三维建模之曲面造型的发展概况

随着计算机图形显示对真实性、实时性和交互性要求的日益增强,几何设计对象向着多样性、特殊性和拓扑结构复杂性靠拢这一趋势日益明显,以及图形工业和制造工业迈向一体化、集体化和网络化步伐的日益加快,曲面造型技术近几年得到了长足的发展,主要表现在研究领域的急剧扩展。

从研究领域来看,曲面造型技术已从传统的研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接、扩展到曲面变形、曲面重建、曲面简化、曲面转换和曲面等距性。

1.曲面变形

传统的约束曲面模型仅允许调整控制顶点或权因子来局部改变曲面形状,至多利用层次化模型在曲面特定点进行直接操作;一些简单的基于参数曲线的曲面设计方法,如扫描、旋转法和拉伸法也仅允许调整生成曲线来改变曲面形状。计算机动画和实体造型业迫切需要发展与曲面表示方式无关的变形方法或形状调配方法,于是产生了自由变形法、基于弹性变形或热弹性力学等物理模型的变形法、基于求解约束的变形法、基于几何约束的变形法等曲面变形技术、以及基于多面体对应关系的曲面形状调配技术。

2.曲面重建

在精致的轿车车身设计或人脸类雕塑曲面的动画制作中,通常利用油泥制模,再进行三维型值点采样。在医学图像可视化中,也常用CT扫描来得到人体脏器表面的三维数据点。

从曲面上的部分采样信息来恢复原始曲面的几何模型,称为曲面重建。采样工具为激光测距扫描器、医学成像仪、接触探测数字转换器、雷达或地震探测仪器等。根据重建曲面的形式,它可分为函数型曲面重建和离散型曲面重建。前者的代表如离散点集拟合法,后者的常用方法是建立离散点集的平面片逼近模型。

3,曲面简化

与曲面重建一样,曲面简化这一研究领域目前也是国际热点之一。其基本思想是从三维重建后的离散曲面或造型软件的输出结构(主要是三角网络)中去除冗余信息,同时又保证模型的准确度,以利于图形显示的实时性、数据存储的经济性和数据传输的快速性。

对于多分辨率曲面模型而言,这一技术还有利于建立曲面的层次逼近模型,进行曲面的分层显示、传输和编辑。具体的曲面简化方法有网格顶点剔除法、网格边界删除法、最大平面逼近多边形法以及参数化重新采样法。

4,曲面转换

同一张曲面可以表示为不同的数学形式,这一思想不仅具有理论意义,而且具有工业应用的现实意义。例如,NURBS曲面设计系统与多项式曲面设计系统之间的数据传递和无纸化生产工艺。

5.曲面等距性

曲面等距性在计算机图形及加工中有着广泛的应用,因而成为这几年的热门课题之一。例如,数控机床的刀具路径设计就要研究曲线的等距性。但从数学表达式中容易看出,一般而言,一条平面参数曲线的等距曲线是有理曲线,这就超越了通用NURBS系统的使用范围,造成了软件设计的复杂性和数值计算的不稳定性。
此外,曲面造型在表示方法上也进行了极大地革新,以网格细分为特征的离散造型与传统的连续造型相比,大有后来居上的创新之势,这种曲面造型方法能够创建出生动逼真的特征动画和雕塑曲面。

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