C3连续的单位四元数插值样条曲线

目的 构造一类C³连续的单位四元数插值样条曲线,证明它的插值性和连续性,并把它应用于刚体关键帧动画设计中。方法 利用R³空间中插值样条曲线的5次多项式调配函数的累和形式构造了S³空间中单位四元数插值样条曲线,它不仅能精确通过一系列给定的方向,而且能生成C³连续的朝向曲线。结果 与Nielson的单位四元数均匀B样条插值曲线的迭代构造方法相比,所提方法避免了为获取四元数B样条曲线控制顶点对非线性方程组迭代求解的过程,提高了运算效率;与单位四元数代数三角混合插值样条曲线的构造方法（Su方法）相比,所提方法只用到多项式基,运算速度更快。本例中创建关键帧动画所需的时间与Nielson方法和Su方法相比平均下降了73%和33%。而且,相比前两种方法,所提方法产生的四元数曲线连续性更高,由C²连续提高到C³连续,这意味着动画中刚体的朝向变化更加自然。结论 仿真结果表明,本文方法对刚体关键帧动画设计是有效的,对实时性和流畅性要求高的动画设计场合尤为适用。     

插值给定数据点的四次PH曲线构造

目的 PH （Pythagorean hodograph）曲线由于具备有理等距曲线、弧长可精确计算等优良的几何性质,广泛应用于数控加工和路径规划等方面。曲线插值是曲线构造的主要手段之一,虽然对PH曲线的Hermite插值方法进行了广泛研究,但插值给定数据点的构造方法仍有待突破,为推广四次PH曲线的应用范围,提出了一种新的四次PH曲线的3点插值问题解决方法。方法 从四次PH曲线的代数充分必要条件出发,在该曲线的Bézier控制多边形中引入辅助控制顶点,指出其中实参数的几何意义,该实参数可作为形状调节因子对构造曲线进行交互。对给定的3个平面型值点进行参数化确定相应的参数值;通过对四次PH曲线一阶导数积分得到曲线的显式表达,其中包含一个待定复常量,将给定的约束点代入曲线的显式表达式得到关于待定复常量的一元二次复方程,求解该复方程并反求Bézier控制顶点得到符合约束条件的四次PH曲线。结果 实验对通过构造插值给定数据点的四次PH曲线进行比较,当形状调节因此改变时,曲线形状可进行有效交互。每次交互得到两条四次PH曲线,通过弧长、弯曲能量、绝对旋转数的计算得到最优曲线,并构造得到PH曲线的等距线。结论 本文方法给定的形状调节参数具有明确的代数意义和几何意义,本文方法易于实现,可有效进行交互。     

带形状控制的自由曲线曲面参数样条

目的 样条曲线曲面的构造是工程制图中的一个重要部分。针对双曲抛物面上参数样条曲线的构造,在已有的研究基础上提出了一种样条方法使曲线曲面可以任意地逼近一个多边形或者一个网格。方法 在标准四面体内构造一个双曲抛物面,在该曲面上以基函数参数化的方法定义一种带形状参数的参数样条曲线曲面,样条基函数通过将双曲抛物面的有理参数化进行限定,生成单参数有理样条基函数。详细研究了样条的保形性及其端点性质。结果 样条曲线具有一个可变的形状控制因子,可以对曲线进行调整,能以任意精度逼近这个控制四边形或网格。对空间节点列,利用该样条可以生成G²-连续空间曲线,同样对于空间网格可以构造G²-连续的拟合曲面,它所对应的基函数可以是有理形式。结论 实验结果表明,本文在笔者已有的研究基础上提出的参数样条曲线可以通过重心坐标系变换适应为任意的四边形,除了空间四面体内的样条曲线,四面体退化成四边形同样可实现。     

形状可调插值曲线曲面的参数选择

目的 因大多数插值基函数中的参数都是全局参数,从而导致插值曲线曲面的形状无法进行局部调整。另外,当插值曲线曲面形状可调时,也存在如何选择参数才能获得形状较为理想的曲线曲面的问题,为此给出一种无需反求控制顶点、包含局部形状调整参数、具有显式表达式、能重构部分二次曲线曲面的插值曲线曲面构造方法,同时给出易于使用的形状参数确定方案。方法 基于经典3次Hermite插值曲线的Bernstein基函数表达形式,将其中的Bernstein基换成已证明具有全正性的一组三角基函数,根据三角基的端点性质调整曲线表达式以保证其插值性,然后设定插值数据点处的导向量,在其中引入参数,并保证相邻曲线段之间的连续性,得到了一种新的三角基插值曲线。结果 新曲线可以整理成以待插值数据点为控制顶点与一组插值基函数的线性组合形式,插值基表达式简单,插值曲线含一组局部形状调整参数,一个参数的改变只影响一条曲线段的形状,相邻曲线段之间G¹连续,曲线可以重构椭圆。根据不同目标给出了3种用于确定曲线中形状参数的准则,每种准则都提供了可以直接使用的公式。相应的插值曲面具有与插值曲线类似的性质。结论 形状参数选取准则的给出使含参数插值曲线曲面的设计由随意变为确定,这使得采用本文方法更易于得到满意的结果。本文所给插值基函数的构造方法具有一般性,可以采用相同的思路构造其他函数空间上性质类似的插值基。     

一类五次PH曲线Hermite插值的几何方法

推导出了五次毕达哥拉斯速端(PythagoreanHodograph ,PH)曲线的B啨ｚｉｅｒ控制点之间的几何关系,给出了构造符合Hermite插值条件的五次PH曲线的几何方法最终的五次PH曲线以B啨ｚｉｅｒ曲线形式给出 在此基础上,利用B啨ｚｉｅｒ控制点对曲线形状性质的影响,分析了符合Hermite插值条件的4条五次PH曲线与相同插值条件下的普通三次B啨ｚｉｅｒ曲线的相似性,并给出了选择最接近于三次B啨ｚｉｅｒ曲线的方法     

参数曲面上的插值与混合

如何表示曲面上的曲线,在处理诸如数控加工中的路径设计以及CAD/CAM等领域频繁出现的曲面裁剪问题时显得日益重要.给出了数据点的切方向(切方向及曲率向量或测地曲率值)指定而G¹连续(G²连续)插值曲面上任意点列的方法.作为曲面上曲线插值问题的特例,还讨论了曲面上曲线的混合问题.基本思想是借助于微分几何的有关结论,曲面上曲线的插值问题被转化为其参数平面上类似的曲线插值问题.该方法能够用二维隐式方程来表示曲面上的插值曲线,从而把在显示该曲线时所面对的曲面求交的几何问题转化为计算隐式曲线的代数问题.实验证明该方法是可行的,而且适用于CAD/CAM及计算机图形学等领域.     

C1三次插值样条曲线曲面

利用Bézier曲线的端点插值性质,得到了构造三次插值样条曲线曲面的一种改进的基函数——BB基函数。由BB基函数构造了C¹保形三次插值样条曲线;构造了C¹双三次插值样条曲面。     

3个控制顶点的类三次Bézier螺线

目的 为了使得过渡曲线的设计更为简单高效。提出基于3个控制顶点的类三次Bézier螺线。方法 通过对基函数的研究首先构造了3条在一定条件下曲率单调递减的类三次Bézier曲线,并由参数的对称性得另3条曲率单调递增的曲线。它们具有端点性、凸包性、几何不变性等三次Bézier曲线的基本性质,特点是只有3个控制顶点。接着严格地证明了此类曲线曲率单调的充分条件。 结果 有两条曲线比三次Bézier曲线的曲率单调条件范围大,且类三次Bézier螺线与三次Bézier螺线存在一定的位置关系。这6条曲线中有4条曲线的一个端点处曲率为零,可组合成4对类三次Bézier螺线来构造两圆弧间半径比例不受限制的S型和C型G²连续过渡曲线;剩下的两条曲线在两圆弧半径相差较大的情况下都可做不含曲率极值点的过渡曲线。最后用实例表明了此类曲线的有效性。结论 在过渡曲线设计中基于3个控制顶点的类三次Bézier螺线比三次Bézier螺线更为简单高效。     

一类G1连续的空间五次PH拟合曲线

为了构造一种空间五次Pythagorean-hodograph G1连续拟合曲线以重建空间曲线,对已知空间采样点数据加入中间条件确定首末端点数据,对其进行G1 Hermite插值构造拟合PH曲线。根据空间PH曲线的充分必要条件,给出由四个二次多项式组成的四次导函数,比对其与空间五次Bézier曲线的导函数在Bernstein基下分别对应的向量型系数,形成向量等式,再根据Bézier曲线导函数的系数与其控制多边形顶点的关系,引入自由参数建立五次Bézier曲线导函数的系数与首末端点的等量关系,并与前述向量等式组成方程组。通过求解方程组可得一段由G1 Hermite插值构造出的满足由中间条件给出的首末端点数据且G1连续的PH拟合曲线,并给出了数值实例。此构造方法直观,有多个自由参数可对曲线进行拟合效果的形状控制,且通过数值实验拟合效果较好。     

任意阶参数连续的形状可调过渡曲线

目的 针对现有研究未能给出可以使过渡曲线在端点处与被过渡曲线之间达到C^k（k为任意自然数）连续的多项式势函数统一表达式的问题展开研究,以期用简单有效的方式解决这一问题。方法 从过渡曲线的方程出发,借助莱布尼兹公式得出其k阶导矢表达式,根据预设的连续性目标,反推出可使过渡曲线在端点处达到C^k连续的势函数需满足的基本条件。由这些基本条件中所含条件的数量,以及对势函数、过渡曲线的其他期望所对应的条件个数的总量,确定多项式势函数的次数,将势函数表达成相同次数的Bernstein基函数的线性组合,组合系数待定。由势函数需满足的基本条件、其他预期条件,以及Bernstein基函数在端点处的函数值、导数值等信息,得出关于待定系数的方程组。解该方程组,得出满足所有预期目标,并含一个自由参数的多项式势函数的统一表达式。结果 势函数中存在两个参数k和λ,k用于控制过渡曲线与被过渡曲线在端点处的连续阶,在k取定以后,λ可用于控制过渡曲线与被过渡曲线的贴近程度。势函数具有对称性、中点性、有界性,分析了当k固定时,势函数关于变量t和参数λ的单调性,分析了使势函数图形只存在唯一拐点时,自由参数的取值范围。由该势函数构造的过渡曲线,取一般参数时在端点处可达C^k连续,取特殊参数时可达C^k+1连续。分析了过渡曲线的形状特征,当k取定时,λ的值越大,过渡曲线越贴近被过渡曲线。结论 实验数据验证了理论分析结果的正确性,同时直观显示了所给方法的有效性。     

On control polygons of quartic Pythagorean–hodograph curves

In this paper, we study a necessary and sufficient condition for a planar quartic Bézier curve to possess a Pythagorean–hodograph (PH). Based on the definition of PH curve and complex representation of planar curve, we deduce geometric conditions in terms of the legs of the control polygon which guarantee the PH property. We also discuss the problem of G¹ Hermite interpolation by planar PH quartics.     

C2 interpolation of spatial data subject to arc-length constraints using Pythagorean–hodograph quintic splines

In order to reconstruct spatial curves from discrete electronic sensor data, two alternative C² Pythagorean–hodograph (PH) quintic spline formulations are proposed, interpolating given spatial data subject to prescribed constraints on the arc length of each spline segment. The first approach is concerned with the interpolation of a sequence of points, while the second addresses the interpolation of derivatives only (without spatial localization). The special structure of PH curves allows the arc-length conditions to be expressed as algebraic constraints on the curve coefficients. The C² PH quintic splines are thus defined through minimization of a quadratic function subject to quadratic constraints, and a close starting approximation to the desired solution is identified in order to facilitate efficient construction by iterative methods. The C² PH spline constructions are illustrated by several computed examples.     

五次PH曲线的Hermite插值

应用复分析和曲线积分方法研究了满足Hermite插值的五次PH曲线的构造,导出了其相应的Bézier表示.所得五次PH插值曲线不但具有连续的单位切矢和有向曲率,而且其弧长函数是原参数的多项式函数,具有精确的有理Offset代数表示和优美的几何解释,可灵活处理拐点.     

Rational Pythagorean-hodograph space curves

A method for constructing rational Pythagorean-hodograph (PH) curves in R³ is proposed, based on prescribing a field of rational unit tangent vectors. This tangent field, together with its first derivative, defines the orientation of the curve osculating planes. Augmenting this orientation information with a rational support function, that specifies the distance of each osculating plane from the origin, then completely defines a one-parameter family of osculating planes, whose envelope is a developable ruled surface. The rational PH space curve is identified as the edge of regression (or cuspidal edge) of this developable surface. Such curves have rational parametric speed, and also rational adapted frames that satisfy the same conditions as polynomial PH curves in order to be rotation-minimizing with respect to the tangent. The key properties of such rational PH space curves are derived and illustrated by examples, and simple algorithms for their practical construction by geometric Hermite interpolation are also proposed.     

六次PH 曲线G2 Hermite 插值

以其在弧长计算与等距线表示上的优势,PH 曲线成为近年来计算机辅助几何设计 研究的焦点问题之一。为此讨论了六次PH 曲线的G2 Hermite 插值问题。在指定自由参数下,对 两类六次PH 曲线分别进行复分析曲线求解,得到满足G2 插值条件的六次PH 曲线和控制顶点。 通过弧长、能量积分、绝对旋转数的衡量,选取较好的插值曲线。进一步,讨论了用六次PH 曲 线G2 Hermite 插值逼近90°和67°圆弧的问题。在同一个自由参数下,选择插值最好的曲线,可 实现六次C1 Hermite 插值逼近圆弧的效果,且逼近90°圆弧时,优于五次G2 Hermite 插值逼近的 PH 曲线,而逼近67°圆弧时,与最好的五次PH 曲线达到的效果几乎相同。     

Equivalence of distinct characterizations for rational rotation-minimizing frames on quintic space curves

A rotation-minimizing frame on a space curve r(t) is an orthonormal basis (f₁,f₂,f₃) for R³, where f₁=r^′/|r^′| is the curve tangent, and the normal-plane vectors f₂,f₃ exhibit no instantaneous rotation about f₁. Such frames are useful in spatial path planning, swept surface design, computer animation, robotics, and related applications. The simplest curves that have rational rotation-minimizing frames (RRMF curves) comprise a subset of the quintic Pythagorean-hodograph (PH) curves, and two quite different characterizations of them are currently known: (a) through constraints on the PH curve coefficients; and (b) through a certain polynomial divisibility condition. Although (a) is better suited to the formulation of constructive algorithms, (b) has the advantage of remaining valid for curves of any degree. A proof of the equivalence of these two different criteria is presented for PH quintics, together with comments on the generalization to higher-order curves. Although (a) and (b) are both sufficient and necessary criteria for a PH quintic to be an RRMF curve, the (non-obvious) proof presented here helps to clarify the subtle relationships between them.     

Approximating curves and their offsets using biarcs and Pythagorean hodograph quintics

This paper compares two techniques for the approximation of the offsets to a given planar curve. The two methods are based on approximate conversion of the planar curve into circular splines and Pythagorean hodograph (PH) splines, respectively. The circular splines are obtained using a novel variant of biarc interpolation, while the PH splines are constructed via Hermite interpolation of C¹ boundary data.We analyze the approximation order of both conversion procedures. As a new result, the C¹ Hermite interpolation with PH quintics is shown to have approximation order 4 with respect to the original curve, and 3 with respect to its offsets. In addition, we study the resulting data volume, both for the original curve and for its offsets. It is shown that PH splines outperform the circular splines for increasing accuracy, due to the higher approximation order.