CAD技术基础第三章产品造型参数曲线与曲面.ppt

1 CADCAD技术基础技术基础 华中科技大学 材料学院 廖敦明 2 第三章 产品造型 3.1 形体的机内表示 (参见李建军的书) 3.2 参数曲线与曲面 (参见孙家广的图形学P286) 3.3 基于线框、表面、实体和特征统一表 示的造型 (参见李建军的书 第5章 产品零件造型.doc ) 3 3.2 参数曲线和曲面 3.2.1 概述 l曲面造型(Surface Modeling)是计算机辅助几何设计 (Computer Aided Geometric Design,CAGD)和计算机图 形学的一项重要内容，主要研究在计算机图象系统的环境 下对曲面的表示、设计、显示和分析。 l起源于汽车、飞机、船舶、叶轮等的外形放样工艺，由 Coons、Bezier等大师于20世纪60年代奠定其理论基础。 4 l1963年：美国波音（Boeing）飞机公司的佛格森（ Ferguson）最早引入参数三次曲线（三次Hermite 插值曲线），将曲线曲面表示成参数矢量函数形式 ，构造了组合曲线和由四角点的位置矢量、两个方 向的切矢定义的佛格森双三次曲面片，从此曲线曲 面的参数化形式成为形状数学描述的标准形式。 l仅用端点的位置和切矢控制曲线形状是不够的，中 间的形状不易控制，且切矢控制形状不直接。 5 l1964年，美国麻省理工学院（MIT）的孔斯（Coons ）用封闭曲线的四条边界定义一张曲面，Ferguson 曲线曲面只是Coons曲线曲面的特例。而孔斯曲面 的特点是插值，即构造出来的曲面满足给定的边界 条件，例如经过给定边界，具有给定跨界导矢等等 。但这种方法存在形状控制与连接问题。 l同年，舍恩伯格(Schoenberg)提出了参数样条曲线 、曲面的形式。 6 l1971年，法国雷诺（Renault）汽车公司的贝塞尔（ Bezier）发表了一种用控制多边形定义曲线和曲面的 方法，这种方法不仅简单易用，而且漂亮地解决了整 体形状控制问题，把曲线曲面的设计向前推进了一大 步，为曲面造型的进一步发展奠定了坚实的基础。 l但当构造复杂曲面时，Bezier方法仍存在连接问题和 局部修改问题。 l同期，法国雪铁龙（Citroen）汽车公司的德卡斯特里 奥（de Castelijau）也独立地研究出与Bezier类似的 方法 。 7 l1972年，德布尔（de Boor）给出了B样条的标准计 算方法。 l1974年，美国通用汽车公司的戈登（Gorden）和里 森费尔德（Riesenfeld）将B样条理论用于形状描述 ，提出了B样条曲线和曲面。这种方法继承了Bezier 方法的一切优点，克服了Bezier方法存在的缺点，较 成功地解决了局部控制问题，又轻而易举地在参数连 续性基础上解决了连接问题，从而使自由型曲线曲面 形状的描述问题得到较好解决。但随着生产的发展， B样条方法显示出明显不足，不能精确表示圆锥截线 及初等解析曲面，这就造成了产品几何定义的不唯一 ，使曲线曲面没有统一的数学描述形式，容易造成生 产管理混乱。 l1975年，美国锡拉丘兹（Syracuse）大学的佛斯普 里尔（Versprill）提出了有理B样条方法。 8 l80年代后期 皮格尔（Piegl）和蒂勒（Tiller）将有 理B样条发展成非均匀有理B样条方法，并已成为当 前自由曲线和曲面描述的最广为流行的技术。 lNURBS方法的突出优点是：可以精确地表示二次规 则曲线曲面，从而能用统一的数学形式表示规则曲面 与自由曲面，而其它非有理方法无法做到这一点；具 有可影响曲线曲面形状的权因子，使形状更宜于控制 和实现；NURBS方法是非有理B样条方法在四维空 间的直接推广，多数非有理B样条曲线曲面的性质及 其相应算法也适用于NURBS曲线曲面，便于继承和 发展。 l由于NURBS方法的这些突出优点，国际标准化组织 (ISO)于1991年颁布了关于工业产品数据交换的 STEP国际标准，将NURBS方法作为定义工业产品 几何形状的唯一数学描述方法，从而使NURBS方法 成为曲面造型技术发展趋势中最重要的基础。 9 3.2.2 曲线表示的基本知识 1. 曲线和曲面的三种表示方法 1）显式 y=f（x）； z f（x，y） 2）隐式 f（x，y，z） 0 3）参数表示 x = x(t)，y =y(t)，z=z(t) 如平面曲线上任一点P可表示为： P(t) = x(t), y(t) 如直线：P (t) = P1+(P2-P1)t t0, 1 对P求导，可表示为： P(t) = x (t), y (t) 由于参数表示的曲线、曲面具有几何不变性等优点，计 算机图形学中通常用参数形式描述曲线、曲面。 10 11 (1) 有更大的自由度来控制曲线、曲面的形状 y=ax3+bx2+cx+d 二维三次曲线的参数表示为： x=at3+bt2+ct+d y=et3+ft2+gt+h (2) 变换时，参数曲线可对方程进行变换，而非参数曲线要对 每一个点进行变换 (3) 便于处理斜率为无穷大的问题。 (4) 便于把低维空间中的曲线、曲面扩展到高维空间。 (5) 规格化的参数变量 t0,1,是有界的，不必用另外的参 数去表示边界 (6)便于用矢量和矩阵表示几何分量，简化了计算。 12 2. 位置矢量 P( t ) = x( t ), y( t ) , z( t ) P( t ) = dP/dt P( t ) = d2P/dt2 13 3. 参数曲线的切矢量、法矢量、曲率、挠率 l切矢量 dP/ds=P(t)/|P(t)| l曲率 转角/s 或者 转角/c 14 15 l法矢量 法平面 主法矢 l扰率 16 4. 插值、逼近、拟合及光顺 插值与插值函数 给定一组有序的数据点Pi，i=0, 1, , n，构造一条曲线顺序通过 这些数据点，称为对这些数据点进行插值，所构造的曲线称为插 值曲线。 线性插值 y=(x) = ax+b 抛物线插值 y= (x) = ax2+bx+c 17 4. 插值、逼近、拟合及光顺 逼近：构造一条曲线使之在某种意义下最接近给定的 数据点，称为对这些数据点进行逼近，所构造的曲 线为逼近曲线。 最小二乘法 n个点 构造一个m( m0。由此可得 利用P3Q0，则有 44 5. Bezier曲线的拼接 l要满足一阶连续拼接条件，必须满足 P3Q0 以及P2、 P3 (Q0)、Q1 共线的条件。 45 lG2连续的充要条件是：在G1连续的条件下， 并满足方程 l表明 、 、 、 和 五点共面，事实上 ，在接合点两条曲线段的曲率相等，主法线方 向一致，我们还可以断定： 和 位于直线 的同一侧。 46 3.2.4 Beizer曲面 1. 定义 基于Bezier曲线的讨论，我们可以方便地可以给出Bezier曲面的定义和 性质，Bezier曲线的一些算法也可以很容易扩展到Bezier曲面的情况。 (n+1)(m+1)个空间点列: Bezier曲面定义为： 依次用线段连接点列中相邻两点所形成的空间网格，称之为特征网格。 47 Bezier曲面的矩阵表示式是： 如图所示，为三次Bezier曲面 48 2 Beizer曲面的性质 除变差减小性质外，Bezier曲线的其它性质可推广到 Bezier曲面： (1) Bezier曲面特征网格的四个角点正好是Bezier曲面 的四个角点。 (2) Bezier曲面特征网格最外一圈顶点定义Bezier曲面 的四条边界；Bezier曲面边界的跨界切矢只与定义该边界 的顶点及相邻一排顶点有关。 (3）几何不变性。 (4）对称性。 （5）凸包性。 49 3. Bezier曲面的拼接 l对于两张给定的双三次Bezier曲面片，有 式中 50 3. Bezier曲面的拼接 1)位置连续的拼接条件 二曲面片只需满足 P(1,v) = Q(0,v) 即只需控制网格顶点满足 Pi,3 = Qi,0 (i = 0,1,2,3) l相邻两张Bezier曲面边界只要采用公共的控制顶点 就能保证曲面的边界位置连续条件。 51 3. Bezier曲面的拼接 2) 一阶几何连续的拼接条件 除满足位置连续条件外，还应满足下列条件 式中 0。此时，满足一阶几何连续的充分条件(非必要 条件)为 52 3. Bezier曲面的拼接 l几何意义：Pi,2，Pi,3 (Qi,0) Qi,1 ( i0，1，2，3) 应位 于同一直线上。 53 Bezier的商业应用 l在Bezier指导下，1962至1968年底雷诺汽车厂研制成功了 UNISURF曲面造型和SURFAPT数控加工原型系统，配置 了一台数控绘图机和一台数控铣床，1972年起开始用于生 产，两年内定义了四种车型的车身外形。 l从1977年起英国剑桥大学工程系用Bezier曲面研制了曲面 设计加工系统DUCT。它的构形方法是先定义一条脊椎线 （spine）。与脊椎线相垂直，定义各个剖面形状。灵活 设计脊椎线布局，可以构造出很多复杂形状的汽车发动机 排气管、涡轮泵壳体、香水瓶等。DUCT后来发展为商品 系统，至今仍在CAD/CAM小型系统中占有一席之地。 l从1974年起，法国达索飞机公司研制三维造型CATIA系统 和Euclid公司发展CAD/CAM系统，都是使用Bezier曲面作 为基本造型方法。 54 3.2.5 B样条曲线 1为为什么要B样样条曲线线 Bezier曲线线的两点不足： 1） 特征多边边形顶顶点的个数决定了曲线线的阶阶数， 当n较较大时时，不仅计算量增大，稳定性降低，且控制顶 点对曲线的形状控制减弱。 2）由于 Bi,n(t)在0 = t = 1 的整个区域都不为为0， 曲线线不能做局部修改，即改变变某个控制点将影响整条 曲线线。 55 2定义义 已知n+1个控制点Pi(i=0,1,.,n), 也称为特征多边形， k阶B样条的表达式为： 其中 ti是节点值，T=t0,t1,tL+2k-1 构成了k阶B样条函数的节点矢量, L=n-k+1。节点矢量所含节点数目由控制顶点n和曲线次数k所确定。 均匀B样条函数，其节点值ti1ti 常数； 非均匀B样条函数，即节点值ti1ti 常数。 56 该定义说明： 由空间n+1个控制点生成的k阶B样条曲线是由Ln- k+1段B样条曲线逼近而成的，每段曲线段的形状仅由 点列中的k个顺序排列的点所控制； 由不同节点矢量构成的均匀B样条函数所描述的形状 相同，可看成是函数的简单平移。 57 三次B样条曲线 58 l三次均匀B样条曲线的基函数为： l上述基函数图形如下图所示： 59 l在每两相邻曲线段的连接点上，左右两边函 数的函数值、一阶导数和二阶导数都是相等 的，所以三次B样条整体上构成C2连续。 l基于样条函数的这一特点，用它构造样条曲 线，曲线的次数和连续阶只与所选用的基函 数次数有关，而与所拟合的数据点点数无关 。这就使得用它来构造复杂形状的曲线和曲 面就很省力，不必再去操心各段曲线和各个 曲面片之间的边界拼合问题，B样条基函数 自动保证了中间节点上的光滑连接。 60 3. B样条曲线的性质 1)局部性 局部性是B样条曲线最重要的性质之一，这是Bezier曲线所 不具备的。 2)凸包性 B样条曲线的凸包区域比同一组顶点定义的Bezier曲线凸包 区域要小，具有比Bezier曲线更强的凸包性。B样条恒位于 它的凸包内； 3)几何不变性 B样条曲线的几何特征不随坐标变换而变化。 4)变差缩减性 与Bezier曲线性质相同。 5)造型的灵活性 由于其良好的局部特性，可以方便构造低次的复杂曲线， 且编辑顶点对曲线形状的改变是局部的. 61 l均匀B样条和非均匀B样条曲线一般不通过控制多边 形首末两点。若需B样条曲线具有较好的端点性质（ 即通过端点），实际应用中常引入准均匀B样条，即 在节点矢量中两端节点具有k1个重复度： t0 t1 = t k, t n+1 = t n+2 = = t n+k+1 。 这样构造的准均匀B样条曲线将通过控制多边形首末 两点。 62 4B样条曲线的矩阵表示 一次均匀B样条曲线的矩阵表示 二次均匀B样条曲线的矩阵表示 三次均匀B样条曲线的矩阵表示 63 5. B样条曲线控制顶点的反算 l 无论是均匀三次B样条曲线，还是均匀双三次B样条 曲面，由控制顶点所构造的曲线或曲面并不经过这些 控制点，这样使得设计曲线和曲面并不直观。在工程 实际中，设计人员往往不可能事先知道控制多边形顶 点的位置。而只知道曲线、曲面上某些型值点的位置 。为了构造B样条曲线或曲面，就必须利用已知的型 值点反算出控制多边形的顶点。 64 5. B样条曲线控制顶点的反算 l已知曲线上的一组型值点Qi (i=1,2,n)，要求出一条均 匀三次B样条曲线过Qi，也就是求对应曲线的控制多边形 顶点Pj (j=0,1,n+1)。由B样条曲线的表达式有 注意到上式有n个方程，但有n十2个未知数，因此需补充 两个边界条件。 65 5. B样条曲线控制顶点的反算 首末两点经过Q0、Qn的B样条曲线 将P1=Q1，Pn=Qn与上式联立得线性方程组 66 5. B样条曲线控制顶点的反算 l采用追赶法求出Pj (j=l，2，n)。 l为了使曲线首末两点过Q0、Qn，需要二个附 加顶点且满足条件： P0 = 2P1 - P2，Pn+1 = 2Pn - Pn-1 这样B样条在两端点处的曲率为零，即曲线首 末两端分别与P0P1和PnPn-1相切。 67 5. B样条曲线控制顶点的反算 B样条曲线为闭曲线 边界条件 P0=Pn，Pn+1=P1 68 5. B样条曲线控制顶点的反算 l解此方程即得到均匀三次B样条闭曲线。 l边界条件还有： 端点有二重控制点即P0=P1，Pn+1=Pn； 给定首末两点的切矢Q1、Qn； 给定首末两点的二阶导数矢量Q1、Q”n等。 69 3.2.6 B样条曲面 基于B样条曲线的定义和性质，可以得到B样条曲面的定 义。给定 个空间点列 则 定义了 次（k1）x（l1）阶）B样条曲面， 和 是k次（k1阶）和l次（l1阶）的B样条基函数 ，u和w为B样条基函数 和 的节点参数，由组 成的空间网格称为B样条曲面的特征网格。 70 性质 （1）K x L次B样条曲面片的四个角点不经过任何特征网格 顶点，且仅与该角点对应的K x L个特征网格顶点有关， 如均匀双三次B样条曲面与对应的9个顶点有关。 （2）B样条曲面的边界曲线仍为B样条曲线，该边界B样条 曲线由对应的K条（或L条）边界特征网格顶点确定。如均 匀双三次B样条曲面边界曲线仅与三排顶点有关。 推广：沿B样条曲面任何等参数的截线均为一B样条曲线 。 （3）B样条曲面边界的跨界导数只与定义该边界的顶点及相 邻K1排（或L1排）顶点有关，具有（K1）x（L1 ）阶函数连续性。 （4）几何不变性。 （5）对称性。 （6）凸包性。 71 3.2.7 NURBS曲线与曲面 1NURBS方法的提出及优缺点 NURBS非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Spline)，这 种方法的提出是为了找到与描述自由型曲线曲面的B样条方法相统 一的又能精确表示二次曲线弧与二次曲面的数学方法。 NURBS方法主要有以下四个特点： NURBS不仅可以表示自由曲线曲面，它还可以精确地表示圆锥曲 线和规则曲线，所以NURBS为计算机辅助几何设计(CAGD)提供 了统一的数学描述方法； NURBS具有影响曲线、曲面形状的权因子，故可以设计相当复杂 的曲线曲面形状。若运用恰当，将更便于设计者实现自己的设计 意图； NURBS方法是非有理B样条方法在四维空间的直接推广，多数非有 理B样条曲线曲面的性质及其相应的计算方法可直接推广到 NURBS曲线曲面； 计算稳定且快速。 72 然而，NURBS也还存在一些缺点： 需要额外的存储以定义传统的曲线和曲面； 权因子的不合适应用可能导致很坏的参数化，甚至毁掉随 后的曲面结构。 虽然NURBS存在这样一些缺点，但其强大的优点使其已 成为自由型曲线曲面的唯一表示。 73 2NURBS曲线的定义 一条 次NURBS曲线定义为： 其中 称为权,与控制顶点相联，其作用类似基 函数，但更直接。 , ，可防止分母为零、保留 凸包性质及曲线不致退化。 为控制顶点。 是由节点 决定的 次（k1阶）B样 条基函数。 74 l对于非周期NURBS曲线，两端点的重复度可取为 ，即, ，且在大多数 实际应用里，节点值分别取为0与1，因此，有曲