Bezier曲线原理及实现代码（c++）

2009-06-30 18:50:09| 分类：数据结构与算法|字号订阅

一、原理：

贝塞尔曲线于1962年，由法国工程师皮埃尔·贝塞尔（Pierre Bézier）所广泛发表，他运用贝塞尔曲线来为汽车的主体进行设计。贝塞尔曲线最初由 Paul de Casteljau 于1959年运用 de Casteljau 算法开发，以稳定数值的方法求出贝塞尔曲线。

线性贝塞尔曲线

给定点 P₀、P₁，线性贝塞尔曲线只是一条两点之间的直线。这条线由下式给出：

$mathbf{B}(t)=mathbf{P}_0 + (mathbf{P}_1-mathbf{P}_0)t=(1-t)mathbf{P}_0 + tmathbf{P}_1 mbox{ , } t in [0,1]$

且其等同于线性插值。

二次方贝塞尔曲线的路径由给定点 P₀、P₁、P₂ 的函数 B(t) 追踪：

$mathbf{B}(t) = (1 - t)^{2}mathbf{P}_0 + 2t(1 - t)mathbf{P}_1 + t^{2}mathbf{P}_2 mbox{ , } t in [0,1]$ 。

TrueType 字型就运用了以贝塞尔样条组成的二次贝塞尔曲线。

P₀、P₁、P₂、P₃ 四个点在平面或在三维空间中定义了三次方贝塞尔曲线。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：

$mathbf{B}(t)=mathbf{P}_0(1-t)^3+3mathbf{P}_1t(1-t)^2+3mathbf{P}_2t^2(1-t)+mathbf{P}_3t^3 mbox{ , } t in [0,1]$ 。

现代的成象系统，如 PostScript、Asymptote 和 Metafont，运用了以贝塞尔样条组成的三次贝塞尔曲线，用来描绘曲线轮廓。

一般化

P₀、P₁、…、P_n，其贝塞尔曲线即

$mathbf{B}(t)=sum_{i=0}^n {nchoose i}mathbf{P}_i(1-t)^{n-i}t^i =mathbf{P}_0(1-t)^n+{nchoose 1}mathbf{P}_1(1-t)^{n-1}t+cdots+mathbf{P}_nt^n mbox{ , } t in [0,1]$ 。

例如：

$mathbf{B}(t)=mathbf{P}_0(1-t)^5+5mathbf{P}_1t(1-t)^4+10mathbf{P}_2t^2(1-t)^3+10mathbf{P}_3t^3(1-t)^2+5mathbf{P}_4t^4(1-t)+mathbf{P}_5t^5 mbox{ , } t in [0,1]$ 。

如上公式可如下递归表达：用 $mathbf{B}_{mathbf{P}_0mathbf{P}_1ldotsmathbf{P}_n}$ 表示由点 P₀、P₁、…、P_n 所决定的贝塞尔曲线。则

$mathbf{B}(t) = mathbf{B}_{mathbf{P}_0mathbf{P}_1ldotsmathbf{P}_n}(t) = (1-t)mathbf{B}_{mathbf{P}_0mathbf{P}_1ldotsmathbf{P}_{n-1}}(t) + tmathbf{B}_{mathbf{P}_1mathbf{P}_2ldotsmathbf{P}_n}(t)$

用平常话来说，阶贝塞尔曲线之间的插值。

一些关于参数曲线的术语，有

$mathbf{B}(t) = sum_{i=0}^n mathbf{P}_imathbf{b}_{i,n}(t),quad tin[0,1]$

即多项式

$mathbf{b}_{i,n}(t) = {nchoose i} t^i (1-t)^{n-i},quad i=0,ldots n$

又称作 n 阶的伯恩斯坦基底多项式，定义 0⁰ = 1。

点 P_i 称作贝塞尔曲线的控制点。多边形以带有线的贝塞尔点连接而成，起始于 P₀并以 P_n 终止，称作贝塞尔多边形（或控制多边形）。贝塞尔多边形的凸包（convex hull）包含有贝塞尔曲线。

线性贝塞尔曲线函数中的 t 会经过由 P₀ 至P₁ 的 B(t) 所描述的曲线。例如当 t=0.25时，B(t) 即一条由点 P₀ 至 P₁ 路径的四分之一处。就像由 0 至 1 的连续 t，B(t) 描述一条由 P₀ 至 P₁ 的直线。

为建构二次贝塞尔曲线，可以中介点 Q₀ 和 Q₁ 作为由 0 至 1 的 t：

由 P₀ 至 P₁ 的连续点 Q₀，描述一条线性贝塞尔曲线。
由 P₁ 至 P₂ 的连续点 Q₁，描述一条线性贝塞尔曲线。
由 Q₀ 至 Q₁ 的连续点 B(t)，描述一条二次贝塞尔曲线。

为建构高阶曲线，便需要相应更多的中介点。对于三次曲线，可由线性贝塞尔曲线描述的中介点 Q₀、Q₁、Q₂，和由二次曲线描述的点 R₀、R₁ 所建构：

对于四次曲线，可由线性贝塞尔曲线描述的中介点 Q₀、Q₁、Q₂、Q₃，由二次贝塞尔曲线描述的点 R₀、R₁、R₂，和由三次贝塞尔曲线描述的点 S₀、S₁ 所建构：

P(t)=(1-t)P₀+tP₁ , 。
矩阵表示为：
　　，。
P(t)=(1-t)²P₀+2t(1-t)P₁+t²P₂, 。
矩阵表示为：
　　 Bezier曲线原理及实现代码（c++） - mappy - mappy 天下，。

　　P(t)=(1-t)³P₀+3t(1-t)²P₁+3t²(1-t)P₂+t³P₃
矩阵表示为：
Bezier曲线原理及实现代码（c++） - mappy - mappy 天下，。
（6－3－2）
，。
在（6－3－2）式中，Mⁿ⁺¹是一个n＋1阶矩阵，称为n次Bezier矩阵。
（6－3－3）
。
其中，

利用（6－3－3）式，我们可以得到任意次Bezier矩阵的显式表示，例如4次和5次Bezier矩阵为：
Bezier曲线原理及实现代码（c++） - mappy - mappy 天下，

可以证明，n次Bezier矩阵还可以表示为递推的形式：
（6－3－4）

二、算法（c++）

工程目录是:Win32App
vc6.0

#include<windows.h>
#include<stdlib.h>
#include<time.h>
#define NUM 10

LRESULT CALLBACK Winproc(HWND,UINT,WPARAM,LPARAM);
int WINAPI WinMain(HINSTANCE hInstance,HINSTANCE hPrevInstanc,LPSTR lpCmdLine,int nShowCmd)
{
    MSG msg;
    static TCHAR szClassName[] = TEXT("::Bezier样条计算公式由法国雷诺汽车公司的工程师Pierm Bezier于六十年代提出");
    HWND hwnd;
    WNDCLASS wc;
    wc.cbClsExtra =0;
    wc.cbWndExtra =0;
    wc.hbrBackground = (HBRUSH)GetStockObject(WHITE_BRUSH);
    wc.hCursor = LoadCursor(NULL,IDC_ARROW);
    wc.hIcon = LoadIcon(NULL,IDI_APPLICATION);
    wc.hInstance = hInstance;
    wc.lpfnWndProc = Winproc;
    wc.lpszClassName = szClassName;
    wc.lpszMenuName = NULL;
    wc.style = CS_HREDRAW|CS_VREDRAW;

    if(!RegisterClass(&wc))
    {
        MessageBox(NULL,TEXT("注册失败"),TEXT("警告框"),MB_ICONERROR);
        return 0;
    }
    hwnd = CreateWindow(szClassName,szClassName,
                        WS_OVERLAPPEDWINDOW,
                        CW_USEDEFAULT,CW_USEDEFAULT,
                        CW_USEDEFAULT,CW_USEDEFAULT,
                        NULL,NULL,hInstance,NULL);

    ShowWindow(hwnd,SW_SHOWMAXIMIZED);
    UpdateWindow(hwnd);

    while(GetMessage(&msg,NULL,0,0))
    {
        TranslateMessage(&msg);
        DispatchMessage(&msg);
    }
    return msg.wParam;
}

LRESULT CALLBACK Winproc(HWND hwnd,UINT message, WPARAM wparam,LPARAM lparam)
{
  PAINTSTRUCT ps;
  HDC hdc;
  static POINT pt[NUM];
  TEXTMETRIC tm;
  static int cxClient,cyClient;
  HPEN hpen;
  int i,j,k,n,t;

  switch(message)
  {
  case WM_CREATE:
      static int cxchar;
      hdc = GetDC(hwnd);
      GetTextMetrics(hdc,&tm);
      cxchar = tm.tmAveCharWidth;
      ReleaseDC(hwnd,hdc);

  case WM_SIZE:
       cxClient = LOWORD(lparam);
      cyClient = HIWORD(lparam);
      return 0;
  case WM_PAINT:
       hdc = GetDC(hwnd);
       srand(time(0));

       Rectangle(hdc,0,0,cxClient,cyClient);
      for(i=0; i<500; i++)
          {
            SelectObject(hdc,GetStockObject(WHITE_PEN));
            PolyBezier(hdc,pt,NUM);
            for(j=0; j<NUM; j++)
            {
                pt[j].x = rand()%cxClient;
                pt[j].y = rand()%cyClient;
            }
            hpen = CreatePen(PS_INSIDEFRAME,3,RGB(rand()%256,rand()%256,rand()%256));
             DeleteObject(SelectObject(hdc,hpen));
            PolyBezier(hdc,pt,NUM);
            for(k=0; k<50000000;k++);
          }
      for(i=0; i<100;i++)
      {
        Ellipse(hdc,rand()%cxClient,rand()%cyClient,rand()%cxClient,rand()%cyClient);

        Pie(hdc,j=rand()%cxClient,k=rand()%cyClient,n=rand()%cxClient,t=rand()%cyClient,rand()%cxClient,rand()%cyClient,rand()%cxClient,rand()%cyClient) ;

      }
       if((n=(n+j)/2)>cxchar*20) n=cxchar*20;
        SetTextColor(hdc,RGB(rand()%256,rand()%256,rand()%256));
        TextOut(hdc,n/2,(t+k)/2,TEXT("瑾以此向Pierm Bezier致敬!"),lstrlen(TEXT("瑾以此向Pierm Bezier致敬!")));
        ReleaseDC(hwnd,hdc);
          DeleteObject(hpen);
          ValidateRect(hwnd,NULL);
   return 0;

  case WM_DESTROY:
      PostQuitMessage(0);
      return 0;
  }
  return DefWindowProc(hwnd,message,wparam,lparam);
}

posted on 2012-02-24 10:31 知识天地阅读(5924) 评论(0) 编辑收藏举报