Nurbs曲线详解

NURBS(Non Uniform Rational B-spline)曲线通常称为非均匀有理B样条曲线,其数学定义如下:


基函数由递推公式定义:


非均匀:指节点向量的值与间距可以为任意值。这样我们可以在不同区间上得到不同的混合函数形状,为自由控制曲线形状提供了更大自由。均匀与非均匀的主要区别在于节点向量的值。如果适当设定节点向量,可以生成一种开放均匀样条,它是均匀与非均匀的交叉部分。开放样条在两端的节点值会重复d次,其节点间距是均匀的。例如:
{0,0,1,2,3,3},(d=2,n=3)
{0,0,0,1,2,2,2},(d=4,n=4)
开放均匀B样条与贝泽尔样条性质非常类似,如果d=n+1(即多项式次数为n),那么开放B样条就变成了贝泽尔样条,所有节点值为0或1。如四个控制点的三次开放B样条,节点向量为:{0,0,0,0,1,1,1}。
 有理B样条:有理函数是两个多项式之比,有理样条(rationalspline)是两个样条函数之比,有理B样条用向量描述。
URBS曲线由以下三个参数定义:
(1) 控制点 :确定曲线的位置,通常不在曲线上,形成控制多边形。(见图1,图中

       
图1  控制点移动对曲线的影响

(2) 权因子:确定控制点的权值,它相当于控制点的“引力”,其值越大曲线就越接近控制点(见图2,Bi为控制点)。

               
       图2 曲线随权因子变化

(3) 节点矢量K:NURBS曲线随着参数K的变化而变化,与控制顶点相对应的参数化点K称为节点,节点的集合Ki:[K0,K1…,Kn…,Kn+m+1]称为节点矢量。
节点:在曲线上任意一点有多于一个控制点产生影响(除了bezier的端点),节点就象一种边界,在这个边界上一个控制点失去影响作用,另一个控制点取得影响。

2、NURBS曲线怎样通过首末节点
多重节点序列使得样条曲线更靠近于重复节点位置。如果末端节点重复d+1次,则d阶B-样条必须插值最后一个控制点。因此,解决样条曲线不能横跨整个控制顶点序列的一个方法是,重复首尾两个节点,这样得到的样条曲线将插值首尾两个控制点。

对于非周期的样条,节点矢量为

 
即节点矢量两端各有m+1个相同的节点,以便曲线通过控制多边形首、末端点,并与首、末两边相切。

(参考系统编程篇§2.7程序示例)

3、NURBS曲线轨迹的矩阵计算法及矩阵表示
  因NURBS样条函数的节点参数沿参数轴的分布是不等距的,不同节点矢量形成的B样条基函数各不相同,需要单独计算,且算法中又增加了权因子,所以曲线轨迹点的计算较为复杂、费时,为了提高NURBS曲线插补的实时性,在实时插补前需进行必要的预处理,其主要任务是确定NURBS曲线轨迹计算公式的有关系数,以简化实时插补的计算量。
  若曲线采用三次NURBS形式表示(三次与K次计算方法相同,表达式不同),即K=3, ,则第i段曲线可以写成下列矩阵形式:
   

整理可得:
   

   由于控制点di及权因子Wi 均已知,而Mi仅与节点向量有关,也是确定的,Ci与Mi、Wi、di有关,即也是确定的,故式中各项系数均已知,且与插补点的参数无关,可在插补前一次性求出,因式中i的取值为3到n,所以对整条NURBS曲线,可计算出的系数共有n-2组,在插补中根据插补点所在的位置动态选用相应的系数。


   对于曲线上坐标X、Y、Z分别有:

http://www.win-cnc.com/htmlmodel/jswzxx/243580.html

NURBS是一种非常优秀的建模方式,在高级三维软件当中都支持这种建模方式。NURBS能够比传统的网格建模方式更好地控制物体表面的曲线度,从而能够创建出更逼真、生动的造型。NURBS曲线NURBS曲面在传统的制图领域是不存在的,是为使用计算机进行3D建模而专门建立的。在3D建模的内部空间用曲线和曲面来表现轮廓和外形。它们是用数学表达式构建的,NURBS数学表达式是一种复合体。在这一章里,只是简要地介绍一下NURBS的概念,来帮助了解怎样建立NURBSNURBS物体为什么会有这样的表现。 1.1 NURBS的定义 NURBS是Non-Uniform Rational B-Splines的缩写,是非统一有理B样条的意思。具体解释是: 。Non-Uniform(非统一):是指一个控制顶点的影响力的范围能够改变。当创建一个不规则曲面的时候这一点非常有用。同样,统一的曲线和曲面在透视投影下也不是无变化的,对于交互的3D建模来说这是一个严重的缺陷。 。Rational(有理):是指每个NURBS物体都可以用数学表达式来定义。 。B-Spline(B样条):是指用路线来构建一条曲线,在一个或更多的点之间以内插值替换的。 简单地说,NURBS就是专门做曲面物体的一种造型方法。NURBS造型总是由曲线和曲面来定义的,所以要在NURBS表面里生成一条有棱角的边是很困难的。就是因为这一特点,我们可以用它做出各种复杂的曲面造型和表现特殊的效果,如人的皮肤,面貌或流线型的跑车等。 1.2 度数和连续性 所有的曲线都有Degree(度数)。一条曲线的度数在表现所使用的等式里面是最主要的指数。一个直线的等式度数是1,一个二次的等式度数是2.NURBS曲线表现是立方等式,度数是3.可以把度数设得很高,但通常不必要这样做。虽然度数越高曲线越圆滑,但计算时间也越长。一般只要记住Degree(度数)值越高曲线越圆滑就可以了。 曲线也都有Continuity(连续性)。一条连续的曲线是不间断的。连续性有不同的级别,一条曲线有一个角度或尖端,它的连续是是C0.一条曲线如果没有尖端但曲率有改变,连续性是C1.如果一条曲线是连续的,曲率不改变,连续性是C2,如图所示。 一条曲线可以有较高的连续性,但对于计算机建模来说这三个级别已经够了。通常眼睛不能区别C2连续性和更高的连续性之间的差别。 连续性和度数是有关系的。一个度数为3的等式能产生C2连续性曲线NURBS造型通常不需要这么高度数的曲线。 一条不同片断的NURBS曲线可以用不同级别的连续性。具体来说,在同样的位置或非常靠近的地方放置一些可控点,会降低连续性的级别。两个重叠的可控点会使曲率变尖锐。三个重叠的可控点会在曲线里建立一个有角度的尖角。附加一个或两个可控点会在曲线的附近联合它们的影响力。 从可控点中删除一个离开它们,就增加了曲线的连续性的级别。在3DMAX里,Fuse(熔化)可控点会在曲线里建立一个假象的曲率或尖角。如果要恢复原状,Unfuse(反熔化)那个点就可以了。
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