OpenCASCADE Conic to BSpline Curves-Hyperbola
eryar@163.com
Abstract. Rational Bezier Curve can represent conic curves such as circle, ellipse, hyperbola, .etc. But how to convert a conic curve to BSpline curve is still question, i.e. Represent a conic curve in BSpline form. The key point of Hyperbola conversion is to calculate the 2nd pole and its weight factor. The paper focus on the hyperbola convert to the BSpline curves.
Key Words. OpenCASCADE, Convert, Hyperbola, BSplineCurve, Conic Curve
1. Introduction
圓錐截線（Conic或稱為二次曲線）和圓在CAD/CAM中有著廣泛應(yīng)用。毫無疑問NURBS的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)就是既能精確表示圓錐截線和圓，也能精確表示自由曲線曲面。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)的意義是方便編程，使所有的曲線可以采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示。通過有理的方式可以精確來表示這些二次曲線，那么給定一個(gè)二次曲線的相關(guān)參數(shù)（如圓的圓心和半徑等），如何構(gòu)造出對(duì)應(yīng)的NURBS曲線呢？
圓錐截線（Conic curves）是一個(gè)平面與一個(gè)圓錐相交產(chǎn)生的曲線集合。平面與圓錐相交的角度不同產(chǎn)生不同的截線。如下圖所示：
Figure 1.1 Conic Sections
OpenCASCADE中對(duì)應(yīng)雙曲線的隱式方程表示的類是gp_Hypr/gp_Hypr2d。本文主要介紹OpenCASCADE中如何使用包Convert將gp_Parab2d轉(zhuǎn)換為NURBS曲線。
2. Parametric Representations
在CAD/CAM的應(yīng)用中，圓錐截線有兩種重要的參數(shù)表示形式：有理形式和最大內(nèi)接面積形式（Rational and maximum inscribed area forms）。表示雙曲線的最大內(nèi)接面積形式，如下所示：
其中chu和shu為雙曲函數(shù)：
圓錐截線的有些有理參數(shù)表示形式可能是有相當(dāng)差的參數(shù)化，即均勻分布的參數(shù)值對(duì)應(yīng)于曲線上分布很不均勻的點(diǎn)。利用線性有理函數(shù)對(duì)有理曲線進(jìn)行重新參數(shù)化可以改變（因而可能改善）其參數(shù)化。
假設(shè)C(u)=(x(u), y(u))是一條在標(biāo)準(zhǔn)位置的圓錐截線的參數(shù)表示?，F(xiàn)在我們對(duì)雙曲線給出的參數(shù)方程也是上式，它是一個(gè)好的參數(shù)化：對(duì)于任意給定的整數(shù)n和參數(shù)邊界a與b，取n個(gè)等間隔分布的參數(shù)：
點(diǎn)C(u1)，C(u2), ..., C(un)形成曲線上n-1邊多邊形，它的閉合多邊形具有最大的內(nèi)接面積。
3. Conversion Algorithm
將隱式表示的雙曲線方程轉(zhuǎn)換為NURBS（有理Bezier是NURBS的特例）曲線需要確定NURBS的以下信息：節(jié)點(diǎn)矢量，權(quán)因子，次數(shù)，控制頂點(diǎn)。
圓錐截線是二次曲線，所以次數(shù)為2。根據(jù)參數(shù)方程的最大內(nèi)接面積表示法可以求出節(jié)點(diǎn)矢量。所以轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是計(jì)算控制第二個(gè)頂點(diǎn)及其權(quán)因子。由有理Bezier曲線的公式得二次有理Bezier曲線弧的表示形式為：
稱k為形狀不變因子，公式如下所示：
可以證明同一組控制頂點(diǎn)選取不同 的權(quán)因子，只要形狀因子k相等，則由它們決定的二次有理Bezier曲線是同一條曲線段，不同的權(quán)因?qū)?yīng)不同的參數(shù)化，而且可以根據(jù)形狀不變因子對(duì)二次曲線進(jìn)行分類：
v K=0； 表示退化的二次曲線：一對(duì)直線段P0P1和P1P2；
v K∈[0，1]； 表示雙曲線；
v K=1； 表示拋物線；
v K∈[1, +∞]； 表示橢圓；
v K=+∞； 表示連接P0和P2的直線段；
習(xí)慣上我們選擇ω0=ω2=1稱為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化。此時(shí)只剩下控制頂點(diǎn)P1的權(quán)因子ω1。
Figure 3.1 不同的權(quán)因子ω1 定義的圓錐截線
由二次有理Bezier曲線公式可知，當(dāng)u=0和u=1時(shí)，C(0)=P0, C(1)=P2，即曲線通過特征多邊形的首末頂點(diǎn)。由此可確定拋物線的兩個(gè)控制頂點(diǎn)P0和P2，現(xiàn)在只剩下最后一個(gè)P1頂點(diǎn)未確定。
由端點(diǎn)處的切矢公式可知，控制多邊形通過首末端點(diǎn)且第二個(gè)控制頂點(diǎn)P1是通過兩端點(diǎn)的切線的交點(diǎn)。根據(jù)直接線點(diǎn)向式可以列出直線方程來求出交點(diǎn)即P1點(diǎn)的坐標(biāo)。
計(jì)算得交點(diǎn)P1的坐標(biāo)如下所示：
根據(jù)雙曲線的參數(shù)方程得：
將上述值代入交點(diǎn)坐標(biāo)公式得交點(diǎn)P1的坐標(biāo)與參數(shù)u的關(guān)系式為：
根據(jù)肩點(diǎn)公式及點(diǎn)P1，可計(jì)算出權(quán)因子的ω1值，公式如下所示：
求得P1點(diǎn)對(duì)應(yīng)的權(quán)因子ω1的值為：
至此，雙曲線的三個(gè)控制頂點(diǎn)P0，P1，P2都已計(jì)算出來了。即雙曲線的NURBS表示所需的數(shù)據(jù)都已經(jīng)得到了。下面看看OpenCASCADE中的實(shí)現(xiàn)代碼。
4. Code Analysis
OpenCASCADE的Math工具集中有個(gè)包Covert用來將圓錐曲線曲面轉(zhuǎn)換為NURBS曲線曲面。其中轉(zhuǎn)換雙曲線的類為：Convert_HyperbolaToBSplineCurve，實(shí)現(xiàn)代碼如下所示：
//=======================================================================
//function : Convert_HyperbolaToBSplineCurve
//purpose :
//=======================================================================
Convert_HyperbolaToBSplineCurve::Convert_HyperbolaToBSplineCurve
(const gp_Hypr2d& H ,
const Standard_Real U1,
const Standard_Real U2 )
: Convert_ConicToBSplineCurve (MaxNbPoles, MaxNbKnots, TheDegree)
{
Standard_DomainError_Raise_if( Abs(U2 - U1) < Epsilon(0.),
"Convert_ParabolaToBSplineCurve");
Standard_Real UF = Min (U1, U2);
Standard_Real UL = Max( U1, U2);
nbPoles = 3;
nbKnots = 2;
isperiodic = Standard_False;
knots->ChangeArray1()(1) = UF; mults->ChangeArray1()(1) = 3;
knots->ChangeArray1()(2) = UL; mults->ChangeArray1()(2) = 3;
// construction of hyperbola in the reference xOy.
Standard_Real R = H.MajorRadius();
Standard_Real r = H.MinorRadius();
gp_Dir2d Ox = H.Axis().XDirection();
gp_Dir2d Oy = H.Axis().YDirection();
Standard_Real S = ( Ox.X() * Oy.Y() - Ox.Y() * Oy.X() > 0.) ? 1 : -1;
// poles expressed in the reference mark
// the 2nd pole is at the intersection of 2 tangents to the curve
// at points P(UF), P(UL)
// the weight of this pole is equal to : Cosh((UL-UF)/2)
weights->ChangeArray1()(1) = 1.;
weights->ChangeArray1()(2) = Cosh((UL-UF)/2);
weights->ChangeArray1()(3) = 1.;
Standard_Real delta = Sinh(UL-UF);
Standard_Real x = R * ( Sinh(UL) - Sinh(UF)) / delta;
Standard_Real y = S * r * ( Cosh(UL) - Cosh(UF)) / delta;
poles->ChangeArray1()(1) = gp_Pnt2d( R * Cosh(UF), S * r * Sinh(UF));
poles->ChangeArray1()(2) = gp_Pnt2d( x, y);
poles->ChangeArray1()(3) = gp_Pnt2d( R * Cosh(UL), S * r * Sinh(UL));
// replace the bspline in the mark of the hyperbola
gp_Trsf2d Trsf;
Trsf.SetTransformation( H.Axis().XAxis(), gp::OX2d());
poles->ChangeArray1()(1).Transform( Trsf);
poles->ChangeArray1()(2).Transform( Trsf);
poles->ChangeArray1()(3).Transform( Trsf);
}
由上面的代碼可知，先設(shè)置曲線次數(shù)為2，再設(shè)置節(jié)點(diǎn)矢量為[UF，UF，UF，UL，UL，UL]，即首參數(shù)UF和末參數(shù)UL的重?cái)?shù)皆為3，由節(jié)點(diǎn)矢量可知轉(zhuǎn)換后的NURBS曲線為Bezier曲線。（拋出異常的提示信息還沒改過來，還是拋物線的。）
設(shè)置三個(gè)控制頂點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的權(quán)因子，計(jì)算主要涉及到第二個(gè)控制頂點(diǎn)P1的權(quán)因子。
最后根據(jù)有理Bezier曲線的仿射不變性：對(duì)有理Bezier曲線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移和縮放變換，其表達(dá)式不變，只是控制點(diǎn)發(fā)生了改變。新的控制點(diǎn)可以通過對(duì)原控制點(diǎn)作變換得到。即要對(duì)有理Bezier曲線進(jìn)行仿射變換，只需對(duì)其控制點(diǎn)作變換即可。
圓錐截線的轉(zhuǎn)換類的使用是很簡單的，且計(jì)算都是在構(gòu)造函數(shù)中完成。下面給出一個(gè)將雙曲線轉(zhuǎn)換為NURBS曲線的具體示例來說明其用法。
/*
* Copyright (c) 2014 eryar All Rights Reserved.
*
* File : Main.cpp
* Author : eryar@163.com
* Date : 2014-10-06 20:46
* Version : 1.0v
*
* Description : OpenCASCADE conic to BSpline curve-Hyperbola.
*
* Key words : OpenCascade, Hyperbola, BSpline Curve, Convert
*/
#define WNT
#include <gp_Hypr2d.hxx>
#include <Convert_HyperbolaToBSplineCurve.hxx>
#pragma comment(lib, "TKernel.lib")
#pragma comment(lib, "TKMath.lib")
void DumpConvertorInfo(const Convert_ConicToBSplineCurve &theConvertor)
{
std::cout << "Degree: " << theConvertor.Degree() << std::endl;
std::cout << "Poles/Weights: " << std::endl;
for (Standard_Integer i = 1; i <= theConvertor.NbPoles(); ++i)
{
const gp_Pnt2d &aPole = theConvertor.Pole(i);
std::cout << i << ": " << aPole.X() << ", " << aPole.Y() << " w(" << theConvertor.Weight(i) << ")" << std::endl;
}
std::cout << "Knots: " << std::endl;
for (Standard_Integer j = 1, m = 0; j <= theConvertor.NbKnots(); ++j)
{
for (Standard_Integer k = 1; k <= theConvertor.Multiplicity(j); ++k)
{
std::cout << ++m << ": " << theConvertor.Knot(j) << std::endl;
}
}
std::cout << "==========================================" << std::endl;
}
void TestHyperbolaConvert(void)
{
gp_Hypr2d aHyperbola;
aHyperbola.SetMajorRadius(2.0);
aHyperbola.SetMinorRadius(1.0);
Convert_HyperbolaToBSplineCurve aConvertor(aHyperbola, 1.0, M_PI);
std::cout << "Convert Hyperbola to BSpline Curve: " << std::endl;
DumpConvertorInfo(aConvertor);
}
int main(int argc, char* argv[])
{
TestHyperbolaConvert();
return 0;
}
程序輸出結(jié)果如下所示：
Figure 4.1 Convert Hyperbola to BSpline Curve result
5. Conclusion
NURBS的一個(gè)優(yōu)勢就是統(tǒng)一了曲線曲面的表示方法，即不僅可以表示自由曲線曲面，還可精確表示圓錐曲線曲面。本文詳細(xì)介紹了OpenCASCADE中將雙曲線轉(zhuǎn)換為NURBS的算法：即根據(jù)二次有理Bezier曲線的端點(diǎn)性質(zhì)，求出過兩個(gè)端點(diǎn)切線的交點(diǎn)來計(jì)算出第二個(gè)控制頂點(diǎn)P1進(jìn)而計(jì)算出對(duì)應(yīng)的權(quán)因子。
計(jì)算中大量使用到了雙曲函數(shù)shx和chx的一些性質(zhì)，相關(guān)公式可參考《數(shù)學(xué)手冊(cè)》。
6. References
1. 人民教育出版社中學(xué)數(shù)學(xué)室. 數(shù)學(xué)第二冊(cè)（上）. 人民教育出版社. 2000
2. 數(shù)學(xué)手冊(cè)編寫組. 數(shù)學(xué)手冊(cè). 高等教育出版社. 1979
3. 趙罡，穆國旺，王拉柱譯. 非均勻有理B樣條. 清華大學(xué)出版社. 2010
4. 王仁宏，李崇君，朱春鋼. 計(jì)算幾何教程. 科學(xué)出版社. 2008