CAGD中对偶基与几何逼近问题的应用研究

论文摘要

计算机辅助几何设计,简称CAGD（Computer Aided Geometric Design）,是随着航空、造船、机械设计和制造等现代工业的蓬勃发展与计算机的出现而发生与发展起来的一门新兴的学科。其中自由曲线、曲面造型是其重要内容。近些年来,新的曲线不断被提出,如Wang-Ball曲线,Said-Ball曲线,SBGB曲线,WSGB曲线和WBGB曲线等。这些曲线与CAGD中使用最为广泛的Bezier曲线相比大多也具有端点切触性,凸包性,保形性等。为了实现不同造型系统或图形系统的数据交换,也为了获得不同曲线再同一系统中混合使用,以及进行拼接、求导、绘制等几何操作的一致性,有必要研究不同曲线之间的转换,对偶基就是实现曲线在各种不同的基下相互转换时所普遍采用的工具。曲线/曲面的逼近与表示是CAGD中的两大基本理论问题,其中,降阶逼近,等距逼近,有理曲线/曲面的多项式逼近由于直接关系到几何设计系统的效率,精度,质量和功能已经成为当前的研究热点。有鉴于此,本文针对对偶基和几何逼近若干问题展开了较为深入的研究,主要的研究工作及成果如下:·在对偶基的理论和应用方面（1）构造了NS幂基和WBGB基的对偶基,并利用对偶基给出了NS幂基和WBGB基下的Marsden恒等式,实现了Bezier曲线到NS幂基曲线、WBGB曲线的转换,为充分利用B6zier曲线和NS幂基曲线,WBGB曲线各自的优点提供了理论基础。（2）通过引入一组参数K,L,本文进一步研究了广义Ball曲线的统一表示,给出了Bezier-Said-Wang型广义Ball曲线（BSWGB曲线）,这族曲线将Said-Ball曲线,Wang-Ball曲线,WSGB曲线,SBGB曲线和WBGB曲线统一的表示出来,使得上述广义Ball曲线成为BSWGB曲线族的特例。本文还使用对偶基作为工具对BSWGB基做了进一步的研究,推导出它们的对偶基公式,使得文献（[奚9]],[OG97],[江04],[Wu04],[蒋04a],[蒋04b],[JWT06],[ZWT09b]）的对偶基成为本文的特例。同时也解决了实际中的两个问题:1)推导出一般幂基的BSWGB基表示,也即相应的Marsden恒等式;2)推导出Bemstein基到BSWGB基的转换公式。（3）通过引入两向量函数内积矩阵的概念和运算,给出了SBGB基的带权对偶基函数的显式表达式,并得到了它的满足边界约束条件的带权对偶基函数。本文还给出了SBGB基的积分形式的对偶泛函,提出了一种用SBGB基表示的、满足一定插值条件的多项式作平方可积函数最小二乘逼近的直接解法。本文的结果包含了带权的Bernstein基,Said-Ball基和一些中间基函数的对偶基,并使得文献（[J（u|¨）t98],[RA07],[RA08]）的结果成为本文的特例。这些结果对于研究SBGB基的理论和推广它的应用将起一定的作用。利用上述结果,可以类似讨论带权的WBGB基,WSGB基和BSWGB基的对偶基函数。作为对带权对偶基函数的应用,本文还针对平面Bezier曲线的等距曲线,给出了相应的逼近算法。●在S幂基的应用方面S幂基函数拥有着良好的数值性质,它与Bernstein基的转换矩阵是非病态矩阵。S幂基不仅保留了幂基函数形式简单、易于计算的优点（满足Horner嵌套算法）,并且采用该幂基的多项式曲线的系数矢量具有明显的几何意义,可以作为形状操作工具。最重要的是这种幂基曲线对曲线的两个端点都能做到保端点高阶连续,特别有利于曲线/曲面的分段表示。Sanchez-Reyes对一元S幂基做了非常完备的讨论,并简要的介绍了二元S幂基。在此基础上,本文详细的讨论了二元S幂基的除法运算和求平方根运算。作为对二元S幂基的应用,本文还给出了张量积Bezier曲面的降阶,有理Bezier曲面的多项式逼近,Bezier曲面的等距逼近的二元S幂基算法。算法表明:使用二元S幂基多项式作为工具的逼近算法复杂度低,仅仅涉及到多项式的加法,减法和乘法,并在曲面的四个角点保高阶插值,无须添加额外的约束条件。·在等距曲线/曲面的逼近方面（1）采用带重节点的“两点式“Newton插值算法,得到了等距曲线的多项式逼近算法和有理逼近算法,算法在曲线的两个端点保端点高阶插值,特别适合曲线的分段表示。适当升高多项式的阶数并结合离散算法,我们可以轻松的提高逼近精度,同时在离散点处保高阶插值。（2）采用修正的Thiele型插值算法,得到了等距曲线的有理逼近算法,并进一步考虑了保端点高阶插值的有理逼近算法,算法中每个系数的求解只涉及到乘法,除法运算,算法复杂度为D（n2）,较Li算法（复杂度为D（n3））有了较大的提高。此外采用修正的二元Newton-Thiele型混合插值算法,得到了等距曲面的有理逼近算法,算法中每个系数的求解只涉及到乘法,除法运算。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 CAGD中几种变换
• 1.2 广义Ball基与它的对偶基
• 1.2.1 Wang-Ball基与Said-Ball基
• 1.2.2 SBGB基与WSGB基
• 1.2.3 WBGB基与WSB基
• 1.3 S幂基（Symmetric power basis）
• 1.3.1 S幂基产生的背景
• 1.3.2 S幂基的定义与性质
• 1.3.3 S幂基的基本运算
• 1.4 插值算法
• 1.5 本文的主要工作和内容安排
• 1.5.1 本文的主要工作
• 1.5.2 本文的内容安排
• 第二章 NS幂基和WBGB基的对偶基及其应用
• 2.1 引言
• 2.2 NS幂基的对偶基及其应用
• 2.2.1 NS幂基函数
• 2.2.2 NS幂基的对偶基
• 2.2.3 NS幂基的Marsden恒等式
• 2.2.4 Bernstein基到NS幂基的转换
• 2.2.5 均匀B样条基到NS幂基的转换
• 2.3 WBGB基的对偶基及其应用
• 2.3.1 WBGB基的对偶基
• 2.3.2 WBGB基的Marsden恒等式
• 2.3.3 Bernstein基到WBGB基的转换
• 2.4 小结
• 第三章 广义Ball基的统一表示及其对偶基的应用研究
• 3.1 引言
• 3.2 Bezier-Said-Wang型广义Ball基（BSWGB基）
• 3.2.1 BSWGB基的定义
• 3.2.2 BSWGB基函数的性质
• 3.2.3 BSWGB曲线
• 3.3 BSWGB基的对偶基
• 3.4 BSWGB基的Marsden恒等式
• 3.5 Bernstein基到BSWGB基的转换
• 3.6 小结
• 第四章 带权广义Ball基的对偶基及其应用研究
• 4.1 引言
• 4.2 带Jacobi权的SBGB基的对偶基函数
• 4.2.1 不满足边界约束条件的带Jacobi权的SBGB基的对偶基函数
• 4.2.2 满足边界约束条件的带Jacobi权SBGB基的对偶基函数
• 4.3 SBGB基的对偶泛函和最小二乘逼近
• 4.4 广义Ball基及其对偶基函数的图形
• 4.5 带权对偶基在等距逼近中的应用
• 4.5.1 平面Bezier曲线等距曲线的逼近算法
• 4.5.2 误差估计与数值实例
• 4.6 小结
• 第五章 二元S幂基在几何逼近中的应用研究
• 5.1 引言
• 5.2 二元S幂基
• 5.3 Bezier曲面的降多阶逼近
• 5.3.1 Bezier曲面的降多阶逼近
• 5.3.2 误差估计与数值实例
• 5.4 有理Bezier曲面的多项式逼近
• 5.4.1 有理Bezier曲面的多项式逼近
• 5.4.2 误差估计与数值实例
• 5.5 等距曲面的多项式逼近与有理逼近
• 5.5.1 等距曲面的多项式逼近与有理逼近
• 5.5.2 误差估计与数值实例
• 5.6 小结
• 第六章 等距曲线/曲面的插值逼近
• 6.1 引言
• 6.2 Newton插值在等距曲线逼近中的应用研究
• 6.2.1 等距曲线的两点式Newton插值逼近
• 6.2.2 数值实例
• 6.3 修正Thiele型连分式插值算法在等距曲线逼近中的应用研究
• 6.3.1 等距曲线的修正Thiele插值逼近算法
• 6.3.2 保端点高阶插值的等距曲线的Thiele插值逼近算法
• 6.3.3 误差估计与数值实例
• 6.4 二元连分式插值算法在等距曲面逼近中的应用研究
• 6.4.1 修正Newton-Thiele型有理插值算法在等距曲面中的应用研究
• 6.4.2 误差估计与数值实例
• 6.5 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文的工作总结
• 7.2 今后的研究工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间主持和参加的科研项目
• 攻读博士学位期间完成的论文