1. 引言
轴线异面管道光滑拼接是计算几何领域中难点基础问题。我们在基于轴线光滑拼接的管道拼接方面做了诸多尝试 [1] - [7]。Bézier曲线和B样条曲线是构造自由曲线的有力工具,但是Bézier曲线和B样条曲线各有优缺点:Bézier曲线通过控制多边形的两个端点,且与控制多边形的始边和终边相切,不能局部修改;B样条曲线具有局部可修改性,但是不通过控制多边形的始末端点。我们用三点共线方法构造了三段连续的三次均匀B样条曲线光滑拼接两个异面直线,实现了轴线光滑拼接的三段管道拼接。还可以用两重顶点的技术构造三段连续的轴线来构造管道拼接。而用三点共线或两重顶点的技术会增加曲线的段数。用过指定顶点的一段三次均匀B样条曲线拼接异面直线时,在视觉上的光顺性达不到预期。本文拟构造一段过指定顶点的三次均匀有理B样条曲线,并用于轴线异面管道拼接。
2. 过指定顶点的三次有理B样条曲线及其性质
定义1 设
和
分别称为三次均匀B样条函数和三次均匀有理B样条函数。其中
为三次均匀B样条基,
为特征多边形的顶点。令
,则三次均匀有理B样条曲线可表示为
设
是给定的三次均匀B样条曲线的控制多边形的顶点,构造一段实际控制顶点为
的三次均匀有理B样条曲线,使得端点是
和
,且
和
处的切线分别为
和
,则
代入后得
(1)
将
的坐标
,代入,可得所求三次均匀有理B样条曲线的实际控制顶点
,
,
,
,则所求三次均匀有理B样条曲线的参数表达式为
例1 设
是给定的点,由式子可以得到端点为
和
,且
和
处的切线分别为
和
的实际控制顶点为
,
,
,
的三次均匀有理B样条曲线。其中
的坐标可表示为:
其中
是权因子。可设
,有以下性质:
(1) 当
或
时,是一条过
和
,且
和
处的切线分别为
和
的实际控制顶点为
,
,
,
的三次均匀B样条曲线。
(2) 当
时,是一条过
和
,且
和
处的切线分别为
和
的实际控制顶点为
,
,
,
的三次有理B样条曲线,
越小,曲线越靠近控制多边形的边
。
下图1分别为
,
,
,
和
时,过
和
,且
和
处的切线分别为
和
的有理B样条曲线,
越小曲线越靠近控制多边形的边
。

Figure 1. The adjustment function of rational B-spline curve with different weight factor
图1. 权因子
取不同值时,对有理B样条曲线的调节功能
3. 过指定顶点的三次有理B样条曲线及其在轴线异面管道拼接中的应用
在以上讨论中,假设
和
是异面直线,而三次有理B样条曲线的端点是
和
,且曲线在
和
处分别与
和
相切。这样,我们可以利用文 [2] 和 [7] 中方法,将此三次均匀有理B样条曲线应用于轴线异面管道拼接中。
例2 设
和
是两个轴线异面的粗细相同的圆管道。其中
为管道
的轴线的表达式,
分别为与轴心垂直平面的单位正交矢量。则光滑拼接两个轴线异面管道
和
的以三次B样条曲线为轴线的管道的参数表达式为 [2]
其中
是当
时,光滑拼接两个轴线异面管道轴线的三次有理B样条曲线。
拼接效果图为图2所示

Figure 2. When,
, the effect drawing of circular tube is the same radiuses tube with cubic rational B-spline curve as the axis
图2.
时,以三次有理B样条曲线为轴线的管道粗细相同圆管道效果图
例3 设
和
是两个轴线异面的粗细相同的圆管道。其中
为管道
的轴线的表达式,
分别为与轴心垂直平面的单位正交矢量。则光滑拼接两个轴线异面管道
和
的以三次B样条曲线为轴线的管道的参数表达式为 [7]
其中
和
是当
时,分别光滑拼接两个轴线异面管道轴线
和粗细不同管道某两个母线的三次有理B样条曲线,
。
拼接效果图为图3所示

Figure 3. When,
, the effect drawing of circular tube is the different radiuses tube with cubic rational B-spline curve as the axis
图3.
时,以三次有理B样条曲线为轴线的管道粗细不同圆管道效果图
4. 结束语
我们构造了一段过顶点的三次均匀有理B样条曲线,并将其应用于轴线的圆管道的光滑拼接,其拼接效果很理想。但是,通过选取权因子调整轴线靠近或远离三次有理B样条曲线的控制多边形时,轴线两端点附近的切线发生急剧变化,不能构造光滑拼接两个轴线异面椭圆管道的拼接管道,需要进一步研究。
基金项目
国家自然科学基金项目资助(11561052),浙江省教育厅一般项目资助Y (201636628)。