贝塞尔曲线演算

贝塞尔曲线的数学基础是早在 1912 年就广为人知的伯恩斯坦多项式。但直到 1959 年,当时就职于雪铁龙的法国数学家 Paul de Casteljau 才开始对它进行图形化应用的尝试,并提出了一种数值稳定的 de Casteljau 算法。然而贝塞尔曲线的得名,却是由于 1962 年另一位就职于雷诺的法国工程师 Pierre Bézier 的广泛宣传。他使用这种只需要很少的控制点就能够生成复杂平滑曲线的方法,来辅助汽车车体的工业设计。

下面我们就通过例子来了解一下如何用 de Casteljau 算法绘制一条贝塞尔曲线。

在平面内任选 3 个不共线的点,依次用线段连接。

在第一条线段上任选一个点 D。计算该点到线段起点的距离 AD,与该线段总长 AB 的比例。

根据上一步得到的比例,从第二条线段上找出对应的点 E,使得 AD:AB = BE:BC

连接这两点 DE。

从新的线段 DE 上再次找出相同比例的点 F,使得 DF:DE = AD:AB = BE:BC

 

到这里,我们就确定了贝塞尔曲线上的一个点 F。接下来,请稍微回想一下中学所学的极限知识,让选取的点 D 在第一条线段上从起点 A 移动到终点 B,找出所有的贝塞尔曲线上的点 F。所有的点找出来之后,我们也得到了这条贝塞尔曲线。

如果你实在想象不出这个过程,没关系,看动画!

回过头来看这条贝塞尔曲线,为了确定曲线上的一个点,需要进行两轮取点的操作,因此我们称得到的贝塞尔曲线为二次曲线(这样记忆很直观,但曲线的次数其实是由前面提到的伯恩斯坦多项式决定的)。

当控制点个数为 4 时,情况是怎样的?

步骤都是相同的,只不过我们每确定一个贝塞尔曲线上的点,要进行三轮取点操作。如图,AE:AB = BF:BC = CG:CD = EH:EF = FI:FG = HJ:HI,其中点 J 就是最终得到的贝塞尔曲线上的一个点。

这样我们得到的是一条三次贝塞尔曲线。

看过了二次和三次曲线,更高次的贝塞尔曲线大家应该也知道要怎么画了吧。那么比二次曲线更简单的一次(线性)贝塞尔曲线存在吗?长什么样?根据前面的介绍,只要稍作思考,想必你也能猜出来了。哈!就是一条直线~

能画曲线也能画直线,是不是很厉害?要绘制更复杂的曲线,控制点的增加也仅仅是线性的。这一特点使其不光在工业设计领域大展拳脚,就连数学基础不好的人也可以比较容易地掌握,比如大多数平面美术设计师们。

动态绘制贝塞尔曲线的在线演示

线性公式

给定点P0、P1,线性贝兹曲线只是一条两点之间的直线。这条线由下式给出:
 
且其等同于线性插值。

二次方公式

二次方贝兹曲线的路径由给定点P0、P1、P2的函数B(t)追踪:
TrueType字型就运用了以贝兹样条组成的二次贝兹曲线。
 

三次方公式

P0、P1、P2、P3四个点在平面或在三维空间中定义了三次方贝兹曲线。曲线起始于P0走向P1,并从P2的方向来到P3。一般不会经过P1或P2;这两个点只是在那里提供方向资讯。P0和P1之间的间距,决定了曲线在转而趋进P3之前,走向P2方向的“长度有多长”。
曲线的参数形式为:

一般参数公式

阶贝兹曲线可如下推断。给定点P0、P1、…、Pn,其贝兹曲线即:
 
 
posted @ 2017-06-19 11:39  btg.yoyo  阅读(480)  评论(0编辑  收藏  举报