计算机辅助几何设计.ppt
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1、第第5章章 计算机辅助几何设计计算机辅助几何设计 5.1 自由曲线自由曲线5.2 自由曲面自由曲面1文库专用CAD中由已知曲线或曲面的数学方程生成的曲线中由已知曲线或曲面的数学方程生成的曲线曲面称为规则曲线曲面,常用隐函数或二次方程曲面称为规则曲线曲面,常用隐函数或二次方程的显函数表示。但在汽车、轮船、飞机、模具、的显函数表示。但在汽车、轮船、飞机、模具、艺术品等产品设计中,存在大量的不能用二次曲艺术品等产品设计中,存在大量的不能用二次曲面描述的曲线曲面,这类曲线曲面称为自由曲线面描述的曲线曲面,这类曲线曲面称为自由曲线(Free Form Curves)和自由曲面(和自由曲面(Free Fo
2、rm Surfaces),),这是计算机辅助几何设计研究的主要这是计算机辅助几何设计研究的主要几何形状。几何形状。2文库专用5.1 自由曲线自由曲线5.1.1 曲线曲面描述的基本原理曲线曲面描述的基本原理5.1.2 Hermite曲线曲线5.1.3 Bezier曲线曲线5.1.4 B样条曲线样条曲线5.1.5 非均匀有理非均匀有理B样条(样条(NURBS)曲线曲线3文库专用5.1.1 曲线曲面描述的基本原理曲线曲面描述的基本原理 自由曲线可以是由一系列的小曲线段连接而成,自自由曲线可以是由一系列的小曲线段连接而成,自由曲面可以是由无数个小的曲面片拼合而成。因此,曲由曲面可以是由无数个小的曲面片
3、拼合而成。因此,曲线曲面的研究重点是曲线段或曲面片的描述及其连接拼线曲面的研究重点是曲线段或曲面片的描述及其连接拼合方法。合方法。1.几何设计的基本概念几何设计的基本概念在在自由曲线和曲面描述中常用三种类型的点:自由曲线和曲面描述中常用三种类型的点:(1)特征点(控制顶点):用来确定曲线曲面的)特征点(控制顶点):用来确定曲线曲面的形状位置,但曲线或曲面不一定经过该点。形状位置,但曲线或曲面不一定经过该点。(2)型值点:用于确定曲线或曲面的位置与形状型值点:用于确定曲线或曲面的位置与形状并且经过该点。并且经过该点。4文库专用 在曲线曲面设计中,通常是用一组离散的型值点或特在曲线曲面设计中,通常
4、是用一组离散的型值点或特征点来定义和构造几何形状,并且所构造的曲线曲面应满征点来定义和构造几何形状,并且所构造的曲线曲面应满足光顺的要求。这种曲线曲面定义的主要方法是插值和逼足光顺的要求。这种曲线曲面定义的主要方法是插值和逼近。近。(1)插值:给定一组精确的数值点,要求构造一个函)插值:给定一组精确的数值点,要求构造一个函数,使之严格地依次通过全部型值点,且满足光顺的要求。数,使之严格地依次通过全部型值点,且满足光顺的要求。(2)逼近:对于一组给定的控制顶点,要求构造一个)逼近:对于一组给定的控制顶点,要求构造一个函数,使之在整体上最接近这些控制点而不一定通过这些函数,使之在整体上最接近这些控
5、制点而不一定通过这些点。点。(3)光滑)光滑(smooth):从数学意义上讲,光滑是指曲线从数学意义上讲,光滑是指曲线或曲面具有至少一阶连续导数。或曲面具有至少一阶连续导数。(4)光顺)光顺(fair):至今仍是一个模糊的概念,尚无统至今仍是一个模糊的概念,尚无统一的标准。一方面有主观的因素,另一方面与应用背景相一的标准。一方面有主观的因素,另一方面与应用背景相关。但仍有一些客观标准及处理方法。关。但仍有一些客观标准及处理方法。5文库专用 曲线曲面可以用隐函数、显函数或参数方程表示。用隐函曲线曲面可以用隐函数、显函数或参数方程表示。用隐函数表示不直观,作图不方便(如数表示不直观,作图不方便(如
6、ax+by+c=0););用显函数表示用显函数表示存在多值性(如存在多值性(如x2+y2=r2)和斜率无穷大(如和斜率无穷大(如y=mx+b)等问题等问题。此外,隐函数和显函数只适合表达简单、规则的曲线曲面。此外,隐函数和显函数只适合表达简单、规则的曲线曲面。自由曲线曲面多用参数方程表示,相应地称为参数曲线或自由曲线曲面多用参数方程表示,相应地称为参数曲线或参数曲面。参数曲面。空间的一条曲线可以表示成随参数空间的一条曲线可以表示成随参数t变化的运动点的轨迹,其变化的运动点的轨迹,其矢量函数为:矢量函数为:P(t)=P(x(t),y(t),z(t),t 的范围是的范围是 0,1同理,空间中的一张
7、曲面可用参数同理,空间中的一张曲面可用参数(u,v)表示为:表示为:P(u,v)=P(x(u,v),y(u,v),z(u,v),(u,v)的范围是的范围是 0,10,12.曲线曲面的数学描述方法曲线曲面的数学描述方法6文库专用用参数表示曲线曲面的优点:用参数表示曲线曲面的优点:(1)具有几何不变性。某些几何性质不随一定的坐标变换)具有几何不变性。某些几何性质不随一定的坐标变换而变化的性质称为几何不变性。曲线形状本质上与坐标而变化的性质称为几何不变性。曲线形状本质上与坐标系的选取无关。系的选取无关。(2)可以处理无穷大的斜率。)可以处理无穷大的斜率。dy/dx=(dy/dt)/(dx/dt)(3
8、)参数方程将自变量和因变量完全分开,使得参数变化参数方程将自变量和因变量完全分开,使得参数变化对各因变量的影响可以明显地表示出来。对各因变量的影响可以明显地表示出来。(4)可以处理多值曲线。)可以处理多值曲线。(5)规格化参数变量,使其相应的几何分量是有界的。)规格化参数变量,使其相应的几何分量是有界的。由由于参数限制在于参数限制在0到到1的闭区间之内,因而所表示的曲线总的闭区间之内,因而所表示的曲线总是有界的,不需另设其他数据来定义其边界。是有界的,不需另设其他数据来定义其边界。(6)对曲线曲面形状控制的自由度更大。如一条二维三次)对曲线曲面形状控制的自由度更大。如一条二维三次曲线的显式表示
9、为:曲线的显式表示为:7文库专用 (7)易于用矢量和矩阵表示几何量,从而简化了计算。易于用矢量和矩阵表示几何量,从而简化了计算。其中只有其中只有4个系数可控制曲线的形状,而对于其参数表示个系数可控制曲线的形状,而对于其参数表示为:为:其中有其中有8个系数可用来控制曲线的形状。个系数可用来控制曲线的形状。8文库专用5.1.2 Hermite曲线曲线Hermite曲线是给定曲线段的两个端点坐标以曲线是给定曲线段的两个端点坐标以及两端点处的切线矢量来描述曲线。空间一及两端点处的切线矢量来描述曲线。空间一条三次参数曲线可以表示为:条三次参数曲线可以表示为:该曲线的矢量表达式为:该曲线的矢量表达式为:应
10、用端点应用端点P0P0和和P1P1,以及端点切矢以及端点切矢P0P0和和P1,P1,可得:可得:9文库专用矩阵表达式为矩阵表达式为:于是,于是,10文库专用5.1.3 Bezier曲线曲线1962年,年,Bezier提出了一种自由曲线曲面的提出了一种自由曲线曲面的设计方法,称为设计方法,称为Bezier方法。其具体设计过方法。其具体设计过程是:程是:从模型或手绘草图上取得数据后,用绘图从模型或手绘草图上取得数据后,用绘图工具绘出曲线图,然后从这张图上大致定工具绘出曲线图,然后从这张图上大致定出出Bezier特征多边形各控制顶点的坐标值,特征多边形各控制顶点的坐标值,并输入计算机进行交互的几何设
11、计,调整并输入计算机进行交互的几何设计,调整特征多边形顶点的位置,直到得出满意的特征多边形顶点的位置,直到得出满意的结果为止;最后用绘图机绘出曲线样图。结果为止;最后用绘图机绘出曲线样图。11文库专用1.Bezier曲线定义曲线定义在在空间给定空间给定n+1个控制顶点个控制顶点Pi(I=0,1,n),称下列称下列 参数曲线为参数曲线为n次次Bezier曲线。曲线。称为伯恩斯坦基函数(称为伯恩斯坦基函数(Bernstein Basis)。)。一般称折线一般称折线为为P(t)的控制多边形;称的控制多边形;称各点为各点为P(t)的控制顶点。的控制顶点。12文库专用 (1)三次)三次Bezier曲线曲
12、线常用常用 的三次的三次Bezier曲线,由曲线,由4个控制顶点确定。容易算个控制顶点确定。容易算出,与其对应的出,与其对应的4个个Bernstein基函数为:基函数为:相应的相应的Bezier 曲线为曲线为13文库专用(2)二次)二次Bezier曲线曲线二次二次Bezier曲线由三个控制顶点确定,此时,相应曲线由三个控制顶点确定,此时,相应的曲线表达式为的曲线表达式为对应于一条抛物线。对应于一条抛物线。(3)一次)一次Bezier曲线曲线一次一次Bezier曲线由两个控制顶点确定,此时,相曲线由两个控制顶点确定,此时,相应的曲线表达式为应的曲线表达式为这是一条连接这是一条连接P0和和P1的直
13、线段。的直线段。14文库专用2.Bezier曲线的程序设计曲线的程序设计实际应用的主要是三次实际应用的主要是三次Bezier曲线。利用它的参数表曲线。利用它的参数表达式在区间达式在区间(0,1)内取多个值,例如内取多个值,例如100,计算出这,计算出这100个值对应的坐标点,依次连接这些点就得到一条个值对应的坐标点,依次连接这些点就得到一条Bezier曲线。曲线。为为程序设计方便,改写曲线的表达式为:程序设计方便,改写曲线的表达式为:15文库专用注意:再添加一个注意:再添加一个z 坐标,就可得到空间坐标,就可得到空间Bezier曲线曲线。16文库专用3.Bezier曲线的性质曲线的性质在在Be
14、rnstein基函数基函数中,中,n为基本曲线的次数,为基本曲线的次数,i为基函数的序号。由排列组为基函数的序号。由排列组合和导数运算规律可以推导出合和导数运算规律可以推导出Bernstein基函数的如下性基函数的如下性质:质:(1)正性(非负性):)正性(非负性):(2)权性:)权性:(3)对称性:对称性:(4)导数性质:)导数性质:(5)递推性质:)递推性质:17文库专用Bezier曲线的一些性质:曲线的一些性质:1)端点性质)端点性质曲线经过特征多边形的首末点。因为曲线经过特征多边形的首末点。因为曲线曲线P(t)在在P0点与边点与边P0P1相切,在相切,在Pn 点与点与2)对称性)对称性
15、由由Bernstein基函数的对称性可知,控制点的次序完基函数的对称性可知,控制点的次序完全颠倒过来后,曲线的形状不变,但走向相反。这全颠倒过来后,曲线的形状不变,但走向相反。这表明表明,同一特征多边形定义的同一特征多边形定义的Bezier曲线是惟一的曲线是惟一的.相切。因为相切。因为18文库专用(3)凸包性凸包性所以,所以,P(t)是是P0,P1,Pn凸线性组合。凸线性组合。这证明这证明Bezier曲线曲线完全被包在其特征多边形的凸包内。完全被包在其特征多边形的凸包内。所以,控制顶点所以,控制顶点P0,P1,Pn的凸包为的凸包为:19文库专用(5)交互能力)交互能力(4)几何不变性几何不变性
16、由给定控制顶点所确定的由给定控制顶点所确定的Bezier曲线的形状与坐标曲线的形状与坐标系的选取无关。此性质就是系的选取无关。此性质就是Bezier曲线的几何不变曲线的几何不变性。性。几何不变性对几何图形来说是一种很重要的性质。几何不变性对几何图形来说是一种很重要的性质。在计算机图形学中经常要作坐标变换,如果同一表在计算机图形学中经常要作坐标变换,如果同一表示式在不同坐标系下表示不同的曲线,则会给图形示式在不同坐标系下表示不同的曲线,则会给图形变换带来很多不便之处。变换带来很多不便之处。控制多边形控制多边形P0P1Pn大致地勾画出大致地勾画出Bezier曲线曲线P(t)的形状。的形状。要改变要
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