第36卷第2期 吉首大学学报(自然科学版) Vo1.36 NO.2 2015年3月 Journal of Jishou University(Natural Science Edition) MaT.2015 文章编号:1007—2985(2015)02—0023—06 三次B样条曲线形状调整方法 王晶昕,鞠妍 (辽宁师范大学数学学院,辽宁大连116029) 摘要:分析了某种带局部形状调整参数的B样条曲线的构造,提出用带调整参数的变换矩阵方法生成控制点进而生 成所要求的带形状参数的三次B样条曲线的方法.研究了参数变化对曲线的影响,以及该方法下所生成样条曲线在拼接点 处的连续性条件. 关键词:三次B样条曲线;调整参数;矩阵变换 中图分类号:O241.5 文献标志码:A BOl:10.3969/j.issn.1007—2985.2015.02.006 在B样条曲线的形状调整的研究中有很多行之有效的方法口 ].文献E1-]中构造出了一种新的三次、四 次调配函数,以此作为三次B样条基函数的扩展,通过改变局部形状参数达到对曲线形状调整的目的.笔 者对文献[1]中所给出的方法进行分析,试图找出这种调配函数生成的曲线与标准的B样条基函数生成的 曲线之间的联系与区别.经分析发现,如果将给定的控制点进行某种方式的凸组合生成新的控制点,那么 仅利用标准的B样条基函数即可生成文献[1]中的方法所生成的曲线.此外,还可以用上述控制点的更一 般化的凸组合来生成新的控制点,从而生成自由度更大的B样条曲线.而这种方法生成的B样条曲线在拼 接点处的连续性依赖=F上述组合系数的选择. 1对扩展三次B样条曲线的分析 因为样条曲线即是分片的多项式曲线,所以笔者沿用文献E1-]中的方法,讨论一个样条区间中的多项 式曲线,再分析相邻的下一段多项式曲线与之拼接的问题即可. 文献El3中带形状参数 的第1类三次B样条的扩展基在第i个区间的函数表示为 6 (£)一 (1一)tit)(1一£)z, b b{(£)===÷(4一(7一 )£ +(4一 )t。), O (1) 6i(£)一 (1+(2+ )b +(5—22 )£2一(4一 )t 3), 6;(£):== ((1一 (1一£))£z), 0 *收稿日期:2014—09—21 基金项目:国家自然科学基金资助项目(11226326) 作者简介:王晶昕(1958一),男,内蒙古赤峰人,辽宁师范大学数学学院教授,博士,主要从事计算数学研究. 24 吉首大学学报(自然科学版) 第36卷 其中t∈[O,1],一2≤ ≤1. 对(1)式进一步变形得 £)-百1(1一 + (3(1一 6 (£)一 2(1一£)。+吾(3(1一£) )+ (3(1一£) z)+丢f s, l(1t)a+ ̄一(3(1’ --t)2t)+ … + £)= (3(1一班z)+百1 取定4个控制点P。,P ,P:,P。,得多项式曲线 3 c( )一∑Pf6 ( )一P。bo=(£)+P1B{(£)+P 2bl(£)+P 3b 3(f)(3) i 0 . c c =(丢P。+i2 P +百1 P )c 一t,。+( P。+导P + P。)3 c 一 zt+ ( P。+扣+ P。)3 c (丢P + 2 P。+ P。) 即 c∽一(丢P。+ 2 P +百1 P B ao( ( P。+吾P + P )昧 ( P + 2 P + P。)B;( )+(丢P + 2 P。+百1 P。)B 2(t), 其中B (£)( =0,1,2,3)为标准的三次Bernstein基函数. { 1 2 1 O 6 3 6 Q。 1一 2 5+ f P0 O Ql 18 3 18 P1 (4) Q2 0 5+.:【 2 1一 P 2 Q。 18 3 18 P 3 1 2 l O 6 3 6 3 可知曲线c(£)=:=∑B,i=0 aQ (£)是一条以Q。,Q。,Q。,Q。为新控制点的三次B6zier曲线.因 ∈[一2,1],故 Qo,Q 是P o,P ,P z的凸组合,Qz,Q。是P ,P z,P。的凸组合.依上述分析可知,邻接于点Q。处的下一段 曲线的控制点是 1 1 O 6 6 Q 1一 i+1 5 i+1 P1 O Q5 18 18 P 2 Q6 0 2 1一 i+1 (5) P 3 Q7 3 18 P 4 0 2 1 3 6 第2期 王晶昕,等:三次B样条曲线形状调整方法 25 如图1为 =0的情形. 对文献[1]中带形状参数 的第2类四次B样条扩展基做同样分析: 6 (f):1(1一 £)(1一£)。, u 6{(£):1(4—6£ +(3+ )£3—2it 4), U 6:(£)=丢(1+(3+.:I )£+3(1一.:【 )£2一 y 3(1一 f) 。一 t ), 1 b (£): ((1~ (1一£))t 3, b 其中t∈[o,1],一2≤ ≤1. 对(6)式作进一步变形,最后得到曲线C(t)也 图1 l—o 可用控制点Q ( —O,l,2,3,4)与标准的四次lSernstein基函数表示出来,即 c( )一(丢P。+ 2 P + 1 P )B ( )+( P。+ 2 P + P )B (z)+(丢P。+丢P。)B;+ ( 一号P。+ P。) (丢P。+号P +百1 P。) . 记 Q。=百1 P+ 2 P +1 P 。百, Q = Q — P。+ 2 PP。+ P-+— 。+ P2'P z, Q。: 1 P + 1 P。, Q。= P + 2 P。+ P3' Q =百1 P+ 2 P +1 P。百。. 同样Q。,Q。是3个控制点P。,P。,P 的凸组合,Q。是P ,P:的凸组合,Q。,Q 是P。,P ,P。的凸组合. 按这个方法邻接于点Q s处的下一段曲线的控制点是 Q5一Q4, Q。一 + P。+ Q 一 1 P 2+ 1 P。, Q。一 P。+扣+ Q。一百1 P。+ 2 P+ 1 P 。. 如图2为 一1的情形. 图2 =1 2 构造带调整参数的三次B样条曲线 对上一节的分析作进一步探索,又可以发现新问题:既然Q。,Q ,Qz,Q。是原控制点的凸组合,而组合 系数仅受一个参数 制约,那么采用多个组合系数生成新控制点是不是可以得到自由度更大的样条曲 线?如果要求这样生成的分片曲线在拼接点处达到一定的连续性,本段曲线所选取的参数与下一段曲线 26 吉首大学学报(自然科学版) 第36卷 选取的参数之间应该满足什么样的条件?这就是本节要讨论的问题. 对于任意给定4个控制顶点P。,P ,P。,P ,作变换 Q。 y 0 0 P 0 P】 Q1 Q2 Q。 y】0 2 p2 y 2 P 3 7 3 P 3 即为 。一口。P。+p。P +y。P。, }Q1=口1P o+卢1P1+71P 2, lQ2一a 2Pl+卢2P 2+y 2P 3, 【Q3===a 3P1+J93P 2+y 3P 3, 其中a , ,y ∈Eo,1],文中这类参数均满足a + +y 一l的关系. 考察曲线 3 C(a , , “)一∑Q N (“) i o ∈[ 。, ], 它是由顺次以Q。,Q ,Q ,Q。为控制点的B ̄zier曲线,若与之在点Q。处相连接的下一段B ̄zier曲线的控 制点是 Q4 Q Q6 Q7 口4 卢4 口5 5 7 4 7 s 0 0 y s P1 P 2 P 3 P 4 0 0 6 81 71 设以Q。,Q ,Q ,Q。为控制点的B ̄zier曲线为C ,以Q ,Q ,Q ,Q 为控制点的B6zier曲线为C。.显 然,若仅要求C 与C 在拼接点处达到G。连续,则只要C (1)一C (0),即Q 一Q。即可.但若要求c 与 C。在拼接点处达到更高阶的连续性,则需要所选择的参数之问满足更多的条件. 引理l ] 2段B ̄zier曲线在连接点处达到G 连续的充分条件为: (i)在连接点处重合,即C (1)一C (O); (ii)在连接点处有同向切向量,即存在K>0,使C (o)一KC (1). 引理2_5] 2段B6zier曲线在连接点处达到G 连续的充分条件为: (i)在连接点处G 连续; (jj)存在L>0及实常数u,使得曲率满足连续条件C (o)一LC_,(1)+vC (1). 由上述引理可以推知下面的结果: 定理1 若相邻2段曲线C 与c。的形状参数满足a 一a。, 一卢。,y 一7。,则此二曲线c 与c z在 拼接点处达到G。连续. 定理2 若相邻2段曲线c 与C 的形状参数满足如下2个条件,则此二曲线c 与c。在拼接点处达 到G 连续: (i)( 4,卢4, 4)一(口3,卢3,),3); (ii)存在K>0,使得(a 5,卢 ,y 5)一(1+K)(口。,卢。,7。)一K(d z,J8 2,7 z). 证明 由定理1可知此时有C (1)一c (0),即Q 一Q。.而C (1)一3(Q。一Q ),C (O)一3(Qs—Q。). 为使相邻2段曲线在连接点Q。处有同向的切向量,只要存在K>0,使(Q 一Q。)一K(Q。一Q z)即可.整 理得Q。一(1+K)Q。一KQ。,亦即 a 5 P1+ 5P 2+y 5 P 3=(1+K)(a 3Pl+卢3 P 2+7 3P 3)一K(a 2P1+p2P 2+),2 P 3). 由此求得 口5一(1+K)a 3一Ka 2,|85一(1+K)p3一K卢2。 进而可计算出 第2期 王晶昕,等:三次B样条曲线形状调整方法 27 y 5一(1+K)y 3一K7 2一(1+K)(1一口3一p3)一K(1一口2一 2)一(一(1+K)口a+Ka 2)+ (一(1+K)卢3+K卢2)+1—1一口5一卢5. 故可知定理2结论成立. 容易计算,文献[1]中的第1类曲线所对应的变换(4),(5)满足定理2的条件,故所产生的新的曲线在 连接点处是G 连续的. 对文献[1]中的第2类曲线作对应的变换: P 0 P1 (7) P 2 P 3 % O O 0 %O O 0 0 O o l 2 口 3 口4 D 5 D 6 7 8 9 P1 P 2 0 1 2 3 4 5 y 6 7 8 9 (8) P 2 0 0 0 O O O P 6 为讨论相邻2段曲线C。与c。在连接点处的G。连续性,先作一些分析. 首先,若要C。与C 在连接点处是G 连续的,只要有: (1)(口5, 5,7 5)::(a 4,卢4,7 4); (2)存在K>0,使得(口。, ,), )一(1+K)(a , ,y )一K(a。, s,y s). 这样,(8)式应为 a 4 4 y 4 0 P1 (1+K)口4一Ka。 (1+K) 4一K卢。 7 6 0 P 2 (9) 0 a 7 p7 0 P 3 0 a 8 8 y 80 P 4 计算可知 c (1)一4(Q 一Q。),Cj(1)一12(Q2—2Q3+Q ),c (o)一12(Qs一2Qs+Q ). 由引理2的(ii)可知,只要存在L>o及实常数 ,使得C (0)一LC (1)+vC (1),则此曲线在点 C1(1):C2(0)处G。连续.即为 12(Q5—2Q6+Q )一12L(Q2—2Q。+Q )+4v(Q —Q3), Q 一2Q6+Q 一L(Q2—2Q。+Q )+u(Q —Qs), Q 一2((1+K)Q 一KQ。)+Q 一L(Q2—2Q。+Q )+u(Qt—Q。). 将(8),(9)式代入得 . (口5P1+卢5P 2一t-y 5P 3)一2(1+K)(a 4P1+卢4P 2+y 4P 3)+2K(a 3P1+卢3P 2+y sP 3)+ (a 7P 2+卢7P 3)一L((a 2P1+卢2P 2)一2(a 3P1+卢3P 2+7 3P 3)+(口4P1+ 卢4P 2+7 4P。))+u((a 4P1+卢4P 2+7 4P 3)一(a 3P1+ 3P z+y 3P 3))・ (2Ka 3一(1+2K)a )Pl+(2K卢3一(1+2K)卢 +a )P 2+ (2Ky。一(1+2K)27 4+ )P 3一(La 2一(2L+ )a 3 4-(L+u)口4)P1+ (Lp2一(2L+u) 。+(L+u) 4)P 2+(一(2L十£,)y 3+(L+£,)y )P。, 得 2Ka 3一(1+2K)口4一La 2一(2L+u)Ol 3+(L+u)口4, 即 L口z一(2L+u+2K)a 3+(L+u+2K+1)a 4—0. 28 吉首大学学报(自然科学版) 第36卷 令cIJ—L+ +2K+1,则有 La 2一(co+L一1)口3+叫a 4—0. 2Kfl3一(1+2K)fl +a 一Eft2一(2L+u)fls+(L+u)fl , 即 a 7一Lp2一(2L+u+2K)fl3+(L+u+2K+1) , a ==:Eftz一(∞+L一1)fl。+,off . 2Ky3一(1+2K)27 4+p7=一(2L+u)y 3+(L+ )7 4, 即 卢7一一(2L+u+2K)7。+(L+u+2K+1)7 4一一( +L一1)7。+cUy 一 一( +L一1)(1一口3一卢3)+ (1一Ol 4一卢4)一 (一( +L一1)+∞)+( +L一1)a 3一cc,a 4+(co+L一1)fl3一 卢4一 (1一L)+La z+( +L一1)卢。一 卢 一 (1一L)+L(1一 2)+(∞+L一1)卢3一 p === 1一Eft2+(co+L一1)fl3一 4—1一a 7, 其中因u是任意实常数,故∞也是任意实常数. 由上述分析可知下述定理成立: 定理3 在(7),(9)式的变换条件下所生成的曲线段,若上述变换中的参数满足如下条件,则所生成 的2条曲线段在连接点Q 一Qs处是G 连续的,且此二曲线C 与C 在拼接点处达到G 连续: (i)(a 5,卢5,7 5)一(口4, 4,7 4); (ii)存在K>0,使得(a ,卢 ,7 )一(1+K)(口 , ,7 )一K(口。, 。,7。); (iii)存在L>0及实数 ,使得口 一Lp。一(co+L一1)卢。+叫卢 ,其中60===L+u+2K+1. 参考文献: Eli徐 岗,汪国昭.带局部形状参数的三次均匀B样条曲线的扩展EJ].计算机研究与发展,2007,44(6):1 032—1 037 E23韩旭里,刘圣军.三次均匀B样条曲线的扩展[J3.计算机辅助设计与图形学学报,2003,15(5):576—578. 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