1/50第第5章章 计算机辅助几何设计计算机辅助几何设计 自由曲线自由曲线5.2 自由曲面自由曲面2/50CAD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 Form 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。3/505.1 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4/505.1.1 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自由曲线和曲面描述中常用三种类型的点：在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。5/50 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。6/50 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7/50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) 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为：曲线的显式表示为：8/50 （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。9/505.1.2 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：10/50矩阵表达式为矩阵表达式为 ：于是，于是，11/505.1.3 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。12/501. Bezier曲线定义曲线定义在空间给定在空间给定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。13/50 （1）三次）三次Bezier曲线曲线常用常用 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14/50（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的直线段。的直线段。15/502. 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。为程序设计方便，改写曲线的表达式为：为程序设计方便，改写曲线的表达式为：16/50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。17/503. Bezier曲线的性质曲线的性质在在Bernstein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：18/50Bezier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19/50（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:20/50（5）交互能力）交互能力（4） 几何不变性几何不变性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。 要改变要改变P(t)的形状，只要改变的形状，只要改变P0,P1,Pn的位置即可的位置即可。21/50（6）变差减小性）变差减小性（7）保凸性）保凸性如果如果Bezier曲线曲线P(t)的控制多边形的控制多边形P0P1Pn是一平面是一平面图形，则该平面内的任意直线与图形，则该平面内的任意直线与P(t)的交点个数不的交点个数不多于该直线与控制多边形多于该直线与控制多边形P0P1Pn交点的个数，这交点的个数，这一性质称为变差减小性。一性质称为变差减小性。 此性质说明此性质说明Bezier曲线比曲线比控制多边形所在的折线更光顺。控制多边形所在的折线更光顺。如果平面上的凸控制多边形能导致所生成的曲线为如果平面上的凸控制多边形能导致所生成的曲线为凸曲线，则称这个曲线生成的方法具有保凸性。凸曲线，则称这个曲线生成的方法具有保凸性。我们将控制多边形的终点与起点连起来，如果这样我们将控制多边形的终点与起点连起来，如果这样形成一个闭的凸多边形，则相应的形成一个闭的凸多边形，则相应的Bezier曲线是一曲线是一个凸的平面曲线。此性质就是个凸的平面曲线。此性质就是Bezier 曲线的保凸性。曲线的保凸性。22/504. Bezier曲线的拼接与反算曲线的拼接与反算Bezier曲线的次数是由其控制顶点确定的。常用的三次曲线的次数是由其控制顶点确定的。常用的三次Bezier曲线由四个控制顶点确定。曲线由四个控制顶点确定。多控制点多控制点(n4)的三次的三次Bezier曲线存在着几条曲线的拼接曲线存在着几条曲线的拼接问题，其关键问题是如何保持拼接处的连续性。不同的问题，其关键问题是如何保持拼接处的连续性。不同的问题在连接点处对连续性有不同的要求，常用到的有以问题在连接点处对连续性有不同的要求，常用到的有以下几种：下几种：连续连续参数连续参数连续: 切矢同向且模长相等切矢同向且模长相等.几何连续几何连续:切矢同向切矢同向.1) 拼接拼接23/50P1P0P3=Q0Q2Q1P2Q3设设P(t)是是Pi(i=0,1,2,3)确定的三次确定的三次Bezier曲线曲线;Q(t)是是Qi(i=0,1,2,3)确确定的三次定的三次Bezier曲线曲线.P3=Q0,满足满足1) 两曲线在连接点达到一阶导数连续的条件为两曲线在连接点达到一阶导数连续的条件为0=t=1即即亦即亦即,P2、P3(Q0)和和Q1共线，且共线，且P2、 Q1在在P3的异侧。的异侧。24/502）两曲线在连接点达到二阶导数连续的条件为）两曲线在连接点达到二阶导数连续的条件为由由可得可得根据以上条件，可以调整根据以上条件，可以调整P(t)和和Q(t)这两段曲线，使得在这两段曲线，使得在连接点处达到一阶几何或导数连续：连接点处达到一阶几何或导数连续：步骤步骤1：平移多边形：平移多边形使使Q0与与P3重合。重合。步骤步骤2：围绕：围绕Q0转动多边形转动多边形使使与与平行且同向（或模长相等）。平行且同向（或模长相等）。P1P0P3=Q0Q2Q1P2Q325/50 所谓曲线控制顶点的反算是指由曲线上的一系列点（称所谓曲线控制顶点的反算是指由曲线上的一系列点（称 之为型值点）反求出该曲线的一系列控制顶点的过程。之为型值点）反求出该曲线的一系列控制顶点的过程。 如果给定如果给定 n+1个型值点个型值点,要求一系列控要求一系列控制点，由这些控制点定义的一条制点，由这些控制点定义的一条Bezier曲线通过已知曲线通过已知的型值点，这与平常给定控制点求型值点的过程恰好的型值点，这与平常给定控制点求型值点的过程恰好相反。相反。设所求的控制点为设所求的控制点为，它定义的它定义的Bezier曲线为曲线为P(t), 满足满足，于是，于是注意：注意：t的取法不同，反求的控制顶点不同。的取法不同，反求的控制顶点不同。2) 反算反算26/505.1.4 B样条曲线样条曲线 Bezier曲线是通过逼近特征多边形而获得曲线曲线是通过逼近特征多边形而获得曲线的，存在的不足是：的，存在的不足是： 1）缺乏局部修改性）缺乏局部修改性, 即改变某一控制点对整个即改变某一控制点对整个曲线都有影响曲线都有影响. 2）n较大时，特征多边形的边数较多较大时，特征多边形的边数较多,对曲线对曲线的控制减弱。的控制减弱。1972年，年，Riesenfeld等提出了等提出了B样条曲线。样条曲线。用用B样条基函数代替样条基函数代替Bernstein基函数；基函数；逼近特征多边形的精度更高逼近特征多边形的精度更高. 多边形的边数与基函数的次数无关。多边形的边数与基函数的次数无关。具有局部修改性具有局部修改性.27/50设有控制顶点设有控制顶点P0,P1,Pn,则则k阶阶(k-1次次)B样条曲线的数学样条曲线的数学表达式为表达式为:式中式中Ni,k(t)是是k-1次次B样条曲线的基函数样条曲线的基函数.它由一个结点它由一个结点向量递归定义向量递归定义,它仅在某个局部不等于零它仅在某个局部不等于零,因而使因而使B样条样条曲线具有局部可修改性曲线具有局部可修改性.28/50三次均匀三次均匀B样条曲线样条曲线对于对于n+1个控制顶点个控制顶点，每四个顺序点每四个顺序点1. 三次均匀三次均匀B样条曲线的表达式样条曲线的表达式一组构造相应的一段三次构造相应的一段三次B样条曲线：样条曲线：其中其中N0,4(t)=1/6(1-t)3 , N1,4(t)=1/6(3t3-6t2+4), N2,4(t)=1/6(-3t3+3t2+3t+1), N3,4(t)=1/6t3 29/50所以，所以，Pi(t)的矩阵表达式为的矩阵表达式为根据上式可以在平面直角坐标系中设计三次根据上式可以在平面直角坐标系中设计三次B样条曲线生样条曲线生成的程序成的程序.30/50Pi(0)Pi+3Pi+2Pi+1PiPi(0)Pi(1)Pi(1)2. 三次均匀三次均匀B样条曲线段的几何特性、拼接样条曲线段的几何特性、拼接31/503. 三次均匀三次均匀B样条曲线的边界控制与反算样条曲线的边界控制与反算P0Pn-1P1P-1PnPn+1在始端和终端各在始端和终端各增加一个顶点增加一个顶点 P-1和和 Pn+1, 使使P-1 P0 =P0 P1Pn-1Pn=PnPn+1则则P0(0)=P0, P0 =P1-P0. 终点具有类似的特性终点具有类似的特性.边界处理边界处理在实际应用中在实际应用中,往往需要所设计的往往需要所设计的B样条曲线通过控样条曲线通过控制多边形的起点和终点制多边形的起点和终点,这就需要对曲线的边界进行这就需要对曲线的边界进行处理处理.有多种处理方法有多种处理方法,现介绍一种现介绍一种:32/502) 控制顶点的反求控制顶点的反求在实际应用中往往是知道曲线上的型值点在实际应用中往往是知道曲线上的型值点,而并不知道而并不知道特征多边形顶点的位置特征多边形顶点的位置,为构造为构造B样条曲线样条曲线,就需要由就需要由这些型值点反求出特征多边形的顶点这些型值点反求出特征多边形的顶点,这就是这就是B样条曲样条曲线顶点的反求线顶点的反求.设已知型值点列设已知型值点列Qi(i=1,2,n-1), 要求一条要求一条三次三次B样条曲线经过这些点样条曲线经过这些点,求出这条曲线的求出这条曲线的控制顶点控制顶点Pi(i=0,1,n).由曲线的端点性质可得下列线性方程组由曲线的端点性质可得下列线性方程组:Pi-1+4Pi+Pi+1=6Qi (i=1,2,n-1)再补充两个边界条件就可得到唯一解再补充两个边界条件就可得到唯一解. 例如例如,已知已知Q1和和Qi-1处的切矢处的切矢,则有则有33/50把它们写成矩阵形式为把它们写成矩阵形式为34/505.1.5 非均匀有理非均匀有理B样条（样条（NURBS）曲线）曲线它提供了解析曲线它提供了解析曲线(如圆锥曲线如圆锥曲线)和自由曲线统一的数和自由曲线统一的数学描述学描述,便于工程数据库的管理和应用便于工程数据库的管理和应用.NURBS曲线的定义曲线的定义: 给定给定n+1个控制点个控制点Pi(i=0,1,n)及其权因子及其权因子Wi (i=0,1,n),则则k阶阶(k-1次次)NURBS曲线的表达式为曲线的表达式为:缺点缺点:计算量大、当权因子为零和负值时容易引起计算量大、当权因子为零和负值时容易引起计算的不稳定，导致曲线畸变，因此使用计算的不稳定，导致曲线畸变，因此使用NURBS时应有适当的限制以保证算法的稳定性。时应有适当的限制以保证算法的稳定性。35/505.2 自由曲面自由曲面 5.2.1 参数曲面的概念参数曲面的概念 5.2.2 双三次曲面片的数学表示双三次曲面片的数学表示 5.2.3 曲面的反算、拼接和互化曲面的反算、拼接和互化 5.2.4 新的自由曲面造型技术新的自由曲面造型技术36/505.2.1 参数曲面的概念参数曲面的概念P(u,w)=x(u,w),y(u,w),z(u,w) 0=u,w=4,N=4），则可以定义），则可以定义(M-3)(N-3)个曲面片。只要个曲面片。只要4x4的子矩阵在控制顶点矩阵中是依次向右或依次向下移的子矩阵在控制顶点矩阵中是依次向右或依次向下移动的，就能自动保证左右相邻的曲面或上下相邻的曲面片动的，就能自动保证左右相邻的曲面或上下相邻的曲面片二阶连续。二阶连续。48/503. 互化互化双三次双三次Coons曲面、双三次曲面、双三次Bezier曲面和双三次曲面和双三次B样样条曲面之间可以相互转化。条曲面之间可以相互转化。49/505.2.4 新的自由曲面造型技术新的自由曲面造型技术 1. 发展发展现状与存在的问题现状与存在的问题 四边域曲面的构造比较成熟。目前，主要是四边域曲面的构造比较成熟。目前，主要是 基于四边域的基于四边域的CAD/CAM系统。系统。 采用采用NURBS方法作为基本几何表达形式和数方法作为基本几何表达形式和数 据交换标准据交换标准 N（N大于等于大于等于3但不等于但不等于4）边域曲面的造型）边域曲面的造型 、曲面求交、光顺等问题尚未根本解决。、曲面求交、光顺等问题尚未根本解决。 50/50 2. 一些一些新的造型方法新的造型方法 基于物理的造型基于物理的造型 偏微分方程（偏微分方程（PDE）造型造型 小波造型小波造型