基于多結(jié)點(diǎn)樣條的自由曲線(xiàn)最小誤差逼近及其應(yīng)用

余建德， 黃 靜

（1. 澳門(mén)科技大學(xué)資訊科技學(xué)院，澳門(mén)；

2. 北師大珠海分校信息技術(shù)與軟件工程學(xué)院，廣東 珠海 519085）

基于多結(jié)點(diǎn)樣條的自由曲線(xiàn)最小誤差逼近及其應(yīng)用

余建德1， 黃 靜2

（1. 澳門(mén)科技大學(xué)資訊科技學(xué)院，澳門(mén)；

2. 北師大珠海分校信息技術(shù)與軟件工程學(xué)院，廣東 珠海 519085）

多結(jié)點(diǎn)樣條函數(shù)具有良好的局部性，而最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)擬合的全局性較好， 因此多結(jié)點(diǎn)樣條函數(shù)最小二乘逼近的穩(wěn)定性及數(shù)值精度都能得到有效的保證。該文綜合兩者的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了自由曲線(xiàn)離散數(shù)據(jù)最小逼近誤差數(shù)學(xué)模型的建立。同時(shí)應(yīng)用此數(shù)學(xué)模型于一些平面及空間（甚至一些帶噪音的）自由曲線(xiàn)擬合上和幾何造型骨骼化上，測(cè)試其對(duì)各種自由曲線(xiàn)的擬合效果，結(jié)果證明最小逼近效果明顯。

計(jì)算機(jī)應(yīng)用；最小誤差逼近；多結(jié)點(diǎn)樣條；自由曲線(xiàn)

1 問(wèn)題的提出

在實(shí)際應(yīng)用特別是在反向工程中，對(duì)工件測(cè)量（數(shù)字化）之后得到的是一系列離散數(shù)據(jù)，為了實(shí)現(xiàn)工件的再加工或誤差評(píng)定，必須對(duì)這些離散數(shù)據(jù)進(jìn)行光滑而精確的曲線(xiàn)曲面重構(gòu)，即數(shù)學(xué)建模。為實(shí)現(xiàn)高效率高精度光滑建模，以用于CAD/CAM 系統(tǒng)，研究曲線(xiàn)曲面最小誤差逼近擬合建模具有重要意義。

在建模領(lǐng)域，通常使用B樣條對(duì)曲線(xiàn)曲面進(jìn)行插值建模[1-4]，而多結(jié)點(diǎn)樣條近年來(lái)也因?yàn)樗母鞣N優(yōu)勢(shì)而被廣范用于插值法建模方面，且效果顯著。多結(jié)點(diǎn)樣條函數(shù)最早是針對(duì)插值問(wèn)題提出的，1975年，齊東旭教授[5-7]給出了多結(jié)點(diǎn)樣條基本函數(shù)的構(gòu)造及計(jì)算格式；后繼的文獻(xiàn)[8-11]給出進(jìn)一步的理論分析和應(yīng)用。對(duì)插值問(wèn)題而言，多結(jié)點(diǎn)技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)致插值過(guò)程無(wú)須求解任何方程組，而且插值格式具有局部性，這是與通常樣條函數(shù)插值（三彎矩算法）在計(jì)算上的根本區(qū)別。被廣泛應(yīng)用的B樣條曲線(xiàn)擬合方法雖然也不必求解方程組，也具有局部性，但在幾何造型的應(yīng)用中，因其無(wú)法保證通過(guò)型值點(diǎn)而給工程計(jì)算帶來(lái)不便，因此多結(jié)點(diǎn)方法在工程應(yīng)用上和理論研究上受到重視。

鑒于曲線(xiàn)建模是曲面建模的基礎(chǔ)，本文研究這種甚具潛力的多結(jié)點(diǎn)樣條擬合建模及其關(guān)鍵問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)表明，所建立的曲線(xiàn)擬合數(shù)學(xué)模型逼近擬合效果頗佳。

2 多結(jié)點(diǎn)樣條函數(shù)

多結(jié)點(diǎn)基本樣條函數(shù)是通過(guò)對(duì)等距結(jié)點(diǎn) B樣條基本函數(shù)的平移及迭加而構(gòu)成。 記I為單位算子，μ為平均算子，對(duì)任意給定的常數(shù) ξ，定義

圖 1 多結(jié)點(diǎn)樣條基本函數(shù)

多結(jié)點(diǎn)樣條基本函數(shù)（見(jiàn)圖1）的性質(zhì)類(lèi)似于B樣條基本函數(shù)，其主要區(qū)別在于：不是非負(fù)函數(shù)，這將導(dǎo)致它構(gòu)成的插值格式不是線(xiàn)性正算子，因此插值結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)而言不具有保凸性，這是追求顯式解，局部性及基數(shù)型性質(zhì)等優(yōu)越性付出的代價(jià)。盡管如此，正如B樣條基本函數(shù)插值對(duì)數(shù)據(jù)沒(méi)有保凸性，但仍然實(shí)用一樣，多結(jié)點(diǎn)樣條插值也仍然是實(shí)用的，它已被成功地應(yīng)用于飛機(jī)外形，進(jìn)氣道，機(jī)翼，海洋，地質(zhì)的數(shù)據(jù)處理以及動(dòng)畫(huà)片的計(jì)算機(jī)制作等領(lǐng)域。

多結(jié)點(diǎn)技巧的意義首先在于構(gòu)造顯式插值格式。此外，基本函數(shù)的有界支集性質(zhì)保證了插值曲線(xiàn)（面）的局部性，有利于數(shù)據(jù)處理，如果為整數(shù)結(jié)點(diǎn)上給定的數(shù)據(jù)，則多結(jié)點(diǎn)樣條插值函數(shù)可寫(xiě)為

當(dāng)給出確定的邊界約束條件之后，即可明確給出求和的上下限，對(duì)于給定幾何造型的型值點(diǎn)，其參數(shù)形式的多結(jié)點(diǎn)樣條曲線(xiàn)定義為

3 多結(jié)點(diǎn)樣條最小逼近誤差擬合數(shù)學(xué)模型

（1） 數(shù)學(xué)模型的建立值得注意的是，由于多結(jié)點(diǎn)樣條基函數(shù)的性質(zhì)，使得該方程組的系數(shù)矩陣具有帶狀對(duì)角特點(diǎn)，條件數(shù)較好，方程組求解容易速度快，求出的系數(shù)為型值點(diǎn)的代表點(diǎn)。這一特點(diǎn)使得用多結(jié)點(diǎn)樣條最小逼近誤差擬合數(shù)學(xué)模型的方法優(yōu)于其他方法。

矩陣表達(dá)式為

4 實(shí)例分析及其應(yīng)用

利用參數(shù)形式的三次多結(jié)點(diǎn)樣條作最佳逼近的例子。

（1） 平面曲線(xiàn)的擬合（見(jiàn)圖2）

下列兩例子的原曲線(xiàn)參數(shù)方程分別為

圖2 平面曲線(xiàn)擬合

從這兩個(gè)例子表明，用多結(jié)點(diǎn)樣條最佳逼近的擬合，對(duì)于帶有噪音的平面離散數(shù)據(jù)，依然可以較好地重構(gòu)原曲線(xiàn)（見(jiàn)圖2），而且所使用的段數(shù)較少，只需16段，即17個(gè)擬合系數(shù)，即可較好地完成對(duì)1024個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)擬合。

（2） 空間曲線(xiàn)的擬合（見(jiàn)圖3）

下列兩例子(例1和例2)的原曲線(xiàn)參數(shù)方程分別為

圖3 空間曲線(xiàn)擬合

圖3(a)和圖3(b)的4個(gè)圖分別是原曲線(xiàn)，原曲線(xiàn)離散化（1024點(diǎn)），帶噪音的離散點(diǎn)及 32段三次多結(jié)點(diǎn)樣條擬合曲線(xiàn)；圖3(c)和圖3(d)的3個(gè)圖分別是帶噪音的離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)，32段三次多結(jié)點(diǎn)樣條擬合曲線(xiàn)及擬合后曲線(xiàn)的立體形狀。例子表明，使用較少段數(shù)（這里是 32段）的多結(jié)點(diǎn)樣條對(duì)于帶噪音的空間離散數(shù)據(jù)，其擬合效果良好。

（3） 基于多結(jié)點(diǎn)樣條最佳逼近骨骼化

設(shè)想幾何造型是由它的骨骼和骨骼外圍的噪音數(shù)據(jù)組成，那么骨骼化的過(guò)程就相當(dāng)于去噪音的過(guò)程，只要選擇好合適的段數(shù)，通過(guò)多結(jié)點(diǎn)樣條最佳逼近來(lái)實(shí)現(xiàn)幾何造型的骨骼化是可行的（見(jiàn)圖4）。文獻(xiàn)[15]應(yīng)用及優(yōu)化了組合模板的概念提出一種快速實(shí)用的細(xì)化算法，下面是該算法圖4（中）與本文算法（右）的比較例子：

圖4 幾何造型的骨骼化實(shí)例比較

5 結(jié) 論

本文實(shí)現(xiàn)了多結(jié)點(diǎn)樣條最佳逼近曲線(xiàn)建模，方程組因條件數(shù)較好求解容易速度快，求出的系數(shù)為型值點(diǎn)的代表點(diǎn)。這一特點(diǎn)使得用多結(jié)點(diǎn)樣條最小逼近誤差擬合數(shù)學(xué)模型的方法優(yōu)于其他方法，具有很大靈活性。參數(shù)化的多結(jié)點(diǎn)樣條最佳逼近對(duì)于平面及空間離散數(shù)據(jù)，甚至是帶噪音的離散數(shù)據(jù)，擬合效果良好。應(yīng)用多結(jié)點(diǎn)樣條最佳逼近的去噪音性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)及證實(shí)多結(jié)點(diǎn)樣條最佳逼近還具備對(duì)幾何造形骨骼化的能力，其骨骼化效果滿(mǎn)意。

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Least Error Approximation and Its Application for Free-Form Curves Based on Multi-Knots Spline

U Kin-Tak1, HUANG Jing2
( 1. Faculty of Information Technology, Macao University of Science and Technology, Macao, China; 2. College of Information Technology and Software Engineering, Beijing Normal University, Zhuhai Campus, Zhuhai Guangdong 519085, China )

Muti-knots spline has good locality and least square method has good global characteristics for data fitting. Therefore, the stability and numerical accuracy of least square method based on multi-knots spline approximation could be reached effectively. This paper combines the advantages of them and completes the model building of the free-form curves with least approximation error based on multi-knots spline. Meanwhile, this method is applied to the free-form-curve fitting of some plane and space (even with noise) data and Geometry Shape Skelectonization. The fitting results show that the least approximation effect is good.

computer application; least error approximation; multi-knots spline; free-form-curves

TP 391.41

A

：1003-0158(2010)01-0088-06

2008-08-05

澳門(mén)科技發(fā)展基金資助項(xiàng)目（018/2005A，045/2006A）；北京師范大學(xué)珠海分校重點(diǎn)資助項(xiàng)目（Z06007）

余建德（1973-），男，廣東中山人，講師，博士研究生，主要研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理算法。