计算机图形学 精选PPT.ppt
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1、计算机图形学 2022/9/161第1页,此课件共86页哦第十章第十章 曲线与曲面曲线与曲面参数曲线基础参数曲线基础参数多项式曲线参数多项式曲线三次三次Hermite曲线曲线Bezier曲线曲线参数多项式曲面参数多项式曲面Bezier曲面曲面2022/9/162第2页,此课件共86页哦第十章第十章 曲线与曲面曲线与曲面参数曲线基础参数曲线基础参数多项式曲线参数多项式曲线三次三次Hermite曲线曲线Bezier曲线曲线参数多项式曲面参数多项式曲面Bezier曲面曲面2022/9/163第3页,此课件共86页哦参数曲线基础(参数曲线基础(1/20)曲线的表示形式曲线的表示形式 非参数表示非参数表
2、示非参数表示非参数表示 显式表示显式表示显式表示显式表示 隐式表示隐式表示隐式表示隐式表示2022/9/164第4页,此课件共86页哦参数曲线基础(参数曲线基础(2/20)参数表示参数表示参数表示参数表示 参数的含义参数的含义参数的含义参数的含义 时间,距离,角度,比例等等时间,距离,角度,比例等等时间,距离,角度,比例等等时间,距离,角度,比例等等 规范参数区间规范参数区间规范参数区间规范参数区间00,11 矢量表示形式矢量表示形式矢量表示形式矢量表示形式 例子:直线段的参数表示例子:直线段的参数表示例子:直线段的参数表示例子:直线段的参数表示2022/9/165第5页,此课件共86页哦参数
3、曲线基础(参数曲线基础(3/20)显式或隐式表示存在下述问题:显式或隐式表示存在下述问题:(1 1)与坐标轴相关;)与坐标轴相关;)与坐标轴相关;)与坐标轴相关;(2 2)会出现斜率为无穷大的情形(如垂线);)会出现斜率为无穷大的情形(如垂线);)会出现斜率为无穷大的情形(如垂线);)会出现斜率为无穷大的情形(如垂线);(4 4)不便于计算机编程。)不便于计算机编程。)不便于计算机编程。)不便于计算机编程。(3 3)对于非平面曲线、曲面,难以用常系数的非对于非平面曲线、曲面,难以用常系数的非对于非平面曲线、曲面,难以用常系数的非对于非平面曲线、曲面,难以用常系数的非参数化函数表示;参数化函数表
4、示;参数化函数表示;参数化函数表示;2022/9/166第6页,此课件共86页哦参数曲线基础(参数曲线基础(4/20)参数表示的优点:参数表示的优点:参数表示的优点:参数表示的优点:1 1)以满足几何不变性的要求。)以满足几何不变性的要求。)以满足几何不变性的要求。)以满足几何不变性的要求。2 2)有更大的自由度来控制曲线、曲面的形状)有更大的自由度来控制曲线、曲面的形状)有更大的自由度来控制曲线、曲面的形状)有更大的自由度来控制曲线、曲面的形状 3 3)对曲线、曲面进行变换,可对其参数方程直接进行几何变换。)对曲线、曲面进行变换,可对其参数方程直接进行几何变换。)对曲线、曲面进行变换,可对其
5、参数方程直接进行几何变换。)对曲线、曲面进行变换,可对其参数方程直接进行几何变换。4 4)便于处理斜率为无穷大的情形,不会因此而中断计算)便于处理斜率为无穷大的情形,不会因此而中断计算)便于处理斜率为无穷大的情形,不会因此而中断计算)便于处理斜率为无穷大的情形,不会因此而中断计算。(5 5 5 5)变量分离的特点使我们可以用数学公式处理几何分量,便于)变量分离的特点使我们可以用数学公式处理几何分量,便于)变量分离的特点使我们可以用数学公式处理几何分量,便于)变量分离的特点使我们可以用数学公式处理几何分量,便于用户把低维空间中曲线、曲面扩展到高维空间去。用户把低维空间中曲线、曲面扩展到高维空间去
6、。用户把低维空间中曲线、曲面扩展到高维空间去。用户把低维空间中曲线、曲面扩展到高维空间去。(6 6 6 6)规格化的参数变量)规格化的参数变量)规格化的参数变量)规格化的参数变量t0,1t0,1t0,1t0,1,使其相应的几何分量是有,使其相应的几何分量是有,使其相应的几何分量是有,使其相应的几何分量是有界的,而不必用另外的参数去定义边界。界的,而不必用另外的参数去定义边界。界的,而不必用另外的参数去定义边界。界的,而不必用另外的参数去定义边界。(7 7 7 7)易于用矢量和矩阵表示几何分量,简化了计算。)易于用矢量和矩阵表示几何分量,简化了计算。)易于用矢量和矩阵表示几何分量,简化了计算。)
7、易于用矢量和矩阵表示几何分量,简化了计算。2022/9/167第7页,此课件共86页哦参数曲线基础(参数曲线基础(5/20)参数表示与隐式表示的相互转换参数表示与隐式表示的相互转换例子例子2022/9/168第8页,此课件共86页哦参数曲线基础(参数曲线基础(6/20)正则点正则点导数不为零的点导数不为零的点正则曲线正则曲线所有的点都是正则点的曲线所有的点都是正则点的曲线所有的点都是正则点的曲线所有的点都是正则点的曲线斜率斜率直线的倾斜程度直线的倾斜程度直线的倾斜程度直线的倾斜程度 一个坐标变量关于另一个坐标变量变化率一个坐标变量关于另一个坐标变量变化率一个坐标变量关于另一个坐标变量变化率一个
8、坐标变量关于另一个坐标变量变化率2022/9/169第9页,此课件共86页哦参数曲线基础(参数曲线基础(7/20)切矢量切矢量 坐标变量关于参数的变化率坐标变量关于参数的变化率坐标变量关于参数的变化率坐标变量关于参数的变化率弧长弧长2022/9/1610第10页,此课件共86页哦参数曲线基础(参数曲线基础(8/20)弧长参数弧长参数弧长参数弧长参数 单位切矢量单位切矢量单位切矢量单位切矢量2022/9/1611第11页,此课件共86页哦参数曲线基础(参数曲线基础(9/20)主法矢量主法矢量主法矢量主法矢量 主法矢量与切矢量垂直主法矢量与切矢量垂直主法矢量与切矢量垂直主法矢量与切矢量垂直 主法线
9、主法线主法线主法线 副法矢量副法矢量副法矢量副法矢量 副法线副法线副法线副法线 FrenetFrenet标架标架标架标架2022/9/1612第12页,此课件共86页哦参数曲线基础(参数曲线基础(10/20)曲率曲率 曲线的弯曲程度曲线的弯曲程度曲线的弯曲程度曲线的弯曲程度 曲率半径曲率半径曲率半径曲率半径关于任意参数切矢量、法矢量和曲率的计算关于任意参数切矢量、法矢量和曲率的计算关于任意参数切矢量、法矢量和曲率的计算关于任意参数切矢量、法矢量和曲率的计算2022/9/1613第13页,此课件共86页哦参数曲线基础(参数曲线基础(11/20)2022/9/1614第14页,此课件共86页哦参数
10、曲线基础(参数曲线基础(12/20)参数连续性参数连续性 传统的、严格的连续性传统的、严格的连续性传统的、严格的连续性传统的、严格的连续性称曲线称曲线P=P(t)在在在在 处处处处n n阶参数连续,如果它阶参数连续,如果它阶参数连续,如果它阶参数连续,如果它在在在在 处处处处n n阶左右导数存在,并且满足阶左右导数存在,并且满足阶左右导数存在,并且满足阶左右导数存在,并且满足 记号记号记号记号2022/9/1615第15页,此课件共86页哦参数曲线基础(参数曲线基础(13/20)几何连续性几何连续性几何连续性几何连续性 直观的、易于交互控制的连续性直观的、易于交互控制的连续性直观的、易于交互控
11、制的连续性直观的、易于交互控制的连续性 0 0阶几何连续阶几何连续阶几何连续阶几何连续 称曲线称曲线称曲线称曲线P=P(t)P=P(t)在在在在 处处处处0 0阶几何连续,如果它在阶几何连续,如果它在阶几何连续,如果它在阶几何连续,如果它在 处位置连续,处位置连续,处位置连续,处位置连续,即即即即 记为记为记为记为 1 1阶几何连续阶几何连续阶几何连续阶几何连续 称曲线称曲线称曲线称曲线P=P(t)P=P(t)在在在在 处处处处0 0阶几何连续,如果它在阶几何连续,如果它在阶几何连续,如果它在阶几何连续,如果它在 处处处处 ,并且并且并且并且切矢量方向连续切矢量方向连续切矢量方向连续切矢量方向
12、连续 记为记为记为记为2022/9/1616第16页,此课件共86页哦参数曲线基础(参数曲线基础(14/20)2阶几何连续阶几何连续 称曲线称曲线称曲线称曲线P=P(t)P=P(t)在在在在 处处处处0 0阶几何连续,如果它阶几何连续,如果它在在 处处(1 1)(2 2)副法矢量方向连续)副法矢量方向连续)副法矢量方向连续)副法矢量方向连续(3 3)曲率连续)曲率连续)曲率连续)曲率连续 例子例子例子例子 几何连续与参数连续的关系几何连续与参数连续的关系几何连续与参数连续的关系几何连续与参数连续的关系2022/9/1617第17页,此课件共86页哦参数曲线基础(参数曲线基础(15/20)插值:
13、插值:给定一组有序的数据点给定一组有序的数据点给定一组有序的数据点给定一组有序的数据点P P P Pi i i i,i=0,1,i=0,1,i=0,1,i=0,1,n,n,n,n,构,构造一条曲线顺序通过这些数据点,称为对这些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,所构造的曲线称为数据点进行插值,所构造的曲线称为插值曲线。插值曲线。线性插值:线性插值:线性插值:线性插值:假设给定函数假设给定函数假设给定函数假设给定函数f(x)f(x)f(x)f(x)在两个不同点在两个不同点在两个不同点在两个不同点x1x1x1x1和和和和x2x2x2x2的的的的值,用一个线形函数:值,用一个线形
14、函数:值,用一个线形函数:值,用一个线形函数:y=ax+by=ax+by=ax+by=ax+b,近似代替,称为的线性,近似代替,称为的线性,近似代替,称为的线性,近似代替,称为的线性插值函数。插值函数。插值函数。插值函数。抛物线插值抛物线插值抛物线插值抛物线插值:已知在三个互异点已知在三个互异点已知在三个互异点已知在三个互异点x1,x2,x3x1,x2,x3x1,x2,x3x1,x2,x3的函数值为的函数值为的函数值为的函数值为y1,y2,y3y1,y2,y3y1,y2,y3y1,y2,y3,要求构造一个函数,要求构造一个函数,要求构造一个函数,要求构造一个函数2022/9/1618第18页,
15、此课件共86页哦参数曲线基础(参数曲线基础(16/20)使抛物线使抛物线使抛物线使抛物线 在结点在结点在结点在结点x x x xi i i i处与处与f(x)f(x)f(x)f(x)在在x x x xi i i i处的值相等处的值相等处的值相等处的值相等.2022/9/1619第19页,此课件共86页哦参数曲线基础(参数曲线基础(17/20)逼近和光顺逼近和光顺逼近和光顺逼近和光顺 逼近:逼近:逼近:逼近:构造一条曲线使之在某种意义下最接近构造一条曲线使之在某种意义下最接近给定的数据点,所构造的曲线为逼近曲线。给定的数据点,所构造的曲线为逼近曲线。插值和逼近则统称为拟合。插值和逼近则统称为拟合
16、。插值和逼近则统称为拟合。插值和逼近则统称为拟合。光光光光顺顺顺顺(Firing)(Firing)(Firing)(Firing)指指指指曲曲曲曲线线线线的的的的拐拐拐拐点点点点不不不不能能能能太太太太多多多多。对对对对平平平平面面面面曲曲曲曲线而言,相对光顺的条件是:线而言,相对光顺的条件是:线而言,相对光顺的条件是:线而言,相对光顺的条件是:a.a.a.a.具有二阶几何连续性具有二阶几何连续性具有二阶几何连续性具有二阶几何连续性(G(G(G(G2 2 2 2);b.b.b.b.不存在多余拐点和奇异点;不存在多余拐点和奇异点;不存在多余拐点和奇异点;不存在多余拐点和奇异点;c.c.c.c.曲
17、率变化较小。曲率变化较小。曲率变化较小。曲率变化较小。2022/9/1620第20页,此课件共86页哦参数曲线基础(参数曲线基础(17/20)参数化参数化参参参参数数数数t,t,t,t,在在0,0,11区区区区间间间间的的的的分分分分割割割割可可可可以以以以有有有有无无无无数数数数种种种种。因因因因为为为为P P P P0 0 0 0、P P P P1 1 1 1和和和和P P P P2 2 2 2可对应:可对应:可对应:可对应:其中每个参数值称为节点其中每个参数值称为节点其中每个参数值称为节点其中每个参数值称为节点(knot)(knot)(knot)(knot)。对于一组有序的型值点对于一组
18、有序的型值点对于一组有序的型值点对于一组有序的型值点PiPiPiPi,确定一种参数分割,确定一种参数分割titititi,称之对这组型值点参数化。,称之对这组型值点参数化。,称之对这组型值点参数化。,称之对这组型值点参数化。2022/9/1621第21页,此课件共86页哦参数化常用方法有:参数化常用方法有:均匀参数化均匀参数化均匀参数化均匀参数化(等距参数化等距参数化)节点在参数轴上呈等距分布,节点在参数轴上呈等距分布,节点在参数轴上呈等距分布,节点在参数轴上呈等距分布,+正常数。正常数。正常数。正常数。累加弦长参数化累加弦长参数化 这种参数法如实反映了型值点按弦长的分布情这种参数法如实反映了
19、型值点按弦长的分布情这种参数法如实反映了型值点按弦长的分布情这种参数法如实反映了型值点按弦长的分布情况,能够克服型值点按弦长分布不均匀的情况况,能够克服型值点按弦长分布不均匀的情况况,能够克服型值点按弦长分布不均匀的情况况,能够克服型值点按弦长分布不均匀的情况下采用均匀参数化所出现的问题。下采用均匀参数化所出现的问题。下采用均匀参数化所出现的问题。下采用均匀参数化所出现的问题。参数曲线基础(参数曲线基础(18/20)2022/9/1622第22页,此课件共86页哦向心参数化法向心参数化法向向心心参参数数化化法法假假设设在在一一段段曲曲线线弧弧上上的的向向心心力力与与曲曲线线切切矢矢从从该该弧弧
20、段段始始端端至至末末端端的的转转角角成成正正比比,加加上上一一些些简简化化假假设设,得得到到向向心心参参数数化化法法。此此法法尤尤其其适适用用于于非非均均匀匀型型值值点点分分布。布。参数曲线基础(参数曲线基础(19/20)2022/9/1623第23页,此课件共86页哦修正弦长参数化法修正弦长参数化法 弦长修正系数弦长修正系数弦长修正系数弦长修正系数Ki=1Ki=1Ki=1Ki=1。参数曲线基础(参数曲线基础(20/20)2022/9/1624第24页,此课件共86页哦第十章第十章 曲线与曲面曲线与曲面参数曲线基础参数曲线基础参数多项式曲线参数多项式曲线三次三次Hermite曲线曲线Bezie
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