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文档简介
CAGD出
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计算机辅助几何设计
厦门大学曾晓明教授
助教杨军
1.课程简介
计
算
计算机辅助几何设计(ComputerAidedGeometric
机Design,简称CAGD)这一术语1974年由巴恩希尔
辅(Barnhill)与里森费尔德(Riesenfeld)在美国犹他(Utah
助大学的一次国际会议上提出,以描述计算机辅助设
几计(CAD)的更多的数学方面,为此加上“几何”的
何修饰词,在当时,其含义包括曲线、曲面和实体的
表示,及其在实时显示条件下的设计,也扩展到其
设
他方面,例如四维曲面的表示与显示。自此以后,
计
◎计算机辅助几何设计开始以一门独立的学科出现。
碎
计
算
机
1971年英国的福里斯特(Forrest)曾给出了含
辅义与CAGD大致相同的另一名称——计算几何
助(ComputationalGeometry),定义为形状信息的计
几算机表示、分析与综合。但是由于“计算几何”
何同时也用于另外一门介绍关于几何搜索、凸包、
设近似、相交等算法的学科,因此为避免“计算几
计何”这一名称的二义性,这里沿用计算机辅助几
何设计这一学科名称。
◎
碎
1.1CAGD的研究对象与核心问题
计
算本学科是随着航空、汽车等现代工业的发展与
机计算机的出现而产生与发展起来的一门新兴学科。
辅其主要研究对象是工业产品的几何形状。一类仅在
初等解析曲面(例如平面、圆柱面、圆锥面、森面、
助
几圆环面等)组成,大多数机械零件属于这一类;第
何二类由以复杂方式自由变化的曲线曲面即所谓自由
型曲线曲面组成,例如飞机、汽车、船舶的外形零
设
件,而这一类形状单纯用画法几何与机械制图是不
计
◎能表达清楚的。
碎
图例:工业产品中的解析曲面和自由型曲面
计
算
机
辅
助
几
何
设
计
◎滑动轴承座及轴承盖等汽车车身由若干自由型
机械零件,由若干解析曲面拼接而成,无法用
碎曲面拼接而成。解析曲面表示。
计
算
机
辅在工业上,人们一直在寻求用数学方法惟一
地定义自由型曲线曲面的形状以便由计算机来完
助成大量的工作。形状的几何定义为所有的后置处
几理(如数控加工、物性计算、有限元分析等)提供
何了必要的先决条件。在形状信息的计算机表示、
设分析与综合中,々心内向红]计算机表示,即要
计找到既适合计算机处理且有效地满足形状表示与
几何设计要求,又便于形状信息传递和产品数据
交换的形状描述的数学方法。
1.2形状数学描述的发展主线(历史回顾)
计
算自由型曲线曲面因不能由画法几何与机械制图
机方法表达清楚,成为工程师们首先要解决的问题。
辅1963年,美国波音(Boeing)飞机公司的弗格森
助(Ferguson)首先提出将曲线曲面用参数方程表示。
几他最早引入参数三次曲线,构造了组合曲线和由四
何角点的位置矢量及两个方向的切矢定义的弗格森双
设三次曲面片。弗格森所采用的曲线曲面的参数形式
计从此成为形状数学描述的标准形式。
争
碎
计
算1964年,美国麻省理工学院(Massachusetts
机InstituteOfTechnology,简称MIT)的孔斯(Coons)发
辅表了一个具有一般性的曲面描述方法。但它与
助弗格森曲面片一样都存在形状控制与连接问题。
几同年,舍恩伯格(schoenberg)提出的样条函
何数提供了解决连接问题的一种技术,样条方法用
设于解决插值问题,在构造整体上达到某种参数连
计续阶(指可微性)的插值曲线、曲面时是很方便的
,但不存在局部形状调整的自由度,而且样条曲
线和曲面的形状难以预测。
◎
碎
计
算法国雷诺(Renault)汽车公司的贝齐尔(Bezier)于
机1971年发表了一种由控制多边形定义曲线的方法。
辅设计员只要移动控制顶点就可方便地修改曲线的形
助状,而且形状的变化完全在预料之中,贝齐尔方法
几简单易用,又出色地解决了整体形状控制问题。为
何CAGD的进一步发展奠定了坚实基础。贝齐尔方
法仍存在连接问题,还有局部修改问题。稍早于贝
设齐尔,在法国雪铁龙(Citroen)汽车公司工作的德卡
计斯特里奥(deCasteljau)也曾独立地研究发展了同样
的方法,但结果从未公开发表。
@
山
计
算
机德布尔(deBoor)于1972年给出了关于B样条
辅的一套标准算法。美国通用汽车公司的戈登
助(Gordon)和里森费尔德(Riesenfeld)于1974年将
B样条理论应用于形状描述.提出了B样条曲线
几曲面。它几乎继承了贝齐尔方法的一切优点,克
何服了贝齐尔方法存在的缺点,较成功地解决了局
设部控制问题,又轻而易举地在参数连续性基础上
计解决了连接问题。
◎
碎
计
算B样条方法较成功地解决了自由型曲线曲面形状
机的描述问题。然而,将其应用于圆锥截线及初等解
辅析曲面却是不成功的,都只能给出近似表示。为此
助,1975年美国锡拉丘兹(Syracuse)大学的弗斯普里
几尔(Versprille)在他的博士论文中首先提出了有理B样
何条方法。以后,主要由于皮格尔(Piegl)、蒂勒
设(Tiller)和法林(Farin)等人的功绩,至20世纪80年代
计后期,非均匀有理B样条(NonUniformRationalB
spline,简称NURBS)方法成为用于曲线曲面描述的
最广为流行的数学方法。
◎
碎
1.3其他一些重要进展与趋向
计
算
机当今大部分CAD系统中的曲面都定义在矩形
辅上。其主要原因要追溯到曲面设计方法的最初应用
助上。当初设计的汽车与飞机机身等物体的外形曲面
几均具有内在的矩形结构。这导致早期系统都围绕矩
何形曲面片建立。后来,在一些更复杂的零件造型中
9
设矩形曲面片与矩形拓扑的局限性就暴露出来。N
边曲面片特别是三边曲面片成为一个广泛
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