过特征多边形始末端点的四次均匀B样条曲线及其应用
Quadratic Uniform B-Spline Curve of Passing Start Point and End Point of the Characteristic Polygon and Its Application
DOI: 10.12677/AAM.2021.1010355, PDF, HTML, XML, 下载: 273  浏览: 396  国家自然科学基金支持
作者: 白根柱:浙江长征职业技术学院基础部,浙江 杭州;内蒙古民族大学数理学院,内蒙古 通辽
关键词: B样条光滑拼接轴线异面拼接管道B-Spline Smooth Blending Non-Coplaner Blending Tube
摘要: 本文构造了过控制多边形始点和终点的四次均匀B样条曲线,并以此四次均匀B样条曲线为轴线的管道光滑拼接了轴线异面管道。该方法相较于过始末端点的三次均匀B样条曲线为轴线的管道光滑拼接轴线异面管道,通过给定位于曲线上的一些点,反算出B样条曲线的特征多边形的顶点构造的B样条曲线为轴线的管道光滑拼接轴线异面的管道有其不同的特性。具有一定的应用价值。
Abstract: In this paper, we construct a quartic uniform B-spline curve of passing start point and end point of the control polygon. Tubes whose axes are in non-coplaner are smoothly blended by tube taking a quartic uniform B-spline curve as its axis. Compared with the tube with cubic uniform B-spline curve as the axis passing through the start and end points, the tubes whose axes are in non-cop- laner are smoothly blended by the tube. By giving some points located on the curve, this method can calculate the vertices of the characteristic polygon of the B-spline curve. The constructed B- spline curve is used as the tube with axis, and tubes are smoothly blended by the tube whose axis is in non-coplaner which has different characteristics. It has certain application value.
文章引用:白根柱. 过特征多边形始末端点的四次均匀B样条曲线及其应用[J]. 应用数学进展, 2021, 10(10): 3381-3389. https://doi.org/10.12677/AAM.2021.1010355

1. 引言

我们在文 [1] 中,根据实际问题给定B样条曲线的控制多边形的顶点,构造轴线异面管道的拼接管道。在文 [2] [3] [4] 中,假定B样条曲线过某些固定的点,反过来求B样条曲线的实际控制顶点,构造轴线异面管道的拼接曲面。两种方法具有明显的优缺点:前者,拼接管道由多段光滑拼接的管道构成,光顺性较好,应用广泛,不仅能应用于轴线异面圆管道的拼接,还能应用于椭圆管道的拼接,实际应用时加工复杂。后者,拼接管道的构造可根据需要尽量简单,由一段或两段光滑拼接的管道构成,加工容易。但是,应用范围受限,不能应用于轴线异面椭圆管道的拼接。

本文研究四次均匀B样条曲线过控制多边形始末端点的条件,并讨论光滑拼接轴线异面管道拼接问题。

Φ 1 : { x = x 1 + a N 11 cos φ + a B 11 sin φ , y = y 1 + b 1 s + a N 12 cos φ + a B 12 sin φ , z = a N 13 cos φ + a B 13 sin φ . Φ 2 : { x = a N 21 cos φ + a B 21 sin φ , y = y 2 + a N 22 cos φ + a B 22 sin φ , z = z 2 + c 2 s + a N 23 cos φ + a B 23 sin φ . s [ 0 , 1 ] , φ [ 0 , 2 π ]

是两个待拼接的管道表达式,其中a是管道的半径, N i = ( N i 1 , N i 2 , N i 3 ) , B i = ( B i 1 , B i 2 , B i 3 ) , i = 1 , 2 分别是 s = 1 s = 0 时的法矢和副法矢。管道轴线的表达式为

L 1 : { x = x 1 + 0 s , y = y 1 + b 1 s , z = 0 + 0 s , L 2 : { x = 0 + 0 s , y = y 2 + b 2 s , z = z 2 + c 2 s .

2. 过始末端点的四次均匀B样条曲线

定义1设

r i ( s ) = j = 0 4 N j , 4 ( s ) V i + j

是四次均匀B样条曲线段。其中 N 0 , 4 ( s ) , N 1 , 4 ( s ) , N 2 , 4 ( s ) , N 3 , 4 ( s ) , N 4 , 4 ( s ) 为B样条基, V i , V i + 1 , V i + 2 , V i + 3 , V i + 4 为特征多边形的顶点。

为了使所求B样条曲线过特征多边形的始点 V 0 和终点 V n ,我们在 V 0 V 1 的反向延长线上取 V 1 ,在 V n 1 V n 的延长线上取 V n + 1 。在(1)中,可令 i = 0 , s = 0 ,得

r 0 ( 0 ) = 1 24 V 1 + 11 24 V 0 + 11 24 V 1 + 1 24 V 2 ,

并令 1 24 V 1 + 11 24 V 0 + 11 24 V 1 + 1 24 V 2 = V 0 ,解得

V 1 = 13 V 0 11 V 1 V 2 . (2)

同理,令 i = n 2 , s = 0 ,得

r n 2 ( 0 ) = 1 24 V n 2 + 11 24 V n 1 + 11 24 V n + 1 24 V n + 1 ,

并令 1 24 V n 2 + 11 24 V n 1 + 11 24 V n + 1 24 V n + 1 = V n + 1 ,解得

V n + 1 = 13 V n 11 V n 1 V n . (3)

式(2)和(3)即为四次均匀B样条曲线过控制多边形的始末端点的条件。

先构造过始末端点的光滑拼接轴线的四次均匀B样条曲线。

例1设 V 0 = ( 5 , 5 , 0 ) , V 1 = ( 5 , 0 , 0 ) , V 3 = ( 0 , 5 , 0 ) , V 4 = ( 0 , 5 , 5 ) ,分别取 V 2 = ( 5 2 , 5 2 , 0 ) , V 2 = ( 5 2 , 5 2 , 1 ) V 2 = ( 5 2 , 5 2 , 1 ) 。带入公式(2)和(3),分别得 V 11 = ( 15 2 , 135 2 , 1 ) V 51 = ( 5 2 , 15 2 , 64 ) V 12 = ( 15 2 , 135 2 , 0 ) V 52 = ( 5 2 , 15 2 , 65 ) V 13 = ( 15 2 , 135 2 , 1 ) V 53 = ( 5 2 , 15 2 , 66 ) 。用以上三组点序列为顶点 V 1 i V 0 , V 1 , V 2 i , V 3 , V 4 , V 5 i ( i = 1 , 2 , 3 ) 的四次均匀B样条曲线拼接轴线异面管道的表达式为

r 1 ( s ) : { r 11 ( s ) = { x 11 = 5 16 s 4 5 6 s 3 5 6 s + 5 , y 11 = 35 16 s 4 + 55 6 s 3 15 s 2 + 85 6 s 5 , s [ 0 , 1 ] , z 11 = 5 24 s 4 1 3 s 3 1 3 s . r 12 ( s ) = { x 12 = 5 12 s 3 5 8 s 2 25 12 s + 175 48 , y 12 = 5 24 s 4 + 5 12 s 3 5 8 s 2 + 35 12 s + 55 48 , s [ 0 , 1 ] , z 12 = 1 24 s 4 + 1 2 s 3 + 1 4 s 2 1 2 s . r 13 ( s ) = { x 13 = 5 16 s 4 + 5 12 s 3 + 5 8 s 2 25 12 s + 65 48 , y 13 = 5 16 s 4 5 12 s 3 5 8 s 2 + 25 12 s + 25 12 , s [ 0 , 1 ] z 13 = 25 12 s 4 + 1 3 s 3 + 3 2 s 2 + 4 3 s . (4)

r 2 ( s ) : { r 21 ( s ) = { x 21 = 5 16 s 4 5 6 s 3 5 6 s + 5 , y 21 = 35 16 s 4 + 55 6 s 3 15 s 2 + 85 6 s 5 , s [ 0 , 1 ] z 21 = 0. r 22 ( s ) = { x 22 = 5 12 s 4 5 8 s 3 25 12 s + 175 48 , y 22 = 5 24 s 4 + 5 12 s 3 5 8 s 2 + 35 12 s + 55 48 , s [ 0 , 1 ] z 22 = 5 24 s 4 . r 23 ( s ) = { x 23 = 5 16 s 4 + 5 12 s 3 + 5 8 s 2 25 12 s + 65 48 , y 23 = 5 16 s 4 5 12 s 3 5 8 s 2 + 25 12 s + 175 48 , s [ 0 , 1 ] z 23 = 15 8 s 4 + 5 8 s 3 + 5 4 s 2 + 5 6 s + 5 24 . (5)

r 3 ( s ) : { r 31 ( s ) = { x 31 = 5 16 s 4 5 6 s 3 5 6 s + 5 , y 31 = 35 16 s 4 + 55 6 s 3 15 s 2 85 6 s 5 , s [ 0 , 1 ] z 31 = 5 24 s 4 + 1 3 s 3 + 1 3 s . r 32 ( s ) = { x 32 = 5 12 s 4 5 8 s 2 25 12 s + 175 48 , y 32 = 5 24 s 4 + 5 12 s 3 5 8 s 2 + 35 12 s + 55 48 , s [ 0 , 1 ] y 32 = 11 24 s 4 1 2 s 3 1 4 s 2 1 2 s . r 33 ( s ) = { x 33 = 5 16 s 4 + 5 12 s 3 + 5 8 s 2 25 12 s + 65 48 , y 33 = 5 16 s 4 5 12 s 3 5 8 s 2 + 25 12 s + 175 48 , s [ 0 , 1 ] z 33 = 5 3 s 4 + 4 3 s 3 + s 2 + 1 3 s + 2 3 . (6)

是三条三段连续的四次B样条曲线。 r 1 ( s ) , r 2 ( s ) , r 3 ( s ) 分别与异面轴线拼接效果如图1

Figure 1. When V2 takes V 2 = ( 5 2 , 5 2 , 1 ) , V 2 = ( 5 2 , 5 2 , 0 ) and V 2 = ( 5 2 , 5 2 , 1 ) respectively, the effect diagram

图1. V2分别取 V 2 = ( 5 2 , 5 2 , 1 ) , V 2 = ( 5 2 , 5 2 , 0 ) V 2 = ( 5 2 , 5 2 , 1 ) 时,与异面轴线拼接效果图

由例1可以看出:

1) 用过始末端点的四次均匀B样条曲线光滑拼接异面轴线,与 [1] 一样也需要三段曲线;

2) 曲线位置与 V 2 的位置相关, V 2 在上,拼接曲线位于上侧; V 2 居中,拼接曲线在中间; V 2 在下边,拼接曲线在下侧;

3) 从拼接效果看,轴线拼接效果没有太大差异,光滑度很好。

3. 过始末端点的四次均匀B样条曲线及其在轴线异面管道拼接中的应用

基于轴线光滑拼接的异面管道拼接方法,在 [5] [6] [7] [8] [9] 中进行了详细讨论。下面考察过控制多边形始末端点的四次均匀B样条曲线在管道拼接中的效果。

例2设

Φ 1 : { x = 5 + N 11 cos φ + B 11 sin φ , y = 5 + s + N 12 cos φ + B 12 sin φ , z = N 13 cos φ + B 13 sin φ . Φ 2 : { x = N 21 cos φ + B 21 sin φ , y = 5 + N 22 cos φ + B 22 sin φ , z = 5 + s + N 23 cos φ + B 23 sin φ . s [ 0 , 1 ] , φ [ 0 , 2 π ]

构造以轴线 r 2 ( s ) 为轴线的圆管道 Φ 2 ( s , φ )

Φ 21 ( s , φ ) : { x 1 = x 21 + N 11 ( s ) cos φ + B 11 ( s ) sin φ , y 1 = y 21 + N 12 ( s ) cos φ + B 12 ( s ) sin φ , s [ 0 , 1 ] , φ [ 0 , 2 π ] z 1 = z 21 + N 13 ( s ) cos φ + B 13 ( s ) sin φ .

Φ 22 ( s , φ ) : { x 2 = x 22 + N 21 ( s ) cos φ + B 21 ( s ) sin φ , y 2 = y 22 + N 22 ( s ) cos φ + B 22 ( s ) sin φ , s [ 0 , 1 ] , φ [ 0 , 2 π ] z 2 = z 22 + N 23 ( s ) cos φ + B 23 ( s ) sin φ .

Φ 23 ( s , φ ) : { x 3 = x 23 + N 31 ( s ) cos φ + B 31 ( s ) sin φ , y 3 = y 23 + N 32 ( s ) cos φ + B 32 ( s ) sin φ , s [ 0 , 1 ] , φ [ 0 , 2 π ] z 3 = z 23 + N 33 ( s ) cos φ + B 33 ( s ) sin φ .

其中, Φ 21 ( s , φ ) , Φ 23 ( s , φ ) , Φ 23 ( s , φ ) 是三段光滑拼接的圆管道, N i = ( N i 1 ( s ) , N i 2 ( s ) , N i 3 ( s ) ) B i = ( B i 1 ( s ) , B i 2 ( s ) , B i 3 ( s ) ) , i = 1 , 2 , 3 是构造的B样条曲线的主法矢和副法矢。其拼接效果如图2

Figure 2. When V 2 = ( 5 2 , 5 2 , 0 ) , circular pipe stitching effect drawing

图2. V 2 = ( 5 2 , 5 2 , 0 ) 时,圆管道拼接效果图

例3设

Φ 1 : { x = 5 + N 11 cos φ + 0.6 B 11 sin φ , y = 5 + s + N 12 cos φ + 0.6 B 12 sin φ , z = N 13 cos φ + 0.6 B 13 sin φ . Φ 2 : { x = N 21 cos φ + 0.6 B 21 sin φ , y = 5 + N 22 cos φ + 0.6 B 22 sin φ , z = 5 + s + N 23 cos φ + 0.6 B 23 sin φ . s [ 0 , 1 ] , φ [ 0 , 2 π ]

构造以轴线 r 2 ( s ) 为轴线的椭圆管道 Φ 2 ( s , φ )

Φ 21 ( s , φ ) : { x 1 = x 21 + N 11 ( s ) cos φ + 0.6 B 11 ( s ) sin φ , y 1 = y 21 + N 12 ( s ) cos φ + 0.6 B 12 ( s ) sin φ , s [ 0 , 1 ] , φ [ 0 , 2 π ] z 1 = z 21 + N 13 ( s ) cos φ + 0.6 B 13 ( s ) sin φ .

Φ 22 ( s , φ ) : { x 2 = x 22 + N 21 ( s ) cos φ + 0.6 B 21 ( s ) sin φ , y 2 = y 22 + N 22 ( s ) cos φ + 0.6 B 22 ( s ) sin φ , s [ 0 , 1 ] , φ [ 0 , 2 π ] z 2 = z 22 + N 23 ( s ) cos φ + 0.6 B 23 ( s ) sin φ .

Φ 23 ( s , φ ) : { x 3 = x 23 + N 31 ( s ) cos φ + 0.6 B 31 ( s ) sin φ , y 3 = y 23 + N 32 ( s ) cos φ + 0.6 B 32 ( s ) sin φ , s [ 0 , 1 ] , φ [ 0 , 2 π ] z 3 = z 23 + N 33 ( s ) cos φ + 0.6 B 33 ( s ) sin φ .

其中, Φ 21 ( s , φ ) , Φ 22 ( s , φ ) , Φ 23 ( s , φ ) 是三段光滑拼接的管道, N i = ( N i 1 ( s ) , N i 2 ( s ) , N i 3 ( s ) ) B i = ( B i 1 ( s ) , B i 2 ( s ) , B i 3 ( s ) ) , i = 1 , 2 , 3 是构造的B样条曲线的主法矢和副法矢, x 2 i , y 2 i , z 2 i ( i = 1 , 2 , 3 ) 由(5)式给出。

其拼接效果如图3

Figure 3. When V 2 = ( 5 2 , 5 2 , 0 ) , the effect picture of elliptical pipeline splicing

图3. V 2 = ( 5 2 , 5 2 , 0 ) 时,椭圆管道拼接效果图

例4设

Φ 1 : { x = 5 + N 11 cos φ + 0.6 B 11 sin φ , y = 5 + s + N 12 cos φ + 0.6 B 12 sin φ , z = N 13 cos φ + 0.6 B 13 sin φ . Φ 2 : { x = N 21 cos φ + 0.6 B 21 sin φ , y = 5 + N 22 cos φ + 0.6 B 22 sin φ , z = 5 + s + N 23 cos φ + 0.6 B 23 sin φ . s [ 0 , 1 ] , φ [ 0 , 2 π ]

构造以轴线 r 3 ( s ) 为轴线的椭圆管道 Φ 3 ( s , φ )

Φ 31 ( s , φ ) : { x 1 = x 31 + N 11 ( s ) cos φ + 0.6 B 11 ( s ) sin φ , y 1 = y 31 + N 12 ( s ) cos φ + 0.6 B 12 ( s ) sin φ , s [ 0 , 1 ] , φ [ 0 , 2 π ] z 1 = z 31 + N 13 ( s ) cos φ + 0.6 B 13 ( s ) sin φ .

Φ 32 ( s , φ ) : { x 2 = x 32 + N 21 ( s ) cos φ + 0.6 B 21 ( s ) sin φ , y 2 = y 32 + N 22 ( s ) cos φ + 0.6 B 22 ( s ) sin φ , s [ 0 , 1 ] , φ [ 0 , 2 π ] z 2 = z 32 + N 23 ( s ) cos φ + 0.6 B 23 ( s ) sin φ .

Φ 33 ( s , φ ) : { x 3 = x 33 + N 31 ( s ) cos φ + 0.6 B 31 ( s ) sin φ , y 3 = y 33 + N 32 ( s ) cos φ + 0.6 B 32 ( s ) sin φ , s [ 0 , 1 ] , φ [ 0 , 2 π ] z 3 = z 33 + N 33 ( s ) cos φ + 0.6 B 33 ( s ) sin φ .

其中, Φ 31 ( s , φ ) , Φ 32 ( s , φ ) , Φ 33 ( s , φ ) 是三段光滑拼接的管道, N i = ( N i 1 ( s ) , N i 2 ( s ) , N i 3 ( s ) ) B i = ( B i 1 ( s ) , B i 2 ( s ) , B i 3 ( s ) ) , i = 1 , 2 , 3 是构造的B样条曲线的主法矢和副法矢, x 3 i , y 3 i , z 3 i ( i = 1 , 2 , 3 ) 由(6)式给出。

其拼接效果如图4

Figure 4. When V 2 = ( 5 2 , 5 2 , 1 ) , the effect picture of elliptical pipeline splicing

图4. V 2 = ( 5 2 , 5 2 , 1 ) 时,椭圆管道拼接效果图

由例2、例3和例4可以看出,在 V 0 , V 1 , V 3 , V 4 取定的情况下,用我们所构造的管道拼接轴线异面管道,还需要优化以下几点:

1) 拼接效果与 V 2 的选取有关,对于椭圆管道拼接需要优化 V 2 的选取方法;

2) 用三段连续的四次均匀B样条曲线为轴线的管道拼接轴线异面椭圆管道,段与段之间能够光滑拼接。要想取得视觉上的光顺效果,还需要用 [8] 中给出的方法,逐步旋转椭圆管道的长半轴与短半轴来实现;

3) 用三段连续的四次均匀B样条曲线为轴线的管道拼接轴线异面椭圆管道,对于异面椭圆管道的长半轴和短半轴的方向有特殊要求,也需要逐步旋转每段拼接椭圆管道的长半轴与短半轴来实现。

4. 结束语

过始末端点的四次B样条曲线为轴线的管道拼接轴异面管道需要三段管道,光顺性取决于控制顶点 V 2 的选取。对于椭圆管道拼接更为明显。需要优化 V 2 点的选取。尽管相较于插值于两端点的三次有理B样条曲线、插值于制定点的三次B样条曲线和四次B样条曲线段数多,但是段与段之间的光顺程度较好,且能够应用于椭圆管道的拼接。所以,比以上三种情形具有更好的应用前景。

基金项目

国家自然科学基金项目资助(11561052)。

参考文献

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