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Visualisation, Rendering and Animation 2 VO / 1 KU (2001 - 2004) Heinz Mayer, Franz Leberl & Andrej Ferko [email protected] - graz.ac.at Short podcast version 2020

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Visualisation, Rendering and Animation

2 VO / 1 KU (2001-2004)

Heinz Mayer, Franz Leberl & Andrej Ferko

[email protected]

Short podcast version 2020

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Visualisation, Rendering & AnimationHeinz Mayer, Franz Leberl, Andrej Ferko

Institut für Maschinelles Sehen und Darstellen

TU Graz

3. Free-form Curves/Surfaces

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Institut für Maschinelles Sehen und Darstellen

TU Graz

Content3. Parametric representation of

curves and surfaces–Free-form curves

• Bézier-curves

• Rational Bézier-curves

• B-Splines

• NURBS - industrial standard, Maya...

–Free-form surfaces

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TU Graz

MotivationConstruction, CAGD, CAD/CAM– Modeling of ship hulls, terminology

– Design of cars and airplanes

Computer Graphics– Simple modeling of smooth surfaces

and solids

– Definition of motion trajectories for

animated objects

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TU Graz

Three forms of expression

Analytic y = sqrt(r2-x2)

Implicit x2 + y2 = r2

Parametric x = cos t; y = sin t; t

travel along the curve

–continuity - geometric G, parametric C

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Parametric BlendingNumbers, a, b, 0.5*(a + b)

Points A, B, 0.3*A + 0.7*B

Rotations, 4-tuples, quaternions

Curve construction as weighted sum of points

Surfaces

Images… brightness, contrast, saturation, sharpening… image analogies, SIGGRAPH 2001

… Morphing, Caricatures … state spaces

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Parametrically rep. curvesEuclidean plane/space E2, E3 {O, x, y, z}

Parametric representation of a curve in E3 :

Tangenta has direction vector:

Curvature:

( ) ( ) ( )( )Ttztytx(t)p =

( ) 0tp

( )0

tp

( )( ) ( )

( )3

0

00

0

tp

tptpt

=

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Lagrange Interpolation

Given: Point set {a0, ... an} and

appropriate parameter values {t0 < ... < tn}

Task: Curve through ai for ti

1. solution:

Lagrange -Polynomial:

( ) ( ) ( )n

atfatftpn00

+=

( )( )( ) ( )( ) ( )

( )( ) ( )( ) ( )ni1i1i1i0i

n1110

itttttttttt

tttttttttttf

−−−−−

−−−−−=

+−

+−

ii

ii

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Bernstein Polynomials

Properties:

– Polynomials of order n

( ) ( ) iinn

itt1

i

ntB

−−

= n0...i =

( )=

=n

0i

n

itB1

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Bernstein Polynomials: (C) Ken JOY

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Next Properties

– {1, t, ... tn} is basis for polynomials

the same way is {B0, ... Bn} another basis

( )

−=

−=

in

n

i!!in

n!

i

n

( ) ( ) ( )*n

i

n

i

*n

int1BtBtB −==

−( )t1t

*−=

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Bézier curve

Definition:

Basic notions:

– Base points Bi

– Bi limited by basepolygon

– bi position vector for Bi

( ) ( ) 0,1tbtBtpn

0i

i

n

i=

=

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Properties

t = 0:

t = 1:

k-th derivative: depends on location t = 0 only of knot points B0, ... Bk . Analogously for t = 1.

( )

( ) ( )0

n

i

n

0

b0pn1,i0,0B

10B

===

=

( )

( ) ( )n

n

i

n

n

b1p1n0,i0,1B

11B

=−==

=

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DeCasteljau AlgorithmGiven: Base points {b0, ... bn }, t

n iterations

Version using one-dimensional array possible

( )

( )tx,0q

j1,iqtji,qt11ji,q

bi,0qi

=

++−=+

=

n

Fig. © by Ken Joy

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Parameter transformations

part of the original curve

original curve is the part - plus continuation

1aa0,t

1aa0,t

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Spline curve

Def.: „Spline curve“ consists of

partial segments (Subsplines),

combined by tangential or

curvature preserving conditions

Example: Bézier spline curve,

binded from 2 Bézier curve pieces

using the continuation.

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Rational Bézier curvesIntroduction of weights {w0, ... wn} with the base points

New form of the base polygon:

Representation via projection in the image plane

00

0

=

=→

i

i

i

ii

i

ii

b

bBb

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Properties

w0 = ... wn = 1 -> standard Bézier

w0 = ... wn <> 0 -> rational Bézier

Changing single weight:– wi increase: the curve goes closer

– wi decrease: the curve goes far

Modeling in higher dimensions, followed by projection

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Special Case - Circle

Bézier curves cannot represent!

Suitable setting of weights works for rational Bézier curves

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B-SplinesIdea: Constant curvature setting of

Bézier curves with Grad = 3.

Given: Basis point b0-b5 define 3 Bézier

curves with n = 3, when the subintervals

are known (Design parameter)

Then: The basis points of partial curves

can be reconstructed.

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Additional Properties

„Local Control“: Control points influence the curve in one position t

Implication:

–curve can be modified using one control point

–2 different tangents in one point possible!

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Math Language Ruptures

• Elementary Arithmetics

• Synthetic Geometry

• Algebra

• Analytic Geometry

• Infinitesimal Calculus

• Iterative Geometry

• Predicate Calculus

• Set Theory

• (based on Kvasz´s epistemologic research, 1996)

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Analytic GeometryRene Descartes discovered the method how to assign to a given algebraic formula THE SHAPE.

This visualization was so important that this new language was given a new name: analytic geometry.

Constructive geometry using ruler and compass was difficult - for any object requires a specialised method and is limited to quadrics.

Descartes method deconstructed each shape to points and enables us for constructing any shape POINT BY POINT.

Therefore the curves are UNIVERSAL MODELING TOOL: car industry, flight simulations, caustics... Never ending story of applications.

• (based on Kvasz´s epistemologic research, 1996)

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Institut für Maschinelles Sehen und Darstellen

TU Graz

Thank You...

… for Your attention.

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