第5章曲线与曲面1.ppt

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1、2019/6/17,1,第五章 曲线与曲面（1）,2019/6/17,2,自然界中的事物形态总是以曲线、曲面的形式出现的。要建立三维物体的模型，曲线和曲面是必不可少的研究内容。曲线是曲面的基础，当生成了一条曲线后，即可运用平移、旋转等变换来生成复杂曲面（如一条平面直线沿某个方向的平移轨迹是一个平面；绕另一中心轴直线旋转会生成一个曲面；一个半圆绕其一中心轴旋转会生成一个球面），进而构造出三维物体。因而曲线曲面的表示是计算机图形学的重要研究内容之一。,本章从一些规则的曲线和曲面出发，主要介绍自由曲线和自由曲面的基础知识和其常见的表示形式。,2019/6/17,3,常用的曲线曲面的类型：,Bzier

2、曲线（面）,B样条曲线（面）,孔斯曲面,这些曲线曲面都可以用参数方程表示，并具有以下的优点：,曲线曲面的形状不依赖于 坐标系的选择 人机交互直观 易于计算 易于拼接 造型灵活,2019/6/17,4,5.1 曲线、曲面的参数表示的基础知识,其一是规则的曲线和曲面，如直线（平面）、圆锥曲线（面），这些曲线（面）都可以用函数方程（显示和隐式）或参数方程（一般都为一个一次或二次方程）给出；,工程中经常遇到的曲线和曲面有两种：,其二是形状比较复杂，不能用二次方程描述的曲线和曲面，称为自由曲线和曲面，如船体、水波面（见演示）、车身和机翼的曲线和曲面，如何表示这些自由的曲线和曲面成了工程设计与制造中遇到的

3、首要问题。同时这些自由曲线和曲面构型日益艺术化也不断地成就和壮大了今天的汽车、船舶和飞机工业。,2019/6/17,5,构造曲面模拟帆船,用曲面模拟海水,5.1 曲线、曲面的参数表示的基础知识,链接,链接,2019/6/17,6,一个坐标变量能够显式地表示为另一个变量的函数。 平面曲线显式表示的一般形式是： 一条直线方程： 一个三维空间直线的显示表示： 在平面直线的表示中，每一个x值只对应一个y值 用显式方程不能表示封闭或多值曲线。如不能表示一个完整的圆弧,5.1.1 曲线的三种表示方法,显式表示,2019/6/17,7,平面曲线隐式表示的般形式为： 三维空间曲线的隐式表示式为交面式（用两个曲

4、面相交的方式）:,5.1.1 曲线的三种表示方法,隐式表示,曲线的显示和隐式表示统称为非参数表示，非参数表示曲线存在下列问题： 与坐标系相关 会出现斜率为无穷大的情况(如垂线) 非平面曲线难用常系数的非参数化函数表示 不利于计算和编程,2019/6/17,8,其中 ， 和 分别是参数 的显式、单值函数：,参数表示,形式,将曲线上各点的坐标变量显式地表示成参数 的函数形式,5.1.1 曲线的三种表示方法,2019/6/17,9,参数表示中，通常将参数区间规范化为0,1； 参数方程中的参数可以代表任何量，如时间、角度等； 连接 和 两点的直线段的参数方程可写为：,5.1.1 曲线的三种表示方法,参

5、数表示,说明,2019/6/17,10,5.1.1 曲线的三种表示方法,参数表示,说明,一条参数曲线的表示形式并不是惟一的 例如：在第一象限内的单位圆弧既可表 示成（右图(a)）：,又可表示成：（令t为 半角的正切) （右图(b)）,图中和t为等距取值,2019/6/17,11,5.1.1 曲线的三种表示方法,参数表示,优点,曲线的边界容易确定。规格化的参数区间0,1可以很容易地指定任意一段曲线，而不必用另外的参数去定义边界； 点动成线。当参数t从0变到1时，曲线段从起点变到终点； 具有几何不变性。参数方程的形式不依赖于坐标系的选取，当坐标系改变时，参数方程的形式不变； 易于处理斜率为无穷大的

6、情形。在参数表示中，变化率以切矢量表示，不会出现无穷大的情况； 易于变换。对参数表示的曲线、曲面进行平移、比例、旋转等几何变换比较容易； 交互能力强。参数表示具有直观、明确的几何意义，并提高了自由度，容易自由地控制整个曲线、曲面的形状。,2019/6/17,12,5.1.2 参数曲线的切矢量、弧长、法矢量和曲率,， 曲线上任一点的位置矢量可表示为：,设曲线的参数方程为 ,参数曲线的位置矢量,P (t),P(t+t),y,x,z,P,S,1位置矢量,2019/6/17,13,设 和 是曲线上的两点，记,参数曲线的切矢,P(t),P(t+t),y,x,z,P,S,当 时，导数矢量 的方向趋近于P点

7、处的切线方 向，记为 = 亦称为P点的切矢量,5.1.2 参数曲线的切矢量、弧长、法矢量和曲率,2切矢量,2019/6/17,14,在极限情况下，弦长 和弧长 相等，即：,T 称为 处切线方向的单位矢量。上式说明：如果以弧长为参数，曲线在任意点的切线为单位矢量,参数曲线的单位切矢,x,P (t),P(t),P(t+t),y,z,5.1.2 参数曲线的切矢量、弧长、法矢量和曲率,2切矢量,2019/6/17,15,从微积分的意义讲，上式是曲线从 到 的折线长度的极限，令：,对于正则曲线 ，从点 到点 的弧长定义为,5.1.2 参数曲线的切矢量、弧长、法矢量和曲率,3弧长,2019/6/17,16

8、,设以弧长s为参数，曲线上的点 和点 处的单位切矢量分别为 和 。,P(s),P(s+s),5.1.2 参数曲线的切矢量、弧长、法矢量和曲率,4曲率,记两单位切矢的夹角为 ，其改变量,而 是弧长的改变量，所以通常用 与 比的绝对值 来度量弧 的弯曲程度。,T(s+s),T(s),2019/6/17,17,当 时， 称为曲线在点 的曲率半径,5.1.2 参数曲线的切矢量、弧长、法矢量和曲率,4曲率,2019/6/17,18,对于一条空间三维曲线，任何垂直于切矢量T的矢量都 称为法矢量。,T是单位切矢量且|T|=1，两边对s求导得矢量dT/ds，且 dT/ds垂直于单位T，与T垂直的矢量很多，但我

9、们：,称与矢量dT/ds同方向的单位矢量N为单位主法矢量，有 以下式子（其中K为曲率(曲率非矢量）) ：,5.1.2 参数曲线的切矢量、弧长、法矢量和曲率,5主法矢量和副法矢量,称KN称为曲线的曲率矢量,矢量 垂直于T 和N,B称为单位副法线矢量,2019/6/17,19,过曲线上任一点有三个两两垂直的单位矢量T、N、 B，即满足 、 、 。,密切平面：通过给定点且包含切矢量T和主法矢量N的平面,5.1.2 参数曲线的切矢量、弧长、法矢量和曲率,6密切平面、法平面、化直平面和密切圆,2019/6/17,20,法平面：通过给定点且包含主法矢量N和副法矢量B的平面,化直平面：通过给定点且包含副法矢

10、量B和切矢量T的平面,5.1.2 参数曲线的切矢量、弧长、法矢量和曲率,6密切平面、法平面、化直平面和密切圆,2019/6/17,21,5.1.2 参数曲线的切矢量、弧长、法矢量和曲率,6密切平面、法平面、化直平面和密切圆,密切圆：设曲线上三点R 、 M 、Q分别对应参数：、 和 ，则R点的密切圆是指当 时，经过三 点M、R、Q的圆,2019/6/17,22,密切圆所在的平面包含了直线段 和 ，又,和副法矢量B同向,5.1.2 参数曲线的切矢量、弧长、法矢量和曲率,6密切平面、法平面、化直平面和密切圆,2019/6/17,23,过M、R、Q的圆一定在密切平面上，并且其法线方向与 的方向相同,密

11、切圆表示曲线在点R处的弯曲程度,在曲线上点R的密切圆的半径等于该点的曲率半径，密切圆心是曲率中心,密切平面的几何意义是：在所有和曲线上的点R相切的平面中，密切平面是在R附近和曲线贴的最紧的平面。,5.1.2 参数曲线的切矢量、弧长、法矢量和曲率,6密切平面、法平面、化直平面和密切圆,2019/6/17,24,5.1.3 样条表示,1插值、拟合、逼近和特征多边形 给定一组称为控制点的有序坐标点，这些点描绘了曲线的大致形状；连接这组有序控制点的直线序列（折线）称为控制多边形或特征多边形。通过这些控制点，可以构造出一条样条曲线，构造的两种方法如下： 插值：如果样条曲线顺序通过每一个控制点，称为对这些

12、控制点进行插值，所构造的曲线称为插值样条曲线； 拟合：如果样条曲线在某种意义下最接近这些控制点（不一定通过每个控制点），称为对这些控制点进行逼近，所构造的曲线为逼近样条曲线； 逼近：插值和逼近的统称。,样条原指通过一组指定点集而生成平滑曲线的柔性带，使用这种方式绘制的曲线、曲面称为样条曲线、样条曲面。在计算机图形学中，样条曲线指由多项式曲线段连接而成的曲线，在每段的边界处满足特定的连续性条件；样条曲面则是利用两组正交的样条曲线进行描述的。,2019/6/17,25,线性插值：假设给定函数f(x)在两个不同点x1和x2的值，用一个线形函数：y=ax+b，近似代替，称为f(x)的线性插值函数。(见

13、下图（a) 抛物线插值：已知在三个互异点 的函数值 为 ，要求构造一个函数：,使抛物线 在结点 处与 在 处的值相等(见下图（b）),5.1.3 样条表示,1插值、拟合、逼近和特征多边形,（a）,（b ）,2019/6/17,26,5.1.3 样条表示,如果两条相邻参数曲线段在连接点处具有n阶连续导矢，即n阶连续可微：,2曲线的连续性 样条曲线是由各个多项曲线段连接而成，为了保证各个曲线段在连接点处是光滑的，需要满足各种连续性条件。这里讨论两种意义下的连续性：参数连续性和几何连续性。并基于以下的假设：样条曲线由m段如下所示的参数多项式曲线连接而成： Pi=Pi(t), t0,1，i=1m,参数

14、连续性,则将这类连续性称为n阶参数连续性，记为Cn,2019/6/17,27,特例： 0阶参数连续性(记为C0 ，又称为几何位置连续) ： Pi(1)=Pi+1(0), i=1,2,m-1 1阶参数连续性(记为C1)： Pi(1)=Pi+1(0)且Pi(1)=Pi+1(0), i=1,2,m-1 2阶参数连续性(记为C2)： Pi(1)=Pi+1(0)且Pi(1)=Pi+1(0)且Pi”(1)=Pi+1”(0), i=1,2,m-1,5.1.3 样条表示,参数连续性,(b) C1,2曲线的连续性,2019/6/17,28,特例： 0阶几何连续性(记为G0) ：与C0一样 Pi(1)=Pi+1(

15、0), i=1,2,m-1 1阶几何连续性(记为G1)： Pi(1)=Pi+1(0)且Pi+1(0) = kiPi(1) , i=1,2,m-1,ki0 2阶几何连续性(记为G2)： Pi(1)=Pi+1(0)且Pi+1(0) = kiPi(1) 且 Pi+1”(0) = miPi”(1) , i=1,2,m-1,ki0且mi0,5.1.3 样条表示,几何连续性,如果只要求两条相邻参数曲线段在连接点处的n阶导矢成比例，而不要求必须相等，则将这类连续性称为n阶几何连续性，记为Gn ：,2曲线的连续性,2019/6/17,29,5.1.4 参数曲线的代数形式和几何形式,参数曲线的形式多种多样，其中

16、最简单实用的就是参数样条（多项式）曲线。样条曲线的次数可能有高有低，次数太高会导致计算复杂，存储量大。而次数太低则会导致控制曲线的灵活性降低，曲线不连续。三次参数样条曲线在计算速度和灵活性之间提供了一个合理的折中方案，通常用于建立物体的运动路径或设计物体的外观形状。三次Hermite插值曲线是三次参数样条曲线的基础。,2019/6/17,30,5.1.4 参数曲线的代数形式和几何形式,三次参数多项式曲线 的代数表示形式是 改写成矢量的形式 其中 ， 是多项式的i次系数矢量。,代数形式,2019/6/17,31,对于三次多项式曲线，常用四个几何条件进行描述。,两端点的位置 和 两端点的切矢量 和

17、,5.1.4 参数曲线的代数形式和几何形式,几何形式,这样描述的三次多项式曲线，称为Hermite曲线，它是以法国数学家Charles Hermite命名的,2019/6/17,32,5.1.4 参数曲线的代数形式和几何形式,几何形式,代入式,为0,1区间上的三次Hermite基函数，也称调和函数。,（）,2019/6/17,33,Hermite基函数,5.1.4 参数曲线的代数形式和几何形式,几何形式,2019/6/17,34,写成矩阵形式分别是:,其中 和 分别表示矩阵A和B的转置,5.1.4 参数曲线的代数形式和几何形式,矩阵表示,将：,几何形式矩阵,代数形式矩阵,2019/6/17,3

18、5,=(2t3-3t2+1) (-2t3+3t2) (t3-2t2+t) (t3-t2) =t3 t2 t 1 =TM,5.1.4 参数曲线的代数形式和几何形式,代数系阵与几何系数阵的关系,-2 1 1 -3 3 -2 -1 0 0 1 0 1 0 0 0,故P(t)=TA=FB=TMB,A= M B,A=BM,B=AM-1,上式反映了参数曲线的代数形式与几何形式之间的变换关系，我们常用P=TMB表表示一条参数曲线,2019/6/17,36,5.1.4 参数曲线的代数形式和几何形式,Hermite曲线的几何意义,如果三次Hermite曲线的两端点的位置矢量、切矢量的大小和方向发生改变，都会对曲线的形状产生影响; 在实际应用中，常将次数较高的复杂样条曲线分解成多段子曲线进行生成。如果给定空间n+1个控制点，则可以生成n段三次Hermite曲线。由于每段子曲线的形状只受两端点的控制，故对每段子曲线都可以进行局部调整，从而既提高了设计的灵活性和自由性，又降低了计算的复杂性。,