กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 10 นาที

สปลายเฮอร์ไมต์ลูกบาศก์

ในการวิเคราะห์เชิงตัวเลขสปลายเฮอร์ไมต์ลูกบาศก์หรือตัวแทรกสอดเฮอร์ไมต์ลูกบาศก์คือสปลาย ที่แต่ละส่วนเป็น พหุนามดีกรีสามที่ระบุในรูปแบบเฮอร์ไมต์นั่นคือโดยค่าและอนุพันธ์ อันดับแรก...

สปลายเฮอร์ไมต์ลูกบาศก์

ในการวิเคราะห์เชิงตัวเลขปลายเฮอร์ไมต์ลูกบาศก์หรือตัวแทรกสอดเฮอร์ไมต์ลูกบาศก์คือสปลาย ที่แต่ละส่วนเป็น พหุนามดีกรีสามที่ระบุในรูปแบบเฮอร์ไมต์นั่นคือโดยค่าและอนุพันธ์ อันดับแรก ที่จุดปลายของช่วงโดเมน ที่สอดคล้องกัน [ 1 ]

โดยทั่วไปแล้ว สปลายเฮอร์ไมต์แบบลูกบาศก์จะใช้สำหรับการประมาณค่าในช่วงข้อมูลตัวเลขที่ระบุ ณ ค่าอาร์กิวเมนต์ที่กำหนดเพื่อให้ได้ฟังก์ชันต่อเนื่องข้อมูลควรประกอบด้วยค่าฟังก์ชันที่ต้องการและอนุพันธ์ ณ แต่ละค่า(หากให้เฉพาะค่า อนุพันธ์จะต้องประมาณจากค่าเหล่านั้น) สูตรเฮอร์ไมต์จะถูกนำไปใช้กับแต่ละช่วงแยกกัน สปลายที่ได้จะเป็นแบบต่อเนื่องและจะมีอนุพันธ์อันดับแรกแบบต่อเนื่อง

สปลายพหุ นามลูกบาศก์สามารถระบุได้ด้วยวิธีอื่น โดยวิธีลูกบาศก์เบซิเยร์เป็นวิธีที่ใช้กันมากที่สุด อย่างไรก็ตาม ทั้งสองวิธีนี้ให้ชุดสปลายเดียวกัน และข้อมูลสามารถแปลงระหว่างรูปแบบเบซิเยร์และแอร์ไมต์ได้อย่างง่ายดาย ดังนั้นชื่อทั้งสองจึงมักใช้ราวกับว่าเป็นคำที่มีความหมายเหมือนกัน

สปลายพหุนามลูกบาศก์ถูกใช้อย่างแพร่หลายในกราฟิกคอมพิวเตอร์และการสร้างแบบจำลองทางเรขาคณิตเพื่อสร้างเส้นโค้งหรือวิถี การเคลื่อนที่ ที่ผ่านจุดที่กำหนดบนระนาบ หรือ พื้นที่สามมิติในการใช้งานเหล่านี้ พิกัดแต่ละจุดของระนาบหรือพื้นที่จะถูกประมาณค่าแยกกันด้วยฟังก์ชันสปลายลูกบาศก์ของพารามิเตอร์  t ที่แยกจากกัน สปลายพหุนามลูกบาศก์ยังถูกใช้อย่างแพร่หลายในการวิเคราะห์โครงสร้าง เช่นทฤษฎีคานออยเลอร์-เบอร์นูลลี สปลายพหุนามลูกบาศก์ ยังถูกนำไปใช้ในการวิเคราะห์อัตราการตาย[ 2 ]และการพยากรณ์อัตราการตาย[ 3 ]

เส้นโค้งสปลายลูกบาศก์สามารถขยายไปเป็นฟังก์ชันของพารามิเตอร์สองตัวขึ้นไปได้หลายวิธี เส้นโค้งสปลายลูกบาศก์คู่ ( การประมาณค่าแบบลูกบาศก์คู่ ) มักใช้ในการประมาณค่าข้อมูลบนตารางสี่เหลี่ยมปกติ เช่นค่าพิกเซล ใน ภาพดิจิทัลหรือ ข้อมูล ระดับความสูงบนภูมิประเทศ ส่วนของ พื้นผิวแบบลูกบาศก์คู่ซึ่งกำหนดโดยเส้นโค้งสปลายลูกบาศก์คู่สามเส้น เป็นเครื่องมือสำคัญในกราฟิกคอมพิวเตอร์

เส้นโค้งสปลายลูกบาศก์มักเรียกว่าcsplinesโดยเฉพาะในด้านกราฟิกคอมพิวเตอร์ ส่วนเส้นโค้งสปลายเฮอร์ไมต์นั้นตั้งชื่อตามชาร์ลส์ เฮอร์ไมต์

การประมาณค่าในช่วงเดียว

ช่วงหน่วย [0, 1]

ฟังก์ชันพื้นฐานเฮอร์ไมต์ทั้งสี่ ฟังก์ชันประมาณค่าในช่วงแต่ละช่วงย่อยเป็นผลรวมเชิงเส้นของฟังก์ชันทั้งสี่นี้

บนช่วงหน่วยโดยกำหนดจุดเริ่มต้นที่และจุดสิ้นสุดที่ โดยมีเส้นสัมผัสเริ่มต้นที่และเส้นสัมผัสสิ้นสุดที่พหุนามสามารถกำหนดได้โดย โดย ที่t ∈ [0, 1]

การประมาณค่าในช่วงที่กำหนด

การประมาณค่าในช่วงใดๆทำได้โดยการแมปช่วงนั้นไปยังช่วงนั้นผ่าน การเปลี่ยนตัวแปรเชิงเส้น ตรง (ดีกรี 1) สูตรคือ โดยที่และหมายถึงฟังก์ชันพื้นฐานที่กำหนดไว้ด้านล่างโปรดทราบว่าค่าแทนเจนต์ได้รับการปรับขนาดโดย เมื่อเทียบกับสมการในช่วง หน่วย

ความเป็นเอกลักษณ์

สูตรที่ระบุไว้ข้างต้นจะให้เส้นทางพหุนามดีกรีสามที่ไม่ซ้ำกันระหว่างจุดสองจุดที่มีเส้นสัมผัสที่กำหนดให้

บทพิสูจน์ให้และ เป็นพหุนามดีกรีสามสองตัวที่สอดคล้องกับเงื่อนไขขอบเขตที่กำหนดให้จากนั้นกำหนดนิยามดังนี้:

เนื่องจากทั้งและเป็นพหุนามดีกรีสาม ดังนั้นจึงเป็นพหุนามดีกรีสามเป็นอย่างมากที่สุด ดังนั้นจะต้องอยู่ในรูปแบบ การคำนวณอนุพันธ์จะได้

นอกจากนี้เรารู้ว่า

เมื่อนำ ( 1 ) และ ( 2 ) มารวมกัน เราจะสรุปได้ว่าและดังนั้น

การนำเสนอ

เราสามารถเขียนพหุนามการประมาณค่าในช่วงหน่วย (สำหรับช่วงใดๆ โปรดดูเวอร์ชันที่ปรับขนาดแล้วด้านบน ) ได้ดังนี้ โดย ที่, , , คือฟังก์ชันฐานเฮอร์ไมต์ ฟังก์ชันเหล่านี้สามารถเขียนได้หลายวิธี แต่ละวิธีแสดงคุณสมบัติที่แตกต่างกัน:

ขยาย แยกตัวประกอบ เบิร์นสไตน์

คอลัมน์ "ขยาย" แสดงการแสดงผลที่ใช้ในคำจำกัดความข้างต้น คอลัมน์ "แยกตัวประกอบ" แสดงให้เห็นทันทีว่าและมีค่าเป็นศูนย์ที่ขอบเขต คุณสามารถสรุปเพิ่มเติมได้ว่าและมีศูนย์ที่มีความซ้ำซ้อน 2ที่ 0 และและมีศูนย์เช่นเดียวกันที่ 1 ดังนั้นจึงมีค่าความชันเป็น 0 ที่ขอบเขตเหล่านั้น คอลัมน์ "เบิร์นสไตน์" แสดงการแยกตัวประกอบของฟังก์ชันพื้นฐานเฮอร์ไมต์เป็นพหุนามเบิร์นสไตน์อันดับ 3:

โดยใช้การเชื่อมต่อนี้ คุณสามารถแสดงการประมาณค่าแบบ Hermite ลูกบาศก์ในรูปของเส้นโค้งBézier ลูกบาศก์โดยสัมพันธ์กับค่าทั้งสี่และทำการประมาณค่าแบบ Hermite โดยใช้อัลกอริทึมของ de Casteljauซึ่งแสดงให้เห็นว่าในแพทช์ Bézier ลูกบาศก์ จุดควบคุมสองจุดตรงกลางจะกำหนดเส้นสัมผัสของเส้นโค้งการประมาณค่าที่จุดภายนอกตามลำดับ

เราสามารถเขียนพหุนามในรูปแบบมาตรฐานได้ดังนี้ โดย ที่จุดควบคุมและเส้นสัมผัสคือสัมประสิทธิ์ วิธีนี้ช่วยให้สามารถประเมินค่าพหุนามที่ค่าt ต่างๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากสามารถคำนวณสัมประสิทธิ์คงที่ได้เพียงครั้งเดียวและนำกลับมาใช้ใหม่ได้

การประมาณค่าในช่วงชุดข้อมูล

ชุดข้อมูลสำหรับสามารถประมาณค่าในช่วงได้โดยการใช้ขั้นตอนข้างต้นกับแต่ละช่วง โดยเลือกเส้นสัมผัสอย่างเหมาะสม กล่าวคือ เส้นสัมผัสสำหรับช่วงที่มีจุดปลายร่วมกันจะมีค่าเท่ากัน เส้นโค้งที่ได้จากการประมาณค่าในช่วงจะประกอบด้วยเส้นโค้งเฮอร์ไมต์แบบลูกบาศก์เป็นช่วงๆ และสามารถหาอนุพันธ์ได้อย่างต่อเนื่องทั่วทั้งช่วง

การเลือกเส้นสัมผัสไม่ใช่เรื่องแปลกใหม่ และยังมีตัวเลือกให้เลือกอีกหลายแบบ

ผลต่างจำกัด

ตัวอย่างการใช้แทนเจนต์แบบผลต่างจำกัด

ตัวเลือกที่ง่ายที่สุดคือผลต่างสามจุด ซึ่งไม่จำเป็นต้องมีความยาวช่วงคงที่:

สำหรับจุดภายในและความแตกต่างด้านเดียวที่จุดปลายของชุดข้อมูล

สไปลน์คาร์ดินัล

ตัวอย่างเส้นโค้งสปลายน์แบบคาร์ดินัลใน 2 มิติ เส้นตรงแสดงถึงเส้นโค้ง และสี่เหลี่ยมแสดงถึงจุดควบคุมสังเกตว่าเส้นโค้งไม่ได้ไปถึงจุดแรกและจุดสุดท้าย แต่จุดเหล่านี้มีผลต่อรูปร่างของเส้นโค้ง พารามิเตอร์ความตึงที่ใช้คือ 0.1

ปลายคาร์ดินัลบางครั้งเรียกว่าสปลายแคนอนิก[ 4 ] จะได้รับ[ 5 ]ถ้า

ใช้ในการคำนวณเส้นสัมผัส พารามิเตอร์cเป็น พารามิเตอร์ ความตึงที่ต้องอยู่ในช่วง[0, 1]ในแง่หนึ่ง สามารถตีความได้ว่าเป็น "ความยาว" ของเส้นสัมผัส การเลือกc  = 1จะให้เส้นสัมผัสเป็นศูนย์ทั้งหมด และการเลือกc  = 0จะได้เส้นโค้ง Catmull–Rom ในกรณีการกำหนดพารามิเตอร์แบบสม่ำเสมอ

สปลายแคทมุล-รอม

การตีความทางเรขาคณิตของการแทรกสอดลูกบาศก์ Catmull–Rom ของจุดสีดำด้วย abscissae ที่เว้นระยะห่างสม่ำเสมอ[ 6 ]

สำหรับเส้นสัมผัสที่เลือกไว้

ได้เส้นโค้งแคทมุล-รอม (Catmull–Rom spline) ซึ่งเป็นกรณีพิเศษของเส้นโค้งคาร์ดินัล (cardinal spline) โดยสมมติว่าระยะห่างของพารามิเตอร์ สม่ำเสมอ

เส้นโค้งนี้ตั้งชื่อตามEdwin CatmullและRaphael Romข้อได้เปรียบหลักของเทคนิคนี้คือ จุดต่างๆ ตามชุดจุดดั้งเดิมยังประกอบเป็นจุดควบคุมสำหรับเส้นโค้งสปลายน์ด้วย[ 7 ]ต้องใช้จุดเพิ่มเติมอีกสองจุดที่ปลายทั้งสองข้างของเส้นโค้ง การใช้งาน Catmull–Rom แบบสม่ำเสมออาจทำให้เกิดวงวนและการตัดกันเอง การใช้งานCatmull–Rom แบบคอร์ดัลและเซนทริ พีทัล [ 8 ]แก้ปัญหานี้ได้ แต่ใช้การคำนวณที่แตกต่างกันเล็กน้อย[ 9 ]ในกราฟิกคอมพิวเตอร์สปลายน์ Catmull–Rom มักใช้เพื่อให้ได้การเคลื่อนไหวแบบสอดแทรกที่ราบรื่นระหว่างเฟรมหลักตัวอย่างเช่น แอนิเมชันเส้นทางกล้องส่วนใหญ่ที่สร้างจากเฟรมหลักแบบไม่ต่อเนื่องจะถูกจัดการโดยใช้สปลายน์ Catmull–Rom สปลายน์เหล่านี้ได้รับความนิยมส่วนใหญ่เนื่องจากคำนวณได้ค่อนข้างง่าย รับประกันว่าตำแหน่งเฟรมหลักแต่ละตำแหน่งจะถูกตีอย่างแม่นยำ และยังรับประกันว่าเส้นสัมผัสของเส้นโค้งที่สร้างขึ้นจะต่อเนื่องกันในหลายส่วน

สปลาย Kochanek–Bartels

สปลาย Kochanek –Bartelsเป็นการขยายความทั่วไปเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการเลือกเส้นสัมผัสโดยพิจารณาจากจุดข้อมูล, และโดยมีพารามิเตอร์ที่เป็นไปได้สามตัว ได้แก่ ความตึง ความเอนเอียง และพารามิเตอร์ความต่อเนื่อง

การแทรกสอดลูกบาศก์แบบโมโนโทน

หากใช้สปลายเฮอร์ไมต์ลูกบาศก์ชนิดใดชนิดหนึ่งที่ระบุไว้ข้างต้นในการประมาณค่าใน ช่วงข้อมูล โมโนโทนิกฟังก์ชันที่ได้จากการประมาณค่าในช่วงจะไม่จำเป็นต้องเป็นฟังก์ชันโมโนโทนิกเสมอไป แต่สามารถรักษาความเป็นโมโนโทนิกไว้ได้โดยการปรับค่าแทนเจนต์

การประมาณค่าในช่วงหน่วยที่มีอนุพันธ์ตรงกันที่จุดปลาย

พิจารณาพิกัดเดียวของจุดและเป็นค่าที่ฟังก์ชันf ( x ) รับที่พิกัดจำนวนเต็มx  = n  − 1, n , n  + 1 และn  + 2

นอกจากนี้ ให้ถือว่าเส้นสัมผัสที่จุดปลายถูกกำหนดให้เป็นผลต่างที่จุดกึ่งกลางของจุดที่อยู่ติดกัน:

ในการประเมินค่าf ( x ) ที่แทรกเข้าไปสำหรับx ที่เป็นจำนวนจริง ขั้นแรกให้แยกxออกเป็นส่วนจำนวนเต็มnและส่วนเศษส่วนu :

โดยที่หมายถึงฟังก์ชันปัดเศษลงซึ่งจะส่งคืนจำนวนเต็มที่มากที่สุดที่ไม่เกิน x

จากนั้นสปลาย Catmull–Rom คือ[ 10 ] โดยที่แสดงถึงการสลับตำแหน่งของเมทริกซ์ความเท่าเทียมกันด้านล่างแสดงถึงการประยุกต์ใช้ วิธี ของ Horner

เนื้อหานี้เกี่ยวข้องกับการประมาณค่าแบบไตรคิวบิก (tricubic interpolation ) ซึ่งการปรับให้เหมาะสมอย่างหนึ่งต้องคำนวณ CINT u ถึงสิบหกครั้ง โดยใช้ค่า uเดียวกันและค่า p ที่แตกต่างกัน

ดูเพิ่มเติม

  • เส้นโค้งสไปลน์ศาสตราจารย์ โดนัลด์ เอช. เฮาส์มหาวิทยาลัยเคล็มสัน
  • การแทรกสอดและการประมาณค่าแบบเฮอร์ไมต์หลายมิติโดยศาสตราจารย์ จันทราจิต บาจาจมหาวิทยาลัยเพอร์ดู
  • บทนำเกี่ยวกับ Catmull–Rom Splines , MVPs.org
  • สปลายแบบแทรกสอดของคาร์ดินัลและแคทมุล-รอม
  • วิธีการประมาณค่าในช่วง: แบบเชิงเส้น แบบโคไซน์ แบบลูกบาศก์ และแบบเฮอร์ไมต์ (โดยใช้แหล่งกำเนิด C)
  • สมการสปลายทั่วไป
ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Cubic_Hermite_spline&oldid=1350972667 "

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ สปลายเฮอร์ไมต์ลูกบาศก์

ในการวิเคราะห์เชิงตัวเลขสปลายเฮอร์ไมต์ลูกบาศก์หรือตัวแทรกสอดเฮอร์ไมต์ลูกบาศก์คือสปลาย ที่แต่ละส่วนเป็น พหุนามดีกรีสามที่ระบุในรูปแบบเฮอร์ไมต์นั่นคือโดยค่าและอนุพันธ์ อันดับแรก...

ช่วงหน่วย [0, 1]

บนช่วงหน่วยโดยกำหนดจุดเริ่มต้นที่และจุดสิ้นสุดที่ โดยมีเส้นสัมผัสเริ่มต้นที่และเส้นสัมผัสสิ้นสุดที่พหุนามสามารถกำหนดได้โดย โดย ที่ t ∈ [0, 1] [ 0 , 1 ] {\displaystyle [0,1]} พี 0 {\displaystyle {\boldสัญลักษณ์ {p}__{0}} ที = 0 {\displaystyle t=0} พี 1...

การประมาณค่าในช่วงที่กำหนด

การประมาณค่าในช่วงใดๆทำได้โดยการแมปช่วงนั้นไปยังช่วงนั้นผ่าน การเปลี่ยนตัวแปรเชิงเส้น ตรง (ดีกรี 1) สูตรคือ โดยที่และหมายถึงฟังก์ชันพื้นฐานที่กำหนดไว้ ด้านล่าง โปรดทราบว่าค่าแทนเจนต์ได้รับการปรับขนาดโดย เมื่อเทียบกับสมการในช่วง หน่วย x {\displaystyle x} ( x...

ความเป็นเอกลักษณ์

สูตรที่ระบุไว้ข้างต้นจะให้เส้นทางพหุนามดีกรีสามที่ไม่ซ้ำกันระหว่างจุดสองจุดที่มีเส้นสัมผัสที่กำหนดให้