Matematik og Form Splines. NURBS

Transkript

1 Matematik og Form Splines. NURBS Institut for Matematiske Fag Aalborg Universitet 2012

2 Opgave: Find 3.grads polynomium p(t) = a 0 + a 1 t + a 2 t 2 + a 3 t 3 sål. at y b = p(0) = a 0 y s = p(1) = a 0 + a 1 + a 2 + a 3 h b = p (0) = a 1 h s = p (1) = a 1 + 2a 2 + 3a 3 fører til et lineært ligningssystem. Løsning a 0 = p(0) a 1 = p (0) a 2 = 3p(0) + 3p(1) 2p (0) p (1) a 3 = 2p(0) 2p(1) + p (0) + p (1)

3 Hermitekurve Dermed bestemmes polynomiet p(t) ved indsætning af a 0, a 1, a 2, a 3 : p(t) = p(0) + p (0)t + ( 3p(0) + 3p(1) 2p (0) p (1))t 2 +(2p(0) + 2p(1) + p (0) + p (1))t 3 = 1 (1 3t 2 + 2t 3 )p(0) + (3t 2 2t 3 )p(1) +(t 2t 2 + t 3 )p (0) + ( t 2 + t 3 )p (1) = F 1 (t)p(0) + F 2 (t)p(1) + F 3 (t)p (0) + F 4 (t)p (1) Hermitepolynomier F 1 (t) = 1 3t 2 + 2t 3 F 2 (t) = 3t 2 2t 3 F 3 (t) = t 2t 2 + t 3 F 4 (t) = t 2 + t 3 De samme polynomier for hver opgave! Det der ændrer sig (variable) er værdierne p(0), p(1), p (0), p (1). 1 Sortering!

4 Opgave: Find 3.grads parameterfremstilling med vektorfunktion p(t), vektorer a i p(t) = a 0 + a 1 t + a 2 t 2 + a 3 t 3 sål. at P b = p(0) = a 0 P s = p(1) = a 0 + a 1 + a 2 + a 3 h b = p (0) = a 1 h s = p (1) = a 1 +2a 2 + 3a 3 fører til et lineært ligningssystem Løsning a 0 = p(0) a 1 = p (0) a 2 = 3p(0) + 3p(1) 2p (0) p (1) a 3 = 2p(0) 2p(1) + p (0) + p (1)

5 Kubisk parameterfremstilling Dermed bestemmes den kubiske parameterfremstilling p(t) ved ved indsætning af a 0, a 1, a 2, a 3 : p(t) = p(0) + p (0)t + ( 3p(0) + 3p(1) 2p (0) p (1))t 2 +(2p(0) + 2p(1) + p (0) + p (1))t 3 = (1 3t 2 + 2t 3 )p(0) + (3t 2 2t 3 )p(1) +(t 2t 2 + t 3 )p (0) + ( t 2 + t 3 )p (1) = F 1 (t)p(0) + F 2 (t)p(1) + F 3 (t)p (0) + F 4 (t)p (1) Hermitepolynomier F 1 (t) = 1 3t 2 + 2t 3 F 2 (t) = 3t 2 2t 3 F 3 (t) = t 2t 2 + t 3 F 4 (t) = t 2 + t 3 De samme polynomier for hver opgave! Det der ændrer sig (variable) er: p(0), p(1), p (0), p (1).

6 Hermitekurver Kubiske parameterfremstillinger Hermitepolynomier F 1 (t) := 2t 3 3t F 2 (t) := 2t 3 + 3t 2 F 3 (t) := t 3 2t 2 + t F 4 (t) := t 3 t 2 Hermitekurve p(t) = F 1 (t)p b + F 2 (t)p s + F 3 (t)v b + F 4 (t)v s 3.grads kurve med begyndelses- og slutpunkt P b, P s samt begyndelses- og sluthastighedsvektor v b, v s.

7 Bézierkurver af orden 3 Kubiske Bernsteinpolynomier B 0,3 (t) := (1 t) 3 = t 3 + 3t 2 3t + 1 B 1,3 (t) := 3(1 t) 2 t := 3t 3 6t 2 + 3t B 2,3 (t) := 3(1 t)t 2 = 3t 3 + 3t 2 B 3,3 (t) := t 3 B 0,3 + B 1,3 + B 2,3 + B 3,3 = 1 B(t) = B 0,3 (t)p 0 + B 1,3 (t)p 1 + B 2,3 (t)p 2 + B 3,3 (t)p 3 3. grads Bézierkurve til kontrolpunkterne P 0, P 1, P 2, P 3.

8 Hermitekurver og kubiske Bézierkurver 1 Sammenligning Hermitekurver er 3.grads kurver som bestemmes ved begyndelsespunkt P b og slutpunkt P s samt begyndelseshastighed v b og sluthastighed v s. Bézierkurver af grad 3 bestemmes ved fire kontrolpunkter: begyndelsespunkt P 0 og slutpunkt P 3 samt to håndtag (eller magneter) P 1 og P 2. Man kan specificere den samme 3.ordens-kurve både som Hermitekurve og som Bézierkurve.

9 Hermitekurver og kubiske Bézierkurver 2 Hastighedsvektorer og kontrolpunkter Hermitekurve: endepunkter P b, P s, endehastighedsvektorer v b, v s. Bézierkurve: kontrolpunkter P 0, P 1, P 2, P 3. Hvis de skal bestemme samme 3. grads kurve: F 1 (t)p b + F 2 (t)p s + F 3 (t)v b + F 4 (t)v s ( ) = B 0,3 (t)p 0 + B 1,3 (t)p 1 + B 2,3 (t)p 2 + B 3,3 (t)p 3. Indsæt t = 0, t = 1: P b = P 0, P s = P 3 (samme endepunkter). Indsæt t = 0, t = 1 i den afledede til ligning (*): v b = 3P 0 + 3P 1 = 3 P 0 P 1 v s = 3P 2 + 3P 3 = 3 P 2 P 3 Begynd.-hastighed Sluthastighed = 3 vektor mellem de to første kontrolpkter = 3 vektor mellem de to sidste kontrolpkter

10 Kubiske splines Mål: C 2 -parameterfremstilling 2 for en kurve gennem punkter P 0, P 1,..., P n. Den består af n kubiske parameterfremstillinger (Hermite) p 1 (t) gennem P 0 og P 1 p 2 (t) gennem P 1 og P 2 p n (t) gennem P n 1 og P n. C 2 svarer til : p i (1) = p i+1 (0) = v i p i (1) = p i+1 (0) Derudover ønskes: p 1 (0) = p n(1) = 0 (Krumning = 0 i P 0 og P 1.) 2 C 2 : 1. og 2. afledede kontinuert!

11 Oversættelse til lineær algebra Ide: Find hastighedsvektorer v 0, v 1,..., v n sål. at p 1 (0) = v 0, p i (1) = p i+1 (0) = v i, 0 i n 1, p n(1) = v n p 1 (0) = 0, p i (1) = p i+1 (0), 0 i n 1, p n(1) = 0 p 1 (0) = 0 2v 0 + v 1 = 3P 0 P 1 p i (1) = p i+1 (0) v i 1 + 4v i + v i+1 = 3P i 1 P i+1 p n(1) = 0 v n 1 + 2v n = 3P n 1 P n Lineært ligningssystem: (n + 1) ligninger i (n + 1) ubekendte v 0, v 1,..., v n Koefficientmatriks A n+1 =

12 Beregning af hastighedsvektorerne Hastighedsvektorerne v 0, v 1,..., v n er løsningerne til: v 0 P 0 P 1 v 1 P 0 P 2 A n+1 = 3 højresiden v n 1 P n 2 P n v n P n 1 P n v 0 P 0 P 1 v 1 P 0 P 2 = 3A 1 n+1 v n 1 P n 2 P n v n P n 1 P n

13 Et simplet tilfælde: n = A 3 = 1 4 1, A 1 3 = , 3A 1 3 = v 0 4 v 1 P 0 P 1 2P 0 P 2 + P 1 P 2 ) = 1 2 ( P 0 P 1 + 2P 0 P 2 P 1 P 2 ) v ( P 0 P 1 2P 0 P 2 + 7P = 1 P 2 ) 1 4 P 0 P 1 P 1 P 2 ) 3 1 2P 0 P (5 P 1 P 2 P. 0 P 1 ) 3 7P 0 P 1 2P 0 P 2 + P 1 P 2 = 7OP 0 + 2OP 0 + 7OP 1 OP 1 2OP 2 + OP 2 = 5OP 0 + 6OP 1 OP 2 = 5P 0 P 1 P 1 P 2

14 Eksempel 3 punkter bestemmer 3 hastighedsvektorer P 0 : (4, 0), P 1 : (0, 4), P 2 : (4, 4); P 0 P 1 = [ 4, 4], P 0 P 2 = [0, 4], P 1 P 2 = [4, 0]; v 0 = 1 4 ([ 20, 20] [4, 0]) = [ 6, 5], v 1 = 1 2 [0, 4] = [0, 2], v 2 = 1 4 ([20, 0] [ 4, 4]) = [6, 1]. To Hermitekurver bestemmes Nu indsættes P 0, P 1, v 0, v 1 i parameterfremstilling p 1 (t) for Hermitekurve nr. 1: p 1 (t) = (1 3t 2 + 2t 3 )[4, 0] + (3t 2 2t 3 )[0, 4] + (t 2t 2 + t 3 )[ 6, 5] + ( t 2 + t 3 )[0, 2] = [4 6t + 2t 3, 5t t 3 ], t [0, 1]; og tilsvarende P 1, P 2, v 1, v 2 i parameterfremstilling p 2 (t) for Hermitekurve nr. 2: p 2 (t) = (1 3t 2 + 2t 3 )[0, 4] + (3t 2 2t 3 )[4, 4] + (t 2t 2 + t 3 )[ 0, 2] + ( t 2 + t 3 )[6, 1] = [6t 2 2t 3, 4 + 2t 3t 2 + t 3 ], t [0, 1].

15 Kurver med n + 1 kontrolpunkter n-te ordens Bézierkurver defineres ved ( hjælp ) af Bernstein-polynomier n B k,n (t) = t k k (1 t) n k af grad n. B n (t) = B 0,n (t)p B i,n (t)p i + + B n,n (t)p n. B-splines defineres ved hjælp af stykkevis polynomiale funktioner af grad k - som er 0 på en del af intervallet. Sammenligning: Fordele og ulemper støttepunkter grad glathed lokal kontrol kubisk spline alle 3 C 2 Bézierkurve endepunkter n C B-spline endepunkter k C k 2 delvis a a Kontrolpunkt har indflydelse på område svarende til k + 1 punkter

16 NURBS Non-uniform rational B-splines Beskrivelse kontrolpunkter Q 0,..., Q n og kontrolpolygon grad k 1 knot vektor vægte NURB-Kurven (af orden k) er givet ved en (vektor-)parameterfremstilling r(t) = n i=0 N i,k (t)q i. Egenskaber NURB-kurven ligger altid i det konvekse hylster bestemt ved kontrolpunkterne n i=0 N i,k (t)= 1 for alle t: Hver af (tal-)basisfunktionerne N i,k (t) er dels et polynomium af grad k 1, dels konstant lige med 0. lokal kontrol: Hvert kontrolpunkt har kun indflydelse mellem fra en knude til og med de næste k styks.

17 NURBS Knotvektor, vægte Parametre Basisfunktionerne lever på et (tids-) interval med knots på. Knotvektoren er en (svagt) voksende følge knots som ligger på dette tidsinterval. Antal: antal kontrolpunkterne + orden (= k) uniform: Knots har ens afstand fra hinanden, ellers non-uniform. Knots kan være multiple og er det gerne i starten og slutningen eller for at frembringe knæk a. a eng.: kink Vægte Til hvert kontrolpunkt Q i kan man lade svare en vægt w i. Punkter med høj vægt tiltrækker kurven særlig meget. Parameterfremstilling r(t) = n i=0 w i N i,k (t)q i n i=0 w i N i,k (t). Derfor rational (=brøk)! En særlig grund: Kun med brøker af denne form kan man beskrive cirkler, ellipser mv. eksakt!

18 Rhino og Grasshopper Rhino PointsOn Kontrolpunkterne med Dir vandrende enhedstangentvektor Curvature vandrende krumningscirkel og beregning af krumningen CurvatureGraphOn Normalvektorfelt; længde = krumning. Antal normalvektorer kan indstilles. Grasshopper IntCrv Interpolationskurve (spline), som går gennem de afsatte punkter. V Point Set (læses ind i Pt). D kurvens grad (helst ulige!, gerne 3 eller 5). Crv NURBS kurve V og D som for IntCrV P (periodic): Martin Er Raussen kurven Matematik lukket og (yes) Form Splines. ellernurbs åben (no)