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*************************************7.1参数化方法NURBS曲面NURBS(非均匀有理B样条)曲面是工业标准的曲面表示方法,它通过控制点网格和权重系数定义,具有局部控制性、几何不变性和直观的几何意义。NURBS曲面可以精确表示解析曲面(如圆锥曲面),同时提供灵活的形状控制,在CAD/CAM系统、船舶和飞机设计中广泛应用。其数学表达式为r(u,v)=∑∑P??×N?,p(u)×N?,q(v)×w??/∑∑N?,p(u)×N?,q(v)×w??。Bézier曲面Bézier曲面是一种更简单的参数化曲面,由Bernstein多项式和控制点网格定义。Bézier曲面的边界是Bézier曲线,整个曲面位于其控制点的凸包内。虽然Bézier曲面控制直观,但缺乏局部控制性,高阶Bézier曲面的计算也较为复杂。它通常用于低阶形状设计和字体渲染,可以看作NURBS的特例。其数学表达式为r(u,v)=∑∑P??×B?,m(u)×B?,n(v),其中B是Bernstein多项式。细分曲面细分曲面是通过反复细分多边形网格生成的光滑曲面,它结合了参数曲面和多边形网格的优点。常用的细分方案包括Catmull-Clark、Loop和Doo-Sabin等。细分曲面特别适合多分辨率建模和动画,能够表示任意拓扑的光滑曲面,在电影和游戏制作中应用广泛。随着细分次数增加,细分曲面收敛到一个极限曲面,通常是分片参数曲面。7.2离散化方法三角网格三角网格是最常用的曲面离散化方法,它用平面三角形拼接近似曲面。三角网格的优点是表示简单、拓扑灵活,且每个三角形都是平面,便于几何处理和渲染。在计算机图形学中,几乎所有复杂模型最终都会转换为三角网格进行渲染。三角网格可以通过顶点坐标和面片连接关系完全定义,常用的数据结构包括面片列表、邻接表和半边数据结构等。四边形网格四边形网格使用四边形面片近似曲面,与三角网格相比,四边形网格在某些应用中有独特优势。在动画和有限元分析中,四边形网格常能提供更好的变形行为和数值性质。四边形网格也更适合表示具有自然参数化的曲面,如旋转曲面和拉伸曲面。然而,四边形网格的创建和维护通常比三角网格更复杂,尤其是在处理任意拓扑时。点云表示点云是表示曲面的更原始方式,它仅由曲面上的采样点组成,不包含连接信息。点云通常来自3D扫描设备或传感器,如激光扫描仪、结构光扫描仪或深度相机。点云处理是一个活跃的研究领域,包括点云配准、表面重建、特征提取等任务。近年来,基于点云的深度学习方法也取得了重要进展,如PointNet等网络结构,使得直接从点云进行形状分析和识别成为可能。7.3隐式表示1水平集方法水平集方法表示曲面为隐函数φ(x,y,z)=0的零等值面,其中φ在曲面内部为负,外部为正,|φ|表示到曲面的近似距离。水平集方法的主要优点是能够自然处理拓扑变化,如曲面分裂和合并,因此在流体模拟、图像分割和形状演化中广泛应用。水平集方程?φ/?t+F|?φ|=0描述了曲面随时间的演化,其中F是法向速度场。2距离场距离场是一种特殊的隐式表示,它为空间中每点存储到曲面的精确(或近似)有符号距离。与一般隐式函数相比,距离场具有|?φ|=1的性质,便于计算曲面上的投影点和最短距离。距离场在碰撞检测、字体渲染和计算几何中有重要应用。构建和维护精确距离场可能计算昂贵,因此实践中常使用近似方法,如快速行进法(FastMarchingMethod)和扫描转换算法。3构造实体几何(CSG)构造实体几何(CSG)通过布尔运算(如并、交、差)组合基本几何体(如球、立方体、圆柱体)来构建复杂形状。每个基本体可以用隐函数表示,布尔运算则转化为隐函数的min/max运算。CSG是CAD系统中的核心技术,特别适合设计精确几何体。现代CSG系统常结合隐式表示和显式边界表示,利用各自优势:隐式表示便于布尔运算,而边界表示便于可视化和物理分析。7.4计算机图形学中的应用3D建模创建数字3D模型的过程1曲面渲染生成曲面的可视图像2物理仿真模拟曲面的动态行为3增强现实将虚拟曲面融入现实4在3D建模领域,曲面表示方法直接影响建模过程和工具设计。参数化方法如NURBS适合精确CAD建模;细分曲面适合角色和有机形状建模;体素和隐式表示则适合雕刻式建模和过程式生成。不同领域选择不同的表示方法,如工业设计倾向于NURBS,电影动画倾向于细分曲面,游戏开发则主要使用多边形网格。曲面表示在动画和仿真中也至关重要。在角色动画中,曲面需要平滑变形以表现肌肉运动;在布料模拟中,曲面必须准确表达褶皱和弹性特性;在流体模拟中,自由表面通常
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