图形学常见的插值方法

下面是一些常见的插值方法:

  1. 线性插值(Linear Interpolation):这是最简单和最常见的插值方法,用于在两个点之间创建一个连续的线段。线性插值的公式如下: $ y = y_0 + (x - x_0) \cdot \frac{(y_1 - y_0)}{(x_1 - x_0)} $ 其中, $ (x_0, y_0) $ 和 $ (x_1, y_1) $ 是已知的两个点, $ x $ 是我们要找到 $ y $ 值的点。
  2. 双线性插值(Bilinear Interpolation):这是线性插值在二维空间中的扩展,通常用于纹理映射和像素插值。
  3. 重心坐标插值(Barycentric Interpolation):这是在计算机图形学中常用的一种插值方法,特别是在处理三角形时。在给定三角形的三个顶点和相应的值后,可以使用重心坐标来插值得到任何在三角形内部的点的值。
  4. 三线性插值(Trilinear Interpolation):这是双线性插值在三维空间中的扩展,常用于三维纹理映射。
  5. 三次插值(Cubic Interpolation):这是一种更复杂的插值方法,它产生的结果通常比线性插值更平滑、更精确。常见的三次插值方法包括Catmull-Rom插值和B样条插值。

这里介绍线性插值(Linear Interpolation)重心坐标插值(Barycentric Interpolation)


线性插值(Linear Interpolation)

线性插值是一种在两点之间估计内部点的方法。

假设我们有两个$(x_0, y_0) $ 和 $ (x_1, y_1)$ ,我们希望找到这两点之间某一点 $x$ 对应的 $y$ 值。

数学公式如下:

$$ y = y_0 + (x - x_0) \cdot \frac{(y_1 - y_0)}{(x_1 - x_0)} $$

首先,我们计算出 $ x $ 相对于 $ x0 $ 的相对位置,即 $ (x - x_0) / (x_1 - x_0) $ ,这给出了一个从0到1的值,表示 $ x $ 在 $ x_0 $ 和 $ x_1 $ 之间的相对位置。然后我们将这个相对位置乘以 $ y $ 值的范围 $ (y_1 - y_0) $ ,得到的是 $ y $ 值的偏移量。最后,我们将这个偏移量加到 $ y_0 $ 上,得到的就是 $ x $ 对应的 $ y $ 值。

简单python代码:

def linear_interpolation(x, x0, x1, y0, y1):
    return y0 + (x - x0) * ((y1 - y0) / (x1 - x0))

例如,假设我们有两个点(0, 0)(1, 10),我们想要找到x=0.5时的y值,可以这样计算:

print(linear_interpolation(0.5, 0, 1, 0, 10))  # 输出:5.0

## 重心坐标插值(Barycentric Interpolation)

重心坐标插值是一种在三角形内部插值的方法。

假设我们有一个三角形,其顶点为P0, P1, P2,对应的值分别为v0, v1, v2。我们希望找到三角形内部某一点P的值。

首先,我们需要计算出点P的重心坐标(alpha, beta, gamma)

图形学常见的插值方法

然后,我们将点P的值计算为三个顶点值的加权平均,权重就是重心坐标:

$$ v = \alpha \cdot v_0 + \beta \cdot v_1 + \gamma \cdot v_2 $$

图形学常见的插值方法

简单python代码:

def barycentric_interpolation(P, P0, P1, P2, v0, v1, v2):
    # 计算重心坐标
    v0 = P1 - P0
    v1 = P2 - P0
    v2 = P - P0
    d00 = np.dot(v0, v0)
    d01 = np.dot(v0, v1)
    d11 = np.dot(v1, v1)
    d20 = np.dot(v2, v0)
    d21 = np.dot(v2, v1)
    denom = d00 * d11 - d01 * d01
    beta = (d11 * d20 - d01 * d21) / denom
    gamma = (d00 * d21 - d01 * d20) / denom
    alpha = 1.0 - beta - gamma
    
    # 重心坐标插值
    return alpha * v0 + beta * v1 + gamma * v2

例如,假设我们有一个三角形,其顶点为(0, 0), (1, 0), (0, 1),对应的值分别为0, 10, 20,我们想要找到点(0.2, 0.3)的值,可以这样计算:

P = np.array([0.2, 0.3])
P0 = np.array([0, 0])
P1 = np.array([1, 0])
P2 = np.array([0, 1])
v0 = 0
v1 = 10
v2 = 20
print(barycentric_interpolation(P, P0, P1, P2, v0, v1, v2))  # 输出:7.0

实际应用中可能需要考虑更多的因素,例如三角形可能在三维空间中,或者值可能是颜色等。

评论区 0