挖一挖贝塞尔曲线那些事(一)

简介: 挖一挖贝塞尔曲线那些事

一、前世今生

     贝塞尔曲线的最初设计是服务于工业设计,尤其应用与汽车曲线设计。随着计算机画图的应用广泛,若想在计算机上画出平滑精准的曲线并不是一件容易的事,贝塞尔曲线解决了这样的问题,贝塞尔虚线通过起始点与结束点来确定曲线的首尾,通过若干个控制点来确定曲线的走向。由于其由法国工程师皮埃尔·贝塞尔广泛推广,因此这种曲线被命名为贝塞尔曲线。

二、数学基础

     平面上的任意连续曲线可以通过伯恩斯坦多项式来进行逼近拟合,因此,当我们想在平面中画一条曲线的时候,如果可以模拟出此曲线的函数,则可以十分精准的控制计算机来描绘一系列曲线上的点来绘制曲线。贝塞尔曲线就是基于这样的数学基础。

     首先,对于一条贝塞尔曲线,其3要素分别是:起始点,结束点和控制点。其中曲线的起点在起始点,终点在结束点,曲线并不穿过控制点,控制点来掌握曲线的走向,控制点个数可以不定。

1、一阶贝塞尔曲线

     一阶贝塞尔曲线控制点的个数为0,只有起始点与结束点。其实一阶贝塞尔曲线就是一条从起始点到结束点的直线段。其公式如下:

image.png


上面公式中,P为曲线上的点,P0为起始点,P1为结束点。(对于平面上的点,分别用上面公式计算x,y坐标即可)。由于其公式为线性公式,所有这种贝塞尔曲线也被称为一阶贝塞尔曲线。下图可以很好的描述当t从0到1变化时,线段的绘制过程:


image.png

2、二阶贝塞尔曲线

     二阶贝塞尔曲线有一个控制点,假设起始点,控制点和结束点分别为P0、P1、P2。连接P0P1,P1P2,在区间0-1之间,在P0P1线段上取点M,在P1P2线段上取点N,使得P0M/P0P1=P1N/P1P2,找到线段MN上一点Q,同时使得MQ/QN=P0M/P0P1=P1N/P1P2,所有Q点的集合即为所求贝塞尔曲线。上面的描述有些抽象,使用数学推导就义一目了然了,公式推导如下:

image.png

image.png


绘图过程如下:

image.png

3.高阶贝塞尔曲线

     有了一阶与二阶的基础,高阶贝塞尔曲线也是通过相同的方式来推导,一个通用的递推公式如下:

image.png

三阶和四阶的绘制过程演示如下:

image.png


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