CAD technikák A számítógépes tervezés geometriai alapjai: görbék típusai, matematikai leírás, manipulációk görbékkel.

Hasonló dokumentumok
Görbe- és felületmodellezés. Szplájnok Felületmodellezés

4. Felületek Forgásfelületek. Felületek 1. Legyen adott egy paramétersíkbeli T tartomány. A paramétersíkot az u és v koordinátatengelyekkel

MÉSZÁROS JÓZSEFNÉ, NUMERIKUS MÓDSZEREK

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

GPK M1 (BME) Interpoláció / 16

Lineáris algebra numerikus módszerei

Hajder Levente 2018/2019. II. félév

3. Görbe modellezés. Görbe modellezés 1

Legkisebb négyzetek módszere, Spline interpoláció

Görbék és felületek modellezése Juhász, Imre

Diszkréten mintavételezett függvények

Numerikus Matematika

Görbemodellezés. Interpoláció Approximáció

A képzetes számok az isteni szellem e gyönyörű és csodálatos hordozói már majdnem a lét és nemlét megtestesítői. (Carl Friedrich Gauss)

Szendrői Balázs: Algebrai síkgörbék, szerkesztette: Ádám Liliána, Ódor Gergő, Lajos Mátyás

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

x = cos αx sin αy y = sin αx + cos αy 2. Mi a X/Y/Z tengely körüli forgatás transzformációs mátrixa 3D-ben?

Numerikus integrálás

Matematika III előadás

Geometriai modellezés. Szécsi László

Polinomok, Lagrange interpoláció

sin x = cos x =? sin x = dx =? dx = cos x =? g) Adja meg a helyettesítéses integrálás szabályát határozott integrálokra vonatkozóan!

Gyakorló feladatok. Agbeko Kwami Nutefe és Nagy Noémi

2012. október 2 és 4. Dr. Vincze Szilvia

Matematika II képletek. 1 sin xdx =, cos 2 x dx = sh 2 x dx = 1 + x 2 dx = 1 x. cos xdx =,

LNM folytonos Az interpoláció Lagrange interpoláció. Lineáris algebra numerikus módszerei

Valasek Gábor

3D Számítógépes Geometria II.

Számítógépes Grafika SZIE YMÉK

Egyenletek, egyenletrendszerek, egyenlőtlenségek Megoldások

4. gyakorlat: interpolációs és approximációs görbék implementációja

ALGEBRAI KIFEJEZÉSEK, EGYENLETEK

Tartalom. Geometria közvetlen tárolása. Geometria tárolása - brute force. Valasek Gábor valasek@inf.elte.hu. Hermite interpoláció. Subdivision görbék

6. Függvények. Legyen függvény és nem üreshalmaz. A függvényt az f K-ra való kiterjesztésének

Alap-ötlet: Karl Friedrich Gauss ( ) valószínűségszámítási háttér: Andrej Markov ( )

Descartes-féle, derékszögű koordináta-rendszer

2014/2015. tavaszi félév

Nagy Krisztián Analízis 2

1. Interpoláció. Egyértelműség Ha f és g ilyen polinomok, akkor n helyen megegyeznek, így a polinomok azonossági tétele miatt egyenlők.

Példa: Tartó lehajlásfüggvényének meghatározása a Rayleigh Ritz-féle módszer segítségével

Gauss-Jordan módszer Legkisebb négyzetek módszere, egyenes LNM, polinom LNM, függvény. Lineáris algebra numerikus módszerei

Egy matematika jegyzetről mérnökhallgatóknak About a math textbook for engineering students

Függvények vizsgálata

Eddig csak a polinom x-ben felvett értékét kerestük

10. Differenciálszámítás

Valasek Gábor

8. előadás. Kúpszeletek

1 Lebegőpontos számábrázolás

MATEMATIKA EMELT SZINTŰ SZÓBELI VIZSGA TÉMAKÖREI (TÉTELEK) 2005

9. előadás. Térbeli koordinátageometria

Példa: Tartó lehajlásfüggvényének meghatározása végeselemes módszer segítségével

A derivált alkalmazásai

Tartalomjegyzék. 3. Elsőfokú egyenletek és egyenlőtlenségek Elsőfokú egyenletek Valós szám abszolút értéke...

GÖRBÉK ÉS FELÜLETEK ILLESZTÉSE KÉNYSZEREKKEL II.

4. fejezet. Egyváltozós valós függvények deriválása Differenciálás a definícióval

FÜGGVÉNYEK. A derékszögű koordináta-rendszer

6. Folytonosság. pontbeli folytonosság, intervallumon való folytonosság, folytonos függvények

b) Ábrázolja ugyanabban a koordinátarendszerben a g függvényt! (2 pont) c) Oldja meg az ( x ) 2

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK KÖZÉP SZINT Függvények

Síkgörbék. 1. Készítsünk elfogadható ábrát a G: t frac(1/t) leképezés gráfjáról. (frac a törtrész függvény, ez a Maple függvénynév is.

2) Írja fel az alábbi lineáris függvény grafikonjának egyenletét! (3pont)

Számítógépes geometria (mester kurzus) III

Függvényhatárérték és folytonosság

Csoportmódszer Függvények I. (rövidített változat) Kiss Károly

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK KÖZÉP SZINT Függvények

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások. 1. Az alábbi hozzárendelések közül melyik függvény? Válaszod indokold!

Érettségi feladatok: Koordináta-geometria 1/5

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Analízis házi feladatok

Lengyelné Dr. Szilágyi Szilvia április 7.

MATEMATIKA TANMENET SZAKKÖZÉPISKOLA 10.B OSZTÁLY HETI 4 ÓRA 37 HÉT/ ÖSSZ 148 ÓRA

Algebrai egész kifejezések (polinomok)

Koordináta-geometria feladatok (emelt szint)

Interpolációs eljárások

Numerikus módszerek 1.

0-49 pont: elégtelen, pont: elégséges, pont: közepes, pont: jó, pont: jeles

1. Ábrázolja az f(x)= x-4 függvényt a [ 2;10 ] intervallumon! (2 pont) 2. Írja fel az alábbi lineáris függvény grafikonjának egyenletét!

Klár Gergely 2010/2011. tavaszi félév

Érettségi feladatok Koordinátageometria_rendszerezve / 5

Matematika. 9.osztály: Ajánlott tankönyv és feladatgyűjtemény: Matematika I-II. kötet (Apáczai Kiadó; AP és AP )

Matematika A1a Analízis

A hordófelület síkmetszeteiről

MATEMATIKA TANMENET 9.B OSZTÁLY FIZIKA TAGOZAT HETI 6 ÓRA, ÖSSZESEN 216 ÓRA

Tartalomjegyzék 1. Műveletek valós számokkal Függvények Elsőfokú egyenletek és egyenlőtlenségek

13. modul: MÁSODFOKÚ FÜGGVÉNYEK

Numerikus matematika vizsga

Matematika II. 1 sin xdx =, 1 cos xdx =, 1 + x 2 dx =

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK KÖZÉPSZINT Függvények

Numerikus matematika. Irodalom: Stoyan Gisbert, Numerikus matematika mérnököknek és programozóknak, Typotex, Lebegőpontos számok

Fraktálok. Löwy Dániel Hints Miklós

2012. október 9 és 11. Dr. Vincze Szilvia

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Koordinátageometria. , azaz ( ) a B halmazt pontosan azok a pontok alkotják, amelynek koordinátáira:

6. gyakorlat. Gelle Kitti. Csendes Tibor Somogyi Viktor. London András. jegyzetei alapján

Egyenletek, egyenlőtlenségek VII.

Szélsőérték feladatok megoldása

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit. Komplex számok (2)

6. Függvények. 1. Az alábbi függvények közül melyik szigorúan monoton növekvő a 0;1 intervallumban?

10. Koordinátageometria

Emelt szintű érettségi feladatsorok és megoldásaik Összeállította: Pataki János; dátum: november. I. rész

Átírás:

A számítógépes tervezés geometriai alapjai: görbék típusai, matematikai leírás, manipulációk görbékkel. III. előadás 2008. február 25.

Függvények görbék leírására Egyszerű függvények: analitikus görbék Polinomok: analitikus és szabadformájú görbék (valamennyi alak) Polinom jól deriválható (érintő, görbület). Az n-ed fokú polinom függvény általános alakja: n n 1 ( ) p x = a x + a x + K+ a x+ a n n 1 1 0 n pozitív egész szám Más módon felírva: a 0, a 1,..., a n valós számok ( ) n = i i= 0 p x a x i III. előadás 2008. február 25. 2/26

A görbe lokális (helyi) tulajdonságai Az egységvektorokból képezett derékszögű koordináta-rendszer a kisérő triéder. t n r b A kísérő triéder t és b vektorai a simulósíkot, b és n vektorai pedig a normálsíkot határozzák meg. U paraméterű pontban Érintő (t), Főnormális(n) Binormális(b) Görbület (r) III. előadás 2008. február 25. 3/26

Y P (x,y,z) Görbe paraméteres leírása u max A görbe paraméteresegyenlete az u paraméter értékéhez adja meg a P pont modelltérbeli x, y és z koordinátáit. u min P(u) X A görbe pontját a paraméter (u) függvényében fejezi ki. Z A görbe paraméteres egyenletének általános alakja: P(u)=[x(u) y(u) z(u)] ahol u min <= u <= u max A P pont modelltérbeli x, y és z koordinátái az u paraméter függvényében: x=x(u), y=y(u) és z=z(u) III. előadás 2008. február 25. 4/26

Görbe létrehozásának módszerei Feladat Módszer Megadott szabályszerűséget követ Analitikus Megadott pontokon áthalad Interpolációs Megadott pontokkal vezérelve harmonikus alakú Közelítő (approximációs) P 1 P 2 P 0 P 3 III. előadás 2008. február 25. 5/26

Görbe: egy darabban vagy részekből? Egyetlen görbeként. Beziergörbe: globális vezérlés, a vezérlőpont elmozdítása a teljes görbe mentén módosít. Beziergörbék láncolata görbe leírására. i -1 szegmens B-szplájngörbe: szegmensekből épül fel. P i -1 i szegmens P i P i +1 III. előadás 2008. február 25. 6/26

Interpolációs módszerek Kísérleti úton vagy számítással előállított pontokon átmenő görbe előállítása. Lineáris interpoláció: két-kétpontot egyenesszakaszokkal kötnekössze Három ponton körív vezethető át (másodfokúanalitikus görbe) Négy ponton átvezetve harmadfokú görbét kapunk A Hermite interpolációgörbe fektetését jelenti két pont közé, a két pont és a két pontnál megvalósítandó érintő alapján. Hermite módszerét alkalmazta Fergusonés Coons Az interpolációs feladat matematikai megoldásához interpolációs polinomokat fejlesztettek. Ezek közül a Lagrange* polinom a legegyszerűbb. A pontokra illesztés legismertebb módszere Lagrangenevéhez fűződik, Lagrange* interpolációként ismert. *Francia matematikus III. előadás 2008. február 25. 7/26

Bezier görbék Görbék (és felületek) matemetikai leírásának első komolyabb alkalmazásai: repülőgépipar, autóipar A görbék pontokból és érintővektorokból kiinduló meghatározása a gyakorlati alkalmazás számára nehézkesnek bizonyult (múlt század hatvanas évei). Bezier(Renault): vezérlő sokszöget vezette be, amelynek csúcspontjainak helyzete a görbe alakját vezérli (irányítja). Alapfüggvényként Bernsteinpolinomokat alkalmaz Vele egy időben, ugyanilyen módszerrel valósított meg görbetervezést de Casteljau(Citroen). Bezier görbéjének tulajdonságai: Globális vezérlés. Fokszáma a vezérlőpontok számával összefügg. Az első és utolsó vezérlőponton áthalad. A vezérlő sokszög első és utolsószegmensére érintőleges. A vezérlő sokszögáltal lefedett konvexburkon belül helyezkedikel. P 0 P 1 P 2 P 3 III. előadás 2008. február 25. 8/26

Konvex burok P 1 P 2 P 0 P 3 P 1 P 3 P 0 P 2 III. előadás 2008. február 25. 9/26

Görbe osztálya: vezérlőpontok száma Görbe fokszáma: vezérlőpontok száma - 1 CAD technikák Különböző fokszámú Bezier görbék P 1 P 2 P 1 P 1 P 0 P P P P 2 0 3 0 elsőfokú másodfokú harmadfokú III. előadás 2008. február 25. 10/26

Bezier görbe Bernstein alapfüggvényekkel Az n-edfokú, vagyis n+1 -ed rendű, n+1 vezérlőponttal irányított Bezier görbét leírón -edfokú polinom: n = i i= 0 Pu P B u ( ) ( ) ahol P(u ) a görbe valamely pontja, Pi pedig valamely vezérlőpont. Az u paraméter értelmezési tartománya leggyakrabban: 0 u 1 in, A Bi,n alapfüggvények az alábbi Bernsteinfüggvények: n i ( ) ( ) i B ( ) in, u = C ni, u 1 u C(n,i) binominális együttható, amely C ni, ( ) = n! i! n i! ( ) III. előadás 2008. február 25. 11/26

Szegmensekből felépülő görbe Y P (x,y,z) u max u min P(u) X Z III. előadás 2008. február 25. 12/26

B-szplájn görbe tulajdonságai Szegmensekből áll Folytonosság a szegmensek határain Lokális vezérlés. Szplájnalapfüggvény A görbe fokszáma megegyezik az alapfüggvény fokszámával. Szegmensenként eltérő fokszám lehet. Az első és utolsó vezérlőponton csak megfelelő paraméterezés esetén halad át. Ekkor érintőleges a vezérlő sokszög első és utolsó szegmensére. III. előadás 2008. február 25. 13/26

B-szplájn görbe analitikus és geometriai meghatározása A B-szplájnokanalitikus és geometriai meghatározásátaz alábbiakban vázoljuk. A P(u) a B-szplájn görbe analitikusdefiniciója n P ( u) = P i N ( u) ik, i=1 ahol a vezérlőpontokés a csomópontok { } P:i = 0,1,..., n i A B-szplájn görbe polinomokkal leírtszegmensekből áll. Ezekneka szegmensekneka rendűségétk -val jelöltük. A görbe szegmenseik-1 fokúak. A fenti összefüggésben a Ni,k(u) a normalizáltb-szplájn alapfüggvényeket jelöli. III. előadás 2008. február 25. 14/26

B-szplájn görbe szegmentált tulajdonsága A B-szpájnalapfüggvénytmeghatározottparaméter-intervallumonbelül definiálják. Az alapfüggvénya B-szplájngörbeparamétertartományánakcsakegyrészénvezérelia görbét. A szegmensekhatáránmásodrendű (C2) folytonosságotköbös B-szplájnfüggvényekbiztosítanak. Példa: Zártgörbe hat vezérlőponttal irányítva hat szegmensből áll. Az egyes szegmenseka következő szegmenssel két közös vezérlőpont hatásaalátartoznak. Az első szegmensheza V0-V2, a másodikszegmenshez a V1-V3 vezérlőpontoktartoznak, és így tovább. V 0 V 1 V 2 V 3 V 5 V 4 III. előadás 2008. február 25. 15/26

B-szplájn görbe paraméterezése Csomóvektor A szplájn meghatározott számúszegmenshatár-ponton megy át. Ezeket a pontokat csomóknak(csomópont, vagy angolul: knot) nevezzük. A csomókhozrendelika szegmenshatárokonérvényes paraméterértékeket, amelyeket a csomóvektorbanadnak meg: u : i = 0,1, K, n+ k { } i A csomóvektornak nemszabad csökkenő értékeket tartalmazni, tehát a paraméter-intervallumokra mindíg érvényesnekkell lenni azalábbi kifejezésnek: ui u i + 1 Azértéknekviszont nemszabadtöbbször megjelenni a csomóvektorban, mint a B-szplájngörberendűsége. III. előadás 2008. február 25. 16/26

Szegmensek B-szplájn görbén Csomó Szegmens Szegmens paramétertartománya u= u 1 u= u 2 u 0 u 1 u 2 u 3 u 4 III. előadás 2008. február 25. 17/26

Csomók B-szplájn görbén A B-szplájn görbeesetében a vezérlőpontokszáma, rendszámés a fokszámmellett a csomókszámával is számolni kell. Azn + 1 vezérlőpont közelítésével létrejött, k-ad rendű, vagyis k-1 fokú, valamint m számú csomóval rendelkező B-szplájn görbe esetében ebből a csomókszáma m+ 1 = n+ 1 + k ( ) ( ) m= n+ k A B-szplájn görbét leíró polinom fokszáma az egyes paraméter-intervallumokon belülnemhaladjameg a k-1 értéket. Ugyanahhoza csomóvektorhozkülönböző rendűségű alapfüggvényekis tartozhatnak. Például lineáris, másodfokú és harmadfokú görbe-szegmensek követhetikegymást. III. előadás 2008. február 25. 18/26

Egyenközű és nem-egyenközű B-szplájn alapfüggvények Aparaméter-intervallumok, amelyeken belül az alapfüggvényeket definiáljuk: N 1,3 N 2,3 azonosak: Egyenközű (angolkifejezéssel: uniform) B-szplájn. N 0,3 N 3,3 u i u u i+1 i+2 u i+3 u i+4 N 1,3 N 2,3 nem azonosak: Nem egyenközű (angol kifejezéssel: non-uniform) B-szplájn. N 0,3 N 3,3 u i u u i+1 i+2 u i+3 u i+4 III. előadás 2008. február 25. 19/26

Periódikus és nem-periódikus B-szplájn görbék Ha a paraméter-intervallumok ismétlődnek, periódikus (periodic) B-szplájnról beszélünk. Ebből következik, hogy az egyenközű B-szplájn egyben periódikus is. A nem-periódikus (non-periodic) B-szplájn esetében a vektor belső csomói egyenlő elosztásúak, azonban a vektor elején és végén a görbe rendűségével azonos számú intervallum ismétlődik. A görbe vezérlésének lehetõségeit tágítja, ha a paraméter-intervallumok a vektor elején és végén egyaránt eltérőek. Így nem-egyenközű (non-uniform) B-szplájn görbét kapunk. Miután a paraméter-intervallumokat a csomóvektorban ábrázoljuk, a B-szplájn görbe fenti sajátosságai a csomóvektorból felismerhetők. III. előadás 2008. február 25. 20/26

Nem-periodikus B-szplájn görbék A különböző fokszámú nem-periodikus görbékre láthatunk példát az ábrán. A görbékhez tartozó csomóvektorok: "a" görbe: [001233] "b" görbe: [0001222] "c" görbe: [00001111] a b c Figyeljük meg! A vezérlőpontok száma, a rendszám és a csomók számának fentebb bemutatott összefüggését. A B-szplájn görbe nem megy át az elsõ és az utólsó vezérlőponton, azonban az elsõ és az utólsó paraméter-intervallum kettőzésével erre "kényszeríthető". "a" görbe: k=2, fokszám=1 "b" görbe: k=3, fokszám=2 "c" görbe: k=4, fokszám=3 III. előadás 2008. február 25. 21/26

Nem-egyenközű B-szplájn görbék A nem-egyenközű B-szplájn csomóvektorának belsejében lehetnek intervallumtöbbszöröződések, például [01223] vagy az intervallumok a teljes vektor mentén eltérnek, például [0,0 0,1 0,33 0,6 0,8 1,0]. A B-szplájn leírás a Bezier leírás általánosításának tekinthető. Ha a csomóvektorban a 0 majd az 1 érték a görbe rendűségével (k) egyenlõ számban ismétlődik, Bezier görbét kapunk. Például valamely négy vezérlőpontú nem-periodikus köbös B-szplájn görbe csomóvektora [00001111]. Ez egy Bezier görbe. III. előadás 2008. február 25. 22/26

Négydimenziós homogén koordináták Eredetilega transzformációkleírására szolgálómátrixokbanalkalmazták. A háromdimenziós Euklideszi tér P( x, yz,) pontjánaka négydimenziós homogéntérbena w = ( ) Q wx, wy, wz, w,ahol w 0 leírásfelel meg. A w a homogénkoordináta, amelyetsúlyozásnakis nevezünk. III. előadás 2008. február 25. 23/26

Racionális B-szplájn görbék (1/3) A homogén koordináták a racionális B-szplájnok leírásánál. w n ik, i= 0 ( ) ( ) Q u = N uv ahol Q w (u) a görbepontja négydimenziós homogén koordinátákkal kifejezve: w Q ( u) = w ( u), w ( u), w ( u), w i w x y z Ni,k (u) a szplájn alapfüggvény, V pedig a vezérlőponta négydimenziós homogén térben: V i V = ahonnan V = w i w i wv i w i i III. előadás 2008. február 25. 24/26

Racionális B-szplájn görbék (2/3) A görbe pontjáta háromdimenzióstérben az első három koordinátánaka homogén koordinátával való elosztásával kapjuk meg: x = w x w y = w y w z = w z w Ezután a racionálisb-szplájn görbefüggvénye Q ( ) u = i n = 0 n i = ( ) N u w V 0 i, k ( ) N u V i, k i i i III. előadás 2008. február 25. 25/26

Racionális B-szplájn görbék (3/3) Nem-egyenközű recionális B-szplájn görbe: Valamennyi alak leírására Analitikus alak egzakt (nem közelítő!) Az alakmodellezésben egyeduralkodóvá vált (CAD/CAM rendszerekben is) A racionális B-szplájn görbéket a csomóvektor és a súlyvektor jellemzi. Például öt vezérlőpontot közelítő görbe csomóvektora és w súlyvektora [0000122222] [1, 4, 1, 1, 1] Analitikus görbék leírásánál a w értéke meghatározza, hogy egyenes, ellipszis, parabola vagy hiperbola az adott szegmens. III. előadás 2008. február 25. 26/26