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。     

势函数的构造及基于Metaball的过渡曲线

针对原多项式势函数次数较高且其构造的过渡曲线在端点处的连续性较低的问题,为满足过渡曲线设计的更高要求,从提高连续性的角度构造了使过渡曲线在端点处达到kC连续的最低次多项式势函数.首先根据高阶求导公式得到使过渡曲线在端点处达到kC连续的势函数条件,然后根据这些条件来构造含k+1个未知数的2k+1次多项式势函数,最后通过线性方程组的求解得到kC连续的最低次多项式势函数.考虑到kC连续下过渡曲线的形状无法调整问题,又提出了含形状参数的混合三角势函数,其构造的过渡曲线特点是在保持端点处1C连续的情况下能与被过渡曲线的一侧达到很高的重合性.实验结果表明,文中构造的2类势函数是有效的,构造的过渡曲线可实际应用于凸轮廓线的平滑处理等.     

形状调配中带参数的过渡曲线与曲面构造

针对形状调配问题中过渡曲线与曲面构造方法的不足,提出基于带参数的曲线模型构造过渡曲线曲面的方法.首先利用一类带参数的曲线模型构造一种带参数的调配函数;然后研究基于该调配函数的过渡曲线构造问题,并讨论基于能量优化法的最佳过渡曲线构造问题;最后探讨相应的过渡曲面构造问题.实例结果表明,利用带参数的调配函数构造过渡曲线曲面时,2个被过渡曲线曲面可为任意的参数曲线曲面,所构造的过渡曲线曲面不仅在边界处满足拟C2连续,而且还可通过调配函数所带的参数对其形状进行调整.     

形状可调的5次组合样条及其参数选择

目的 为了克服3次参数B样条在形状调整与局部性方面的不足,提出带参数的5次多项式组合样条。方法 首先构造一组带参数的5次多项式基函数;然后采用与3次B样条曲线相同的组合方式定义带参数的5次多项式组合样条曲线,并讨论基于能量优化法的5次组合样条曲线参数最佳取值问题;最后定义相应的组合样条曲面,并研究利用粒子群算法求解曲面的最佳参数取值。结果 5次组合样条不仅继承了3次B样条的诸多性质,而且还比3次B样条具有更强的局部性及形状可调性。由于5次组合样条仍为多项式模型,因此方程结构相对较为简单,符合实际工程的需要。利用能量优化法可获得光顺的5次组合样条曲线与曲面。结论 所提出5次多项式组合样条克服了3次参数B样条在形状调整与局部性方面的不足,是一种实用的自由曲线曲面造型方法。     

Möbius变换下四次有理抛物-PH曲线的C2 Hermite插值

目的 曲线插值问题在机器人设计、机械工业、航天工业等诸多现代工业领域都有广泛的应用，而已知端点数据的Hermite插值是计算机辅助几何设计中一种常用的曲线构造方法，本文讨论了一种偶数次有理等距曲线，即四次抛物-PH曲线的C² Hermite插值问题。方法 基于M bius变换引入参数，利用复分析的方法构造了四次有理抛物-PH曲线的C² Hermite插值，给出了具体插值算法及相应的Bézier曲线表示和控制顶点的表达式。结果 通过给出"合理"的端点插值数据，以数值实例表明了该算法的有效性，所得12条插值曲线中，结合最小绝对旋转数和弹性弯曲能量最小化两种准则给出了判定满足插值条件最优曲线的选择方法，并以具体实例说明了与其他插值方法的对比分析结果。结论 本文构造了M bius变换下的四次有理抛物-PH曲线的C² Hermite插值，在保证曲线次数较低的情况下，达到了连续性更高的插值条件，计算更为简单，插值效果明显，较之传统奇数次PH曲线具有更加自然的几何形状，对偶数次PH曲线的相关研究具有一定意义。     

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。     

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。     

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。     

基于Metaball的Ck连续过渡曲线的构造

为得到能使过渡曲线在端点处达到 Ck ( k 为任意自然数)连续的多项式势函数的通 用表达式,由连续条件反推的势函数需具备的条件,根据条件个数确定势函数的最低次数,将 势函数表示成 Bernstein 基函数的线性组合,组合系数待定。根据 Bernstein 基函数的端点信息 确定关于待定系数的方程组,解之得出满足连续性要求的势函数。考虑到由该势函数构造的过 渡曲线形状由被过渡曲线唯一确定,又将势函数次数增加一次,得出能使过渡曲线在端点处达 到任意 Ck 连续并且形状可调的多项式势函数的通用表达式。借助 Bernstein 基函数的升阶公式 给出了两种势函数之间的关系,分析了势函数的性质以及相应过渡曲线的特征,给出了势函数 以及过渡曲线的图例,验证了理论分析结果的正确性及所给方法的有效性。     

集多种特性的三次三角伪B样条

目的 为了同时解决传统多项式B样条曲线在形状调控、精确表示常见工程曲线以及构造插值曲线时的不足,提出了一类集多种特性的三次三角伪B样条。方法 首先构造了一组带两个参数的三次三角伪B样条基函数,然后在此基础上定义了相应的参数伪B样条曲线,并讨论了该曲线的特性及光顺性问题,最后研究了相应的代数伪B样条,并给出了最优代数伪B样条的确定方法。结果 参数伪B样条曲线不仅满足C²连续,而且无需求解方程系统即可自动插值于给定的型值点。当型值点保持不变时,插值曲线的形状还可通过自带的两个参数进行调控。在适当条件下,该参数伪B样条曲线可精确表示圆弧、椭圆弧、星形线等常见的工程曲线。相应的代数伪B样条具有参数伪B样条曲线类似的性质,利用最优代数伪B样条可获得满意的插值效果。结论 所提出的伪B样条同时解决了传统多项式B样条曲线在形状调控、精确表示常见工程曲线以及构造插值曲线时的不足,是一种实用的曲线造型方法。     

拥有指数参数的新三角基

目的 为了使构造的曲线拥有传统Bézier曲线的良好性质,同时还具备形状可调性、逼近性、保形性以及实用性。方法 首先在拟扩展切比雪夫空间的框架下,构造了一类具有全正性的拟三次三角Bernstein基函数,并给出了该基函数的性质;基于此基函数,构造了相应的拟三次三角Bézier曲线,分析了其曲线的性质,得到了生成曲线的割角算法以及C¹,C²光滑拼接条件,同时还提出了一种估计曲线逼近控制多边形程度的三角Bernstein算子;接着在拟三次三角Bernstein基函数的基础上提出一种三角域上带3个指数参数的拟三次三角Bernstein-Bézier基,基于此基生成了一种三角域上的拟三次三角Bernstein-Bézier曲面,该曲面可以构建边界为椭圆弧、抛物线弧以及圆弧的曲面,此外,还提出一种实用的de-Casteljau-type算法,同时还给出了连接两个曲面的G¹连续条件。结果 实验表明,本文在拟扩展切比雪夫空间中构造的具有全正性的曲线曲面,能够灵活地进行形状调整,而且具有良好的逼近性以及适用性。结论 本文在拟扩展切比雪夫空间的框架下构造了一类具有全正性的基函数,并以此基函数进行曲线曲面构造。实验表明本文构造的曲线具备传统三次Bézier曲线的所有优良性质,而且具有灵活的形状可调性。随着参数的增大,所生成的曲线能够更加逼近控制多边形,模拟控制多边形的行为。此外,本文在三角域上构造的曲面能够生成边界为椭圆弧的曲面。综上,本文提出的基函数满足几何工业的需要,是一种实用的方法。     

Determining Knots by Minimizing Energy

A new method for determining knots to construct polynomial curves is presented. At each data point, a quadric curve which passes three consecutive points is constructed. The knots for constructing the quadric curve are determined by minimizing the internal strain energy, which can be regarded as a function of the angle. The function of the angle is expanded as a Taylor series with two terms, then the two knot intervals between the three consecutive points are defined by linear expression. Between the two consecutive points, there are two knot intervals, and the combination of the two knot intervals is used to define the final knot interval. A comparison of the new method with several existing methods is included.     

曲线曲面逼近与插值的统一表示

为了用一种模型实现从逼近到插值的转换,在多项式空间上构造了含一个参数的调配函数,由之定义了基于4点分段的曲线,该曲线可以理解为由相同的一组控制顶点定义的逼近曲线和插值曲线的线性组合,其中的逼近曲线为3次均匀B样条曲线,插值曲线经过除首末点以外的所有控制点。在均匀参数分割下,曲线具有C2连续性,取特殊参数时可达C3连续。在参数变化过程中,曲线各段起点、终点的位置发生改变,但这些点处的一阶、二阶导矢始终保持不变,即始终与3次B样条曲线相同。曲线形状与端点条件密切相关,而B样条曲线具有良好的保形性,这些综合因素使得曲线在形状变化的过程中始终可以较好地保持控制多边形的特征。采用张量积方法将曲线推广至曲面,曲线曲面图例显示了该方法在造型设计中的有效性。     

高阶连续的形状可调三角多项式曲线曲面

目的目前使用的B样条曲线曲面存在着高连续阶与高局部调整性两者无法兼而有之的不足,且B样条曲线曲面的形状被控制顶点和节点向量唯一确定,这些因素影响着B样条方法的几何设计效果与方便性。本文旨在克服这种局限,以期构造具有高次B样条方法的高连续阶,低次B样条方法的高局部调整性,以及有理B样条方法权因子决定的形状调整性的曲线曲面。方法在三角函数空间上构造了一组含参数的调配函数,进而定义具有与3次B样条曲线曲面相同结构的新曲线与张量积曲面。结果新曲线曲面继承了B样条方法的凸包性、对称性、几何不变性等诸多性质。不同的是,同样是基于4点分段,3次均匀B样条曲线C2连续,而对于等距节点,在一般情况下,新曲线C5连续,当参数取特殊值时可达C7连续。新曲线在C5连续的情况下存在1个形状参数,能较好地调整曲线的形状同时又无须改变控制顶点。另外,将形状参数设为特定值,新曲线可以自动插值给定点列。新曲面具有与新曲线相应的优点。结论在强局部性下实现高阶连续性的形状可调分段组合曲线曲面,为高阶光滑曲线曲面的设计提供了可能,并且新曲线实现了逼近与插值的统一表示,能较好地应用于工程实际。调配函数的构造方法具有一般性,可用相同方式构造其他具有类似性质的调配函数。     

带两个参数的三角多项式曲线曲面构造

目的 为了使扩展的曲线曲面保留传统Bézier方法以及B样条方法良好性质的同时,具备保形性、形状可调性、高阶连续性以及广泛的应用性,本文在拟扩展切比雪夫空间利用开花的性质构造了一组最优规范全正基,并利用该基进行曲线曲面构造。方法 首先构造一组最优规范全正基,并给出该基生成的拟三次TC-Bézier曲线的割角算法;接着利用最优规范全正基的线性组合构造拟三次均匀TC-B样条基,根据曲线的性质假设拟三次均匀B样条基函数具有规范性和C²连续性,进而得到其表达式;然后证明拟三次均匀TC-B样条基具有全正性和高阶连续性;最后定义拟三次均匀TC-B样条曲线曲面,并证明曲线曲面的性质,给出曲线表示整圆和旋转曲面的表示方法,设计出球面和旋转曲面的直接生成方法。结果 实验表明,本文在拟扩展切比雪夫空间构造的具有全正性曲线曲面,不仅能够灵活地进行形状调整,而且具有高阶连续性、保形性。结论 本文在三角函数空间利用两个形状参数进行曲线曲面构造,大量的分析以及案例说明本文构造的曲线曲面不仅保留了传统的Bézier方法以及B样条方法的良好性质,而且具备保形性、形状可调性、高阶连续性以及广泛的应用性,适合用于曲线曲面设计。     

一类基于三角函数的插值曲线

从三角函数出发，构造了一类插值于首、末端点及其切矢的参数样条曲线，称之为T—Ferguson，并研究了合成T—Ferguson曲线的算法。T—Ferguson曲线丰富了参数样条曲线，是一种可行的构造插值曲线方法。     

二次参数曲线拟合平面点的一种新方法

对平面上给定的一组数据点进行了研究,提出了构造参数曲线拟合数据点的一种新方法。所构造的拟合参数曲线是C′连续的分段二次参数曲线。本文以实例对新方法与二次插值样条曲线进行了比较。