GÖRBE- ÉS FELÜLETMODELLEZÉS VEGYES TÍPUSÚ SPLINE-FÜGGVÉNYEKKEL Ph.D dolgozat

Átírás

1 GÖRBE- ÉS FELÜLETMODELLEZÉS VEGYES TÍPUSÚ SPLINE-FÜGGVÉNYEKKEL Ph.D dolgozat PETHŐNÉ VENDEL TERÉZIA TÉMAVEZETŐ: NAGYNÉ DR. SZILVÁSI MÁRTA BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM TERMÉSZETTUDOMÁNYI KAR Matematika Intézet, Geometria Tanszék 003

2 TARTALOM Tartalom Tartalom... 1 Bevezetés...3 Trigonometrikusan súlyozott interpolációs spline-görbe Trigonometrikusan súlyozott interpolációs spline-görbe előállítása...6. Peremfeltételek Súlyfüggvények és paraméterezés Alkalmazás Vegyes típusú felületfoltokból álló eltolási felület Két vezérgörbével definiált általánosított eltolási felület Két vezérgörbével és egy generáló görbével definiált felületek Felületgenerálás alaktartó Bézier-görbével Alakparaméterek meghatározása simasági feltételből Rések és lyukak kitöltése felületek konvex kombinációjaként Eljárás rés kitöltésére adott peremgörbékkel Háromoldalú lyuk kitöltése A kidolgozott algoritmusok vizsgálata Az algoritmusok elemzése Az algoritmusok és számítási eljárások hatékonyságának vizsgálata Irodalomjegyzék Konferencia előadások, hivatkozások Melléklet...77

3 1 BEVEZETÉS 3 1 Bevezetés A műszaki tervező munkájának jelentős részét a tervezett objektum alakjának meghatározására és szemléltetésére irányuló tevékenységek teszik ki. Az alakzatok numerikus meghatározása szempontjából a geometria a legfontosabb tényező. Ezért az elmúlt évtizedekben a geometriai modellezés kutatására, a geometriai modellező rendszerek fejlesztésére a világ különböző országaiban kutatócsoportok alakultak ben készült el az első számítógéppel vezérelt megjelenítő. Az 50-es években az interaktív számítógépes grafika még csekély haladást ért el. 196 fordulópontot jelentett. Az 1960-as évek közepére már nagyszabású kutatóprogramok folytak a MIT-nál (Massachusetts Institute of Technology, Boston), a Genelal Motors-nál, a Bell Telephone Laboratories-nál, valamint a Lockhead repülőgépgyárnál. Az úgynevezett szabad formájú (free form surfaces), vagy szoborszerű felületek (sculptured surfaces) legismertebb fajtái az approximációs felületek (pl. Bézier és B-spline felületek), valamint az interpoláló felületek (pl. Coons-foltok, Gordon felületek). Mindkét módszert az autótervezés területén dolgozók fejlesztették ki. Az első módszer P. Bézier (Renault) és P. de Casteljau (Citroën) nevéhez fűződik, a másik megközelítés pedig S. A. Coons (Ford) és W. Gordon (Generál Motors) nevéhez. Napjainkban már látványos eredményeket értek el a geometriai modellezés terén, ugyanakkor a tetszőleges bonyolultságú 3D-s objektumok geometriai modellezésének általános elméletét eddig csak részben sikerült kidolgozni. A gyakorlatban mindez azt jelenti, hogy a modellezési folyamatban a szerkesztési lehetőségek korlátozottak. A háromdimenziós világunkban előforduló bonyolult alakú tárgyak megfelelő modellezésére és valósághű képi megjelenítésére a CAD-rendszerek (Computer Aided Design) splinetechnikán alapuló matematikai módszereket használnak. A spline-függvényeket a matematika különböző fejezetei más-más szempontból vizsgálják. E vizsgálatok a spline-függvények egzakt és absztrakt definiálásától az approximációelméleti vonatkozásokig minden területre kiterjednek. A sokféle spline-függvényt a gyakorlati igények sokfélesége magyarázza. Hogy ténylegesen egy adott probléma megoldásánál melyik spline-függvényt kell használni, az számos egyéb körülmény mellett elsősorban magától a problémától függ. Spline-görbének (ill. felületnek) nevezzük szabadon fogalmazva az intervallumonként azonos típusú függvényekkel leírt görbeívekből (ill. felületfoltokból) álló összetett görbét (felületet), amely ívek (felületdarabok) előírt csatlakozási feltételeknek tesznek eleget.

4 1 BEVEZETÉS 4 A görbék és felületek többféleképpen írhatók le. A számítógéppel segített tervezés számára a modelleket leíró spline-függvényeknek a paraméteres leírása a leggyakoribb. A görbék megadása egyparaméteres, a felületek megadása kétparaméteres vektorfüggvényekkel történik. x() t Az r () t = yt (), t [a, b] R vektor-skalár függvénnyel megadott pontok halmazát zt () (differenciálgeometriai értelemben) görbének nevezzük, ha az r () t függvény: kölcsönösen egyértelmű és mindkét irányban folytonos (topológikus leképezés), t szerint folytonosan differenciálható, a differenciálhányados sehol sem tűnik el. Megjegyzés A paraméteres felírásnak fizikai jelentés is tulajdonítható. Egy mozgó pont pályája megadható úgy, hogy minden t időpillanatban megadjuk az illető pontba mutató helyvektor koordinátáit. Így a mozgó pontba mutató r ( t) vektor koordinátáinak t szerinti deriváltjaiból képzett vektor adja a mozgó pont sebességét, a második derivált vektor pedig a gyorsulását. Az R (, tu) = X (, tu) Ytu (, ), [t, u] T R elemi felületfolton olyan kétparaméteres vek- Z (, tu) tor-skalár függvény által meghatározott ponthalmazt értünk, ahol T a paramétersík egy egyszeresen összefüggő, korlátos zárt tartománya, és az R (, tu) függvény topológikus a paramétertartományon, a paramétertartomány minden pontjában legalább egyszer folytonosan differenciálható, a R(, tu) t és R(, tu) u vektorok a paramétertartománynak legfeljebb véges sok pontjában párhuzamosak. Ha a két paraméter csak a [0, 1] intervallumon változik, akkor az R ( tu, ) vektorfüggvény egy felületdarabot ír le, amely úgy tekinthető, mint a paramétersík [0, 1] [0, 1] egységnégyzetének képe az R ( tu, ) függvény által definiált leképezés mellett.

5 1 BEVEZETÉS 5 A felületábrázolásnak jól bevált módszere a paramétervonalak hálózatának megrajzolása. A paramétervonalak, a t = t 0 és u = u 0 egyeneseknek az R ( tu, ) leképezéssel keletkező képei, olyan felületi görbék, amelyeknek egyparaméteres vektoregyenlete R ( t0, u), ill. R (, tu0). Speciálisan a felületdarabot határoló görbék: az R (0, u), R (1, u) t paramétervonalak, és az R (,0) t, R (,1) t u paramétervonalak. Az analitikus leírási módnak többek között a következő előnyeit ismerjük: A matematikai leírás precíz, a görbe jellemző tulajdonságai (meredekség, görbület) könnyen kiszámíthatóak. A képlet teljes egészében tárolható a számítógépen. A görbe alakja könnyen változtatható. Ebben a dolgozatban trigonometrikus, racionális és polinom súlyfüggvényekkel definiált spline-görbéket és felületeket mutatunk be görbe- és felületmodellezési problémákra. A második fejezetben interpolációs pontokra illesztett görbét definiálunk trigonometrikusan súlyozott spline-ként, amelynek görbeíveit köríveknek és egyenes szakaszoknak konvex kombinációja állítja elő aszerint, hogy három egymás után következő pont egy körön vagy egy egyenesen van. Az így definiált spline-görbe görbület-folytonos lesz, sőt a csatlakozópontoktól eltekintve végtelen sokszor differenciálható. A trigonometrikus súlyfüggvényeket racionális súlyfüggvényekkel is helyettesíthetjük. Alkalmazásként poligonok csúcsainak lekerekítésére mutatunk példát. A harmadik fejezetben olyan általános eltolási felületet definiálunk, amelynek vezérgörbéje trigonometrikusan súlyozott spline, generáló görbéje pedig egy harmadfokú Béziergörbe. A felületfoltokat tehát vegyes típusú, egyik irányban trigonometrikus, a másik irányban 1 pedig polinomiális kétparaméteres vektorfüggvény írja le. A szomszédos foltok G -rendben csatlakoznak egymáshoz. További alkalmazást mutatunk a negyedik fejezetben két vezérgörbével definiált szabadon formált eltolási felület származtatására és az alaki paraméterek megválasztására. Az ötödik fejezet két felület közti rés összekapcsolására olyan módszert mutat be, ahol a rés másik két oldalának határvonalát szabadon adjuk meg; valamint három, páronként egymást metsző felület közti lyuk kitöltésére olyan eljárást ad, amely a Coons-foltok elkészítésének egy kiterjesztése. Az adott felületek és görbék csatlakozásától függően, valamint a súlyfüggvények megválasztásával G 1, C 1 és C -folytonos csatlakozást értünk el. A hatodik fejezetben a tervezéstől kicsit elszakadva elemezzük a kidolgozott algoritmusokat, és megvizsgáljuk azok ill. a számítás hatékonyságát.

6 TRIGONOMETRIKUSAN SÚLYOZOTT INTERPOLÁCIÓS SPLINE-GÖRBE 6 Trigonometrikusan súlyozott interpolációs splinegörbe A háromdimenziós E 3 euklideszi térben adott pontsorozaton áthaladó, azonos módon definiált ívekből összetett görbét készítünk úgy, hogy a görbe az ívek csatlakozási pontjaiban görbületfolytonos legyen. A görbeíveket az adott pontokon áthaladó köríveknek vagy egyenes szakaszoknak trigonometrikus súlyfüggvényekkel képezett kombinációjaként fogjuk leírni, ezért azt mondjuk, hogy az adott pontsorozatra trigonometrikusan súlyozott interpolációs splinegörbét illesztünk. A két szomszédos pont közötti görbeívre előírjuk, hogy egyenes szakaszt ill. körívet állítson elő abban az esetben, ha az adott pontsorozat négy egymás utáni eleme egy egyenesen ill. egy körön van..1 Trigonometrikusan súlyozott interpolációs spline-görbe előállítása Adott a { P 1, P, P 3,, P n } E 3 interpolációs pontok halmaza. Keresünk egy olyan, trigonometrikus ívekből álló görbület-folytonos görbét, amely áthalad az adott pontokon, és visszaadja a körívet és az egyenes szakaszt, ha azokon legalább négy interpolációs pontot választunk. A görbét a következő algoritmussal állítjuk elő [3, 39]: 1. lépés: Az első kettő és az utolsó két pont közötti görbeívek definiálása végett kiegészítjük a pontsorozatot a P 0 és P n+1 pontokkal ( lásd. ).. lépés: Elkészítjük az i-edik görbeívet ( i = 1,, n 1 ): határozzunk meg egy kört vagy egyenest a P i 1, P i és P i+1 pontokon keresztül, és ennek a P i és P i+1 közötti darabja legyen ív[i] bal. határozzunk meg egy kört vagy egyenest a P i, P i+1 és P i+ pontokon keresztül, és ennek a P i és P i+1 közötti darabja legyen ív[i] jobb. Az ív[i] bal és ív[i] jobb görbeíveket paraméteres vektoregyenlettel adjuk meg a [0, 1] intervallum felett. Az egyenes szakaszt az ( 1 t) pi + t p i+ 1 t [0, 1],

7 TRIGONOMETRIKUSAN SÚLYOZOTT INTERPOLÁCIÓS SPLINE-GÖRBE 7 vektorfüggvénnyel írjuk le, ahol p i a P i pont, p i+ 1 a P i+1 pont helyvektorát jelöli. A körívet, amelynek középpontja C és középponti szöge α i := (P i, C, P i+1 ), a ( ) c+ R () t p c t [0, 1] függvénnyel írjuk le, ahol c a középpont helyvektora, i i R i () t = cos( tαi) sin( tαi) 0 sin( tαi) cos( tαi) pedig a térbeli forgatás mátrixa a kör síkjában α i szögsebességgel egy megfelelő koordinátarendszerben. képezzük az ív[i] bal (t) és ív[i] jobb (t) görbék konvex kombinációját úgy, hogy az eredményül kapott görbe olyan legyen P i és P i+1 között, hogy a P i ponthoz közel az ív[i] bal (t)-re, a P i+1 környezetében pedig ív[i] jobb (t)-re hasonlítson: gív[i](t) := cos ( t ) ív[i] bal (t) + sin ( t ) ív[i] jobb (t), (.1) t [0, 1], i = 1,, n ábra: Az i-edik görbeív

8 TRIGONOMETRIKUSAN SÚLYOZOTT INTERPOLÁCIÓS SPLINE-GÖRBE 8 3. lépés: Az ilyen módon meghatározott görbeívek uniója a kívánt interpolációs görbe. Megjegyzés Ez a görbe lokálisan módosítható, azaz alakja csak az elmozdított pont valamely jól meghatározható környezetében változik. Megjegyzés Az előállításból következik, hogy ha a P i 1, P i, P i+1, és P i+ pontok egy egyenesen vannak, akkor a P i és P i+1 pontok közötti görbeív egyenes szakasz, illetve ha a P i 1, P i, P i+1, és P i+ pontok egy körön vannak, akkor a P i és P i+1 pontok közötti görbedarab körív. (Polinomiális spline-görbével sohasem hozható létre körív, csak közelítően állítható elő.). ábra: Az i-edik görbeív egyenes szakasz 3. ábra: Az i-edik görbedarab körív

9 TRIGONOMETRIKUSAN SÚLYOZOTT INTERPOLÁCIÓS SPLINE-GÖRBE tétel A fenti (.1) képlettel készített trigonometrikusan súlyozott spline-görbe ívei görbület-folytonosan csatlakoznak egymáshoz. Bizonyítás A görbületet az (i 1)-edik görbeív gív[i-1](t) és az i-edik görbedarab gív[i](τ) ( i =,..., n 1 ) t = 1, ill. τ = 0 csatlakozó pontjában vizsgáljuk. Tekintsük (.1) deriváltjait: d dt gív[i-1](t) = sin( t ) ív[i-1] bal (t) + cos ( t ) d dt ív[i-1]bal (t) + + sin( t ) ív[i-1] jobb (t) + sin ( t ) d dt ív[i-1]jobb (t) és d dτ gív[i](τ) = sin ( τ ) + sin( τ ) ív[i] bal (τ) + cos ( τ ) ív[i] jobb (τ) + sin ( τ ) t, τ [0, 1], i =,..., n 1. d dτ ív[i]bal (τ) + d dτ ív[i]jobb (τ) A csatlakozási pontban d dt gív[i-1](1) = d dt ív[i-1]jobb (1), d dτ gív[i](0) = d dτ ív[i]bal (0) adódik. Hasonlóan a második deriváltakra d d gív[i-1](1) = ív[i-1] jobb (1) dt dt d dτ gív[i](0) = d dτ ív[i]bal (0) teljesül. Az ív[i 1] jobb (t) és az ív[i] bal (τ) görbéket ( i =,, n 1 ) a P i 1, P i és P i+1 pontokon áthaladó csatlakozó P i 1Pi és PP i i+ 1 azonos sugarú körívek illetve egyenes szakaszok definiálják. A P i 1, P i és P i+1 pontokon áthaladó ívnek a P i 1, és P i közé eső darabja ív[i 1] jobb (t), a P i és P i+1 pontok közé eső darabja pedig ív[i] bal (τ). Bár mindkettő paramétertartománya a [0, 1] intervallum, a két ívhossz általában különböző. Ennek megfelelően τ = λ t, ( λ > 0 ). Vegyük észre, hogy a fenti első deriváltak az ívhosszakkal fordítottan arányosak:

10 TRIGONOMETRIKUSAN SÚLYOZOTT INTERPOLÁCIÓS SPLINE-GÖRBE 10 d dt ív[i 1]jobb (1) : d dt ív[i]bal (0) = PP i i + 1 : P i 1Pi. A fenti második deriváltak pedig az ívhosszak négyzetével fordítottan arányosak. Tehát a két görbe P i pontbeli érintője párhuzamos, a görbületei pedig megegyeznek, összhangban az ívhossz és a görbület szokásos képleteivel [3]. Megjegyzés Az (.1) képlettel adott trigonometrikusan súlyozott görbeívek a csatlakozási pontoktól különböző pontokban végtelen sokszor differenciálhatók. Megjegyzés A körívek és egyenes szakaszok lineáris kombinációjával készített görbeívek csak érintő-folytonosan csatlakoznak egymáshoz [47].. Peremfeltételek Az interpolációs görbe n 1 görbeívből áll, és minden ív a két végpontjával és még két szomszédos ponttal meghatározott, átfedő egyenes ill. kör konvex kombinációja. Emiatt az első és utolsó görbeív definíciója megkívánja a pontsor kibővítését. A P 0 és P n+1 pontok megválasztása különböző peremfeltételeknek megfelelően történhet [3]. a) Természetes peremfeltétel A kezdő- illetve a végpontban a görbe görbülete nulla. Ekkor p := p + p p, ( ) ( ) p : = p + p p, n+ 1 n n n 1 ahol p i a P i pont helyvektorát jelöli. A 5. ábrán a kezdő- és végpontot a természetes peremfeltételt alkalmazva adtuk meg. b) Periodikus peremfeltétel Ilyen esetben P 1 = P n. Legyenek P 0 : = P n 1, P n+1 : = P.

11 TRIGONOMETRIKUSAN SÚLYOZOTT INTERPOLÁCIÓS SPLINE-GÖRBE 11 A 19. ábrán a két vezérgörbét a periodikus peremfeltételt felhasználva határoztuk meg. c) Körív szerinti peremfeltétel Mivel a.1 fejezetben definiált görbe egy körön elhelyezkedő négy pont esetén körívet ad vissza, a P 0 ill. P n+1 pontokat az első három ill. az utolsó három pont által meghatározott körön vesszük fel. Ha a P 1, P, P 3 pontokon átmenő kör középpontját C-vel, a CP1 és CP vektorok által bezárt szöget pedig ϕ-vel jelöljük, akkor a P 0 pontot p0: = c+ cosϕ CP1 CP összefüggéssel határozzuk meg. A P n+1 pontot pedig a p : = k+ cosδ KP KP n+ 1 n n 1 és képlettel, ahol K a P n, P n-1, P n- pontok köré írt kör középpontja, δ pedig a KPn 1 vektorok által bezárt szög. (A pontok helyvektorát a megfelelő kisbetűvel jelöltük.) KPn 4. ábra: Köríven választott interpolációs pontok A 4. ábrán egy körívet és azon adott interpolációs pontokat látunk. A P 0 és P n+1 pontokat a természetes peremfeltételt felhasználva vettük fel. Az 5. ábrán jól látható, hogy a P 1 és P pontok között a konvex kombináció után létrejött trigonometrikusan súlyozott spline-görbe görbülete eltér az eredeti görbéétől, mert a P 0, P 1 és

12 TRIGONOMETRIKUSAN SÚLYOZOTT INTERPOLÁCIÓS SPLINE-GÖRBE 1 P pontokon átmenő egyenes kiegyenesítette a görbét. Ugyanez figyelhető meg a P n-1 és P n pontok között is. 5. ábra: Adott pontokra illesztett interpolációs görbe.3 Súlyfüggvények és paraméterezés A trigonometrikus ívekből álló görbület-folytonos görbe előállításához trigonometrikus súlyfüggvényeket használtunk: µ () t = sin t és ( ) 1 () t cos ( t ) µ =, 0 t ábra: Trigonometrikus súlyfüggvények

13 TRIGONOMETRIKUSAN SÚLYOZOTT INTERPOLÁCIÓS SPLINE-GÖRBE 13 A gyakorlatban azonban legtöbbször polinomokat vagy racionális törtfüggvényeket alkalmaznak súlyfüggvényekként. Ennek praktikus okai vannak: könnyen lehet számolni velük, számítógépen könnyen tárolhatók. Polinom esetén a deriváltja, integrálja is egy-egy polinom, amelyeknek együtthatóit algebrai úton egyszerűen ki lehet számolni. t = Ha a t radiánban adott szöget ϕ-vel jelöljük, akkor a trigonometriából ismert tg ϕ -es helyettesítéssel áttérhetünk racionális törtfüggvény alakú súlyfüggvényekre [37]: µ () t = 4t ( 1+ t ) és 1 µ () t = ( 1 t ) ( 1+ t ), 0 t ábra: Racionális súlyfüggvények Első pillanatban a két súlyfüggvény-pár azonosnak látszik, a különbséget akkor érzékeljük, ha azonos koordináta-rendszerben ábrázoljuk őket. ( A [0; 1] intervallum 10 egyenlő részre való osztásával határoztuk meg a pontokat.)

14 TRIGONOMETRIKUSAN SÚLYOZOTT INTERPOLÁCIÓS SPLINE-GÖRBE ábra: µ(t) trigonometrikus és racionális alakban 9. ábra: 1 µ(t) trigonometrikus és racionális alakban Hogy a görbére nézve ez milyen különbséget jelent, megvizsgálhatjuk, ha kétféleképpen ábrázoljuk az első síknegyedbe eső egységsugarú negyed körív 6 pontját a [0; 1] intervallum 5 egyenlő részre osztása esetén. 10. ábra: x = cos( t ), y = sin( t ) 11. ábra: x = 1 t 1+ t, y = t 1 + t A 10. ábrán a t értékek egyenlő lépésközű változtatásával kapott pontok a köríven is egyenlő távolságra lesznek. Hátránya ennek a paraméterezésnek, hogy a trigonometrikus függvényértékek számolása a gépi számítást lelassítja, valamint a számolás a 0 közelében instabil. A 11. ábrán t egyenletes változtatásával kapott pontok nem lesznek azonos távolságra egymástól, viszont a paraméterezés nagyon kevés gépidőt igényel. ( lásd Függelék 3 )

15 TRIGONOMETRIKUSAN SÚLYOZOTT INTERPOLÁCIÓS SPLINE-GÖRBE 15 Kompromisszumot kell kötni! Tudjuk, hogy alkalmas paraméterezés megválasztásával javítható a számított pontok görbe menti eloszlása, így a görbéről jobb, egyenletesebb grafika nyerhető. A számításokat mi racionális paraméterezéssel végezzük el a gyakorlatban legtöbbször alkalmazott un. normált tartomány választása mellett: 0 t 1, de az elméleti tárgyalásban a trigonometrikus függvények és deriváltjaik áttekinthetőbbek. Mivel a kétféle paraméterezéssel ugyanazokat a görbéket és felületeket állítjuk elő, és a deriváltak a perempontokban ugyanazokat az értékeket adják, a csatlakozási viszonyokra vonatkozó tételeket a trigonometrikus alakban adott súlyfüggvényekkel bizonyítjuk..4 Alkalmazás Tekintsünk egy példát a trigonometrikusan súlyozott interpolációs spline-görbe gyakorlati alkalmazására. Egy poligon csúcsait kerekítjük le adott sugarú körívekkel. Adott a poligon a csúcspontjaival: { Q 1, Q, Q 3,, Q n } és a lekerekítési körök r i ( i =,..., n 1 ) sugara. Az adott törött vonal mentén felvesszük az interpolációs pontokat, amelyek a lekerekítő köríveknek a poligon oldalain lévő érintési pontjai, és azoktól adott, elég kicsi ε távolságra mindkét irányban további egy-egy pontot a köríven és a poligon oldalán. (1. ábra) 1. ábra: Az interpolációs pontok felvétele

16 TRIGONOMETRIKUSAN SÚLYOZOTT INTERPOLÁCIÓS SPLINE-GÖRBE 16 Legyen S := { P 1, P, P 3,, P k } E 3 ( k = (n ) 6 + ) az interpolációs pontok sorozata, amely a spline-görbe meghatározó adata. Ebben az esetben a Q 1 és Q n pontoknál nincs csúcs, ezeket nem kell lekerekíteni, így a természetes peremfeltételt használhatjuk. A P k pontokra alkalmazzuk az előzőekben leírt eljárást, és létrehozzuk a P 1, P, P 3,, P k pontokon átmenő trigonometrikusan súlyozott spline-függvényt. Ez a görbe egy érintőlegesen csatlakozó körív és egyenes szakasz párost négy görbeívvel helyettesít. Nevezetesen az ε távolsággal mindkét végén megrövidített körív és egyenes szakasz között két görbület-folytonosan csatlakozó átmeneti görbeívet tartalmaz. A 13. ábrán a poligont, az 14. ábrán a lekerekítéssel kapott görbét látjuk. 13. ábra: Térbeli poligon 14. ábra: A csúcsoknál lekerekített poligon

17 3 VEGYES TÍPUSÚ FELÜLETFOLTOKBÓL ÁLLÓ ELTOLÁSI FELÜLET 17 3 Vegyes típusú felületfoltokból álló eltolási felület Felületet definiálhatunk görbesereggel is: R (, tu) = g( t) b ( u), t [ t 0, t 1 ], u [ u 0, u 1 ], ahol g(t) a vezérgörbe, amely mentén a b(u) generáló (vagy leíró) görbét mozgatjuk. Az így kapott felület nem más, mint egy egyparaméteres az u paramétertől függő görbesereg által súrolt felület (angol neve: sweeping). A görbe mentén való eltolás többféleképpen történhet. A generáló görbét önmagával párhuzamosan toljuk el, azaz a generáló görbe orientációja a görbék definiálásánál használt koordináta-rendszerhez képest változatlan. Ekkor a felület felírható: R (, tu) = g(t) g(t 0 ) + b(u), t [ t 0, t 1 ], u [ u 0, u 1 ], alakban. Az ilyen felület twist-vektora bármely pontban a nullvektor, ugyanis: ( g() t g( t ) 0) + b ( u) = 0. t u Ezeket a transzlációs felületeknek nevezik. A leíró görbe térbeli helyzete a vezérgörbe mentén való eltolás közben változik (pl. forgatva eltolás). Mozgatás közben a leíró görbe alakja is változhat. A leíró görbének ezt a fajta mozgatását és egyidejű deformálását homotópikus eltolásnak nevezhetjük, mivel bármely két leíró görbe egymással homotóp. A keletkező felületre klasszikus geometriai elnevezés nincs, lehetne pl. kígyófelületnek vagy szabadon formált eltolási felületnek nevezni. (lásd alább). A. pontban előállított trigonometrikusan súlyozott spline legyen a felület vezérgörbéje. Generáló görbeként négy kontrollponttal adott Bézier-görbét választunk, és a vezérgörbe mentén mozgatjuk. A görbeívek csatlakozási pontjaiban elhelyezzük a Bézier-görbe kontrollpoligonját. Ennek a térbeli helyzetét szabadon választhatjuk meg. Mivel a vezérgörbe általában nem síkgörbe, a kontrollpoligon alkalmas pozicionálásához a végpontokhoz lokális koordinátarendszerként a pontbeli kísérő triédert rendeljük. Kiindulásként tekintjük a vezérgörbe kezdőpontjában megadott kontrollpoligon csúcsait és azok koordinátáit a kezdőpontban felvett loká-

18 3 VEGYES TÍPUSÚ FELÜLETFOLTOKBÓL ÁLLÓ ELTOLÁSI FELÜLET 18 lis koordináta-rendszerben. Feltehetjük, hogy a kísérő triéder a vezérgörbe íveinek kezdő- és végpontjában is létezik. 15. ábra: Kontrollpoligon szerkesztése egy vezérgörbe esetén Legyen V k ( k = 1,..., 4 ) a Bézier-görbe négy alappontja. Egy koordináta-rendszer transzformációval a V 1 pontot a vezérgörbe P i interpolációs pontjába, a gív[i](t) görbe P i := gív[i](0) pontjában vett kísérő triédere által meghatározott koordináta-rendszerbe helyezzük, legyen ez V ˆi,1. Ugyanez a transzformáció meghatározza a másik három alappontot, és ezáltal a köbös Bézier-görbe kezdőpontja is a görbeív kezdőpontjába kerül. (A 16. ábrán a vezérgörbe és fekete vonallal a kontrollpoligon látható.) Hasonlóképpen helyezzük el a kontrollpoligont a gív[i](t) ív P i+1 := gív[i](1) végpontjához tartozó kísérő triéder koordináta-rendszerébe is, ez a V ˆi + 1,1 ponttal kapcsolódik a vezérgörbe P i+1 pontjához. A görbeív közbülső pontjaiban a kontrollpoligon csúcspontjait a két végpontjához rendelt V ˆi, k és V ˆi + 1, ( k = 1,...,4 ) pontokból készített konvex kombinációval definiáljuk [3, 39]: k Vi,1 () t = gív[i](t) Vik, () t = ( ) ˆ cos t V, sin ( ) ˆ ik t Vi+ 1, k + + gív[i](t), (3.1) t [0, 1], i = 1,..., n 1, k =, 3, 4.

19 3 VEGYES TÍPUSÚ FELÜLETFOLTOKBÓL ÁLLÓ ELTOLÁSI FELÜLET 19 A fenti szerkesztést minden görbeívre ( i = 1,..., n 1 ) elvégezzük. Ezáltal a köbös Bézier-görbe kontrollpoligonját végigvisszük a trigonometrikusan súlyozott spline vezérgörbén, majd minden pontban elkészítjük a Bézier-görbét. Az eltolási felületet így vegyes típusú, egyik irányban trigonometrikus, másik irányban pedig polinomiális kétparaméteres vektorfüggvény írja le: Vi,1() t R i (, tu) = V () t = 3 i, u u u Vi,3() t Vi,4() t =[ ] B ( u) B ( u) B ( u) B ( u) V ( t) V ( t) V ( t) V ( t) T, i,1 i, i,3 i,4 t, u [0, 1], i = 1,..., n 1 (3.) ahol B j3 (u) ( j = 0,..., 3 ) súlyfüggvények a Bernstein alappolinomok, amelyek a harmadfokú polinomtér bázisát alkotják tétel A fent definiált (3.) R i (, tu) felületfoltok normális-folytonosan kapcsolódnak egymáshoz, vagyis az érintő sík az egyik felület darabról a másikra való átlépéskor folytonosan változik. Bizonyítás Mivel két szomszédos felület darab egyik irányban egy harmadfokú Bézier-görbe mentén csatlakozik, amely C -folytonos, elegendő megmutatni, hogy a másik paraméter irányában a trigonometrikus paramétervonalak G 1, azaz érintő-folytonosak. Ezt a Bézier-kontrollpontok pályagörbéinek érintő-folytonosságával igazoljuk. Tekintsük a k-adik ( k = 1,..., 4 ) kontrollpont pályagörbéjét, és vizsgáljuk a (3.1) vektorfüggvény ( i 1) -edik és i-edik görbeívét: V i 1, k() t = cos ( t ) ˆi 1, V k + sin ( t ) t [0, 1] Vik, ( τ ) = cos ( τ ) ˆi, k V + sin ( ) V ˆi, k + gív[i 1](t) τ ˆi 1, V + k + gív[i](τ) τ [0, 1] i = 1,, n 1, k = 1,..., 4. Ezek deriváltjai: d Vi 1, k() t = sin( t ) dt Vˆi 1, k + sin( t ) V ˆi, k + d dt gív[i 1](t)

20 3 VEGYES TÍPUSÚ FELÜLETFOLTOKBÓL ÁLLÓ ELTOLÁSI FELÜLET 0 d Vik, ( τ ) = sin( τ ) dτ V ˆi, k + sin( τ ) V ˆi+ 1, k + d dτ gív[i](τ) t [0, 1], τ [0, 1]. A szomszédos szegmensek csatlakozási pontjában: d Vi 1, k(1) = d dt dt gív[i 1](1) d V ik, (0) = d dτ dτ gív[i](0) adódik. Ezek az érintő vektorok párhuzamosak és egyirányúak, ahogy azt a.1.1. tételben bizonyítottuk. Tehát a Bézier-kontrollpontok pályagörbéi érintő-folytonosak. Megjegyzés Amennyiben a vezérgörbe poligon lekerekítésével származott trigonometrikusan súlyozott interpolációs spline, akkor egyenes szakaszokat is tartalmaz. Az egyenes szakaszokhoz viszont mindkét végpontban átmeneti görbeívek csatlakoznak. Végül tehát a görbe minden csatlakozási pontjában létezik a kísérő triéder, ezért a fenti felületgenerálás elvégezhető. ( tu, ) R ( tu, ) Ri i Megjegyzés A 0 feltétel tetszőleges geometriai bemenő adatokra általában nem teljesül, az ilyen szingularitások elkerülése a tervezési folyamatban interaktívan t u megoldható. A 17. ábrán egy ilyen vegyes típusú felületfoltokból álló eltolási felületet látunk. 16. ábra: A vezérgörbe és a generáló görbe kontrollpoligonja 17. ábra: Az eltolási felület

21 4 KÉT VEZÉRGÖRBÉVEL DEFINIÁLT ÁLTALÁNOSÍTOTT ELTOLÁSI FELÜLET 1 4 Két vezérgörbével definiált általánosított eltolási felület 4.1 Két vezérgörbével és egy generáló görbével definiált felületek Legyen a P 1,i ( i = 1,..., n ) interpolációs pontokon átmenő trigonometrikusan súlyozott spline-görbe gív(t), és a P,i ( i = 1,..., n ) pontokat interpoláló görbe cív(t), (t [0, 1]) a két vezérgörbe. ( és 8. ábra) A generáló görbe a V k ( k = 1,...,4 ) kontrollpontokkal adott Bézier-görbe. Az i-edik ( i = 1,..., n 1 ) görbeívekhez tartozó kontrollpoligont a következőképpen kapjuk: a V 1 kontrollpontot a gív[i](t) görbe gív[i](0) pontjába helyezzük az ezen ponthoz tartozó kísérő triéder koordináta-rendszerében, így V ˆi,1 adódik. Ugyanez a transzformáció a V alappontot a V ˆi, pontba viszi szintén a gív[i](0) ponthoz tartozó kísérő triéder koordináta-rendszerében. A V 4 kontrollpontot a cív[i](t) görbe kezdőpontjába helyezzük, a ponthoz tartozó kísérő triéder koordináta-rendszerébe való transzformálással: V ˆi,4 adódik, majd ugyanebben a koordináta-rendszerben Vˆi,3 -t is kiszámítjuk. Így a görbeívek elején létrehozzuk a V ˆi, k ( k = 1,..., 4 ) pontokkal adott kontrollpoligont. (18. ábra) Ezt a ívek végén is elvégezzük, s a V ˆi+ 1, k ( k = 1,..., 4 ) kontrollpontokat kapjuk. A görbeívek közbülső pontjaiban a kontrollpoligont a következőképpen definiáljuk [3]: Vi,1 () t = gív[i](t) Vi, () t = ( ) ˆ cos t V, sin ( ) ˆ i t Vi+ 1, + + gív [i](t) Vi,3 () t = ( ) ˆ cos t V,3 sin ( ) ˆ i t Vi+ 1,3 Vi,4 () t = cív[i](t) t [0, 1], i = 1,, n cív[i](t) Ezzel az eljárással a V ˆi,1 a gív[i](t) görbén, a V ˆi,4 pont a cív[i](t) görbén csúszik.

22 4 KÉT VEZÉRGÖRBÉVEL DEFINIÁLT ÁLTALÁNOSÍTOTT ELTOLÁSI FELÜLET A generált harmadfokú Bézier-görbék halmaza lesz a definiált felület egyik paraméter vonalserege, és a trigonometrikusan súlyozott spline-görbék alkotják a másik paraméter vonalsereget. Ezen szabadon formált eltolási felületfoltokat is az R i (, tu) = V () t i, Vi,() t u u u Vi,3() t Vi,4() t i = 1,..., n 1, (t, u) [0, 1] [0, 1] kétparaméteres vektorfüggvény írja le. 18. ábra: Kontrollpoligon szerkesztése két vezérgörbe között tétel A Bézier-görbék kontrollpontjainak pályagörbéi érintő-folytonosan csatlakozó görbeívekből állnak. Bizonyítás Mivel a V ˆi,1 a gív[i](t) görbén, a V ˆi,4 pont pedig a cív[i](t) görbén csúszik, ezen görbék pedig görbület-folytonosan csatlakozó ívekből állnak, ezért ezen két pont pályagörbéjének érintő-folytonosságát nem kell bizonyítani.

23 4 KÉT VEZÉRGÖRBÉVEL DEFINIÁLT ÁLTALÁNOSÍTOTT ELTOLÁSI FELÜLET 3 A V ˆi, és V ˆi,3 kontrollpontok pályagörbéinek vizsgálatához tekintsük mindkét pályagörbét leíró vektorfüggvény ( i 1) -edik és i-edik ívét: V = cos ( t ) i 1, () t ˆi 1, V + sin ( t ) V ˆi, + gív[i 1](t) t [0, 1] Vi, ( τ ) = cos ( τ ) V ˆi, + sin ( τ ) V ˆi + 1, + gív[i](τ) τ [0, 1] i =,, n 1; valamint Vi 1,3 () t = cos ( t ) Vˆi 1,3 + sin ( t ) V ˆi,3 + cív[i 1](t) t [0, 1] Vi,3 ( τ ) = cos ( τ ) V ˆi,3 + sin ( τ ) V ˆi + 1,3 + cív[i](τ) τ [0, 1] i =,, n 1. Ezek deriváltjai: d Vi 1, dt () t = sin( t ) Vˆi 1, + sin ( t ) V ˆi, + d dt gív[i 1](t) d Vi, dτ ( τ ) = sin( τ ) V ˆi, + sin( τ ) V ˆi + 1, + d dτ gív[i](τ) t [0, 1], τ [0, 1] ; valamint d Vi 1,3 dt () t = sin( t ) Vˆi 1,3 + sin ( t ) V ˆi,3 + d dt cív[i 1](t) d Vi,3 dτ ( τ ) = sin( τ ) V ˆi,3 + sin( τ ) V ˆi + 1,3 + d dτ cív[i](τ) t [0, 1], τ [0, 1]. A szomszédos pályaívek csatlakozási pontjában: d Vi 1, dt (1) = d dt gív[i 1](1), d V i, dτ (0) = d dτ gív[i](0),

24 4 KÉT VEZÉRGÖRBÉVEL DEFINIÁLT ÁLTALÁNOSÍTOTT ELTOLÁSI FELÜLET 4 valamint d dt Vi 1,3 (1) = d dt cív[i 1](1), d V i,3 dτ (0) = d dτ cív[i](0). Mindkét esetben az érintő vektorok párhuzamosak és egyirányúak, ahogy azt a.1.1. tételben bizonyítottuk. Tehát a Bézier-kontrollpontok pályagörbéi érintő-folytonosak. Így az R i ( tu, ) ( i = 1,..., n 1; (t, u) [0, 1] [0, 1] ) felületfoltokból összetett felület t paramétervonalai is G 1 -folytonosak, tehát a felületfoltok normális folytonosan csatlakoznak egymáshoz. Ez azt jelenti, hogy a szomszédos felületfoltok felületi normálisai a csatlakozó görbe pontjaiban párhuzamosak és egyirányúak. Ilyenkor valamely felületi görbe mentén haladva az egyik felület darabról a másikra való átlépéskor az érintő sík folytonosan változik. Ekkor azt mondjuk, hogy a felület sima. A 19. ábrán két olyan vezérgörbét láthatunk, amelyeket a periodikus peremfeltételt felhasználva állítottunk elő. A fekete színnel jelölt kontrollpoligont a görbék kezdőpontjaiba helyeztük. A 0. és 1. ábrákon az ezekhez tartozó felületet ábrázoltuk kétféle nézetben. A. ábra két olyan vezérgörbét szemléltet, amelyeket két egymással párhuzamos síkban levő egy-egy csúcsnál lekerekített poligonból nyertünk. Ezeket a vezérgörbéket a természetes peremfeltételt felhasználva kaptuk. A 3. és 4. ábrákon az ezekhez tartozó felületek láthatók. A 5. ábrán levő vezérgörbék szintén két egy-egy csúcsánál lekerekített poligonból születtek, de nem párhuzamos síkban helyezkednek el. Az ezekhez tartozó szabadon formált eltolási felületet a 6. és 7. ábrák mutatják. A 8. ábrán szereplő két vezérgörbe két egymásra merőleges síkban levő két-két csúcsnál lekerekített poligon felhasználásával adódott. A fekete kontrollpoligont a görbék kezdőpontjaiba helyeztük. Az ezekkel létrehozott eltolási felületet a 9. ábrán láthatjuk.

25 4 KÉT VEZÉRGÖRBÉVEL DEFINIÁLT ÁLTALÁNOSÍTOTT ELTOLÁSI FELÜLET ábra: Két vezérgörbe és a generáló görbe kontrollpoligonja 0. ábra: Szabadon formált eltolási felület 1. ábra: A felület más nézetben

26 4 KÉT VEZÉRGÖRBÉVEL DEFINIÁLT ÁLTALÁNOSÍTOTT ELTOLÁSI FELÜLET 6. ábra: Két párhuzamos síkban levő vezérgörbe a kezdőpontokba helyezett kontrollpoligonnal 3. ábra: Szabadon formált eltolási felület a. ábra vezérgörbéivel 4. ábra: Ugyanaz a felület más nézetben

27 4 KÉT VEZÉRGÖRBÉVEL DEFINIÁLT ÁLTALÁNOSÍTOTT ELTOLÁSI FELÜLET 7 5. ábra: Két vezérgörbe egy-egy csúcsnál lekerekített poligonból 6. ábra: Általánosított eltolási felület 7. ábra: Más nézetben

28 4 KÉT VEZÉRGÖRBÉVEL DEFINIÁLT ÁLTALÁNOSÍTOTT ELTOLÁSI FELÜLET 8 8. ábra: Két vezérgörbe két-két csúcsnál lekerekített poligonból 9. ábra: A 8. ábrához tartozó felület Megjegyzés Az így szerkesztett felület jól alkalmazható az ún. bőröndsarok lekerekítéseknél is. A 30. ábrán látható felület egy derékszögű poliéder egyik csúcsának lekerekítését szemlélteti. A két vezérgörbét a poliéder szomszédos oldallapjain úgy vettük fel, hogy a lekerekítést a vizsgált sarok mentén végeztük el. A felső vezérgörbe lekerekítő sugara ε, az alsóé ρ. ε értéke olyan kicsi, amelyet a szerkesztés még megenged. A Bézier-görbét úgy adtuk meg, hogy a sarokban az érintők az oldallapokon legyenek, így a kapott eltolási felület a poliéder oldallapjaihoz érintőlegesen csatlakozik.

29 4 KÉT VEZÉRGÖRBÉVEL DEFINIÁLT ÁLTALÁNOSÍTOTT ELTOLÁSI FELÜLET ábra: Lekerekített konvex sarok 31. ábra: Konkáv sarok lekerekítése A 31. ábrán látható felület példa egy konkáv sarok lekerekítésére. Az eltolási felület vezérgörbéi a 30. ábrához hasonlóan készültek, a Bézier-görbét viszont úgy adtuk meg, hogy az érintőlegesen a poliéder belsejében haladjon.

30 4 KÉT VEZÉRGÖRBÉVEL DEFINIÁLT ÁLTALÁNOSÍTOTT ELTOLÁSI FELÜLET Felületgenerálás alaktartó Bézier-görbével Mivel a felület definiálásakor a Bézier-görbe kontrollpoligonjának térbeli helyzetét és oldalainak hosszát bizonyos mértékig szabadon választhatjuk meg, a definiált felület alakját nemcsak a meghatározó görbék megválasztásával, hanem további geometriai feltételek előírásával is befolyásolhatjuk. Pl. a Bézier-kontrollpoligonokra előírt hasonlósági feltétellel. A két vezérgörbét és a generáló görbét a 4.1 fejezetben leírtak szerint adjuk meg. Egy koordináta-rendszer transzformációval a V 1 kontrollpontot az első, a V 4 kontrollpontot a második vezérgörbe minden görbeívének kezdő- és végpontjához tartozó kísérő triéderének koordináta-rendszerébe helyezzük úgy, hogy a V ˆi,1 az első, a V ˆi,4 a második vezérgörbén csússzon, közben a kontrollpoligon oldalhosszainak aránya az eredetivel egyezzék meg. Ez párhuzamos vezérgörbék esetén a kontrollpoligonok hasonlóságát biztosítja. Ehhez minden görbeív ( i = 1,..., n 1 ) elején ill. végén meghatározzuk a λ 1 ill. λ konstans szorzókat ( λ 1, λ > 0 ), amelyek a kontrollpoligon két végpontja közötti aktuális és eredeti távolságainak arányát adják meg. Az i-edik ( i = 1,..., n 1 ) görbeív közbülső pontjaiban a Bézier-görbe kontrollpoligonját a következőképpen definiáljuk [45]: Vi, () t = cos ( t ) Vi,3 () t = cos ( t ) λ1, λ1,3 Vi,1 () t = gív[i](t) V ˆi + sin ( t ) V ˆi + sin ( t ) Vi,4 () t = cív[i](t) t [0, 1], i = 1,..., n 1. λ V + 1, + gív[i](t) ˆi λ V + 1,3 + cív[i](t) ˆi tétel A Bézier-görbék kontrollpontjainak pályagörbéi G 1 -folytonosak. Bizonyítás Mivel ebben az esetben is a V ˆi,1 a gív[i](t) görbén, a V ˆi,4 pont pedig a cív[i](t) görbén csúszik, ezen görbék pedig G -folytonosan csatlakozó ívekből állnak, ezért ezek G 1 - folytonosságát nem kell bizonyítani. A ˆi, V és V ˆi,3 kontrollpontok pályagörbéinek vizsgálatához itt is tekintsük mindkét vektorfüggvény ( i 1) -edik és i-edik ívét:

31 4 KÉT VEZÉRGÖRBÉVEL DEFINIÁLT ÁLTALÁNOSÍTOTT ELTOLÁSI FELÜLET 31 V i 1, () t = cos ( t ) λ1 1, Vˆi + sin ( t ) t [0, 1] λ V, + gív[i 1](t) Vi, ( τ ) = cos ( τ ) λ1 V ˆi, + sin ( τ ) λ V ˆi + 1, + gív[i](τ) τ [0, 1] i =,, n 1; ˆi valamint V i 1,3 () t = cos ( t ) λ1 1,3 Vˆi + sin ( t ) t [0, 1] λ V,3 + cív[i 1](t) ˆi Vi,3 ( τ ) = cos ( τ ) λ1 ˆi,3 V + sin ( ) τ [0, 1] i =,, n 1. τ λ 1,3 V ˆi + + cív[i](τ) Ezek deriváltjai: d Vi 1, dt () t = sin( t ) λ1 Vˆi 1, + sin( t ) λ V ˆi, + d dt gív[i 1](t) d Vi, dτ ( τ ) = sin( τ ) λ1 V ˆi, + sin( τ ) λ V ˆi + 1, + d dτ gív[i](τ) t [0, 1], τ [0, 1] ; valamint d Vi 1,3 dt () t = sin( t ) λ1 Vˆi 1,3 + sin( t ) λ V ˆi,3 + d dt cív[i 1](t) d Vi,3 dτ ( τ ) = sin( τ ) λ1 V ˆi,3 + sin( τ ) λ V ˆi + 1,3 + d dτ cív[i](τ) t [0, 1], τ [0, 1]. A szomszédos görbeívek csatlakozási pontjában: d Vi 1, dt (1) = d dt gív[i 1](1), d V i, dτ (0) = d dτ gív[i](0), valamint

32 4 KÉT VEZÉRGÖRBÉVEL DEFINIÁLT ÁLTALÁNOSÍTOTT ELTOLÁSI FELÜLET 3 d dt Vi 1,3 (1) = d dt cív[i 1](1), d V i,3 dτ (0) = d dτ cív[i](0). Ebben az esetben is az érintő vektorok párhuzamosak és egyirányúak. Tehát a Bézierkontrollpontok pályagörbéi G 1 -folytonosak. Ezt a felületet is a (3.) egyenlettel adott R i ( tu, ) kétparaméteres vektorfüggvény írja le. A 3. és 33. ábrákon a felületeket a 19. és 5. ábrákon látható adatokból generáltuk, de a kontrollpoligonok mozgatása során az oldalhosszak arányát megtartottuk ábra: Alaktartó transzformációval készült felületek 4.3 Alakparaméterek meghatározása simasági feltételből A két vezérgörbével definiált szabadon formált felület létrehozásakor a generáló Béziergörbe kontrollpoligonja általában torzul. A két görbén ugyanis a megfelelő görbeívek végpontjainak távolsága, vagyis a V ˆi,1 és V ˆi,4 ( i = 1,..., n 1 ) kontrollpontok távolsága változik. Másrészt ezekben a pontokban a két görbe kísérő triéderének élei általában nem párhuzamosak, következésképpen az adott V ˆi,1 V ˆi, V ˆi,3 V ˆi,4 kontrollpoligon V ˆi,1 V ˆi, és V ˆi,3 V ˆi,4 éleinek a különböző kísérő triéderek koordináta-rendszereihez való rögzítése a kontrollpoligon torzulását okozza. A 4. pontban az oldalhosszak arányát megtartó szorzótényezők bevezetésével amelyeket a felület alakparamétereinek nevezhetünk mérsékeltük ezt a torzulást. Az elfogadható vagy vizuálisan kellemes felület szerkesztése alapvetően fontos a geometriai modellezés több területén, különösen az ipari kivitelezés bizonyos ágaiban (lásd

33 4 KÉT VEZÉRGÖRBÉVEL DEFINIÁLT ÁLTALÁNOSÍTOTT ELTOLÁSI FELÜLET 33 repülőgép-, autó-, hajó-, cipőgyártás ). Míg az emberi szem könnyen felméri egy felület minőségét, addig ezen folyamatok átültetése a matematika nyelvére már nehéznek bizonyult. Számos szerző sok munkát fektetett e probléma megoldásába, és sok különböző megközelítési módját írták le annak, hogyan lehet egy felületet szépíteni (angolul fairing). Az ezekhez felhasznált függvényekkel kapcsolatban két fontos kérdésre kellett válaszolni: Kellemes formájú felületet eredményez? Elkészíthető-e a függvény belátható idő alatt? Azért, hogy szép alakú felületeket kapjunk, olyan függvényeket vezetünk be, nevezzük ezeket energia-függvényeknek, amelyek minimalizálásával simítani lehet. Legyen R : Ω E 3. A vékony membrán energiája az Ω felületdarabon: Ω ( κ κ ) + Ω 1 d ahol κ1 és κ az R felület főgörbületeit jelentik. A hajlítási energia fizikailag azt az energiát jelenti, amely a vékony membrán meghajlításához szükséges. A kifejezésben a felület alakját jellemző főgörbületek a felület paraméterezésétől függetlenek. A tapasztalat szerint azok a simító függvények, amelyek felületi görbületeket tartalmaznak, jó minőségű felületeket eredményeznek, de ezen megoldások kiszámításához sok időre van szükség. Mi majd alakparaméterek megválasztásához alkalmazunk simító feltételeket. A felületek fizikai viselkedésére jellemző különböző energiamennyiségek minimalizálása az alakparaméterek megválasztására hatékony módszernek bizonyult. A legtöbb esetben az energia-függvények felületi integrálok, amelyek különböző rendű parciális deriváltakat tartalmaznak, és mindegyik a deformációs energiára skalár értéket ad. R(, tu) R(, tu) Ha a paraméterezés izometrikus, tehát és ortonormáltak, továbbá a t u görbületi irányok megegyeznek a paramétervonalak irányával, akkor a vékony membrán energiáját az

34 4 KÉT VEZÉRGÖRBÉVEL DEFINIÁLT ÁLTALÁNOSÍTOTT ELTOLÁSI FELÜLET 34 F = A R(, tu) R(, tu) R(, tu) + + t t u u A = [0, 1] [0, 1] dtdu felületi integrál - mint simító függvény ( fairing function ) adja. Ha olyan alakparamétereket választunk, amelyek a felület vektoregyenletében első hatványon szerepelnek, akkor ez a függvény az alakparaméterekben másodfokú, pozitív definit, ezért a minimum helye jól számítható [16]. Az alakparaméterekre tett feltételt, miszerint azok értékét úgy választjuk, hogy az F függvény értéke minimális legyen, simasági feltételnek ( fairness condition ) nevezzük. A két vezérgörbével és egy harmadfokú Bézier-görbével definiált szabadon formált felület alakparamétereit jelölje λ i ( i = 1,..., n 1 ). A simító függvénynek az egész felületre vett integrálja S(λ 1, λ,..., λ n 1 ) = n 1 i= 1 F n 1 változós másodfokú polinom. A szélsőérték meghatározása tehát az alábbi lineáris egyenletrendszer megoldására vezet: S = 0 λ i, i = 1,..., n 1. A 34. és 35. ábrákon látható felületek ugyanazokkal a vezérgörbékkel és Bézierpoligonokkal készültek, mint a 0. és 7. ábrákon látható felületek, de az alakparamétereket a simasági feltételből számítottuk. A felületfoltokra felírt integrálokat egyszerű közelítő módszerrel számítottuk ki ábra: Simasági feltétellel számolt felületek

35 4 KÉT VEZÉRGÖRBÉVEL DEFINIÁLT ÁLTALÁNOSÍTOTT ELTOLÁSI FELÜLET 35 Számos példán elvégzett vizsgálatok azt eredményezték, hogy az így generált felületek feszesebb alakot mutatnak, mint a 4.1 pontban leírt módszer, ami a λ i = 1 ( i = 1,..., n 1 ) esetnek felel meg. Ahogy a klasszikus mechanika könyvekben található, a tetszőleges alakú vékony membrán energiája kis elhajlás esetén: ( xx + yy ) 1 ( ν )( xx yy xy ) f f f f f dxdy, ahol ν az anyagtól függő konstans, a Poisson együttható. Ha ν = 0, akkor a vékony membrán energiáját leíró, a görbületi deformációt minimalizáló F függvényt kapjuk. Reálisabb eredményt nyújt a ν = 0,3 alkalmazása, hisz ez közelítőleg az alumínium vagy acél Poisson együtthatóját jelenti. Az E 1 = Ω R(, tu) R(, tu) + t u dtdu ún. Dirichlet-energia a normál deformáció gradiensén alapul. Azt mutatja meg, hogy mennyi energia szükséges a normális irányában történő alakváltoztatáshoz ábra: Dirichlet-energiával számolt felületek

36 4 KÉT VEZÉRGÖRBÉVEL DEFINIÁLT ÁLTALÁNOSÍTOTT ELTOLÁSI FELÜLET 36 A harmadrendű parciális deriváltakkal felírt E = Ω (, tu) (, tu) (, tu) (, tu) R R R R t dt du dtdu du dtdu a lökési energia. A modell, amelyre ez az energiafüggvény jellemző, egy papírszerű anyaghoz hasonlít, szögletes, mint egy poliéder. A 38. és 39. ábrákon olyan felületek láthatók, amelyeket a 19. és 5. ábrákon szereplő adatokat felhasználva az E energiafüggvénnyel számoltunk. Ezekben a nézetekben jól látható, hogy a felületek alakja horpadt, szögletes ábra: Lökési energiával számolt felületek A gyakorlatban sokszor a háromféle energia lineáris kombinációjával számolnak: E ö = α E 1 + β F + γ E Az együtthatók megválasztásával lehet befolyásolni, hogy melyik alakváltoztatás domináljon.

37 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT 37 5 Rések és lyukak kitöltése felületek konvex kombinációjaként A. fejezetben láthattuk, hogyan lehet egyenes szakaszok és körívek trigonometrikus konvex kombinációjaként görbület-folytonos görbét készíteni. Ebben a fejezetben ennek az eljárásnak felületekre történő kiterjesztésével foglalkozunk. Először megnézzük, hogyan lehet két felület közötti rést úgy kitölteni, hogy a felületek határvonalai alkotják a folt két határát, a másik két határvonalat pedig szabadon adjuk meg. Majd három felület által alkotott lyuk kitöltését mutatjuk be felületek konvex kombinációjaként. A felület definiáló módszerünk a Coons-féle eljárás lényeges általánosításának tekinthető, ezért először felírjuk a Coons-felület definícióját. A módszert az autótervezés területén dolgozók S. A. Coons (Ford) és W. Gordon (Generál Motors) fejlesztették ki. Egy Coons-folt négy tetszőleges határgörbével az a ( t), a ( t), t [0, 1] és a b ( u), b ( u), u [0, 1] egymást páronként metsző görbepárral definiálható. Kiválasztunk két függvénypárt, az f 1 () t, f () t és g 1 ( u ), g ( u ) súlyfüggvényeket, amelyekre f1(0) = g1(0) = 1 és f1(1) = g1(1) = 0 valamint f1() t + f() t 1és g1( u) + g( u) 1 teljesül. Ekkor a Coons-folt megszokott alakja: 1 1 R(0, u) g1( u) R(, tu) = [ f1() t f() t] [ (,0) t (,1) t ] (1, u) + R R R g ( u) [ f () t f () t ] 1 R(0,0) R(0,1) g1( u) R(1, 0) R(1,1) g ( u) t [0, 1], u [0, 1]. Az egyenletben az utolsó tagot korrekciós függvénynek nevezzük, amely a sarokpontok egy bilineáris kombinációja. Ez a felületfolt interpolál az adott határgörbék között: R(,0) t = a 1 () t, R( t,1) = a ( t) R(0, u) b ( u), R(1, u) b ( u) = 1 =

38 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT 38 Egymáshoz kapcsolódó Coons-foltok esetén gondolni kell a folytonossági feltételekre is. Ezekhez azonban a határoló görbék mellett még meg kell adni a határoló görbék mentén a keresztirányú deriváltakat is, amelyeket az érintőszalagok megadásával biztosíthatunk. Coons az eredeti cikkében a felületegyenletet magasabb dimenzióban is megadta. n dimenzióban a határoló görbéket n 1 dimenziós hiperfelületekkel helyettesítette. Az általunk vázolt felületek csak formálisan követik Coons módszerét, hisz a két szemközti határvonal helyett két felület darabot használunk, amelyek a határvonalaik mentén az eredményül kapott felületfolttal normális-folytonosan kapcsolódnak. Ez a Coons-féle felületdefiniálás kiterjesztésének tekinthető, ahol a két kiindulási adat dimenziószáma megegyezik a kapott felület dimenziószámával. 5.1 Eljárás rés kitöltésére adott peremgörbékkel Ebben az algoritmusban két felületet adunk meg az r ( tu, ) és r (, tu) kétparaméteres vektorfüggvényekkel, valamint két térgörbét az r 3( u) és r 4( u) egyparaméteres vektorfüggvényekkel, amelyek a keresett felületfolt határgörbéi lesznek, és a két adott felület határgörbéihez csatlakoznak. A réskitöltő felület a két adott felületet köti össze. A rés az r ( tu, ) és r (, tu) felületeknek az u [ a, 0], illetve u [1, b] (a > 0, b > 1) darabjai között van, és az eljárásban ezen felületeknek az u [0, 1] tartományra kiterjesztett darabjaival számolunk. (Az ábrán ezeket az átfedő felületdarabokat nem rajzoltuk meg.) 1 1 Ezt az R (, tu) felületet a (t, u) [0, 1] [0, 1] paramétertartományban úgy definiáljuk, hogy a határoló görbék u = 0 és u = 1 esetén egyezzenek meg a rés határaival: az r ( t,0) és az r (,1) t görbékkel, továbbá t = 0 esetén az r 3( u), t = 1 esetén az r 4( u), u [0, 1], görbékkel essenek egybe. (40. ábra) Az R (, tu) réskitöltő felületet a szemközti felületek és görbék trigonometrikus konvex kombinációjával és egy alkalmas korrekciós függvénnyel állítjuk elő. 1

39 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT ábra: Két felület és két görbe által határolt rés Adott két felületdarab a [0, 1] [0, 1] paramétertartományon értelmezett r ( tu, ) és r (, tu) differenciálható vektorfüggvényekkel, és két görbe az r ( u) és r ( u) differenciálható vektorfüggvényekkel, u [0, 1]. A rés sarokpontjaira megköveteljük, hogy: teljesüljön. r 1 (0,0) = r 3(0), r 1(1,0) = r 4(0) r (0,1) = r 3(1), r (1,1) = r 4(1) Keresünk olyan R ( tu, ) felületfoltot, amelynek a határoló görbéi az r 1( t,0), r ( t,1), r 3( u) és r ( u) görbék tétel Az ( ) ( ) + ( ) ( ) R(, tu) = cos u r (, tu) + sin u r (, tu) + 1 cos t r ( u) + sin t r ( u) 3 4 { cos (0, ) sin (0, ) cos 1 ( u) u + ( u) u ( t) r r + + ( ) ( ) cos u r (1, u) sin u (1, u) sin 1 + r ( t )} vektoregyenlettel definiált felület a kívánt feltételeket kielégíti [37, 4]. (5.1.1)

40 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT 40 Bizonyítás Tekintsük az R ( tu, ) vektor-skalár függvényt u = 0 esetén: R(,0) t = 1 r1(,0) t + 0 r (,0) t + cos ( t) r3(0) + sin ( t) r 4(0) { [ 1 1(0, 0) + 0 (0, 0) ] cos ( t ) 1 r1(1, 0) + 0 r (1, 0) sin t = = r1( t, 0) + cos ( t ) r3(0) + sin ( t ) r 4(0) ( t ) ( t ) = ( ) [ ] r ( t, 0) + cos t r (0) r (0, 0) + sin ( t) [ r (0) r (1, 0) ] = ( t,0) r r +[ ] ( )} mert a sarokpontokban a két érték megegyezik. cos r (0, 0) sin r (1, 0) = 1 1 Ha u = 1, akkor (,1) t = cos (,1) t + sin (,1) t + cos t r (1) + sin t r (1) R r r ( ) ( ) cos (0,1) + sin (0,1) cos ( t) 1 { 1 r ( ) 3 ( ) r, t [0, 1], cos (1,1) sin (1,1) sin r + t 1 r = = ( t,1) + cos t (1) + sin t (1) cos t r (0,1) sin t r (1,1) = r r + ( )} r r ( ) ( ) r ( ) [ ] ( ) [ ] = ( t,1) + cos t r (1) r (0,1) + sin t r (1) r (1,1) = r ( t,1), t [0, 1], 3 4 a sarokpontokban vett értékeket figyelembe véve. Ha t = 0, akkor R(0, u) = cos u r (0, u) + sin u r (0, u) + 1 r ( u) + 0 r ( u) ( ) 1 ( ) 3 4 { cos ( u ) (0, u) sin ( u ) (0, u) r1 + r 1+ + ( ) cos u (1, u) sin ( u ) (1, u) r1 + r 0} = = cos ( u) r1(0, u) + sin ( u) r (0, u) + r 3( u) ( ) ( ) = r ( u), u [0, 1]. 3 1 cos u r (0, u) sin u r (0, u) = 1 Ha t = 1, akkor R(1, u) = cos u r (1, u) + sin u r (1, u) + cos r ( u) + sin r ( u) ( ) 1 ( ) 3 4 { cos ( u ) (0, u) sin ( u ) (0, u) r1 + r cos + + ( ) cos u (1, u) sin ( u) (1, u) sin r 1 + r } = = cos ( u) r1(1, u) + sin ( u) r (1, u) + r 4( u) ( ) ( ) = r ( u), u [0, 1]. 4 cos u r (1, u) sin u r (1, u) = 1

41 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT 41 Valóban, a réskitöltő felület határoló görbéi a két adott felület határgörbéi és az adott térgörbék lesznek. 41. ábra: A felületek és görbék által határolt rés 4. ábra: A 41. ábrán látható rés kitöltése A 41. ábrán a két adott felület a következőképpen van paraméterezve: az r 1( tu, ) hengernél t [0, 1], u [ 1, 0]; az r (, tu) kúpnál t [0, 1], u [1, ]. A 4. ábrán látható réskitöltő felületet az tételben szereplő vektorfüggvénnyel állítottuk elő.

42 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT 4 Megjegyzés Az R ( tu, ) felületet felírhatjuk mátrixos alakban is: ( ) ( u) cos u r 3 R (, tu) = cos ( t ) sin ( t ) [ ( t, u) ( t, u) ] ( u) + r1 r r4 sin ( u ) ( ) (0, u) (0, u) cos u r 1 r cos ( t ) sin ( t ) (1, u) (1, u) r1 r sin ( u ) ahol a súlyfüggvények: 1 () cos t, f 1 (0) = 1, f 1 (1) = 0 f t = ( ) f () sin ( t) f 1 () t + f () t 1, f (0) = 0, f (1) = 1 valamint 1 ( ) cos g u = ( u ) g ( u ) = sin ( u) g 1 ( u ) + g ( u ) 1., g 1 (0) = 1, g 1 (1) = 0, g (0) = 0, g (1) = 1 A képlet utolsó tagja a korrekciós függvény, amely az (5.1.1) vektoregyenletben a kapcsos zárójelben szereplő kifejezés tétel Ha az r 3( u) és r 4( u) térgörbék C 1 -folytonosan kapcsolódnak az r 1(, tu) felület t = 0 és t = 1 határvonalához, akkor az (5.1.1) vektoregyenlettel definiált R (, tu) felület az r (, tu) felülethez C 1 -folytonosan kapcsolódik az r (,0) t, t [0, 1], határgörbe mentén. 1 1 Bizonyítás Legyen r1 (, tu) r 1,u(, tu) = és u dr3 ( u) r 3( u) =. du

43 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT 43 Ha t = 0, akkor az u-szerinti parciális derivált r (0, u). Mivel az r (0, u) és az r ( u) görbék a sarokpontban elsőrendben folytonosan kapcsolódnak egymáshoz, így 1,u r (0, u ) = r ( u). 1,u Ha t = 1, akkor hasonlóképpen az r (1, u) és r ( u) görbék a sarokpontban C 1 -folytonosan kapcsolódnak, így 1 r (1, 0) = r (0). 4 1,u 4 Vizsgáljuk az R ( tu, ) felület u paraméter irányú érintővektorát is. Ehhez képezzük az u- R(, tu) szerinti parciális deriváltat. Legyen R u(, tu) =, így u ( ) ( ) + sin ( u) r ( t, u) sin + ( u ) r,u( t, u) + + ( ) 3 ( ) 4 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) sin ( t) sin ( u) r,u (1, u) R (, tu) = sin u r (, tu) + cos u r (, tu) + u 1 1,u cos t r ( u) + sin t r ( u) + cos t sin u r (0, u) cos t cos u r (0, u) cos t sin u r (0, u) 1,u cos t sin u r (0, u) + sin t sin u r (1, u),u 1 sin t cos u r (1, u) sin t sin u r (1, u) 1,u 1 u = 0 és t [0, 1] esetén: ( ) ( ) ( ) u t 1,u t t t t 3 4 1,u R (,0) = r (,0) + cos r (0) + sin r (0) cos r (0,0) ( t) sin r (1, 0) = 1,u = t ( t) ( t) r1,u (, 0) + cos (0) (0, 0) + sin (0) (1, 0) r 3 r1,u r 4 r1,u

44 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT 44 A feltétel szerint a második és a harmadik tag nullvektor a C 1 -folytonos kapcsolódás miatt, így R (,0) t = r (,0) t u 1,u a határgörbe mentén. Az tétel értelmében az u = 0, t [0, 1] esetén R( t,0) r ( t,0), ezért ezek t-szerinti parciális deriváltjai is egyenlők: = 1 R ( t,0) = r ( t,0). t 1,t Ez pedig C 1 -folytonosságot jelent az R ( tu, ) réskitöltő felület és az adott r 1( tu, ) felület között az u = 0 pontokban. Ezért az érintősíkok a határvonal mentén azonosak tétel Ha az r 3( u) és r 4( u) térgörbék C 1 -folytonosan kapcsolódnak az r (, tu) felület t = 0 és t = 1 határvonalához, akkor az (5.1.1) vektoregyenlettel definiált R (, tu) felület az r (, tu) felülethez C 1 -folytonosan kapcsolódik az r (,1) t, t [0, 1], határgörbe mentén. Bizonyítás Az 5.1..tétel bizonyításával analóg. A 43. ábrán egy sík- és egy hengeres felületfolt látható a határvonalakat összekötő, hozzájuk kapcsolódó görbékkel. A hengeres felület paraméterezése: (t, u) [0, 1] [ 1, 0], a síké (t, u) [0, 1] [1, ], a két görbe paraméterezése pedig: u [0, 1]. A réskitöltő felület nem ezekből a felületdarabokból készül, hanem ezeknek a [0, 1] [0, 1] tartomány feletti részeiből. A 45. ábrán viszont az eljárás bemenő adatait rajzoltuk meg. A 44. és 46. ábrákon az előző bemenő adatokból készített rések folytonos kitöltései láthatók. Ez a példa egyben jól mutatja a kiindulási felületek alakra gyakorolt hatását. Ez a hatás illusztrálja a különbséget a mi szerkesztésünk és Coons foltjai között, amelyet csak a határoló görbék befolyásolnak.

45 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT ábra: Sík- és hengeres felületfolthoz kapcsolódó görbék 44. ábra: A rés folytonos kitöltése

46 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT ábra: A sík és a hengeres felület más kapcsolódó görbékkel 46. ábra: A réskitöltő felület a 45. ábra bemenő adataival A modellezés során gyakran jelentkeznek olyan problémák (pl. csatornák tervezésénél), amikor hengeres és toroidos felületi elemeket kell összekapcsolni. Ennek megvalósítására is lehetőség van ezzel a módszerrel, gyengébb feltételek mellett.

47 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT tétel Ha az r 3( u) és r 4( u) térgörbék G 1 -folytonosan kapcsolódnak az r 1(, tu) felület t = 0 és t = 1 határoló görbéjéhez, akkor az (5.1.1) vektoregyenlettel definiált R (, tu) felület az r (, tu) felülethez G 1 -folytonosan kapcsolódik az r (,0) t, t [0, 1], határgörbe mentén. 1 1 Bizonyítás Ha t = 0, akkor az u-szerinti parciális derivált r (0, u). Mivel az r (0, u) és az r ( u) görbék a csatlakozási pontban G 1 -folytonosan kapcsolódnak egymáshoz, így 1,u 1 3 r (0,0) r (0) r (0,0) = λ r (0). 1,u 3 1,u 3 Ha t = 1, akkor hasonlóképpen az r (1, u) és r ( u) görbék a sarokpontban G 1 -folytonosan kapcsolódnak, így 1 4 r (1, 0) r (0) r1,u(1, 0) = λ r 4(0) 1,u 4 Ha az r ( tu, ) (t, u) [0, 1] [0, 1] hengeres felület u-szerinti parciális deriváltjai mind 1 párhuzamosak (47. ábra), akkor R ( t,0) r ( t,0). u 1,u Az tétel értelmében az u = 0, t [0, 1] esetén R( t,0) r ( t,0), ezért ezek t-szerinti parciális deriváltjai is egyenlők: = 1 R ( t,0) = r ( t,0). t 1,t Ez már biztosítja a párhuzamosságot az R (,0) t R (,0) t és r ( t,0) r (,0) t t u 1,t 1,u normálisok között, tehát az érintő sík folytonosan változik, ami éppen a G 1 -folytonosságot jelenti.

48 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT tétel Ha az r 3( u) és r 4( u) térgörbék G 1 -folytonosan kapcsolódnak az r (, tu) felület t = 0 és t = 1 határoló egyeneséhez, akkor az (5.1.1) vektoregyenlettel definiált R (, tu) felület az r (, tu) felülethez G 1 -folytonosan kapcsolódik az r (,1) t, t [0, 1], határgörbe mentén. Bizonyítás: Az tétel bizonyításával analóg. 47. ábra: A két hengeres felülethez G 1 -folytonosan kapcsolódó görbék 48. ábra: A 47. ábra adatai által határolt rés G 1 -folytonos kitöltése

49 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT 49 A 47. ábrán a két hengeres felület, a 48. ábrán a közöttük levő rés G 1 -folytonos kitöltése látható. Bizonyos szerkesztéseknél a feladat megköveteli, hogy olyan réskitöltő felületet illeszszünk a két adott r ( tu, ) és r ( tu, ) felület közé, amely C -folytonosan kapcsolódik az 1 adott felületekhez. Ennek az előzőekben alkalmazott trigonometrikus súlyfüggvények nem felelnek meg, mert d f () t dt 0 t = 0 t = 1 és d g ( u) du 0. u = 0 u = 1 df() t d f() t dg( u) d g( u) Legyen = f () t, = f () t és = g ( u), = g ( u). dt dt du du Olyan súlyfüggvényeket kell alkalmazni, amelyekre (az előző jelöléseket használva): és f (0) = 0, f (1) = 1 f 1 () t + f () t 1 f (0) = f (1) = 0 f (0) = f (1) = 0 g (0) = 0, g (1) = 1 g 1 ( u ) + g ( u ) 1 g (0) = g (1) = 0 g (0) = g (1) = 0 (5.1.) Ahhoz, hogy az R ( tu, ) és r 1( tu, ) { r ( tu, ) } felületek az u = 0 { u = 1} paramétervonalak mentén másodrendben folytonosan kapcsolódjanak, az R ( t,0) = r ( t,0) { R (,1) t = r (,1) t } egyenlőségnek kell teljesülnie. uu,uu uu 1,uu Adott a [0, 1] [0, 1] tartományon értelmezett, kétszer parciálisan deriválható r ( tu, ) és r (, tu) kétparaméteres vektor-skalár függvényekkel két felületdarab, valamint a [0, 1] intervallumon értelmezett, kétszer differenciálható r ( u) és r ( u) vektor-skalár függvényekkel két görbe

50 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT 50 Keresünk olyan R ( tu, ) felületet, amelynek határoló görbéi: r ( t,0), r ( t,1), r ( u) és r ( u) A felületfoltot a következő egyenlettel definiáljuk: R (, tu) = [ f1() t r3 ( u) g1( u) f() t] [ (, tu) (, tu) ] ( u) + r1 r g( u) r4 [ f1() t (0, u) (0, u) g1( u) f() t ] r1 r (1, u) (1, u) g( u) r1 r t, u [0, 1] (5.1.3) tétel Ha az r 3( u) és r 4( u) térgörbék C - folytonosan kapcsolódnak az r 1(, tu) felület t = 0 és t = 1 határvonalához, akkor az (5.1.3) vektoregyenlettel definiált R (, tu) felület az r 1(, tu) felülethez C -folytonosan kapcsolódik az r 1(,0) t, t [0, 1], határgörbe mentén, ahol a súlyfüggvények eleget tesznek az (5.1.) feltételeknek [38]. Bizonyítás Képezzük az R ( tu, ) függvény tiszta másodrendű u-szerinti parciális deriváltját: R ( t, u) = g ( u) r ( t, u) + g ( u) r ( t, u) + g ( u) r ( t, u) + uu ,u 1 1,uu + g ( u) r ( tu, ) + g ( u) r ( tu, ) + g( u) r ( tu, ) +,u,uu f () t ( u) + f () t ( u) + 1 r3 r4 f ( t) g ( u) r (0, u) g ( u) r (0, u) g ( u) r (0, u) 1 1 1,uu + 1 1,u f ( t) g ( u) r (0, u) + g ( u) r (0, u) + g ( u) r (0, u) 1,uu,u f ( t) g ( u) r (1, u) g ( u) r (1, u) g ( u) r (1, u) 1 1,uu + 1 1,u f () t g ( u) r (1, u) + g ( u) r (1, u) + g ( u) r (1, u),uu,u Ha u = 0 és a súlyfüggvényekre vonatkozó (5.1.) feltételeket figyelembe vesszük, akkor: (,0) t = r ( t,0) + f ( t) r (0) + f ( t) r (0) f1() t r (0,0) f() t r (1,0) = Ruu 1,uu ,uu r (0) r (0,0). 1,uu (0) (1, 0) r4 r1,uu 3 = r (,0) t [ f () t f () t ] [ f () t f () t ] 1,uu 1,uu

51 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT 51 Mivel az r ( u) és r ( u) térgörbék C -folytonosan kapcsolódnak az r ( tu, ) felület t = 0 és 3 4 t = 1 határvonalához, ezért r (0) = r (0,0) és r (0) = r (1,0). 3 1,uu 4 1,uu Így R ( t,0) = r ( t,0), ami azt igazolja, hogy az R (, tu) réskitöltő felület másodrendben uu 1,uu folytonosan kapcsolódik az r ( tu, ) felülethez az u = 0 paramétervonal mentén tétel Ha az r 3( u) és r 4( u) térgörbék C - folytonosan kapcsolódnak az r (, tu) felület t = 0 és t = 1 határvonalához, akkor az (5.1.3) vektoregyenlettel definiált R (, tu) felület az r (, tu) felülethez C -folytonosan kapcsolódik az r (,1) t, t [0, 1], határgörbe mentén, ahol a súlyfüggvények kielégítik az (5.1.) egyenleteket. Bizonyítás Az tétel bizonyításával analóg. A 49. ábrán a két felületfolt és a hozzájuk C -folytonosan kapcsolódó két görbe látható. Az 50. ábra a rés C -folytonos kitöltését szemlélteti. Példáinkban az (5.1.3) egyenlettel megadott felületek elkészítésekor ötödfokú Hermite polinomokat használtunk súlyfüggvényekként: f () t = 6 t 15 t + 10 t, f1() t = 1 f() t g ( u ) = 6 u 15 u + 10 u, g1( u) = 1 g( u) 49. ábra: A két felülethez C -folytonosan kapcsolódó görbék

52 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT ábra: A rés C -folytonos kitöltése Felmerül a kérdés: vajon csak polinomiális súlyfüggvények esetén hozható létre C -folytonos illeszkedés? Igazolható, hogy ha az (5.1.1) vektorfüggvényhez egy újabb tagot veszünk, azaz a korrekciós függvényt kibővítjük, akkor trigonometrikus súlyfüggvényekkel is létrehozható a C - folytonos kapcsolódás megfelelő bemenő adatok esetén. Ekkor a felületfoltot a következő vektorfüggvénnyel adhatjuk meg: ( u) ( ) ( ) r 3 4( u) r R(, tu) = cos t sin t + cos ( t) sin ( t) [ (, tu) (, tu) ] cos ( u ) sin ( u ) ( u ) + ( ) r 1 r - r cos 1(0, u) r (0, u) (1, u) (1, u) r1 r sin u { r1 r ( ) [ r 1 r ] ( ) [ r1 r ]} + su ( ) ( tu, ) ( tu, ) cos t (0, u) (0, u) sin t (1, u) (1, u) (5.1.4) 1 = + ( + ). 8 ahol su 3 ( ): ( u 1) sin ( u 1)

53 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT tétel Ha az r 3( u) és r 4( u) térgörbék C - folytonosan kapcsolódnak az r 1(, tu) felület t = 0 és t = 1 határvonalához, akkor az (5.1.4) vektoregyenlettel definiált R (, tu) felület az r (, tu) felülethez C -folytonosan kapcsolódik az r (,0) t, t [0, 1], határgörbe mentén [37]. 1 1 Bizonyítás Tekintsük az su ( ) függvény u = 0 és u = 1 helyekhez tartozó értékeit. 1 3 s(0) = 1 sin = ( ) 3 s(1) = 1 sin 3 = 0 8 Ezért az (5.1.4) vektoregyenlettel adott R (, tu) felület határgörbéi az tétel bizonyítása alapján az r ( t,0), r (,1) t, r ( u) és r ( u) görbék Vizsgáljuk az su ( ) függvény deriváltját is az u = 0 és u = 1 helyeken: ds( u) = s ( u) = ( u+ 1) sin ( u+ 1) + u+ 1 sin u+ 1 du 4 4 s (0) = 1 sin 1 sin = s (1) = ( 1) sin 3 ( 1) sin = ( ) ( ) ( ( )) Ezért az (5.1.4) vektorfüggvény az tétel bizonyítása alapján C 1 -folytonosan kapcsolódik a két adott felület határgörbéjéhez. Vizsgáljuk su ( ) másodrendű deriváltját: dsu ( ) 3 3 = s ( u) = ( u+ 1) sin ( ( u+ 1) ) ( u+ 1) sin( ( u+ 1) ) du 3 ( u 1) sin( ( u 1) ) ( ) 3 u+ 1 cos ( ( u+ 1 )) s (0) = 1 sin 1 sin 1 cos 1 + = s (1) = ( 1) sin 3 ( 1) sin 6 ( 1) cos =

54 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT 54 Ezek után vizsgáljuk az (5.1.4) vektoregyenlettel adott R (, tu) függvény tiszta másodrendű u-szerinti parciális deriváltjának u = 0 helyen vett értékét: Ruu(,0) t = r1 (,0) t + r1, uu(,0) t + r (,0) t + ( t ) + ( t) ( t) cos r (0) + sin (0) co s 1, (0, 0) r4 r uu r1 (0, 0) co s (0, 0) sin 1, (1, 0) r r uu r 1(1, 0) ( t) ( t) sin r (1,0) + ( t) { ( t,0) ( t,0) cos ( 1 t ) [ 1(0,0) (0,0) ] sin ( t ) [ 1(1,0) (1,0) ]} + r r r r r r = = t ( t) ( t ) ( t ) ( t) r 1, uu r1, uu t ( t ) r3 r1, uu + sin ( t) r4(0) r1, uu(1,0) = r1, uu( t,0) r (, 0) + cos r (0) + sin r (0) cos r (0, 0) 1uu, 3 4 1, uu sin (1,0) = (,0) + cos (0) (0,0) + 3 mivel az r 3( u) ésr 4 ( u) görbék C -folytonosan kapcsolódnak az r 1 (, tu) felület t = 0 és t = 1 határvonalához. Ez pedig azt igazolja, hogy az (5.1.4) egyenlettel adott R (, tu) réskitöltő felület is C - folytonosan kapcsolódik az r 1 (, tu) felülethez az u = 0 paramétervonala mentén. Megjegyzés Az s(u) függvényt az előírt peremfeltételek nem határozzák meg egyértelműen, tulajdonképpen végtelen sok megfelelő s(u) függvény van tétel Ha az r 3( u) és r 4( u) térgörbék C - folytonosan kapcsolódnak az r (, tu) felület t = 0 és t = 1 határvonalához, akkor az (5.1.4) vektoregyenlettel definiált R (, tu) felület az r (, tu) felülethez C -folytonosan kapcsolódik az r (,1) t, t [0, 1], határgörbe mentén. Bizonyítás Az tétel bizonyításával analóg.

55 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT 55 Megjegyzés A rést kitöltő felület elkészítéséhez bemenő adatként a rés két oldalán fekvő felületdaraboknak a [0, 1] [0, 1] paramétertartomány feletti kiterjesztésével számoltunk. Ezek a komponensek helyettesíthetők az adott felületekhez megfelelő folytonossággal csatlakozó más felületdarabokkal is. Az egy közös határoló görbe menti felületillesztésre számtalan eljárás ismeretes. Ha pl. az egyik felületdarab nem terjeszthető ki a rés fölé, vagy pl. az eredményt adott típusú (polinom) függvénnyel akarjuk leírni, akkor valamely ismert eljárással készítünk egy egy oldalról megfelelően csatlakozó felületdarabot az adott felület mellé annak kiterjesztése helyett. 5. Háromoldalú lyuk kitöltése Az úgynevezett bőröndsarok probléma már régóta foglalkoztatja a tervezőket. Egyfajta speciális megoldást mi is alkalmaztunk a 4.1 fejezetben. Azonban az, ha olyan háromoldalú lyukat kell kitölteni, amely folytonosan kapcsolódik a lyukat körülvevő felületekhez, másfajta megközelítést igényel. Az itt bemutatásra kerülő módszer megoldást ad erre a problémára [37]. A lyukkitöltő felületet a három adott felület konvex kombinációjaként állítjuk elő úgy, hogy az kapcsolódik az adott felületekhez a határgörbéik mentén. Feltesszük, hogy az adott felületek a parciálisan differenciálható r ( tu, ) i = 1,, 3 vektor-skalár függvényekkel adottak, ahol (t,u) [t 1, t ] [u 1, u ], és ez a tartomány tartalmazza a [0, 1] [0, 1] négyzetet. A megkötés az algoritmusban az, hogy az adott felületek közül kettő felület háromoldalú degenerált felület legyen, amelyek egyetlen sarokpontjukkal találkoznak a lyuk sarkában. (51.ábra) Ezek például részei két különböző forgásfelületnek, amelyek degenerált derékszögű foltként jelennek meg (a CAD rendszerekben általában ez az eset fordul elő), vagy háromszög alakú foltok, amelyek külön-külön G 1 -folytonosan kapcsolódnak a lyukat határoló harmadik felülethez. (Ehhez egy paramétertranszformációval áttérünk baricentrikus koordinátákra: a háromszög tartomány egy (t,u) koordinátájú pontját egy (p, q, r), 0 p, q, r 1 és p + q + r = 1 számhármassal reprezentáljuk.) i Esetünkben az adott 3 felületfolt konvex kombinációja az alapnégyzeten értelmezett, a korrekciós függvény pedig a határoló görbékből készült trigonometrikus szorzótényezőkkel adott. Az eredményül kapott lyukkitöltő felület egy degenerált derékszögű folt, ahol a határoló t = 0 vonal csak egy pont, a háromoldalú lyuk egy sarokpontja.

56 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT ábra: Három felület által határolt lyuk Az 5. ábrán egy olyan lyuk látható, amelyet balról egy ellipszoid, jobbról egy kúp, alulról pedig egy henger határol. Az 53. ábra jól mutatja, hogyan simul az egyes felületdarabokhoz a lyukat kitöltő folt. 5. ábra: Ellipszoid, kúp és henger által határolt háromszöglyuk

57 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT ábra: A lyukat kitöltő felületfolt a határoló felületdarabokkal 1 3 Adott három felület az r ( tu, ), r (, tu), r (, tu) parciálisan differenciálható vektorfüggvényekkel, amelyek paramétertartománya a [0, 1] [0, 1] alapnégyzetet tartalmazza, és a sarokpontokra: r (0, u) = r (0, u) = m, r (1, 0) = r (1, 0) és r (1,1) = r (1,1) Keresünk olyan R (, tu) felületfoltot, amelynek határoló görbéi az r 1( t,0), r ( t,1) és r 3(1, u) görbék tétel Az R(, tu) = cos ( t ) cos ( u ) r 1 (, tu) + cos ( t ) sin ( u ) r ( t, u) + + sin ( t ) r 3 ( t, u) ( ) ( ) [ ] ( ) sin t cos u r (,0) t r (,0) t + sin t sin ( u) [ r (,1) t r (,1) t ] { } vektoregyenlettel definiált felület a kívánt feltételeket kielégíti. ( tu, ) [ 0, 1] [ 0, 1] (5..1) Bizonyítás Az R ( tu, ) vektorfüggvény határvonalait kell kiszámolnunk a megfelelő paraméterek behelyettesítésével. Ha t = 0, u [0, 1]:

58 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT 58 (0, u) 1 cos ( R = u) r 1 (0, u) + ( u) 1sin r (0, u) + 0 r 3 (0, u) { } ( ) [ ] 0 cos u (0,0) (0,0) + 0 sin ( u) [ (0,1) (0,1)] r r r r. A sarokpontokban: ha u = 0, R(0,0) = r 1 (0,0) ha u = 1, R(0,1) = r 1 (0,1). A t = 0 paramétervonal csak akkor ad egyetlen pontot, ha az r (0, u) és r (0, u) u [0, 1], egy közös m ponttá fajulnak el. A kombináció két alkotórészére ezt a megkötést kell tennünk. A másik három határoló görbe a következő: Ha t = 1, u [0, 1]: (1, u) = cos cos u 1 (1, u) cos sin u r (1, u) + sin r 3 (1, u) R ( ) r + ( ) ( ) [ ] sin cos u (1,0) (1,0) + sin sin ( u) [ (1,1) (1,1) ] { } a sarokpontokat figyelembe véve. r r r r = r (1, u) 1 3 Ha u = 0, t [0, 1]: (,0) t cos ( R = t) 1 r 1 (,0) t + ( t) cos 0 ( t,0) r + ( t) sin r 3 ( t,0) { } ( ) [ ] sin t 1 (,0) t (,0) t + sin ( t) 0 [ (,1) t (,1) t ] r r r r = = cos ( t ) r1( t,0) + sin ( t ) r 3( t,0) ( ) ( ) = cos ( t) + sin ( t) r (,0) t = r (,0) t 1 1 sin t r ( t,0) + sin t r ( t,0) = 3 1 Ha u = 1, t [0, 1]: R(,1) t = cos ( t) cos r 1 (,1) t + ( t) cos sin ( t,1) r + ( t) sin r 3 ( t,1) { } ( ) [ ] sin cos (,0) (,0) sin ( ) sin t t t + t [ ( t,1) ( t,1) ] r r r r = = cos ( t ) r( t,1) + sin ( t ) r 3( t,1) ( ) ( ) = cos ( t) + sin ( t) r ( t,1) = r ( t,1). sin t r ( t,1) + sin t r ( t,1) = 3

59 5 RÉSEK ÉS LYUKAK KITÖLTÉSE FELÜLETEK KONVEX KOMBINÁCIÓJAKÉNT 59 Az 54. ábrán látható lyukat egy kúp, egy síkháromszög és egy henger határolja. Ezek a felületdarabok a következőképpen vannak paraméterezve: Az r ( tu, ) kúp: (t, u) [0, 1] [ 1, 0], 1 az r (, tu) sík: (t, u) [0, 1] [1, ], az r 3 (, tu) henger: (t, u) [1, ] [0, 1]. Az 55. ábra a lyuk folytonos kitöltését mutatja. Megjegyzés Ha a háromszöglyukat körülvevő felületek ugyanazon gömb részei ugyanazon paraméterezés esetén, akkor a (5..1) vektoregyenlettel definiált felület is ugyanazon gömb része. 54. ábra: Kúp, síkháromszög és henger határolta lyuk 55. ábra: A három felület és a hozzájuk csatlakozó folt