计算机图形学 参数曲线和曲面的相关知识点

本文整理自西安交通大学软件学院祝继华老师的计算机图形学课件,请勿转载

文章目录

  • 参数曲线和曲面
    • 曲线曲面参数表示
      • 非参数表示
      • 参数表示
    • 曲线的基本概念
    • 插值、拟合和光顺
      • 插值
      • 拟合
      • 逼近
      • 光顺(Fairing)
    • 参数化
      • 参数化常用方法
      • 参数区间的规格化
      • 参数曲线的代数和几何形式
      • 连续性

参数曲线和曲面

曲线曲面参数表示

非参数表示

  • 显式表示:y=f(x),无法表示封闭或多值曲线,如圆。
  • 隐式表示:f(x,y)=0,易于判断函数值与零的关系,确定点与曲线的关系。

存在下述问题:

  • 与坐标轴相关;
  • 会出现斜率为无穷大的情形(如垂线)。

参数表示

曲线上任一点的坐标均表示成给定参数的函数

假定用t表示参数

计算机图形学 参数曲线和曲面的相关知识点_第1张图片

曲线的基本概念

  • 三维曲线:用参数表示的三维曲线是一个有界的点集,可以表示成一个带参数的、连续的和单值的数学函数

计算机图形学 参数曲线和曲面的相关知识点_第2张图片

  • 位置矢量

image-20220215145401386

插值、拟合和光顺

插值

给定一组有序的数据点 P i P_i Pi构造一条曲线顺序通过这些数据点,所构造的曲线称为插值曲线

  • 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,称为的线性插值函数。
  • 抛物线插值:已知在三个互异点 x 1 , x 2 , x 3 x_1,x_2,x_3 x1,x2,x3的函数值为 y 1 , y 2 , y 3 y_1,y_2,y_3 y1,y2,y3,要求构造一个函数 ϕ ( x ) = a x 2 + b x + c \phi(x)=ax^2+bx+c ϕ(x)=ax2+bx+c使抛物线 ϕ ( x ) \phi(x) ϕ(x)在结点 x i 9 i = 1 , 2 , 3 x_i9i=1,2,3 xi9i=1,2,3处与 f ( x ) f(x) f(x) x i x_i xi处的值相等

计算机图形学 参数曲线和曲面的相关知识点_第3张图片

拟合

构造一条曲线使之在某种意义下最接近给定的数据点,所构造的曲线为拟合曲线

逼近

在计算数学中,逼近通常指用一些性质较好的函数近似表示一些性质不好的函数。在计算机图形学中,逼近继承了这方面的含义

光顺(Fairing)

指曲线的拐点不能太多。对平面曲线而言,相对光顺的条件是:

a. 具有二阶几何连续性(G2);
b. 不存在多余拐点和奇异点;
c. 曲率变化较小

参数化

过三点P0、P1和P2构造参数表示的插值多项式可以有无数条

  • 对应地参数t, 在[0,1]区间中有无数种取法;
  • 参数值称为节点(knot)。

对于一条插值曲线,型值点 P 0 , P 1 , ⋅ ⋅ ⋅ , P n P_0,P_1,\cdot\cdot\cdot,P_n P0,P1,,Pn与其参数域 t ∈ [ t 0 , t n ] t\in [t_0,t_n] t[t0,tn]内的节点之间有一种对应关系:对于一组有序的型值点,所确定一种参数分割,称之为这组型值点的参数化

参数化常用方法

  • 均匀参数化(等距参数化)

    节点在参数轴上呈等距分布, t i + 1 = t i t_{i+1}=t_i ti+1=ti+正常数。

  • 累加弦长参数化

    • 反映型值点按弦长的分布情况;
    • 能克服均匀参数化所出现的问题。

    计算机图形学 参数曲线和曲面的相关知识点_第4张图片

  • 向心参数化法;

  • 修正弦长参数化法。

参数区间的规格化

我们通常将参数区间 [ t 0 , t n ] [t_0,t_n] [t0,tn]规格化为[0,1], [ t o , t n ] ≠ [ 0 , 1 ] [t_o,t_n]\ne [0,1] [to,tn]=[0,1],只需对参数化区间作如下处理:

image-20220215150529596

参数曲线的代数和几何形式

  • 代数形式

计算机图形学 参数曲线和曲面的相关知识点_第5张图片

  • 几何形式

计算机图形学 参数曲线和曲面的相关知识点_第6张图片

连续性

曲线间连接的光滑度的度量:

  • 参数连续性:组合参数曲线在连接处具有直到n阶连续导矢,即n阶连续可微,称为n阶参数连续性 C n C^n Cn
  • 几何连续性:组合曲线在连接处满足不同于 C n C^n Cn的某一组约束条件,称为具有n阶几何连续性 G n G^n Gn

对于参数 t ∈ [ 0 , 1 ] t\in[0,1] t[0,1]的两条曲线P(t)和Q(t)

  • 若要求在结合处达到 C 0 C^0 C0连续或 G 0 G^0 G0连续,即两曲线在结合处位置连续: P ( 1 ) = Q ( 0 ) P(1)=Q(0) P(1)=Q(0)

  • 若要求在结合处达到 G 1 G^1 G1连续,就是说两条曲线在结合处在满足 G 0 G^0 G0连续的条件下,并有公共的切矢: Q ′ ( 0 ) = α P ′ ( 1 )     ( α > 0 ) Q'(0)=\alpha P'(1) \ \ \ (\alpha>0) Q(0)=αP(1)   (α>0)

    • 当a=1时, G 1 G^1 G1连续就成为 C 1 C^1 C1连续
      • 若P 和Q 在连接处已有 C 0 , C 1 C^0,C^1 C0,C1连续性且曲率的大小和方向均相等,即 P ′ ′ ( 1 ) = Q ′ ′ ( 0 ) P''(1)=Q''(0) P(1)=Q(0)则P 和Q 在连接处具有 C 2 C^2 C2连续
      • 若P 和Q 在连接处已有 C 0 , C 1 C^0,C^1 C0,C1连续性且曲率的大小不相等但方向相等,则P 和Q 在连接处具有 G 2 G^2 G2连续。
  • 若要求在结合处达到 G 2 G^2 G2连续,就是说两条曲线在结合处在满足 G 1 G^1 G1连续的条件下,并有公共的曲率矢:

    image-20220215151146025

    • 这个关系可写为: Q ′ ′ ( 0 ) = α 2 P ′ ′ ( 1 ) + β P ′ ( 1 ) Q''(0)=\alpha^2P''(1)+\beta P'(1) Q(0)=α2P(1)+βP(1)
    • β \beta β为任意常数,当 α = 1 , β = 0 \alpha=1,\beta=0 α=1,β=0时, G 2 G^2 G2连续就成为 C 2 C^2 C2连续

你可能感兴趣的:(#,系统分析与设计,几何学,图形学)