Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Pobegailo

.pdf
Скачиваний:
170
Добавлен:
29.02.2016
Размер:
11.14 Mб
Скачать

ЛИТЕРАТУРА

1.Мищенко, А. С. Курс дифференциальной геометрии и топологии / А. С. Мищенко,

А. Т. Фоменко. – М.: МГУ, 1980. – 439 с.

2.Дубровин, Б. А. Современная геометрия: Методы и приложения / Б. А. Дубровин, С. П. Новиков, А. Т. Фоменко. – 2-е изд. – М.: Наука, 1986. – 760 с.

3.Уорнер, Ф. Основы теории гладких многообразий и групп Ли: пер. с англ. /

Ф. Уорнер. – М.: Мир, 1987. – 304 с.

4.Понтрягин, Л. С. Непрерывные группы / Л. С. Понтрягин. – 3-е изд. – М.: Нау-

ка, 1973. – 519 с.

5.Олвер, П. Приложения групп Ли к дифференциальным уравнениям: пер. с англ.

/П. Олвер. – М.: Мир, 1989. – 639 с.

6.Постников, М. М. Лекции по геометрии. Семестр III. Гладкие многообразия / М. М. Постников. – М.: Наука, 1987. – 480 с.

7.Постников, М. М. Лекции по геометрии. Семестр IV. Дифференциальная геометрия / М. М. Постников. – М.: Наука, 1988. – 496 с.

8.Постников, М. М. Лекции по геометрии. Семестр V. Группы и алгебры Ли / М. М. Постников. – М.: Наука, 1982. – 447 с.

9.Введение в топологию: учеб. пособие для вузов / Ю. Г. Борисович [и др.]. – М.:

Высш. шк., 1980. – 295 с.

10.Стинрод, Н. Первые понятия топологии: пер. с англ. / Н. Стинрод, У. Чинн. –

М.: Мир, 1967. – 224 с.

11.Кантор, И. Л. Гиперкомплексные числа / И. Л. Кантор, А. С. Солодовников. –

М.: Наука, 1973. – 144 с.

12.Кострикин, А. И. Введение в алгебру/ А. И. Кострикин. – М.: Наука, 1977. – 496 с.

13.Blaschke, W. Kinematik und Quaternionen / W. Blaschke. – VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin, 1960. – 84 S.

14.Бранец, В. Н. Применение кватернионов в задачах ориентации твердого тела / В. Н. Бранец, Н. П. Шмыглевский. – М.: Наука, 1973. – 320 с.

15.Кирпичников, С. Н. Математические аспекты математики твердого тела / С. Н. Кирпичников, В. С. Новоселов. – Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1986. – 252 с.

16.Голубев, Ю. Ф. Основы теоретической механики / Ю. Ф. Голубев. – М.: Изд-во МГУ, 1992. – 525 с.

17.Altmann, S. L. Rotations, Quaternions, and Double Groups / S. L. Altmann. – Oxford: Clarendon Press, 1986. – 217 p.

18. Арнольд, В. И. Геометрия сферических кривых и алгебра кватернионов / В. И. Арнольд // Успехи математических наук. – 1995. – Т. 50, № 1(301). – С. 3–68.

19.Yefremov, A. P. Hypercomplex Numbers in Geometry and Physics / A. P. Yefremov

//Scientifc J. Quaternions: algebra, geometry and physical theories. – 2004. – Vol. 1, N 1. – P. 104−119.

210

20.Eberly, D. Quaternion Algebra and Calculus / D. Eberly // Geometric Tools, LLC. – 1998–2008. – 8 p. – Mode of acsees: http://www.geometrictools.com/Documentation/ Quaternions.pdf. – Дата доступа: 16.11.2009.

21.Шахинпур, М. Курс робототехники: пер. с англ. / М. Шахинпур. – М.: Мир, 1990. – 527 с.

22.Фу, К. Робототехника: пер. с англ. / К. Фу, Р. Гонсалес, К. Ли. – М.: Мир, 1989. – 624 с.

23.Spring, K. W. Euler parameters and the use of quaternion algebra in the manipulation of finite rotations: A review / K. W. Spring // Mechanism Machine Theory. – 1986. – Vol. 21, N 5. – P. 365−373.

24.Funda, J. On Homogeneous Transforms, Quaternions and Computational Efficiency / J. Funda // IEEE Trans. On Robotics and Automation. – 1990. – Vol. 6, N 3. – P. 383−388.

25.Chou Jack, C. K. Quaternion Kinematic and Dynamic Differential Equations / C. K. Chou Jack // IEEE Transactions on Robotics and Automation. – 1992. – Vol. 8, N 1. – P. 53−64.

26.Coutsias Evangelos, A. The Quaternions with an application to Rigid Body Dynamics / A. Coutsias Evangelos, L. Romero // Department of Mathematics and Statistics, University of New Mexico, Albuquerque, NM 87131, Friday 12 February 1999. – 16 p.

27.Aleš, Ude. Filtering in a unit quaternion space for model based object tracking / Ude Aleš // Robotics and Autonomous Systems. – 1999. – Vol. 28, N 2–3. – P. 163−172.

28.Shoemake, K. Quaternion calculus and fast animation / K. Shoemake // SIGGRAPH’87 Course Notes on State of the Art Image Synthesis. – ACM Press, 1987. – P. 101−121.

29.Pletinckx, D. Quaternion calculus as a basic tool in computer graphics / D. Pletinckx // The Visual Comput. J. – 1989. – Vol. 5, N 1. – P. 2−13.

30.Hanson, A. J. Visualizing quaternions / A. J. Hanson. – Morgan-Kaufmann/Elsevier, 2006. – 498 p.

31.Mukundan, R. Quaternions: From Classical Mechanics to Computer Graphics, and Beyond / R. Mukundan // Proceedings of the 7th Asian Technology Conference in Mathematics. – Melaka, 2002. – P. 97−106.

32. Stuelpnagel, J. On the parametrization of three-dimensional rotation group /

J.Stuelpnagel // SIAM Rev. – 1964. – Vol. 6, N 4. – P. 422−430.

33.Fillmore, Х. J. P. A Note on Rotation matrices / Х. J. P. Fillmore // IEEE Computer Graphics & Applications. – 1984. – February. – P. 30−34.

34.Grassia, F. S. Practical parameterization of rotations using the exponential map / F. S. Grassia // J. Graph. Tools. – 1998. – Vol. 3, N. 3. – P. 29−48.

35.Gallier, J. Computing exponentials of skew-symmetric matrices and logarithms of orthogonal matrices / J. Gallier, D. Xu // Intern. J. Robotics Automation. – 2003. – Vol. 18. – P. 10–20.

36.Bauchau, O. A. The vectorial parametrization of rotation / O. A. Bauchau, L. Trainelli // Nonlinear Dynamics. – 2003. – Vol. 32. – P. 71–92.

37.Meister, L. A concise quaternion geometry of rotations / L. Meister, H. Schaeben // Math. Meth. Appl. Sci. – 2005. – Vol. 28. – P. 101−126.

38.Bernstein, I. N. The Analytic Continuation of Generalized Functions with Respect to a Parameter / I. N. Bernstein // Functional Anal. Appl. – 1972. – Vol. 6. – P. 273−285.

39.Farouki, R. T. On the numerical condition of polynomials in Bernstein form / R. T. Farouki, V. T. Rajan // Computer Aide Geometric Design. – 1987. – Vol. 4. – P. 191−216.

211

40. Farouki, R. T. Algorithms for polynomials in Bernstein form / R. T. Farouki,

V.T. Rajan // Computer Aided Geometric Design. – 1988. – Vol. 5. – P. 1−26.

41.Farouki, R. T. On the optimal stability of the Bernstein basis / R. T. Farouki,

T.N. T. Goldman // Mathematics of computation. – 1996. – Vol. 65. – P. 1553−1566.

42.Pobegailo, A. P. Spherical splines and orientation interpolation / A. P. Pobegailo // The Visual Comp. J. – 1994. – Vol. 11, N 1. – P. 63−68.

43.Pobegailo, A. P. Modeling of Cn spherical and orientational splines / A. P. Pobegailo // Proc. Of the Third Pacific Conference on Computer Graphics and Applications, Pacific Graphics’95. Editors: Sung Yong Shin, Tosiyasu L Kunii. – World Scientific, 1995. – P. 148−156.

44.Pobegailo, A. P. Cn interpolation on smooth manifolds with one-parameter trans-

formtations / A. P. Pobegailo // Computer-Aided Design. – 1996. – Vol. 28, N 12. –

P.973−979.

45.Побегайло, А. П. Полиномиальная деформация кривых и ее применение в геометрическом моделировании / А. П. Побегайло // Вестн. БГУ. Сер. 1, Физика. Ма-

тематика. Информатика. – 2009. – N 3. – С. 106−109.

46.Pobegailo, A. P. Interpolation of rectangular grids using deformation of curves /

A. P. Pobegailo // Pattern Recognition and Information Processing, PRIP’2009, Proc. of the 10th International Conference, 19–21 May, 2009. – Minsk, 2009. – P. 334−338.

47.Алберг, Дж. Теория сплайнов и ее приложения / Дж. Алберг, Э. Нильсон,

Дж. Уолш. – М.: Мир, 1972. – 319 с.

48.Стечкин, С. Б. Сплайны в вычислительной математике / С. Б. Стечкин, Ю. Н. Субботин. – М.: Наука, 1976. – 248 с.

49.Завьялов, Ю. С. Методы сплайн-функций / Ю. С. Завьялов, Б. И. Квасов, В. Л. Мирошниченко. – М.: Наука, 1980. – 352 с.

50.Корнейчук, Н. П. Сплайны в теории приближений / Н. П. Корнейчук. – М.:

Наука, 1984. – 352 с.

51.Де Бор, К. Практическое руководство по сплайнам / К. де Бор. – М.: Радио и связь, 1985. – 304 с.

52.Hoschek, J. Circular Splines / J. Hoschek // Comput Aided Design. – 1992. – Vol. 24. – P. 611−618.

53.Hoschek, J. Spherical splines / J. Hoschek, G. Seemann // RAIRO, Modélisation mathématique et analyse numérique. – 1992. – T. 26, N. 1. – P. 1−22.

54.Dietz, R. An algebraic approach to curves and surfaces on the sphere and on other quadrics / R. Dietz, J. Hoschek, B. Jüttler // Computer Aided Geometry Design. – 1993. – Vol. 10. – P. 211–229.

55.Park, F. C. Bґezier curves on Riemannian manifolds and Lie groups with kinematic applications / F. C. Park, B. Ravani // Mechanism, Synthesis and Analysis. – 1994. – Vol. 70. – P. 15–21.

56.Wang, W. Interpolation on quadric surfaces with rational quadratic spline curves / W. Wang, B. Joe // Computer Aided Geometric Design. – 1997. – Vol. 14. – P. 207–230.

57.Wang, W. Rational spherical curve interpolation / W. Wang, K. Qin // Proceedings of CAD/Graphics’97, 1997. Shenzhen, China. – International Academic Publishers, Beijing, 1997. – P. 447–449.

58.Wang, W. Existence and computation of spherical rational quartic curves for Hermite interpolation / W. Wang, K. Qin // The Visual Comput. J. – 2000. – Vol. 16. – P. 187–196.

59.Buss, S. R. Spherical averages and applications to spherical splines and interpolation / S. R. Buss, J. P. Fillmore // ACM Trans. Graph. – 2001. – Vol. 20, N. 2. – P. 95–126.

212

60.Noakes, L. Quadratic interpolation on spheres / L. Noakes // Adv. Comput. Math. – 2002. – Vol. 17. – P. 385–395.

61.Jüttler, B. The shape of spherical quartics / B. Jüttler, Wang Wenping // Computer Aided Geometric Design. – 2003. – Vol. 20, N 8–9. – P. 621–636.

62.Popiel, T. C2 spherical Bézier splines / T. Popiel, L. Noakes // Computer Aided Geometric Design. – 2006. – Vol. 23, N 3. – P. 261–275.

63.Xiaoping, Wang. Constructing spherical curves by interpolation / Wang Xiaoping, Zhou Rurong, Ye Zhenglin, Zhang Liyan // Advances in Engineering Software. – 2007. – Vol. 38, N 3. – P. 150−157.

64.Rui, C. A new geometric algorithm to generate smooth interpolating curves on Riemannian manifolds / C. Rui, F. Rodrigues, Leite Silva, Jakubia Janusz // The London Mathematical Society J., Comput. Math. – 2005. – Vol. 8. – P. 251−266.

65.Shoemake, K. Animating rotation with quaternion curves / K. Shoemake // ACM SIGGRAPH Computer Graphics. – 1985. – Vol. 19, N 3. – P. 245−254.

66.Roberts, K. S. Smooth interpolation of rotational matrices / K. S. Roberts, G. Bishop, S. K. Ganapathy // Proceedings CVPR’88: Computer Vision and Pattern Recognition. 1988. – IEEE Computer Science Press, 1988. – P. 724–729.

67.Barr, A. H. Smooth interpolation of orientations with angular velocity constraints using quaternions / A. H. Barr, B. Currin, S. Gabriel, J. F. Hughes // Comput. Graph. – 1992. – Vol. 26, N 2. – P. 313−320.

68.Nielson, G. M. Animated rotations using quaternions and splines on a 4D sphere / G. M. Nielson, R. W. Heiland // Program. Comput. Softw. – 1992. – Vol. 18. – P. 145–154.

69.Nielson, G. Smooth interpolation of orientation / G. Nielson // In: Proc. Computer Animation’93: Models and Techniques in Computer Animation. 1993. – Springer-Verlag. Berlin, 1993. – P. 75–93.

70.Wang, W. Orientation interpolation in quaternion space using spherical biarcs / W. Wang, B. Joe // Proceedings of Graphics Interface’93. Canadian Information Processing Society, Toronto, Ontario, Canada, May 1993. – P. 24–32.

71.Hart, J. C. Visualizing Quaternion Rotation / J. C. Hart, G. K. Francis, L. H. Kauffman // ACM Transactions on Graphics. – 1994. – Vol. 13, N 3. – P. 256−276.

72.Kim, M.-J. A general construction scheme for unit quaternion curves with simple high order derivatives / M.-J. Kim, M.-S. Kim, S. Shin // Computer Graphics (SIGGRAPH). – 1995. – Vol. 29. – P. 369–376.

73.Kim, M.-S. Interpolating solid orientations with circular blending quaternion curves / M.-S. Kim, K.-W. Nam // Computer-Aided Design. – 1995. – Vol. 27, N 5. – P. 385−398.

74. Johnstone, J. K. Rational control of orientation for animation / J. K. Johnstone, J. P. Williams // Proceedings of Graphics Interface’95, 1995. Québec, Canada, Canadian Human-Computer Communications Society, Canada. – P. 179–186.

75.Park, F. C. Smooth invariant interpolation of rotations / F. C. Park, B. Ravani // ACM Trans. Graph. – 1997. – Vol. 16, N 3. – P. 277–295.

76.Horsch, T. Cartesian spline interpolation for industrial robots / T. Horsch, B. Jüttler

//Computer-Aided Design. – 1998. – Vol. 30, N 3. – P. 217−224.

77.Röschel, O. Rational motion design – a survey / O. Röschel // Computer-Aided Design. – 1998. – Vol. 30, N 3. – P. 169−178.

78.Zefran, M. Interpolation schemes for rigid body motions / M. Zefran, V. Kumar // Computer-Aided Design. – 1998. – Vol. 30, N 3. – P. 179−189.

213

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................................

3

Глава 1. МНОГООБРАЗИЯ И ГРУППЫ ЛИ..................................................................

5

1.1. Многообразия............................................................................................................

5

1.2. Гладкие многообразия..............................................................................................

7

1.3. Явное описание гладких многообразий ...............................................................

10

1.4. Неявное описание гладких многообразий............................................................

12

1.5. Группы.....................................................................................................................

14

1.6. Гомоморфизм групп...............................................................................................

16

1.7. Изоморфизм групп..................................................................................................

18

1.8. Подгруппы...............................................................................................................

20

1.9. Группы Ли...............................................................................................................

21

1.10. Однопараметрические подгруппы группы Ли...................................................

23

1.11. Действие группы на многообразие.....................................................................

24

1.12. Орбиты...................................................................................................................

25

1.13. Группы преобразований.......................................................................................

27

1.14. Гомотопии кривых................................................................................................

29

Глава 2. КВАТЕРНИОНЫ.................................................................................................

32

2.1. Определение кватерниона......................................................................................

32

2.2. Линейные операции над кватернионами..............................................................

33

2.3. Умножение кватернионов......................................................................................

34

2.4. Сопряженные кватернионы...................................................................................

37

2.5. Скалярное произведение кватернионов...............................................................

38

2.6. Норма кватерниона.................................................................................................

39

2.7. Обратные кватернионы..........................................................................................

40

2.8. Ортогональные кватернионы ................................................................................

43

2.9. Векторное произведение кватернионов ...............................................................

44

2.10. Группа единичных кватернионов .......................................................................

47

2.11. Ортогональные единичные кватернионы...........................................................

50

2.12. Дифференцирование кватернионов по параметру............................................

52

Глава 3. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПОВОРОТОВ ..................................................................

59

3.1. Матричная группа SO(3, R)....................................................................................

59

3.2. Автоморфизмы сферы............................................................................................

62

3.3. Геометрическое построение поворота..................................................................

63

3.4. Представление поворотов матрицами группы SO(3, R)......................................

65

3.5. Собственные векторы и значения поворотов ......................................................

69

3.6. Матричная группа SU(2) ........................................................................................

72

214

3.7. Спин матрицы Паули .............................................................................................

74

3.8. Представление поворотов матрицами группы SU(2) ..........................................

75

3.9. Параметры Кэли – Клейна.....................................................................................

77

3.10. Гомоморфизм между группами SU(2) и SO(3, R)..............................................

78

3.11. Представление поворотов единичными кватернионами..................................

84

3.12. Гомоморфизм междугруппойSO(3, R) и группой единичных кватернионов....

85

3.13. Геометрический смысл единичных кватернионов............................................

87

Глава 4. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ ПОВОРОТОВ...............................................................

91

4.1. Ориентация..............................................................................................................

91

4.2. Вектор конечного поворота...................................................................................

93

4.3. Параметры Родрига................................................................................................

96

4.4. Параметры Эйлера..................................................................................................

99

4.5. Композиция векторов конечных поворотов.......................................................

101

4.6. Касательные векторы...........................................................................................

103

Глава 5. СФЕРА S2............................................................................................................

109

5.1. Определение сферы S2..........................................................................................

109

5.2. Касательная плоскость.........................................................................................

110

5.3. Плоские сечения ...................................................................................................

111

5.4. Геодезические линии на сфере............................................................................

114

5.5. Орбиты поворотов................................................................................................

118

5.6. Действие поворотов на сферу S2 .........................................................................

119

5.7. Параметризованные дуги окружностей..............................................................

120

Глава 6. СФЕРА S3............................................................................................................

123

6.1. Определение сферы S3..........................................................................................

123

6.2. Касательная плоскость.........................................................................................

124

6.3. Плоские сечения ...................................................................................................

125

6.4. Геодезические линии на сфере............................................................................

127

6.5. Орбиты поворотов................................................................................................

131

6.6. Действие поворотов на сферу S3 .........................................................................

135

6.7. Параметризованные дуги больших окружностей..............................................

136

6.8. Параметризованные дуги малых окружностей..................................................

138

Глава 7. ДЕФОРМАЦИЯ И СГЛАЖИВАНИЕ ОДНОПАРАМЕТРИЧЕСКИХ

 

ПОДГРУПП ГРУППЫ ЛИ............................................................................................

142

7.1. Полиномы Бернштейна........................................................................................

142

7.2. Дифференцирование полиномов Бернштейна...................................................

144

7.3. Интегрирование полиномов Бернштейна...........................................................

147

7.5. Полиномиальный базис........................................................................................

149

7.5. Сглаживающие полиномы...................................................................................

153

7.6. Дифференцирование сглаживающих полиномов..............................................

158

7.7. Деформация однопараметрических групп Ли...................................................

160

7.8. Сглаживание однопараметрических групп Ли..................................................

164

Глава 8. МОДЕЛИРОВАНИЕ СПЛАЙН-КРИВЫХ НА СФЕРЕ S2 ...........................

168

8.1. Постановка задачи построения сплайн-кривой на сфере.................................

168

8.2. Построение дуг малых окружностей по точкам................................................

169

8.3. Деформация дуг окружностей.............................................................................

172

8.4. Построение сплайн-кривой на сфере..................................................................

175

8.5. Постановка задачи сглаживания ломаной линии на сфере..............................

179

8.6. Построение дуг больших окружностей по точкам............................................

180

215

8.7. Сглаживание дуг окружностей............................................................................

181

8.8. Сглаживание углов ломаной линии на сфере....................................................

185

Глава 9. МОДЕЛИРОВАНИЕ СПЛАЙН-КРИВЫХ НА СФЕРЕ S3 ............................

188

9.1. Постановка задачи построения ориентационной сплайн-кривой....................

188

9.2. Построение дуг малых окружностей по ориентациям......................................

189

9.3. Деформация ориентационных дуг......................................................................

192

9.4. Построение ориентационной сплайн-кривой ....................................................

196

9.5. Постановка задачи сглаживания ориентационной ломаной............................

199

9.6. Построение дуг больших окружностей по ориентациям..................................

200

9.7. Сглаживание ориентационных дуг.....................................................................

201

9.8. Сглаживание углов ориентационной ломаной линии.......................................

205

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ........................................................................................

208

ЛИТЕРАТУРА..................................................................................................................

210

Научное издание

Побегайло Александр Павлович

ПРИМЕНЕНИЕ

КВАТЕРНИОНОВ В КОМПЬЮТЕРНОЙ ГЕОМЕТРИИ И ГРАФИКЕ

В авторской редакции

Художник обложки Т. Ю. Таран Технический редактор Т. К. Раманович

Корректор В. И. Богданович

Компьютерная верстка А. А. Микулевича

Ответственный за выпуск А. А. Федосеева

Подписано в печать 02.03.2010. Формат 60×90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс. Печать офсетная.

Усл. печ. л. 12,55. Уч.-изд. л. 12,20.

Тираж 150 экз. Зак.

Белорусский государственный университет.

ЛИ № 02330/0494425 от 08.04.2009.

Пр. Независимости, 4, 220030, Минск.

Отпечатано с оригинала-макета заказчика.

Республиканское унитарное предприятие

«Издательский центр Белорусского государственного университета».

ЛП № 02330/0494178 от 03.04.2009.

Ул. Красноармейская, 6, 220030, Минск.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]