Grid-free Monte Carlo methods such as walk on spheres can be used to solve elliptic partial differential equations without mesh generation or global solves. However, such methods independently estimate the solution at every point, and hence do not take advantage of the high spatial regularity of solutions to elliptic problems. We propose a fast caching strategy which first estimates solution values and derivatives at randomly sampled points along the boundary of the domain (or a local region of interest). These cached values then provide cheap, output-sensitive evaluation of the solution (or its gradient) at interior points, via a boundary integral formulation. Unlike classic boundary integral methods, our caching scheme introduces zero statistical bias and does not require a dense global solve. Moreover we can handle imperfect geometry (e.g., with self-intersections) and detailed boundary/source terms without repairing or resampling the boundary representation. Overall, our scheme is similar in spirit to virtual point light methods from photorealistic rendering: it suppresses the typical salt-and-pepper noise characteristic of independent Monte Carlo estimates, while still retaining the many advantages of Monte Carlo solvers: progressive evaluation, trivial parallelization, geometric robustness, etc. We validate our approach using test problems from visual and geometric computing.


翻译:网格无关的蒙特卡洛方法(如球面游走法)可在无需网格生成或全局求解的情况下求解椭圆型偏微分方程。然而这类方法独立估计每个点上的解,未能充分利用椭圆问题解的高空间正则性。我们提出了一种快速缓存策略:首先沿域(或局部感兴趣区域)边界随机采样点,估计其解值与导数。这些缓存值随后通过边界积分公式,为内部点的解(或其梯度)提供低成本、输出敏感的评估。与经典边界积分法不同,我们的缓存方案具有零统计偏差,且无需密集全局求解。此外,我们可处理不完美几何(如存在自交的情况)及精细边界/源项,无需修复或重采样边界表示。总体而言,本方案在精神上与真实感渲染中的虚点光源方法相似:既抑制了独立蒙特卡洛估计典型的椒盐噪声特性,又保留了蒙特卡洛求解器的诸多优势(渐进评估、易并行化、几何鲁棒性等)。我们通过视觉与几何计算领域的测试问题验证了该方法。

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