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TEXTBOOK - Lines and surfaces - Text supporting the course Geometrical and Generative Modelling FA.ULisboa Academic Year 2019/2020 1 st semester Professor Luís Mateus ([email protected]) (version 0.10)

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TEXTBOOK

- Lines and surfaces -

Text supporting the course Geometrical and Generative Modelling

FA.ULisboa – Academic Year 2019/2020 – 1st semester

Professor Luís Mateus ([email protected])

(version 0.10)

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TABLE OF CONTENTS

1. GENERAL NOTES ON LINES AND SURFACES .......................................................................... 4

2. PLANAR LINES ........................................................................................................................ 5

2.1. Conic lines ..................................................................................................................... 5

2.1.1. Ellipse .................................................................................................................... 6

2.1.2. Parabola ................................................................................................................ 7

2.1.3. Hyperbola .............................................................................................................. 8

2.1.4. Free curves ............................................................................................................ 8

2.2. Splines ........................................................................................................................... 9

2.2.1. Curva de Bézier ...................................................................................................... 9

2.2.2. B-Splines .............................................................................................................. 11

2.2.3. NURBS Lines ........................................................................................................ 14

3. SPATIAL LINES AND SURFACES ............................................................................................ 16

3.1. Noções gerais sobre linhas e superfícies ..................................................................... 16

3.1.1. Condições de pertença ........................................................................................ 16

3.1.2. Recta tangente .................................................................................................... 16

3.1.3. Curvaturas ........................................................................................................... 17

3.1.4. Continuidade entre curvas ...................................... Error! Bookmark not defined.

3.1.5. Plano tangente a uma superfície ......................................................................... 19

3.1.6. Recta normal e plano normal .............................................................................. 20

3.1.7. Curvatura de uma superfície ............................................................................... 20

3.1.7.1. Curvatura Média.............................................................................................. 21

3.1.7.2. Curvatura Gaussiana ....................................................................................... 21

3.1.8. Intersecção de superfícies ................................................................................... 22

3.1.9. Recta tangente à linha de intersecção ................................................................ 23

3.1.10. Concordância entre superfícies (tipos de continuidade) .................................... 24

3.1.11. Contorno aparente .................................................. Error! Bookmark not defined.

3.1.12. Distinção entre superfície e sólido ...................................................................... 26

3.2. Classificação de superfícies quanto ao tipo de geratriz .............................................. 26

3.2.1. Superfícies poliédricas ......................................................................................... 26

3.2.1.1. Poliedros regulares .......................................................................................... 26

3.2.1.2. Poliedros semi-regulares ................................................................................. 27

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3.2.1.3. Poliedros irregulares ....................................................................................... 28

3.2.2. Superfícies de revolução ..................................................................................... 28

3.2.2.1. Superfície esférica ........................................................................................... 29

3.2.2.2. Esferóide .......................................................................................................... 29

3.2.2.3. Superfície tórica .............................................................................................. 30

3.2.2.4. Hiperbolóide de revolução de uma folha ........................................................ 30

3.2.2.5. Hiperbolóide de revolução de duas folhas ...................................................... 31

3.2.2.6. Hiperbolóide de revolução de duas folhas ...................................................... 31

3.2.3. Superfícies planificáveis ...................................................................................... 32

3.2.3.1. Superfície cónica, cilíndrica, piramidal e prismática ....................................... 32

3.2.3.2. Convoluta e Superfície tangencial ................................................................... 33

3.2.3.3. Helicóide tangencial ........................................................................................ 33

3.2.3.4. Planificação (método gráfico) ......................................................................... 34

3.2.3.5. Planificação da superfície do cilindro e do cone de revolução ....................... 35

3.2.3.6. Planificação da superfície do cilindro e do cone oblíquo ................................ 36

3.2.3.7. Planificação da superfície do helicóide tangencial.......................................... 37

3.2.4. Superfícies regradas não planificáveis (empenadas) .......................................... 37

3.2.4.1. Hiperbolóide de revolução de uma folha ........................................................ 39

3.2.4.2. Hiperbolóide empenado escaleno .................................................................. 41

3.2.4.3. Parabolóide hiperbólico .................................................................................. 42

3.2.4.4. Helicóides regrados ......................................................................................... 46

3.2.4.5. Superfícies de conóide .................................................................................... 47

3.2.4.6. Superfícies de cilindróide ................................................................................ 48

3.2.4.7. Superfícies de arco enviesado ......................................................................... 49

3.2.4.8. Plano tangente a uma superfície simplesmente regrada ............................... 50

3.2.4.9. Plano tangente a uma superfície duplamente regrada................................... 51

3.2.4.10. Feixe de planos tangentes ao longo de uma geratriz ..................................... 51

3.2.4.11. Hiperbolóide de revolução (planos tangentes) ............................................... 53

3.2.4.12. Parabolóide Hiperbólico (planos tangentes) ................................................... 55

3.2.4.13. Conóide (planos tangentes) ............................................................................ 56

3.2.4.14. Corno de vaca (planos tangentes) ................................................................... 57

3.2.4.15. Concordâncias como composição de superfícies ............................................ 58

3.2.4.16. Linhas e Superfícies NURBS no espaço............................................................ 58

3.3. Lógicas de geração de superfícies ............................................................................... 61

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3.3.1. Polígonos ............................................................................................................. 61

3.3.2. Superfícies de revolução (revolve) ...................................................................... 61

3.3.3. Superfícies de “revolução” (rail revolve) ............................................................. 61

3.3.4. Deslocamento da geratriz apoiada numa directriz (sweep 1 rail) ...................... 62

3.3.5. Deslocamento da geratriz apoiada em duas directrizes (sweep 2 rails) ............. 62

3.3.6. Superfície gerada por extrusão (extrude) ........................................................... 63

3.3.7. Superfície gerada por interpolação de sequência de curvas (loft) ..................... 63

3.3.8. Interpolação de uma rede espacial de curvas (curve network) .......................... 64

3.3.9. Superfície dados quatro vértices (corner points) ................................................ 64

3.3.10. Superfície dadas linhas de contorno (edge curves) ............................................ 65

3.3.11. Superfície passante por um conjunto de linhas (patch) ..................................... 65

3.3.12. Superfície gerada por panejamento sobre superfícies dadas (drape) ................ 66

3.3.13. Superfície complexas ........................................................................................... 66

3.4. Linhas a partir de superfícies ...................................................................................... 67

4. SÓLIDOS ............................................................................................................................... 68

4.1. Operações booleanas entre sólidos ............................................................................ 68

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1. GENERAL NOTES ON LINES AND SURFACES

The POINT is a geometrical entity without dimension.

The LINE is a one-dimensional entity generated by the continuous movement of the point.

Lines can be CURVED or non-curved; non-curved lines are called STRAIGHT LINES.

Each straight line has a DIRECTION; Direction is the common property of a family of parallel

lines.

Each straight line contains an IMPROPER POINT, that is, a point at infinity. To each direction of

lines corresponds only one improper point, that is, all parallel lines to each other have the

same point of infinity, hence it is said that parallel lines are lines that intersect each other at

infinity.

SURFACE is a two-dimensional entity generated by the continuous movement of the line.

The GENERATRIX is the line, deformable or undeformable, that moves in space to generate the

surface.

The DIRECTRIX is the line or surface on which the generatrix rests in its movement.

If the directrix is a surface, then the generated surface is said to have a CORE.

When a straight generatrix moves continuously in space, retaining the direction, supported by

a straight directrix with a direction different from its own, the PLAN is generated.

Each plan has an ORIENTATION; orientation is the common property of a family of parallel

planes.

Each plane contains an IMPROPER LINE, that is, a line at infinity.

To each orientation of planes corresponds only one improper line, that is, all planes parallel to

each other have the same line of infinity, hence it is said that parallel planes intersect at

infinity.

An orientation contains a multitude of directions.

The locus of all improper points and all improper lines is the IMPROPER PLAN, that is, the plane

of infinity.

When a surface can be generated by moving a straight line it is said to be RULED.

When a surface cannot be generated by moving a straight line, it is said to be CURVED.

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The ORDER1 of an algebraic surface, that is, the order or degree of the polynomial that defines

it, can be interpreted as the maximum number of points at which a line can intersect it. For

example, the plane is a 1st order surface and a spherical surface is a 2nd order surface.

When a ruled surface can be “unrolled” to a plane without causing “folds” or “tears” the

surface is said to be DEVELOPABLE; only ruled surfaces can be developable, although not all

ruled surfaces are.

2. PLANAR LINES

There is no single criterion for classifying lines as flat or spatial. However, several criteria can

be used to group them in families. Different criteria can lead to identical lines in different

families. Or a one may lead to the exclusion of specific lines.

2.1. Conic lines

A CONICAL line results from the intersection produced by a plane on a conical surface (Figure

1) and can be represented by a second degree polynomial2 as follows:

𝐴𝑥2 + 𝐵𝑥𝑦 + 𝐶𝑦2 +𝐷𝑥 + 𝐸𝑦 + 𝐹 = 0 (1)

figure 1: Conic line according to the relative position of the sectioning plane and the conical surface.

The conic lines are of three types: ellipse, parabola and hyperbola.

The ellipse is produced when the plane intersects all the generatrices of the conical surface.

The parabola is produced when the plane is parallel to one generatrix of the conical surface.

1 Note that this definition of order is not the same as will be discussed later when it comes to Splines 2 This expression can be generalized to higher degrees giving rise to other types of lines (cubic, quartic,…).

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The hyperbola is produced when the plane is parallel to two generatrices of the conical

surface.

2.1.1. Ellipse

The ellipse (of which the circumference is a particular case) is defined as the flat curve in which

all points meet the condition that their summed distances to two fixed points called foci is

constant.

figure 2: Definition, tangent and normal (left). Tangent line from an exterior point (right).

The ellipse can be obtained by an affine transformation of a circumference (figure 4), and is

defined by two conjugated diameters (corresponding to a circumscribed parallelogram tangent

to the ellipse at the midpoints of the sides). When two diameters are conjugated, one bisects

all chords parallel to the other and vice versa.

figure 3: Tangent with a given direction (left). Ellipse defined by two conjugated diameters d1 and d2 (right).

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figure 4: Affine transformation between ellipse and circumference with the determination of the principal axis.

2.1.2. Parabola

A parabola is a flat curve that is defined by the condition that for any point on the curve, the

distance to a fixed point, called focus, and the distance to a fixed line, called directrix, is equal.

figure 5: Definiton, tangent and normal (left). Tangent from a given point.

The parabola can be defined by two tangents and the respective points of tangency as it can

be seen in the next figure. In that case the points of the parabola can be defined recursively.

Parabola defined by two tangent lines and the corresponding tangent points.

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2.1.3. Hyperbola

The hyperbola is a flat curve that is defined similarly to the ellipse, but with the distinction that

the difference of the distances from a point on the curve to the foci is constant.

figure 6: Definition (left). Tangent from a point on the curve, tangent and normal (right).

2.1.4. Free curves

From a practical point of view, it is important to have a type of line that can represent those

lines that can be called free lines. Free lines are those that result from a spontaneous drawing

gesture. These lines do not have a geometric definition a priori. However, when representing

them on a computer, it is necessary to rationalize them in some way. The simplest way to

rationalize them, although usually resulting in unattractive practical result, is to represent

them through a sequence of ARCS OF CIRCUMFERENCE, as shown in figure 7. This way of

rationalizing a free line originates from the analogical drawing as it can be understood by the

implicit economy of means.

figure 7: Rationalizing a line trough a sequence of arcs of circumference.

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2.2. Splines

One way to designate freeform lines is by using the term SPLINE. This term goes back to the

use of wooden strips that were bent and curved to generate molds for aeronautical

construction3. In geometric terms, a spline is a smooth curve based on the joining of one or

more curves defined by polynomial functions that are adjacent at points called INTERNAL

KNOTS (K) 4. The endpoints of a spline are also called KNOTS..

2.2.1. Curva de Bézier

The simplest spline is the BÉZIER CURVE5. A Bezier curve is a B-spline (see next section) without

Internal Knots (K). A Bézier curve is defined by CONTROL POINTS (C) which are in precise

relationship with its DEGREE (D):

𝐶 = 𝐷 + 1 (2)

In figure 8 we have three Bézier curves, with degree 2, 3 and 4, from left to right, respectively.

Note that a degree 1 Bezier curve is no more than a STRAIGHT LINE SEGMENT.

figure 8: Bézier curves of degree 2, 3 and 4.

In the curves shown in figure 8, the knot vectors are, respectively, K={0.0,0.0,1.0,1.0},

K={0.0,0.0,0.0,1.0,1.0,1.0} and K={0.0,0.0, 0.0.0.01.0,1.0,1.0,1.0}. Note that the number of

3 See Wikipedia article (http://en.wikipedia.org/wiki/Spline_%28mathematics%29).

4 The internal knots correspond to the points at which the various polynomial curves are adjacent in geometric space. Spline knots correspond to a knot vector in parametric space. When speaking of uniform node spacing, in the designation of uniform B-Splines, reference is made to spacing in parametric space rather than geometric space. In this regard see the article on B-Splines at Wolfram MathWorld (http://mathworld.wolfram.com/B-Spline.html). 5 See Wikipedia article (http://en.wikipedia.org/wiki/B%C3%A9zier_curve).

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knots is twice the degree of the curve. Another important rule is that the first geometric point

of the curve corresponds to the node whose index equals the degree. For example, on grade

two curve the second node is 0.0 and this node corresponds to the first endpoint of the curve.

Similarly, if we follow the knot vector in reverse order, we identify the knot corresponding to

the second endpoint of the curve. Still as an example, in a Bézier of degree 2, the geometric

points of the curve correspond, in the parametric space, to the values between parameter K2

and K3, that is, between 0.0 and 1.0. It is further important to note that equal spacing in

parametric space does not correspond to equal spacing in geometric space.

Another important concept is the ORDER (O) of the curve. By definition:

𝑂 = 𝐷 + 1 (3)

De Casteljau's algorithm allows us to understand the graphical construction of a Bézier curve

whatever its degree. In figure 9 one can see the logic of the graphical construction of a Bezier

curve of degree 3. It is important to realize that this logic can be generalized to any degree.

figure 9: De Casteljau algorithm for the construction of a Bézier curve of degree 3.

The figure illustrates the construction of a point given by the parameter t = 0.75. The

parameter range for the construction of the Bézier curve is in this case given by the interval

[0.0,1.0] since this is the interval corresponding to nodes K3 and K4. Parameter point 0.0 is

point K3 and parameter point 1.0 is point K4, which coincides with the first point and last

control point, respectively. Since the degree is 3, the algorithm implies 3 subdivision levels for

constructing curve points. The number of subdivision levels is equal to the degree of the curve.

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An interesting point to notice is that a Bézier curve of degree 2 is a parabola, ie, it is a

particular case of a conic line. Another interesting aspect to notice about the degree of the

Bezier curve is that it is also related to the number of possible inflections in it. Thus, the

number of possible inflections (I) is equal to:

𝐼 = 𝐷 − 2 (4)

It is important to note that a Bézier curve cannot be used for the representation of conics in

general, only parabolas.

2.2.2. B-Splines

One way to expand the use of Bézier curves is by using B-SPLINES (Basis Spline). In practice, a

B-Spline is a smooth arrangement of Bézier curves. In other words, at the transition points

(corresponding to the internal knots), the Bezier curves share the same tangent lines. A B-

Spline can be defined in two ways: through control points or through point interpolation.

When a B-Spline is defined using control points, the curve does not pass through those points

(although the knot vector can be defined so that the curve passes through the endpoints).

When it is defined by point interpolation the curve passes through those points. Note that the

interpolated points are not the internal nodes. In practice, B-Splines give us a way to construct

Bézier curves that smoothly articulate with each other. B-Splines contain internal knots, that is,

points at which two consecutive Bezier curves contact each other. If a B-Spline contains an

internal knot, it means that it is composed of two Bezier curves, and so on.

Let us return to the question of the knot vector, and its relation to the curve configuration,

through examples.

In figure 10 we have a B-Spline of degree 3 whose knot vector is

K={0.0,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0,7.0,8.0}. Since the degree is three, the first endpoint corresponds

to knot K3=2.0 and the last endpoint corresponds to node K7=6.0. This knot vector has all

elements equally spaced and so is called UNIFORM. If the elements of the vector are not

equally spaced, it is said NOT UNIFORM. However, it turns out that the endpoints of the curve

do not coincide with the first and last control points. Analysing the internal knots, we find that

this curve is, in practice, an arrangement of 4 Bezier curves "glued" at the points

corresponding to K4, K5 and K6.

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figure 10: B-Spline of degree 3 whose knot vector is K={0.0,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0,7.0,8.0}.

In any case, the number of elements (N) of the knot vector is given by the expression:

𝑁 = 𝐶 + 𝑂 − 2 (5)

In the example of figure 11, we have B-Spline of degree 3 whose knot vector is

K={0.0,0.0,0.0,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0}. In this case, it is found that the first endpoint of the

curve coincides with the first control point. Also this curve is an arrangement of 4 Bézier

curves.

figure 11: B-Spline of degree 3 whose knot vector is K={0.0,0.0,0.0,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0}.

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In Figure 12 we have a B-Spline of degree 3 whose node vector is

K={0.0,0.0,0.0,1.0,2.0,3.0,4.0,4.0,4.0}. In this case it turns out that the endpoints of the curve

coincide with the first point and last control point. This corresponds to the most commonly B-

Splines used.

figure 12: B-Spline of degree 3 whose node vector is K={0.0,0.0,0.0,1.0,2.0,3.0,4.0,4.0,4.0}.

Both Bézier curves and their generalization given by B-Splines are INVARIANT UNDER AFFINE

TRANSFORMATION, that is, if we subject the control points of a B-Spline to an affine

transformation, the transformed points are control the points of a B -Spline affine to the first

one as illustrated in figure 13.

figure 13: Two affine B-SPLINES.

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It should be recalled that an affine transformation transforms a parallelogram [ABCD] into

another parallelogram [A'B'C'D’]. Note that the point P1' is related to the point P1, and it lies in

the B-Spline affine to the first one.

2.2.3. NURBS Lines

However, B-Splines are not invariant under a PROJECTIVE TRANSFORMATION. That is,

subjecting the control points of a B-Spline to a projective transformation, the homologous

points of the control points are control points of a B-Spline which is not affine with the first B-

Spline, as shown in figure 14.

figure 14: The two homologous curves (in continuous). The dot line is a B-Spline with control points C1’, C2’, C3’,

C4’ and C5’.

It should be remembered that a projective transformation transforms any quadrilateral [ABCD]

into any quadrilateral [A'B'C'D’]. In the transformation illustrated in figure 14, homologous

control point points could be used as control points for a new B-Spline (dotted in figure 14 on

the right). But this line does not correspond to the projective transformation of the B-Spline

given in the left figure. The transformed curve is the black curve in the right figure.

What line is this?

This new line is called NURBS (Non-Uniform Rational Basis Spline). The designation Non-

Uniform refers to the fact that the elements of the knot vector may not be uniform (as we had

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already observed in B-Splines) and to a new parameter which is the definition of a weight

associated with the control points whose effect is to pull or push the curve towards that point

according to the higher or lower value associated with it. In a B-Spline all weights have a value

of 1. In a NURBS, weights may be different from 1. If the weight of a control point is bigger

than 1, the curve is drawn to the control point. If the weight of a control point is less than 1,

the curve is moved away from the control point. This effect can be seen in figure 15. In this

figure, a black B-Spline of degree 3 is drawn. By changing the weight of control point C5, there

was an effect on the internal knots that were under the effect of that control point. Note the

interesting fact that the internal knots have moved towards the control point; approached

when weight was set to greater than 1 (green NURBS) and moved away when weight was set

to less than 1 (blue NURBS).

figure 15: The effect of the weight of a control point.

Since only the weight of a control point changed, the internal knots influenced by it moved in a

straight line. However, if we change the weight in more than one control point, the attracting

effect is combined at those points that are under the influence of more than one control point,

as shown in figure 16.

figure 16: Changing the weight of multiple control points.

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A very interesting aspect about NURBS is that, considering the degree 2, and with the

appropriate choice of weights, they can represent any conic line. Interestingly, therefore, the

configuration illustrated in figure 7 is a particular case of a NURBS line.

3. SPATIAL LINES AND SURFACES

A spatial line is a line that doesn’t lie in a plane.

A surface can be conceptually defined as the continuous movement of a line in space,

deformable or not, subject to a certain law. As has been said for lines, there is no single surface

classification criterion either.

A line can result from the intersection of two surfaces. In this case it will usually be a spatial

line. However, in particular cases it may be a flat line.

3.1. General notions on lines and surfaces

3.1.1. Incidence conditions

If the point P lies on the line d and the line d lies to the surface , then the point P

belongs to the surface .

figure 17: Incidence condition of a point on a surface.

3.1.2. Tangent (straight) line

The point A lies on the line m and the line m lies on the surface .

The line At , tangent to the line m at the point A , corresponds to the limit position of the

secant line s ,when the point X tends to the point A .

P[d]

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17

If line At is tangent to the line m , it is also tangent to the surface .

figure 18: A (straight) line tangent to a surface.

3.1.3. Curvature

A flat curved line is always contained in a plane. Other than the circumference, the

CURVATURE (K) of the lines varies. The curvature of a line at a point is the inverse of the

RADIUS OF CURVATURE (R) of the line at that point. And the radius of curvature of the line at

one point is the radius of the OSCULATING CIRCUMFERENCE of the curve at that point. The

centre of this, the point C in the figure below, can be considered as the limiting position of

the intersection of two normal lines on the curve when the arc, defined by the points common

to the curve and the normal, tends to zero, as shown in the following figure.

figure 19: Centre of curvature of a curve at a point T.

In the figure, it can be seen that we can assign a rectangular coordinate system associated with

the straight lines t and n , and of origin T , where, as the curve is flat, it is contained in its

plane. The third axis of this coordinate system is a line passing through the point T which is

simultaneously perpendicular to the lines t and n which is called the BI-NORMAL line to the

curve at the point T .

AX

t A

s[m]

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18

These concepts can be extended to SPATIAL CURVES, that is, to non-flat curves.

Two points infinitely close to a point T , on a spatial curve define an OSCULATING PLAN, which

contains the osculating circumference c , the line tangent to the curve, t , and the normal line

to the curve, n , at the point T . Similarly, the bi-normal line b , passes through the point T

and is perpendicular to the plane of the osculating circumference.

figure 20: Local frame associated with a curve at a point T.

In a spatial curve, the bi-normal rotates around the tangent as the point T moves on the

curve. The higher or lower rotation rate of the bi-normal is called TORSION.

3.1.4. Continuity between curves

Between curves various types of continuity can be established. In the curves of figure 21 there

is only CONTINUITY OF POSITION between the curves a and b , that is, there is a vertex V

in the transition between the curves.

figure 21: Continuity of position.

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19

In the curves of figure 22 there is CONTINUITY OF TANGENCY between the two curves a and

b , that is, at the transition point between the curves, both admit the same tangent line t .

However, there is no continuity of curvatures, as can be seen from the graphs that illustrate

the curvatures.

figure 22: Tangency continuity between to lines.

If, at the point V , the curvatures of both lines are the same and the lines are tangent, then the

lines are said to have CURVATURE CONTINUITY.

3.1.5. Tangent plane to a surface

Let two lines, a and b belonging to the surface , be incident at the point P .

Let at and bt be the lines tangent to the lines a and b , respectively, at the point P .

The plane , defined by the lines at and at , is the plane tangent to the surface at the

point P .

From the tangent plane to a surface it is said to be the OSCULATING PLANE.

figure 23: Tangent plane to a surface at a point.

[a]

[b]

P

t a

t b

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20

3.1.6. Normal (straight) line and normal plane

Let the plane be tangent to the surface at the point P .

Be n a line perpendicular to the plane at the point P .

The line n is said to be the NORMAL LINE to the surface at the point P .

From a plane containing the line n it is said to be a NORMAL PLANE to the surface at the

point P .

figure 24: Normal line to a surface at a point P.

3.1.7. Surface curvature

Let n be a normal line to the surface at the point P .

Let and be the normal planes to the surface at the point P .

Let c (result of the intersection of the plane with the surface ) be the line of

maximum curvature of the surface at the point P .

Let d (result of the intersection of the plane with the surface ) be the line of

minimum curvature of the surface at the point P .

The planes containing the maximum and minimum curvature lines at a point are found to be

perpendicular to each other.

P

n

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21

figure 25: Principal normal planes and principal normal sections to a surface at a point P.

If the tangent plane to the surface at the point P divides the surface into four regions,

two “up” from the plane and two “down”, then the surface has DOUBLE CURVATURE OF

OPPOSITE SENSES at the point P . The surface is ANTICLASTIC at P .

If the tangent plane to the surface at the point P only contains P in its vicinity, then the

surface has DOUBLE CURVATURE WITH THE SAME SENSE at the point P . The surface is

SYNCLASTIC.

If the tangent plane to the surface at the point P has in common with only one

passing line through P , then the surface has SIMPLE CURVATURE at the point P .

3.1.7.1. Mean curvature

The MEAN CURVATURE (Km) of the surface at the point P is the average of the maximum

and minimum curvatures.

3.1.7.2. Gaussian curvature

GAUSSIAN CURVATURE (Kg) of the surface at the point P is the product of the maximum

and minimum curvature.

A developable surface has zero Gaussian curvature at all points.

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22

3.1.8. Surfaces intersection

If two surfaces and intersect on a line i , then there is at least one surface that

intersects the surface on a line a , intersects the surface on a line b , such that the

line a intersects the line b at a point I on the line i .

figure 26: Intersection between surfaces.

According to the intersection line, intersections can be classified in three ways. If the

intersection line is single and closed there is a ONE PART INTERSECTION.

One part Intersection.

If the intersection line has a double point, the it is a curve with a SINGULAR POINT.

Singular point intersection.

[i]

[a][b]I

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23

It there are two intersection lines then there is a TWO PARTS INTERSECTION6.

Two parts intersection.

3.1.9. Line tangent to the intersection line

Let i be the line of intersection between surfaces and .

Be P a point of the line i , therefore a common point between e .

Let the plane be tangent to the surface at the point P .

Let the plane be tangent to the surface at the point P .

The line t , intersecting of the planes and , is the line tangent to the line i at the point

P .

figure 27: Tangent line as the result of the intersection of tangent planes.

6 See https://en.wikipedia.org/wiki/Intersection_curve .

[i]

P

t

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24

3.1.10. Tangency between surfaces

If two surfaces and admit the same tangent plane s at all points P of the line

common to both, then the two surfaces are said to tangent along the line c . Meeting this

condition ensures the “visually smooth transition” between surfaces, which is called G1

continuity. However, there may be discontinuity at the curvature level. If there is continuity

between surfaces at curvature level, it is said that there is continuity G2. A common test for

assessing the type of continuity between surfaces is ZEBRA analysis.

figure 28: Two surfaces tangent along a common line.

If two surfaces and are tangent along a line i , then there is at least one surface

that intersects the surfaces and along the lines b and a , respectively, such that

the lines b and a are tangent to each other at a point I on the line i .

figure 29: Tangent surfaces and tangent lines.

[c]

P

[i]

I

[b]

[a]

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25

If two surfaces and are tangent along a line i and are both tangent to a surface

along the lines a and b , respectively, such that a and b intersect at point I on the line

i , then the two lines a and b are tangent to each other at the point I .

figure 30: Tangent surfaces and tangent lines.

The same discussion of continuity about lines can be transposed to surfaces.

3.1.11. Silhouette

The silhouette of a surface for an “observer” O (projection centre) is the line of tangency

c between the surface and a conical surface with vertex O .

If the observer is at infinity, then is a cylindrical surface.

figure 31: Silhouette of a surface seen from a viewpoint O.

[i]

[a] [b]

I

O[c]

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26

3.1.12. Distinction between surface and solid

Uma superfície é a entidade que delimita o volume do sólido.

3.2. C Surface classification by type of generatrix

SURFACE CLASSIFICATION BY GENERATRIX TYPE examples

POLYEDRIC SURFACES regular, semi-regular, irregular polyhedral meshes

RULED (generated by straight lines)

DEVELOPABLE

PLANAR SURFACE llane

defined by 1 POINT and 1 DIRECTRIX conical; cylindrical; prismatic; pyramidal

defined by 2 DIRECTRICES Convoluted surfaces; surfaces of constant slope

TANGENTIAL SURFACES tangential helicoid

other surfaces

NON DEVELOPABLE

defined by 3 DIRECTRICES hyperbolic paraboloid; hyperboloid of revolution; cylindroid; conoid; ruled helicoids; skewed arc surfaces

Other surfaces single face ruled surface

CURVED (not generated by straight lines)

REVOLUTION SURFACES7 spherical; toric; ellipsoidal; others

Others serpentine; minimal surfaces; NURBS 8

Tabela 1: Classification of surfaces.

3.2.1. Polyedric surfaces

The relationship between the number of edges (A), vertices (V) and faces (F) of any polyhedron

topologically equivalent to a sphere is given by Euler's formula:

𝑉 + 𝐹 = 𝐴 + 2 (6)

A polyhedron whose vertices are the centers of the faces of another polyhedron is called DUAL

of that one.

3.2.1.1. Regular polyhedra

All faces are regular polygons of only one type, all vertices belong to a spherical surface, they

are the "Platonic Solids".

figure 32: The five regular polyhedra

7 Note that there are surfaces of revolution that are developable (conical and cylindrical). Note that the surface of the hyperboloid of revolution can also be defined by three straight generatrices. 8 Note that NURBS surfaces can be used as a representation of many other surfaces used in the table.

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27

3.2.1.2. Semi-regular polyhedra

All faces are regular polygons of two or more types with constant edge length; all vertices

belong to a spherical surface. They are also referred to as “Archimedes Solids”. All edges and

vertices are congruent and can be obtained from regular polyhedra by some process of

geometric transformation. This category may also include regular prisms and regular anti-

prisms although this is not normally common.

figure 33: The thirteen Archimedean Solids (in http://mathworld.wolfram.com/ArchimedeanSolid.html)

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28

3.2.1.3. Irregular polyhedra

Faces are polygons of various types. Vertices may or may not belong to a spherical surface. The

length of the edges is not constant. Examples of irregular polyhedra are pyramids, bipyramids,

trunks of pyramid, prisms, trunks of prism. A bipyramid is a solid generated by the “sum” of a

pyramid with its symmetrical relative to the base plane. Other types of irregular polyhedra are

antiprisms, antipyramids, trunk of antiprisms and antiprismoids.

An antiprismoid has two opposite faces which are polygons with different number of sides.

In an antipyramid one of the polygons is replaced with an edge.

An antiprism has two opposite faces which are polygons with the same number of sides.

A trunk of antiprism has two opposite faces which are polygons with the same number of sides

but in non-parallel planes.

figure 34: Examples of irregular polyhedra.

Another interesting type of polyhedron are Johnson's solids. These are polyhedra in which all

faces are regular of more than one type, but are not regular, semi-regular, regular prisms, or

regular anti-prisms. There are 92 in all.

3.2.2. Surfaces of revolution

Nestas, é conveniente definir alguns elementos notáveis.

O EIXO é a recta em torno da qual roda a linha (geratriz) que gera a superfície.

Um PARALELO é uma intersecção produzida na superfície por um plano perpendicular ao eixo.

Um MERIDIANO é uma intersecção produzida na superfície por um plano complanar com o

eixo.

Se um paralelo é o maior na sua vizinhança designa-se EQUADOR.

Se um paralelo é o menor na sua vizinhança designa-se CÍRCULO DE GOLA.

Se a superfície admite planos tangentes perpendiculares ao eixo nos pontos que este tem em

comum com aquela, então estes pontos designam-se PÓLOS.

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29

Se a superfície admite planos tangentes perpendiculares ao eixo ao longo de paralelos, estes

designam-se CÍRCULOS POLARES.

Figura 35

3.2.2.1. Superfície esférica

A superfície esférica pode ser conceptualmente concebida como o resultado da rotação de

uma circunferência em torno de um diâmetro.

Figura 36

3.2.2.2. Esferóide

O esferóide, ou elipsóide de revolução, é superfície que se gera pela rotação de uma elipse em

torno de um dos seus eixos principais. Diz-se que é alongado se a rotação for feita em torno do

eixo maior, e diz-se achatado se a rotação for feita em torno do eixo menor.

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30

Figura 37

3.2.2.3. Superfície tórica

A superfície tórica fica gerada pela rotação de circunferência em torno de um eixo contido no

seu plano. Considera-se que o eixo não intersecta a circunferência.

Figura 38

3.2.2.4. Hiperbolóide de revolução de uma folha

O hiperbolóide de revolução de uma folha, que adiante se verá que também é uma superfície

regrada, é gerado pela rotação de uma hipérbole em torno do seu eixo conjugado ou não

transverso.

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31

Figura 39

3.2.2.5. Hiperbolóide de revolução de duas folhas

O hiperbolóide de revolução de duas folhas é a superfície gerada pela rotação da hipérbole em

torno do seu eixo real ou transverso.

Figura 40

3.2.2.6. Hiperbolóide de revolução de duas folhas

O parabolóide de revolução é a superfície gerada pela rotação da parábola em torno do seu

eixo.

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32

Figura 41

3.2.3. Superfícies planificáveis

Para que uma superfície seja planificável deve ser regrada. Mas esta condição só por si não

implica que a superfície seja planificável. Para além de ser regrada deve ainda acontecer que

cada para de geratrizes infinitamente próximas entre si sejam concorrentes, isto é

complanares. Do enunciado resulta que uma superfície planificável apenas admite um plano

tangente por cada geratriz. A planificação corresponde ao “desenrolar” da superfície até que

esta coincida com uma dos planos tangentes. Nesta operação a superfície não “estica” nem

“encolhe”, não se “rasga” nem adquire “pregas”. Nesta operação preservam-se os

comprimentos e os ângulos. A resolução de problemas concretos depende, obviamente, do

tipo particular de superfície que se tem em presença. Assim, diferentes métodos serão

utilizados para planificar superfícies cónicas ou cilíndricas de revolução, cónicas ou cilíndricas

oblíquas, convolutas, tangenciais, etc.

Tal como já foi atrás referido, uma superfície planificável tem curvatura Gaussiana, em todos

os seus pontos, igual a zero.

3.2.3.1. Superfície cónica, cilíndrica, piramidal e prismática

As superfícies planificáveis mais comuns são as superfícies cónicas, cilíndricas, piramidais e

prismáticas.

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33

Figura 42

3.2.3.2. Convoluta e Superfície tangencial

Outro tipo de superfícies planificáveis são as que se seguem. A convoluta fica definida pelo

lugar geométrico das rectas que resultam dos pontos de tangência de um par de rectas

complanares tangentes a duas linhas curvas espaciais, que se deslocam no espaço mantendo

aquelas condições (tangência e complanaridade).

As superfícies tangenciais ficam definidas pelo lugar geométrico das rectas tangentes a uma

linha torsa.

Figura 43

3.2.3.3. Helicóide tangencial

O helicóide tangencial é uma caso particular de uma superfície tangencial. Neste caso a linha

directriz é uma hélice cilíndrica.

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34

Figura 44

3.2.3.4. Planificação (método gráfico)

A planificação de uma superfície consiste no “desenrolar” da mesma para um plano. Uma

aproximação a esse processo é a definição da superfície por meio de uma triangulação e de

seguida proceder ao ajuste desses triângulos no plano. Este processo acaba por ser válido para

a “planificação” de superfícies não planificáveis uma vez que todas as superfícies podem ser

aproximadas por uma triangulação.

Figura 45

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35

Algumas ferramentas de modelação 3D implementam funções de planificação de superfícies,

como é o caso do software Rhinoceros. Porém, verifica-se que os resultados não são correctos

quando se procura generalizar a superfície.

3.2.3.5. Planificação da superfície do cilindro e do cone de revolução

Porém, há figuras cuja planificação é bastante simples. Trata-se da planificação da superfície

do cilindro de revolução, que resulta num rectângulo, e a planificação do cone de revolução

que resulta num sector circular.

Figura 46

Figura 47

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36

3.2.3.6. Planificação da superfície do cilindro e do cone oblíquo

A planificação do cilindro oblíquo pode fazer-se por meio da aproximação da sua superfície à

de um prisma, e a planificação do cone oblíquo pode fazer-se meio da aproximação da sua

superfície à de uma pirâmide. O resultado é tanto melhor quanto mais refinada for a

aproximação.

Figura 48

Figura 49

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37

3.2.3.7. Planificação da superfície do helicóide tangencial

Pela sua regularidade, o cálculo da planificação da superfície do helicóide tangencial também é

relativamente simples, como ilustrado na figura.

Figura 50

3.2.4. Superfícies regradas não planificáveis (empenadas)

Uma superfície regrada não é planificável se duas geratrizes infinitamente próximas não se

intersectarem. Esta condição é em geral cumprida quando a superfície é definida por três

directrizes quaisquer. Contudo, há posições específicas que as directrizes podem assumir que

não permitem gerar nenhuma superfície regrada ou em que esta degenera numa superfície

planificável.

Figura 51

A

[c]

[b][a]

A

A

1

2

n

B1

2B

Bn

C1

nCC2

1g

2g

ng

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38

A condição que se impõe para que as rectas 1g , 2g , ng definam uma superfície regrada

é a de serem tangentes às superfícies directrizes , e simultaneamente. Isto é, a

superfície deve ser simultaneamente concordante com as superfícies , e

segundo linhas a , b e c , respectivamente.

O conjunto das rectas 1g , 2g , ng designa-se por SISTEMA DE GERATRIZES.

Se uma das superfícies directrizes for substituída por uma linha directriz, então as geratrizes

devem intersectá-la.

Se a superfície possuir apenas um sistema de geratrizes rectas 1g , 2g , ng , então diz-se

que é SIMPLESMENTE REGRADA.

Se a superfície possuir dois sistemas de geratrizes rectas 1g , 2g , ng e 1j , 2j , nj , então

diz-se que é DUPLAMENTE REGRADA.

Quando uma superfície é duplamente regrada, todas as geratrizes de um sistema intersectam

todas as geratrizes do outro sistema.

Se uma directriz recta for imprópria (situada no infinito) isto equivale a dizer que todas as

geratrizes 1g , 2g , ng são paralelas a uma orientação. Neste caso diz-se que a superfície é de

PLANO DIRECTOR.

Se uma directriz curva for imprópria (situada no infinito), isto equivale a dizer que todas as

geratrizes 1g , 2g , ng são paralelas às geratrizes 1d , 2d , nd de uma superfície cónica. Neste

caso, diz-se que a superfície é de CONE DIRECTOR ou de SUPERFÍCIE CÓNICA DIRECTRIZ.

Contudo, deve notar-se que mesmo que a superfície seja definida por 3 directrizes próprias ela

gozará obrigatoriamente da propriedade de ser de plano director ou de cone director, uma vez

que todas as rectas têm pontos impróprios. Em todo o caso, em termos de classificação quanto

à directriz, é conveniente distinguir as que são de plano director ou cone director e as

ORDINÁRIAS.

Como consequência, apresenta-se o seguinte quadro de classificação de superfícies regradas

não planificáveis (empenadas) definidas por três directrizes.

SUP

ERFÍ

CI

ES

REG

RA

DA

S

EMP

ENA

DA

S

DEF

INID

AS

PO

R 3

DIR

ECTR

IZES

(lin

has

e/o

u

sup

erfí

cie

s)

R (

rect

a) ;

C (

curv

a) ;

S (s

up

erfí

cie

) ; R

(r

ecta

im

pró

pri

a

) ; C

(c

urv

a im

pró

pri

a

)

TIPO DIRECTRIZES exemplos

OR

DIN

ÁR

IA R R R Hiperbolóide empenado escaleno; Hiperbolóide de revolução de uma folha

R R C

R C C Superfícies de arco enviesado (corno de vaca; arriere-voussure)

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39

C C C

R R S

R C S

C C S

R S S

C S S

S S S D

E P

LAN

O

DIR

ECTO

R

R R R Parabolóide hiperbólico

R R C Superfícies de conóide; Superfícies helicoidais

R C C Superfícies de cilindróide

R R S Superfícies de conóide com um núcleo

R C S Superfícies de cilindróide com um núcleo; Superfícies helicoidais com núcleo

R S S Superfícies de cilindróide com dois núcleos

DE

CO

NE

DIR

ECTO

R

C R R Tetraedróide

C C R Superfícies helicoidais

C C C Hiperbolóide de revolução de uma folha

C R S

C C S Superfícies helicoidais com núcleo

C S S

Tabela 2

3.2.4.1. Hiperbolóide de revolução de uma folha

O hiperbolóide de revolução de uma folha acumula a dupla condição de ser superfície de

revolução e superfície regrada. Com efeito, a mesma superfície pode ser gerada pela rotação

de uma hipérbole pela rotação de uma recta enviesada ao eixo.

Figura 52

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40

Figura 53

Uma das propriedades interessantes do hiperbolóide de revolução de uma folha é o facto de

as suas geratrizes serem paralelas às geratrizes de uma família de superfícies cónicas de

revolução, os designados cones directores.

Figura 54

As intersecções que é possível produzir nesta superfície são do mesmo tipo que as que se

podem produzir numa superfície cónica de revolução, isto é, são linhas cónicas. Planos com

uma determinada orientação produzem intersecções do mesmo tipo das produzidas nos cones

directores.

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41

Figura 55

Figura 56

Uma propriedade interessante desta superfície é o facto de ser duplamente regrada, isto é, a

mesma superfície pode ser gerada de dois modos distintos pela rotação de uma recta. Assim,

esta superfície admite dois sistemas de geratrizes, ou dito de outra forma, a superfície pode

ser concebida como uma rede de linhas rectas no espaço que se intersectam.

3.2.4.2. Hiperbolóide empenado escaleno

O hiperbolóide empenado escaleno pode obter-se do anterior por meio de uma transformação

afim, e goza de propriedades muito semelhantes àquele.

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42

Figura 57

Porém, outra forma de gerar o hiperbolóide empanado escaleno é a que se ilustra na figura

seguinte. Das três rectas enviesadas quaisquer (directrizes), a superfície é gerada pelo

movimento de uma quarta recta (geratriz) que se desloca no espaço apoiada naquelas três.

Geratrizes desta superfície podem ser facilmente obtidas através da intersecção de um feixe

de planos com duas directrizes, tendo por base a outra geratriz.

Figura 58

3.2.4.3. Parabolóide hiperbólico

O parabolóide hiperbólico também pode ser gerado de vários modos distintos. Na figura

seguinte, ilustra-se a sua geração por deslocamento de uma parábola (que preserva a

orientação) apoiada noutra parábola.

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Figura 59

Figura 60

Trata-se também de uma superfície duplamente regrada. Isto é, também pode ser considerado

gerado de dois modos distintos pelo movimento de uma recta no espaço apoiada sobre três

rectas enviesadas. Embora neste caso uma das rectas seja imprópria. Isto quer dizer, na

prática, que a geratriz se desloca mantendo-se apoiada em duas directrizes enviesadas e

conservando o paralelismo a um plano (orientação de planos), designado plano director. Face

às propriedades descritas, verifica-se que o parabolóide hiperbólico admite duas orientações

de planos directores.

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Figura 61

A forma mais simples de definir um parabolóide hiperbólico é através de um quadrilátero

enviesado. As direcções de dois lados opostos definem a orientação do plano director daquela

família de geratrizes, e as direcções dos outros dois lados definem a orientação do plano

director da outra família de geratrizes.

Figura 62

Para se definir o parabolóide hiperbólico dadas três geratrizes da mesma família, deve impor-

se a condição de que as direcções destas rectas estejam contidas numa única orientação (a

orientação do plano director daquela família de geratrizes).

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Figura 63

O parabolóide hiperbólico admite dois tipos de secções cónicas. Se um plano contiver a

direcção comum aos dois planos directores, então a intersecção é do tipo parábola. Caso

contrário é do tipo hipérbole.

Figura 64

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Claro está, que não se está aqui a considerar os casos dos planos osculantes, em que as

secções degeneram num par de rectas, rectas essas que se cruzam no ponto de tangência do

plano com a superfície.

3.2.4.4. Helicóides regrados

Os helicóides regrados são uma família particular de superfícies regradas empenadas, que têm

por directriz uma hélice cilíndrica. Podem ser de cone director ou de plano director. Podem ter

núcleo central ou ser axiais.

Figura 65

Quando se diz que o helicóide é axial, quer-se dizer que as geratrizes (consideradas

extensíveis) são concorrentes com o eixo. Na outra situação, as geratrizes são tangentes à

superfície de um cilindro de revolução co-axial com o helicóide. Quando são de plano director,

as geratrizes conservam uma direcção contida numa orientação, em geral ortogonal ao eixo da

superfície. Quando são de cone director, mantêm um ângulo constante com o eixo, com a

particularidade desse ângulo nunca ser 90o.

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47

Figura 66

Figura 67

3.2.4.5. Superfícies de conóide

As superfícies de conóide podem ser geradas pelo deslocamento de uma recta (geratriz) que

se apoia numa recta e numa curva, conservando o paralelismo relativamente a uma orientação

de planos. Isto é, trata-se uma superfície simplesmente regrada de plano director.

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48

Figura 68

Figura 69

3.2.4.6. Superfícies de cilindróide

A superfície de cilindróide é em tudo semelhante à anterior, porém a geratriz apoia-se em

duas curvas.

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49

Figura 70

Figura 71

3.2.4.7. Superfícies de arco enviesado

As superfícies de arco enviesado são geradas pelas rectas definidas pelas intersecções

sucessivas de um feixe de planos relativamente a duas curvas ou uma curva e uma recta.

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50

Figura 72

Figura 73

3.2.4.8. Plano tangente a uma superfície simplesmente regrada

Numa superfície empenada simplesmente regrada o plano , tangente a num ponto

T , contém a geratriz recta g que por ele passa. Este plano intersecta a superfície segundo a

recta g e segundo uma linha a . O plano contém a recta t tangente à linha a no ponto

T .

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Figura 74

3.2.4.9. Plano tangente a uma superfície duplamente regrada

Numa superfície empenada duplamente regrada, , o plano , tangente a num ponto

T , fica definido pelas duas geratrizes rectas, g e j , que nele se intersectam. É o caso do

parabolóide hiperbólico, do hiperbolóide escaleno e do hiperbolóide de revolução de uma

folha.

Figura 75

3.2.4.10. Feixe de planos tangentes ao longo de uma geratriz

Considere-se a superfície empenada regrada definida pelas directrizes a , b e c .

Seja g uma geratriz recta, da superfície , que contém os pontos A , B e C pertencentes

às directrizes a , b e c , respectivamente.

Os planos A , B e C tangentes à superfície nos pontos A , B e C , respectivamente,

ficam definidos pela geratriz g e pelas rectas At , Bt e Ct , respectivamente tangentes a a

em A , a b em B e a c em C .

T

g

[a]

t

T

g

j

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Figura 76

Figura 77

Na sequência do exposto para a Figura 76 tem-se:

Se se intersectar o plano A com um plano A qualquer (passante pelo ponto A ), o plano

B com um plano B qualquer (passante pelo ponto B ), e o plano C com um plano C

qualquer (passante pelo ponto C ), obtêm-se, respectivamente, as rectas Aj , Bj e Cj

tangentes à superfície regrada empenada nos pontos A , B e C , respectivamente.

As três rectas definem um hiperbolóide escaleno de concordância com a superfície ao

longo da geratriz g .

Como os planos A , B e C podem assumir uma infinidade de orientações, existe uma

infinidade de hiperbolóides escalenos concordantes com a superfície ao longo da geratriz

g .

A

B

C

[a]

[b]

[c]

A

B

C

t

t

t

g

C

B

A

B

g 1

A

B

C

j C

C

2gg

Aj

Aj B

TTj

T

2

1

A

B

C

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Se os três planos A , B e C forem paralelos entre si, a superfície de concordância é um

parabolóide hiperbólico.

Mais uma vez, existe uma infinidade de parabolóides hiperbólicos concordantes com a

superfície ao longo da geratriz g .

Determinar o plano T , tangente à superfície num ponto T qualquer da geratriz g ,

consiste em determinar a geratriz Tj (do sistema contrário ao de g e concorrente com g no

pontoT ) do hiperbolóide escaleno ou do parabolóide hiperbólico, consoante o caso.

3.2.4.11. Hiperbolóide de revolução (planos tangentes)

Como a superfície do hiperbolóide de revolução é duplamente regrada, o plano tangente fica

definido pelas duas geratrizes, de sistemas contrários, que se intersectam no ponto de

tangência.

Figura 78

Porém, tal como para qualquer superfície, o plano pode ser definido por um par de rectas

tangentes a duas secções que se cruzam, no ponto de tangência.

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Figura 79

Dado um ponto exterior, é possível conduzir uma infinidade de planos tangentes à superfície.

Uma forma de restringir o número de soluções é seleccionar uma linha da superfície (em

princípio recta) sobre a qual se determina o plano tangente. Deste modo o número de

soluções fica restringido a uma na generalidade dos casos.

Figura 80

Conduzir o plano tangente paralelo a uma recta implica conduzir por uma geratriz qualquer, de

um dos sistemas de geratrizes, uma recta concorrente com a direcção dada. O ponto de

tangência determina-se identificando a geratriz do outro sistema contida no plano.

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Figura 81

Para verificar se é possível conduzir um plano tangente paralelo a um plano dado, verifica-se

se existem, num cone director, direcções comuns com o plano. Em caso afirmativo, o plano

tangente fica definido pelas duas geratrizes com aquelas direcções, isto é, as geratrizes

paralelas ao plano dado.

3.2.4.12. Parabolóide Hiperbólico (planos tangentes)

Figura 82

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Também com o parabolóide hiperbólico, por ser uma superfície duplamente regrada, o plano

tangente num ponto da superfície fica definido pelas duas geratrizes de sistemas contrários

que se cruzam no ponto de tangência.

Figura 83

Determinar o plano tangente paralelo a uma recta ou paralelo a um plano dado é em tudo

semelhante ao que foi referido para o hiperbolóide regrado. A diferença agora é a necessidade

de nos referirmos ao plano director em vez do cone director.

3.2.4.13. Conóide (planos tangentes)

Tal como referido em 3.2.4.8, o plano tangente a uma superfície simplesmente regrada,

conduzido por um ponto da superfície, contém a geratriz recta da superfície que passa no

ponto. Uma outra recta pode ser obtida através da condução, no ponto em causa, de uma

recta tangente a uma curva passante pelo ponto de tangência. Ou, então pode ser

determinado, procurando conduzir aquela recta como geratriz de uma superfície duplamente

regrada concordante com a superfície inicial, pois como já foi referido, duas superfícies

concordantes, partilham os mesmos planos tangentes ao longo da linha de concordância.

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Figura 84

3.2.4.14. Corno de vaca (planos tangentes)

Esta superfície aparece-nos aqui por curiosidade. Com efeito, o modo de a tratar é em tudo

idêntico ao caso anterior.

Figura 85

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58

3.2.4.15. Concordâncias como composição de superfícies

É possível passar suavemente de uma superfície para outra, se elas forem concordantes, isto é,

se ao longo da linha comum a ambas, os planos tangentes forem os mesmos. Nas duas figuras

dadas abaixo, apresentam-se concordâncias entre várias superfícies e o parabolóide

hiperbólico.

Figura 86

Figura 87

3.2.4.16. Linhas e Superfícies NURBS no espaço

Tudo aquilo que se referiu relativamente às linhas de Bézier, B-splines e NURBS no plano, pode

ser facilmente expandido para o espaço tridimensional. Por exemplo, os segmentos de recta

do polígono de controlo de uma curva de Bézier de grau três não têm de estar todos no

mesmo plano. E o mesmo se aplica às B-Splines e às NURBS. Esta é uma forma de generalizar a

representação de curvas no espaço.

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Estas curvas, quer sejam planas ou não, colocadas espacialmente podem servir de directrizes

para a geração de superfícies NURBS.

No ponto anterior, descriminou-se toda uma série de superfícies. Curiosamente,

provavelmente não se encontrarão muitas delas como primitivas geométricas em muitas

ferramentas de modelação 3D. Uma forma de representação daquelas superfícies é por

aproximação através de superfícies NURBS. Note-se porém que, as superfícies NURBS, com os

pesos adequados atribuídos aos pontos de controlo, permitem representar de forma rigorosa

(geometricamente rigorosa) esferas, parabolóides, etc. Nas duas figuras seguintes pode-se

observar o efeito de alterar o peso dos vértices da rede de controlo das superfícies.

Figura 88

Figura 89

Em relação à figura central (em que se representa uma superfície esférica) foram aumentados

os pesos relativos aos vértices do “cubo” de controlo (à esquerda) e diminuídos os pesos dos

mesmos vértices (à direita). Isto é possível, porque a superfície está representada como uma

NURBS.

Genericamente, uma superfície NURBS fica definida por uma grelha de pontos de controlo, e

respectivos pesos associados, e pelo grau (e ordem) das suas geratrizes nas duas direcções

paramétricas de desenvolvimento da superfície. Estas duas direcções paramétricas,

usualmente notadas pelas letras U e V, podem ser visualmente representadas através de uma

grelha de curvas ISOPARAMÉTRICAS.

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Figura 90

Uma curva isoparamétrica é uma curva que, numa das direcções paramétricas, corresponde a

um valor constante de um parâmetro, no espaço paramétrico (que é distinto do espaço

geométrico).

Figura 91

Se uma superfície NURBS for gerada por curvas de graus diferentes numa das direcções

paramétricas, em geral é assumido o maior grau para a geração da superfície nessa direcção.

Nas duas figuras anteriores, fica ilustrado esse facto. As linhas de entrada para a geração da

NURBS tinham grau 2 e 4 numas das direcções paramétricas, e 3 e 5 na outra direcção

paramétrica. Assim, na primeira direcção foi assumido o grau 4 para a primeira direcção

paramétrica e o grau 5 para a outra direcção paramétrica. Isto deve-se ao facto de ser possível

aumentar o grau de uma curva sem lhe alterar a forma, mas não ser possível o contrário.

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3.3. Lógicas de geração de superfícies

As lógicas de modelação podem ser variadas.

Neste ponto apresentam-se algumas lógicas de modelação implementadas no software

Rhinoceros. Porém, outras aplicações podem implementar outras lógicas. Recomenda-se uma

leitura cruzada deste ponto com o que está referido nas tabelas das páginas 26 e 39, relativas

à classificação de superfícies. As várias lógicas contêm variantes. Aqui apenas se apresentam as

ideias gerais procurando transmitir de que modo as funções implementadas naquela aplicação

podem ser utilizadas de modo mais ou menos directo para a representação de superfícies.

3.3.1. Polígonos

Os polígonos podem ser gerados de vários modos. Um rectângulo pode ser desenhado através

da função Plane, um polígono qualquer, de n lados, pode ser gerado definindo as curvas planas

que o delimitam (função PlanarSrf).

3.3.2. Superfícies de revolução (revolve)

Em relação a este tipo de superfícies, veja-se o que foi dito no parágrafo 3.2.2.

Figura 92

3.3.3. Superfícies de “revolução” (rail revolve)

Estas superfícies baseiam-se na ideia de revolução, porém não são verdadeiramente

superfícies de revolução. A geratriz roda em torno de um eixo, no entanto deforma-se nessa

rotação em função das distâncias dos pontos de uma nova linha (rail) em relação ao eixo. Essas

sucessivas deformações são, na prática, transformações afins da geratriz em direcções

ortogonais ao eixo.

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Figura 93

3.3.4. Deslocamento da geratriz apoiada numa directriz (sweep 1 rail)

Estas superfícies baseiam-se no deslocamento da linha geratriz ao longo de uma directriz com

a restrição de se manter o ângulo entre ambas em todo o movimento.

Figura 94

3.3.5. Deslocamento da geratriz apoiada em duas directrizes (sweep 2 rails)

Neste exemplo foram dadas duas directrizes horizontais (rails) ao longo das quais a geratriz se

moveu, e as posições extremas de uma geratriz, que sendo diferentes, supõem que a geratriz é

deformável. No exemplo da figura seguinte, a geratriz começa por ser um arco de

semicircunferência para terminar num arco de semi-elipse. Nas posições intermédias, o rácio

entre eixo menor e eixo maior vai variando pelas situações intermédias às dos dois extremos

das posições da geratriz.

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Figura 95

É possível definir mais que duas posições (e geometrias) para a geratriz que condicionarão a

geração da superfície de modo a que a elas se adapte.

3.3.6. Superfície gerada por extrusão (extrude)

A ideia base de uma extrusão consiste na definição de uma geratriz que se desloca segundo

uma directriz. Neste deslocamento a geratriz mantém a orientação.

Figura 96

Há no entanto outros tipos de extrusão, podendo a geratriz alterar a sua dimensão e

proporções

3.3.7. Superfície gerada por interpolação de sequência de curvas (loft)

Consideradas várias curvas dadas espacialmente numa determinada sequência, a superfície é

gerada ajustando-se às mesmas.

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Figura 97

3.3.8. Interpolação de uma rede espacial de curvas (curve network)

À semelhança do caso anterior, a superfície é gerada por interpolação. No entanto, neste caso,

é dada uma rede de curvas no espaço que informam sobre o “esqueleto” da superfície.

Figura 98

Um modo idêntico de gerar superfícies é através da definição de uma rede espacial de pontos

(função SrtPtGrid). Cada linha de pontos corresponde, na prática, a uma linha geratriz da

superfície numa das direcções paramétricas da mesma.

3.3.9. Superfície dados quatro vértices (corner points)

A superfície gerada deste modo é o parabolóide hiperbólico.

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Figura 99

3.3.10. Superfície dadas linhas de contorno (edge curves)

Neste caso, a superfíce pode ser definida por 2, 3 ou 4 linhas. Idealmente essas devem linhas

do contorno para melhor controlo do resultado

Figura 100

3.3.11. Superfície passante por um conjunto de linhas (patch)

Neste caso, as linhas também podem ser limites de superfícies. E assim sendo, pode ser

controlada a tangência relativamente a essas superfícies.

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Figura 101

3.3.12. Superfície gerada por panejamento sobre superfícies dadas (drape)

A metáfora para a geração deste tipo de superfície é a de cobrir um conjunto de superfícies

dadas com uma nova superfície como se fossem cobertas com um pano ou com uma rede

elástica. É importante notar que, no software Rhinoceros este tipo de superfície é sempre

gerada considerando a vista corrente. É também importante notar que o controlo da

profundidade da superfície é função do ponto mais próximo e do ponto mais afastado da

câmara na vista corrente.

Figura 102

3.3.13. Superfície complexas

Com os recursos dados pela computação, podem ser representadas, no limite, quaisquer

superfícies. Através da figura seguinte, ilustra-se como, através da escolha adequada de linhas

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e pontos como elementos directores, podemos representar um leque alargado de superfícies

mais ou menos complexas articuladas de modo a gerar modelos de elevada elaboração.

Figura 103 (in http://www.3dprinter.net/rhino-3d-review)

3.4. Linhas a partir de superfícies

Se por um lado, as linhas são o que dá origem às superfícies através do seu movimento no

espaço, também é facto que podem ser geradas a partir das superfícies.

De uma superfície limitada podem ser extraídos esses limites. De uma superfície NURBS

podem ser extraídas linhas isoparamétricas. É possível mapear linhas em superfícies através de

diferentes tipos de transformação (projecção paralela, projecção normal à superfície,

correspondência paramétrica, etc.).

Porém o modo mais popular de gerar linhas através de superfícies é através da intersecção,

conforme se ilustra na figura seguinte.

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Figura 104

4. SÓLIDOS Qualquer configuração de superfícies no espaço que encerre um volume, pode ser,

conceptualmente associada a um sólido. As arestas desse sólido (não necessariamente rectas)

serão as linhas de intersecção das várias superfícies, e estas linhas delimitarão as faces do

sólido (não necessariamente planas).

4.1. Operações booleanas entre sólidos

As operações booleanas são de três tipos: a) união, b) subtracção, e c) intersecção.

A operação união corresponde a considerar tudo o que é comum e não comum aos sólidos

base.

A operação subtracção corresponde à diferença entre os sólidos base, isto é, aquilo que dos

vários sólidos base é comum ao primeiro, é subtraído a este.

A operação de intersecção corresponde a considerar apenas a porção de volume comum aos

sólidos base.

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Figura 105

Em todos os casos, as arestas dos sólidos finais resulta sempre da intersecção das superfícies

dos sólidos base.

Para além desta classificação das intersecções, é possível considerar outras, em particular no

que concerne às características das linhas de intersecção entre as superfícies. Destas interessa-

nos colocar particular relevo numa situação designada por BEIJAMENTO uma vez que o seu

controlo é mais exigente. A condição que deve ser cumprida para que exista um ponto duplo

na linha de intersecção entre duas superfícies é a de existir um plano tangente comum a

ambas.