Teil 2: Kurven und Flächen

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1 Teil 2: Kurven und Flächen
Parametrische Objekte Teil 2: Kurven und Flächen

2 Teil 2: Kurven und Flächen
Kurven: 1D-Objekte Flächen: 2D-Objekte, basierend auf Kurven Teil 2: Kurven und Flächen

3 Teil 2: Kurven und Flächen
Welche Form der Darstellung? Beispiel: 2D-Linie Explizit: y = k·x + d x = (x, y)T Implzit: a·x + b·y + c = 0 auch: x·n = p·n n = (a, b)T p·n = – c Parametrisch: x(t) = p + t·v v·n = 0 Teil 2: Kurven und Flächen

4 Parametrische Kurven (1)
Definition: x(t) – Punktdef. in Abh. von kontinuierlichen Parameter t x(t) & t[a,b]  parametrische Kurve Startpunkt x(a), Endpunkt x(b) Beispiel: x(t) = p + t·v (Linie) Tangente in x(t): x(t) = d x(t) / d t = Ableitung von x nach t Beispiel: x(t) = v (Tangentenvektor) . . Teil 2: Kurven und Flächen

5 Parametrische Kurven (2)
2 Stetigkeitsqualitäten: mathematisch: x(t) restriktiver geometrisch: x(t) / | x(t) | schwächer Attribute höherer Ordnung: Krümmung Torsion . . . Teil 2: Kurven und Flächen

6 Teil 2: Kurven und Flächen
Arten von Kurven Interpolierende Kurven: Kurve geht durch vorgegebene Punkte pi Approximierende Kurven: Kurve wird von Punkten pi beeinflußt Teil 2: Kurven und Flächen

7 Teil 2: Kurven und Flächen
Attribute von Kurven Kurvenpunkte: Startpunkt, Endpunkt Kurvenevaluation Tangenten: Startrichtung, Endrichtung Tangenten an beliebigen Kurvenpunkt Stetigkeit: geometrisch, mathematisch Grad: Differenzierbarkeit, smoothness Teil 2: Kurven und Flächen

8 Spline-Kurven: Stetigkeiten
(a) C0-Stetigkeit (b) C1-Stetigkeit (c) C2-Stetigkeit Teil 2: Kurven und Flächen

9 Polynominterpolation
Gegeben: Anzahl von Punkten Gesucht: Interpolierendes Polynom p(x) = a + b·x + c·x2 + … + q·xn 2 Punkte – Linie: n = 1 3 Punkte – Quadratisch Kurve: n = 2 Berechung: Lösung eines linearen Gleichungssystems Beurteilung: Überschwingen (), nur gut, wenn n klein Teil 2: Kurven und Flächen

10 Teil 2: Kurven und Flächen
Spline-Kurven (1) Kombination aus Teilkurven Kontrollpunkte werden: approximiert interpoliert Einfluß der Kontrollpunkte: global: Bézier-Kurve lokal: B-Spline-Kurve Unterschiedlicher Grad Teil 2: Kurven und Flächen

11 Spline-Kurven: Beispiele
2 Bsp. f. kubische Spline-Kurven Teil 2: Kurven und Flächen

12 Teil 2: Kurven und Flächen
Spline-Kurven (2) Ansatz: Zusätzlich zu Kontrollpunkten bi auch: Einflußfunktionen: Basis-Funktionen Bi,n Definition: b(t) = 0in bi·Bi,n(t) Beispiel: Bernstein-Polynome (Bézier-Kurve) Teil 2: Kurven und Flächen

13 Spline - convex hull property
Kurve bleibt i. d. konvexen Hülle Teil 2: Kurven und Flächen

14 Teil 2: Kurven und Flächen
Bézier-Kurven (1) Spline-Approximation: Bernstein Polynome: b(t) = 0in biBi,n(t) 0t1 Teil 2: Kurven und Flächen

15 Kubische Bézier-Kurven – Bernsteinpolynome
Teil 2: Kurven und Flächen

16 Bézier-Kurven: Beispiel
Teil 2: Kurven und Flächen

17 Teil 2: Kurven und Flächen
Bézier-Kurven (2) Design mit Bézier-Kurven: closed Bézier curves multiple control points Teil 2: Kurven und Flächen

18 Teil 2: Kurven und Flächen
Bézier-Kurven (3) Design mit Bézier-Kurven Bézier verbinden (C0, C1 Stetigkeit) Teil 2: Kurven und Flächen

19 Bézier-Kurve: Algorithmen
De Casteljau-Algorithmus: Evaluation bei Parameter t Rekursiver Ansatz Degree elevation: Mehr Kontrollpunkte, selbe Kurve Subdivision: Teilung der Kurve, bzw. Kurvenevaluation Teil 2: Kurven und Flächen

20 Nächste Stufe: B-Spline Kurven
Bézier-Kurven: globaler Einfluß Brauchbarer: B-Spline Kurven: Jeder Kontrollpunkt hat nur lokalen Einfluß Grad unabhängig von Anzahl der Pkte. Rationale Kurven: Erweiterung von Bézier-Kurven und B-Spline Kurven Ein Gewicht pro Kontrollpunkt NURBS = „Standard“ in CAD, CAGD, etc. Teil 2: Kurven und Flächen

21 Teil 2: Kurven und Flächen
Bézier-Patch (1) Kartesisches Produkt v. Bézier-Kurven (m+1)x(n+1) Kontrollpunkte Teil 2: Kurven und Flächen

22 Teil 2: Kurven und Flächen
Bézier-Patch (2) Eigenschaften wie Bézier-Kurve Teil 2: Kurven und Flächen

23 Teil 2: Kurven und Flächen
Quadric Surfaces (1) Definition “quadrics”: Gleichung 2-ter Ordnung Beispiel: Kugel Teil 2: Kurven und Flächen

24 Teil 2: Kurven und Flächen
Quadric Surfaces (2) 2. Beispiel: Ellipsoid Teil 2: Kurven und Flächen

25 Teil 2: Kurven und Flächen
Quadric Surfaces (3) 3. Beispiel: Torus Teil 2: Kurven und Flächen