chap5三維造型技術(shù)-1(曲面造型2學(xué)時)教學(xué)課件

61、輟學(xué)如磨刀之石，不見其損，日有所虧。62、奇文共欣贊，疑義相與析。63、曖曖遠人村，依依墟里煙，狗吠深巷中，雞鳴桑樹顛。64、一生復(fù)能幾，倏如流電驚。65、少無適俗韻，性本愛丘山。chap5三維造型技術(shù)-1(曲面造型2學(xué)時)chap5三維造型技術(shù)-1(曲面造型2學(xué)時)61、輟學(xué)如磨刀之石，不見其損，日有所虧。62、奇文共欣贊，疑義相與析。63、曖曖遠人村，依依墟里煙，狗吠深巷中，雞鳴桑樹顛。64、一生復(fù)能幾，倏如流電驚。65、少無適俗韻，性本愛丘山。chap5三維造型技術(shù)-1(曲面造型2學(xué)時)計算機動畫軟件學(xué)院：武劍潔2Part3三維動畫技術(shù)Chap5三維造型技術(shù)Chap6著色原理與方法Chap7運動控制Chap8三維動畫制作工具3物體的數(shù)字模型各種形態(tài)的物體剛性物體與柔性物體規(guī)則物體與不規(guī)則物體多邊形物體與曲面物體6物體的數(shù)字模型剛性物體（RigidObject）在運動中，形狀和大小不受外界力影響的物體柔性物體（FlexibleObject）形狀、大小受外力的作用而改變，這種改變可采用變形方法進行處理7物體的數(shù)字模型規(guī)則物體可用規(guī)則的數(shù)學(xué)方法予以表示的物體，例如標準件、普通的門、衣柜等可以用平面、多邊形、樣條曲面進行表示不規(guī)則物體難以用一般的數(shù)學(xué)方法進行表示的物體例如煙、云、水、火可用粒子系統(tǒng)、分形等方法進行表示8物體的數(shù)字模型多邊形物體采用多邊形造型方法，以小面為單位顯示物體外觀曲面物體采用曲面造型方法，以小面為單位顯示物體外觀9物體的數(shù)字模型物體的表示方法邊界盒形式線框模型表面模型實體模型10物體的數(shù)字模型邊界盒形式定義：即最小包容盒，是與物體長、寬、高方向最大尺寸相同，且平行于坐標平面的長方體作用：粗略表示物體大小和位置，干涉檢查，提高光線跟蹤算法效率特點：生成速度快、簡捷11物體的數(shù)字模型邊界盒可用于提高光線跟蹤算法效率12物體的數(shù)字模型1線框模型(WireframeModel)線框模型開始于20世紀60年代初，主要服務(wù)于自動化設(shè)計繪圖，最初僅包含二維線框，后逐步引入三維結(jié)構(gòu)13物體的數(shù)字模型1線框模型14物體的數(shù)字模型1線框模型定義：以若干線條表示組成物體的表面維度：1D3D本質(zhì)：采用三維形體的全部頂點及邊的集合來描述三維形體作用：看到物體的真實形狀，支持表面的編輯和修改15物體的數(shù)字模型線框模型的基本元素點邊直線（可以直接輸出繪圖）二次曲線（可以直接輸出繪圖）自由曲線（不能直接輸出繪圖，必須采用NURBS形式將直線、圓弧和自由曲線統(tǒng)一起來，變成組合曲線）16物體的數(shù)字模型線框模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)點表邊表17v1v2v3v4v5v6v8v7e1e2e4e3e5e6e7e8e9e10e11e12物體的數(shù)字模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)點表邊表18點坐標V1x1,y1,z1V2x2,y2,z2V3x3,y3,z3V4x4,y4,z4V5x5,y5,z5V6x6,y6,z6V7x7,y7,z7V8x8,y8,z8物體的數(shù)字模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)點表邊表屬性用于區(qū)分直線段和曲線段19邊頂點屬性E1V1,V20E2V2,V30E3V3,V40E4V4,V10E5V5,V60E6V6,V70E7V7,V80E8V8,V50E9V1,V50E10V2,V60E11V3,V70E12V4,V80物體的數(shù)字模型線框模型的優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單數(shù)據(jù)運算簡單，處理容易數(shù)據(jù)存儲量小，操作靈活對硬件要求不高，響應(yīng)速度快易于描述二維目標（二維視圖和工程圖）20物體的數(shù)字模型線框模型的缺點不能自動消隱，當(dāng)物體形狀復(fù)雜時，線條繁多，難以觀察（區(qū)分顏色和線型）對于曲面形體，難以準確描述物體棱邊缺少面的信息，容易出現(xiàn)二義性21物體的數(shù)字模型對于曲面形體，難以準確描述物體棱邊添加母線描述圓弧起點、終點、圓心、圓弧走向22物體的數(shù)字模型缺少面的信息，容易出現(xiàn)二義性且無法對圖形進行剖切不能計算形體幾何特性（面積、體積）23物體的數(shù)字模型2表面模型(SurfaceModel)定義：由若干個面表示物體的表面，本質(zhì)：采用面的集合來描述三維形體，每個面由多條有向邊構(gòu)成，用環(huán)來定義面的邊界作用：根據(jù)表面參數(shù)可生成較真實的明暗圖和紋理細節(jié)圖24物體的數(shù)字模型2表面模型25物體的數(shù)字模型表面模型的建模過程將復(fù)雜外表面分解成若干組成面定義基本面素，如平面、圓柱面、回轉(zhuǎn)面等通過面素的連接構(gòu)成組成面組成面拼接成最終的表面26物體的數(shù)字模型表面模型是在線框模型基礎(chǔ)上增加了有關(guān)面、邊（環(huán)）的信息線框構(gòu)成曲面的邊界27物體的數(shù)字模型表面模型的分類平面模型，以多邊形網(wǎng)格為基礎(chǔ)曲面模型，以參數(shù)曲面片為基礎(chǔ)28物體的數(shù)字模型平面模型基于線框模型將線框模型中的邊所圍成的封閉部分定義為面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中需添加面表適于表達簡單規(guī)則形體對于曲面形體，需用小平面片逼近來近似描述29物體的數(shù)字模型平面模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)v1v2v3v4v5v6v8v7e1e2e4e3e5e6e7e8e9e10e11e12物體的數(shù)字模型平面模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)點表邊表面表31面邊F1E1,E2,E3,E4F2E5,E6,E7,E8F3E1,E10,E5,E9F4E2,E11,E6,E10F5E3,E12,E7,E11F6E4,E9,E8,E12物體的數(shù)字模型曲面模型基于曲線曲面理論的描述方法常見曲面形式：Bezier曲面，B樣條曲面，NURBS曲面等物體的數(shù)字模型表面模型的優(yōu)點表達了形體表面和邊界定義的數(shù)據(jù)信息，可以實現(xiàn)渲染處理，且效果逼真面信息有助于計算形體的幾何特征（表面積、體積等）可以消隱、著色、曲面求交物體的數(shù)字模型表面模型的缺點受計算機硬件性能的限制，速度很慢對不規(guī)則區(qū)域的曲面進行處理時，效率低，需利用高次曲面來逼近生成相交線以蒙面的方式構(gòu)造形體，容易在相交處導(dǎo)致重疊或縫隙物體的數(shù)字模型表面模型的缺點（續(xù)）缺乏面和體之間的拓撲關(guān)系，只能表示物體的表面邊界，不能表達出真實實體的屬性，不區(qū)分面的哪一側(cè)是體內(nèi)，哪一側(cè)是體外僅描述外表面，無法表示形體是實心體，還是有一定壁厚的殼體物體的數(shù)字模型3實體模型(SolidModel)是20世紀70年代后期逐漸發(fā)展完善起來的建模技術(shù)實體模型是最高級的模型，能完整表示物體的所有形體信息，可以無歧義地確定一個點是在物體外部還是內(nèi)部或表面上物體的數(shù)字模型實體模型用于構(gòu)造具有封閉空間的幾何形體在表面模型的基礎(chǔ)上明確定義表面的哪一側(cè)存在實體，增加了給定點與形體之間的關(guān)系信息物體的數(shù)字模型實體模型與線框模型和表面模型的區(qū)別不允許有單一的面或線表示實體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄了全部幾何信息，以及點、線、面、體的拓撲信息物體的數(shù)字模型實體模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)v1v2v3v4v5v6v8v7e1e2e4e3e5e6e7e8e9e10e11e12物體的數(shù)字模型實體模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)點表邊表面表40面邊F1-E1,-E2,-E3,-E4F2E5,E6,E7,E8F3E1,E10,E5,E9F4E2,E11,E6,E10F5E3,E12,E7,E11F6E4,E9,E8,E12物體的數(shù)字模型動畫軟件中使用的模型多邊形模型曲面模型41物體的數(shù)字模型多邊形模型（網(wǎng)格模型）一般采用三角形和四邊形特點易于表示表面非常復(fù)雜的物體42物體的數(shù)字模型曲面模型采用圓柱面、圓錐面、圓球面和橢球面等二次曲面造型特點構(gòu)造分辨率無關(guān)造型靈活、方便43Chap5三維造型技術(shù)物體的數(shù)字模型表示形體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)曲面造型實體造型分形造型其他造型方法44表示形體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)三表結(jié)構(gòu)八叉樹45表示形體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)三表結(jié)構(gòu)點表邊表面表46表示形體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)八叉樹針對2D圖形，采用四叉樹結(jié)構(gòu)針對3D形體，采用八叉樹結(jié)構(gòu)基本思想：將空間分割成均勻的立方體網(wǎng)格，根據(jù)物體所占網(wǎng)格的有無和位置來定義物體47表示形體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)八叉樹結(jié)構(gòu)定義形體的最小包容盒將形體分割為8個子立方體，邊長是原來的一半，并分別編號若子立方體體內(nèi)空間全部為“滿”，或“空”，或達到規(guī)定的分解精度，則停止，否則繼續(xù)分割48表示形體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形體的最小包容盒滿足外接正立方體三條棱邊分別平行于x,y,z軸邊長為2n49表示形體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)50表示形體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)三維形體的八叉樹表示51表示形體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示形體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)八叉樹的優(yōu)點用統(tǒng)一而簡單的形體表示空間任意形狀的實體，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單容易實現(xiàn)實體之間的布爾運算容易實現(xiàn)干涉檢查易于計算形體的幾何特性（體積、質(zhì)量等）容易消隱和顯示輸出（可以并行處理）53表示形體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)八叉樹的缺點存儲量大（可用線性八叉樹編碼來改善）難以實現(xiàn)某些幾何變換，如旋轉(zhuǎn)、比例變換等難以轉(zhuǎn)換成B-Rep或CSG形式54Chap5三維造型技術(shù)物體的數(shù)字模型表示形體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)曲面造型實體造型分形造型其他造型方法55曲面造型主要研究計算機內(nèi)如何描述一張曲面，及曲面的顯示與控制56曲面造型曲面的分類基本曲面運動曲面表層曲面導(dǎo)出曲面57曲面造型(1)基本曲面：不需要事先構(gòu)造曲面框架，通過指定數(shù)值即可直接生成的面球面(Sphere)錐面(Cone)圓柱面(Cyliner)環(huán)面(Torus)58曲面造型基本曲面的種類59曲面類型曲面定義曲面主要參數(shù)球面環(huán)的外表面球心坐標+球半徑錐面錐體側(cè)表面底圓心位置+底圓半徑+頂圓半徑+錐體高度圓柱面圓柱體側(cè)面底圓心位置+圓柱半徑+圓柱高度環(huán)面回轉(zhuǎn)體的圓形換面圓環(huán)界面半徑+圓環(huán)回轉(zhuǎn)半徑+回轉(zhuǎn)中心位置60曲面造型圓柱面是特殊的錐面61曲面造型對于動畫造型而言基本曲面屬于標準基本體，通過簡單的幾個參數(shù)就可以創(chuàng)建其曲面62曲面造型(2)運動曲面：利用線條在空間移動而生成曲面生成曲面之前需構(gòu)造曲面框架旋轉(zhuǎn)曲面(Revolvedsurface)拉伸曲面(Extrudedsurface)管道曲面(Tubularsurface)掃曲面(Sweptsurface)63曲面造型運動曲面的種類64曲面類型曲面定義曲面框架旋轉(zhuǎn)曲面一條母線沿一條軸線旋轉(zhuǎn)形成的曲面2D旋轉(zhuǎn)母線+旋轉(zhuǎn)軸+旋轉(zhuǎn)角度拉伸曲面一條曲線在空間沿著某直線方向移動生成的曲面3D曲線+移動的方向（或移動直線段）管道曲面一個圓的圓心沿著指定的曲線移動生成的曲面截面圓+3D曲線掃曲面一條剖面線沿另一條基準線平行移動生成的曲面剖面線+3D曲線曲面造型旋轉(zhuǎn)曲面65曲面造型拉伸曲面66拉伸曲面曲面造型掃曲面即放樣,注意與管道體的區(qū)別67曲面造型旋轉(zhuǎn)曲面是特殊的掃成面掃的路徑是圓弧拉伸曲面是特殊的掃成面掃的路徑是直線管道曲面是特殊的掃成面移動的剖面線是圓周68曲面造型(3)表層曲面：通過“封裝”一個曲面框架而形成曲面直紋曲面(Rulesurface)平整曲面(Planarsuface)U蒙面(Loftedsurface)UV蒙面(Loftedsurface)69曲面造型直紋曲面定義：兩條曲線間封裝而成的一個直而平的空間曲線兩條曲線具有相同的次數(shù)和相同的節(jié)點矢量，且走向相同，將參數(shù)相同的對應(yīng)點用直線段連接即可曲面框架：兩條3D曲線70曲面造型直紋曲面71曲面造型平整曲面定義：在一個2D封閉曲面上封裝而成的平面曲面框架：2D閉曲線72曲面造型平整曲面73曲面造型U蒙面定義：在一組2D曲線框架上封裝而成的空間曲面，這組2D曲線具有相同的特征曲面框架：一組性質(zhì)相似的2D曲線74曲面造型U蒙面75曲面造型UV蒙面定義：在兩組2D曲線框架上封裝而成的空間曲面，每組2D曲線具有相同的特征曲面框架：一組性質(zhì)相似的2D曲線作為U向或V向造型線76曲面造型UV蒙面77曲面造型直紋曲面是特殊的蒙面78曲面造型(4)導(dǎo)出曲面：根據(jù)已經(jīng)存在的曲面生成新的曲面過渡曲面(Blendedsurface)等距曲面(Offsetsurface)倒邊曲面(Filletsurface)倒角曲面(Cornerfilletsurf)79曲面造型導(dǎo)出曲面的種類