Моделирование кривых линий и поверхностей
В большинстве случаев с помощью тел и поверхностей, называемых аналитическими, нельзя описать реальные геометрические объекты. На протяжении долгого времени выход из этого положения заключался в представлении объекта с помощью произвольно проведенных линий, взаимное сопряжение которых осуществлялось специалистами очень высокой квалификации: модельщиками, литейщиками, изготовителями штампов. Решение этой задачи в разных областях техники характеризовалось общим свойством – отсутствием какого бы то ни было предварительного математического определения, даже частичного, в результате чего решение задачи начиналось с выполнения последовательных шагов аппроксимации и заканчивалось вручную. Каждый шаг подгонки основывался на результатах экспериментов или просто на указаниях дизайнера. Из-за недостатка информации такие зависимости часто назывались экспериментальными.
В инженерной геометрии существует большое количество отработанных графических способов построения плавных кривых – обводов. Они традиционно применялись при проектировании таких объектов, как корпус корабля, кузов автомобиля, фюзеляж и крыло самолета и многих других (рисунок 3.21).
Рисунок 3.21 - Примеры кривых поверхностей в технике
В результате форма тела задается при помощи набора очень точно изготовленных сечений – плазов. Кроме перечисленных примеров сложную форму поверхности имеют лопасти гидравлических и паровых турбин, гребные винты, лопатки авиационных двигателей, крыльчатки и др., т. е. объекты, функциональные требования к которым связаны с омыванием какой-либо средой. Кроме функциональных требований к изделиям предъявляются и эстетические. В этом случае также решаются задачи проектирования кривых линий и поверхностей произвольной формы.
Появление ЭВМ позволило перейти от «ручных» графических способов моделирования к более эффективному способу задания кривых и поверхностей. Процесс проектирования происходит следующим образом: задают координаты сравнительно небольшого числа опорных точек (например расчетных или полученных в результате эксперимента), лежащих на искомой линии или поверхности, и через эти точки проводят плавные кривые линии. Такое конструирование носит итерационный характер.
Модель (аналитическое описание), полученную на некотором шаге итерации, модифицируют и улучшают до тех пор, пока не будет достигнута желаемая форма кривой или поверхности. Проблема состоит в математически точном воспроизведении формы изделия, исходя из координат точек, расположенных на его поверхности.
При моделировании кривых линий и поверхностей, их машинного представления возникают задачи аппроксимации, интерполяции и сглаживания исходных данных (рисунок 3.22).
Рисунок 3.22 - Аппроксимация (а) и интерполяция (б) кривых
Задачи аппроксимации (приближенного представления) возникают при замене кривой или поверхности, описываемых сложными функциями, другими функциями, описываемыми более простыми уравнениями, без потери необходимой точности.
Задачи интерполяции (приближенного восстановления) связаны с поиском гладких кривых или поверхностей, проходящих через множество заданных точек.
Задачи сглаживания возникают, когда необходимо, чтобы искомая кривая или поверхность описывались функцией, обеспечивающей, например, необходимую степень дифференцирования.
Таким образом, при моделировании кривых линий и поверхностей решается следующая задача: по заданному массиву точек на плоскости или в пространстве строится кривая, проходящая через все эти точки (задача интерполяции) либо проходящая вблизи от этих точек (задача сглаживания).
Обратимся для определенности к задаче интерполяции и начнем рассмотрение с обсуждения правил выбора класса кривых.