第六章曲线插值.ppt
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计算机图形学基础Computer Graphics 赵东保 设已知某个函数关系 在某些离散点上的函数值: 根据这些已知数据来构造原始函数y=f(x)的近似表达式,并尽可能逼近它,从而反映这些数据所隐含的函数变化规律。 上述多项式插值方法需要解算方程组,而拉格朗日插值公式的基本思想是,把pn(x)的构造问题转化为n+1个插值基函数li(x)(i=0,1,…,n)的构造。 记 记 Bezier曲线的拼接 特殊外形设计 三顶点共线 位于控制多边形边上的一个点 特殊外形设计 四顶点共线 含有直线段的曲线 B样条曲线(9/17) 特殊外形设计 两顶点重合 B样条曲线(10/17) 特殊外形设计 两顶点重合 相切于控制多边形边的曲线 B样条曲线(11/17) 特殊外形设计 三顶点重合 含有尖点的曲线 地形表面的生成 由离散点集构建TIN 地形表面的光滑 双线性内插 三次曲面内插 5.1 五点光滑法 五点光滑法是等高线光滑中最常使用的方法,其光滑的结果类似于制图员的手工光滑效果。基本思路为: ?每两个数据点之间建立一条三次多项式曲线方程。 ??曲线具有连续的一阶导数。 各数据点的导数是以一点为中心,左右两边各相邻的两个点,一共五个点来确定的。 能否找到一个简单易算的 p(x) ,使得 f(x) ? p(x) 已知 f(x) 在某些点的函数值: ym xm y1 x1 … y0 f(x) … x0 x 但是 m 通常很大 yi 本身是测量值,不准确,即 yi ? f (xi) 这时不要求 p(xi) = yi , 而只要 p(xi) ? yi 总体上尽可能小 5 拟合方法 使 最小 p(xi) ? yi 总体上尽可能小 使 最小 常见做法 太复杂 ? 不可导,求解困难 ? 使 最小 最小二乘法:目前最好的多项式曲线拟合算法 5 拟合方法 对于给定的一组数据(xi,yi)(i=0,1,2,..,n) 求m(m=n)次多项式来拟合原始函数 需要求出多项式的m+1个待定系数即可,且使得 以下函数值达到最小 F(a0,a1,…,am)= = = =Min 5 最小二乘拟合 要使函数值达到最小,即有多元函数求极值 即 k = 0, 1, …, n 最小值点 0 j F a ? = ? 5 最小二乘拟合 5 最小二乘拟合 写成方程组的形式 法方程组 可以证明该方程组有唯一解 7 基于拟合思想的曲线生成 基于拟合方法生成的曲线靠近每个型值点,但不一定要求通过每个点。常见的主要有: Bezier曲线 B样条曲线 7.1 Bezier曲线 Bezier曲线是由一组多边折线定义的。在多边折线的各顶点中,只有第一点和最后一点在曲线上, 第一条和最后一条折线分别表示出曲线在起点和终点处切线方向。曲线的形状趋向于多边折线的形状,因此,多边折线又称为特征多边形,其顶点称为控制点。 7.1 Bezier曲线 Bezier曲线的性质 端点性质:Bezier曲线的起点和终点同特征多边形的起点和终点重合。Bezier曲线在端点处的一阶导数只同相近的两个控制点有关,其方向为两点的连线方向。在端点处的二阶导数只同相近的三个控制点有关。 凸包性:Bezier曲线落在特征多边形顶点所形成的凸包内。 几何不变性:Bezier曲线的形状由特征多边形的顶点唯一确定,与坐标系的选取无关。 7.1 Bezier曲线 7.2 B样条曲线 Bezier曲线实际上是B样条(Basic Spline)曲线的特例。B样条曲线除保持了Bezier曲线的直观性和凸包性等优点之外,其样条函数中多项式次数也独立于控制点数目,B样条曲线还允许局部调整。由于以上原因,B样条曲线得到了广泛应用。 7.2 B样条曲线 B样条曲线的性质 端点性质:B样条曲线的起点和终点都不在曲线上,只与邻近三个控制点有关。 连续性:B样条曲线段之间是自行光滑连续的,B样条曲线段之间是自行光滑连续的。而且,n次B样条曲线具有n-1阶导数的连续性。 局部性和扩展性:在三次B样条曲线中,每个B样条曲线段受四个控制点影响。如果增加一个控制点,就相应地增加了一段B样条曲线。此时,原有的B样条曲线不受影响。 P0 P2 P1 M P(0) P’(0) P0 P2 M P1 P(0) 7.2 B样条曲线 P0 P3 P1 P2 P(0) M1 P(1) M2 7.2 B样条曲线 P0 P2 P1 M P’(0) P0 P2 M P1 P(0) P(0) P2
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