究種目

基盤研究(C)

研究機関埼玉大学

研究代表者

堀山 貴史  埼玉大学, 情報メディア基盤センター, 准教授 (60314530)

研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2015-03-31
キーワードアルゴリズム / 列挙アルゴリズム / 展開図 / 多面体 / タイリング / 計算幾何学
研究概要

列挙アルゴリズムは、与えられた制約条件を満たす解を一つだけではなく、すべて求めるための技術である。本研究では、逆探索や BDD (二分決定グラフ), ZDD (零抑制二分決定グラフ) といった列挙の要素技術を統合し、幾何図形の列挙アルゴリズムを設計する。本年度は、中心的な研究テーマとして、(1) 多面体の展開図の列挙、(2) タイリングの列挙に取り組んだ。これらは、計算幾何の基礎研究としての側面だけでなく、たとえば、展開図は機械部品の板金設計に、タイリングは絵画のみでなく壁紙やカーテン等の工業デザインに、分野横断的に利用される。
多面体の展開図の列挙については、(1) 辺にラベルが付いているとしてその切り開き方を示した辺ラベル付き展開図を求める、(2) 同型な展開図を排除して本質的に異なる展開図のみを求める、の2ステップの手順をとる。正多面体の展開図の列挙において、(1) 展開図になるための制約条件 (開切辺は頂点数-1 本、また開切辺がサイクルを持たない) を BDD で表す、(2) 同型性の制約条件 (同型な置換による辺ラベルの入れ換え) を BDD で表して (1) の BDD と結合、との手法を用いたが、これが一般の多面体に対しても適用可能であることを確認した。また、フロンティア法を適用すれば (1) を高速に実行できることを示した。
タイリングの列挙については、p4 タイリング (90度回転によるタイリング) を取り上げ、逆探索により p4 タイリング可能なポリオミノ (複数の単位正方形を辺々接着した平面図形) を列挙するアルゴリズムの設計と実装を行った。(1) 家系木の根の図形の設計、(2) 子→親のルールの設計、(3) 親→子のルールの設計と、逆探索に基づく3ステップの設計を行った。また、アルゴリズムの健全性と完全性の証明を行うことで、理論的な性能保証を与えた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

多面体の展開図の列挙について、提案アルゴリズムが一般の多面体に適用可能であることを確認するとともに、その高速化についても確認した。また、多面体によっては辺ラベル付き展開図の個数が膨大 (たとえば 角切り二十面体の辺ラベル付き展開図は 375,291,866,372,898,816,000個) となる場合があり、この時には BDD/ZDD の作成途中の節点数が爆発的に増加すると予想される。この場合への対処のため、展開図を列挙せずに個数を数え上げる手法を検討した。
タイリングの列挙については、p4 タイリング可能なポリオミノの列挙アルゴリズムを設計し、その健全性と完全性の証明を行うことで、理論的な性能保証を与えた。また、計算機実験により既存手法よりも多くのポリオミノの列挙に成功した。さらに、過去に生成した図形を記憶しておく必要がないため、省メモリで実行できることを確認した。
以上のように、研究計画に沿って、順調に進展している。

今後の研究の推進方策

多面体の展開図については、展開図の同型性の排除に主眼をおき、非同型な展開図の個数 (本質的に異なる展開図の個数) を求める手法を検討する。既存手法として、行列計算により正多面体の非同型な展開図の個数を求める手法と、それを拡張して4次元正多胞体にした手法が知られている。これをさらに拡張し、任意の多面体に対し、その非同型な展開図の個数を求める手法を設計する。また、この手法を実装し、整面凸多面体 (正多面体、半正多面体など) に適用して、それぞれの非同型な展開図の個数を実際に求める。さらに、展開図の数え上げや列挙のアルゴリズムについての研究が進展するにつれて、各展開図が自己交差を持つか (展開後の面と面が重なりを持つか) を確認する必要性が認識されてきたため、これについても検討を行う。
タイリングの列挙については、p4 タイリング可能なポリオミノの列挙手法の拡張を検討する。具体的には、p3 タイリング (120度回転によるタイリング) および p6 タイリング (60度回転によるタイリング) を取り上げる。p3 タイリングではポリアモンドおよびポリヘックス、p6 タイリングではポリアモンドを生成の対象とする。ここで、ポリアモンド、ポリヘックスは、複数の単位正三角形、単位正六角形を辺々接着した平面図形である。直交格子上でポリオミノを扱った p4 タイリングと異なり、p3 タイリングおよび p6 タイリングでは、三角格子上でポリアモンドを、六角格子上でポリヘックスを扱う必要がある。これらの格子上では隣接関係が異なるため、p3, p6 タイリングに特有の性質を利用したルールを追加する必要があるかについて慎重に検討する必要がある。
テンセグリティの列挙についても、テンセグリティ構造をとり得るトポロジーを列挙するなど、検討を開始する。

次年度の研究費の使用計画

該当なし

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2013 2012 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (10件)

  • [雑誌論文] Base location problems for base-monotone regions2013

    • 著者名/発表者名
      J. Chun, T. Horiyama, T. Ito, N. Kaothanthong, H. Ono, Y. Otachi, T. Tokuyama, R. Uehara, T. Uno
    • 雑誌名

      Lecture Notes in Computer Science

      巻: 7748 ページ: 53-64

    • DOI

      10.1007/978-3-642-36065-7_7

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Automatic Multi-Stage Clock Gating Optimization Using ILP Formulation2012

    • 著者名/発表者名
      X. Man, T. Horiyama, S. Kimura
    • 雑誌名

      IEICE Trans. Fundamentals

      巻: E95-A ページ: 1347-1358

    • DOI

      10.1587/transfun.E95.A.1347

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Packing Trominoes is NP-Complete, #P-hard and ASP-Complete2012

    • 著者名/発表者名
      T. Horiyama, T. Ito, K. Nakatsuka, A. Suzuki, R. Uehara
    • 雑誌名

      Proc. of the 24th Canadian Conference on Computational Geometry

      巻: 24 ページ: 219-224

    • 査読あり
  • [学会発表] The Number of Edge Unfoldings of the Archimedean Solids

    • 著者名/発表者名
      T. Horiyama, W. Shoji
    • 学会等名
      5th Asian Association for Algorithms and Computation Annual Meeting
    • 発表場所
      Fudan University, Shanghai, P.R.China
  • [学会発表] 多面体の非同型な展開図の個数について

    • 著者名/発表者名
      堀山貴史, 庄子亘
    • 学会等名
      情報処理学会, アルゴリズム研究会
    • 発表場所
      松山市, 愛媛大学
  • [学会発表] Packing Trominoes is NP-Complete, #P-Complete and ASP-Complete

    • 著者名/発表者名
      T. Horiyama, T. Ito, K. Nakatsuka, A. Suzuki, R. Uehara
    • 学会等名
      LA Symposium
    • 発表場所
      宮津市, 宮津ロイヤルホテル
  • [学会発表] Packing Trominoes is NP-Complete, #P-hard and ASP-Complete

    • 著者名/発表者名
      T. Horiyama, T. Ito, K. Nakatsuka, A. Suzuki, R. Uehara
    • 学会等名
      24th Canadian Conference on Computational Geometry
    • 発表場所
      Charlottetown, Prince Edward Island, Canada
  • [学会発表] 多面体の展開図の列挙と索引化について

    • 著者名/発表者名
      堀山貴史
    • 学会等名
      学習理論における組合せ論ワークショップ
    • 発表場所
      福岡市, 九州大学
  • [学会発表] On the Complexity of Packing Trominoes

    • 著者名/発表者名
      T. Horiyama, T. Ito, K. Nakatsuka, A. Suzuki, R. Uehara
    • 学会等名
      電子情報通信学会コンピュテーション研究会
    • 発表場所
      仙台市, 東北大学
  • [学会発表] Algorithms for Computing Optimal Image Segmentation using Quadtree Decomposition

    • 著者名/発表者名
      J. Chun, T. Horiyama, T. Ito, N. Kaothanthong, H. Ono, Y. Otachi, T. Tokuyama, R. Uehara, T. Uno
    • 学会等名
      Thailand-Japan Joint Conference on Computational Geometry and Graphs
    • 発表場所
      Srinakharinwirot University, Bangkok, Thailand
  • [学会発表] Base location problems for base-monotone regions

    • 著者名/発表者名
      J. Chun, T. Horiyama, T. Ito, N. Kaothanthong, H. Ono, Y. Otachi, T. Tokuyama, R. Uehara, T. Uno
    • 学会等名
      7th International Workshop on Algorithms and Computation
    • 発表場所
      Indian Institute of Technology, Kharagpur, India
  • [学会発表] The Number of Different Unfoldings of Polyhedra

    • 著者名/発表者名
      T. Horiyama, W. Shoji
    • 学会等名
      29th European Workshop on Computational Geometry
    • 発表場所
      TU Braunschweig, Braunschweig, Germany
  • [学会発表] Computational Complexity of Piano-Hinged Dissections

    • 著者名/発表者名
      Z. Abel, E. D. Demaine, M. L. Demaine, T. Horiyama, R. Uehara
    • 学会等名
      29th European Workshop on Computational Geometry
    • 発表場所
      TU Braunschweig, Braunschweig, Germany

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公開日: 2014-07-24  

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