一文理解贝塞尔曲线

贝塞尔曲线的来源

贝塞尔曲线最早是由贝塞尔在1962年提出来的,目的是获取汽车的外形。贝塞尔曲线看上去非常复杂,其实想法非常简单,(如下图1所示)就是先用折线先绘制出大致的轮廓,然后用曲线来逼近。

图1

这个方式是不是有点熟悉,刚看到的时候,我就想到了计算圆的面积时,我们会使用多边形来逼近圆的曲线(如图2所示);贝塞尔曲线刚好相反,它是使用曲线来逼近多边形,刚好反着来了😂。

图2

构造贝塞尔曲线

思路虽然简单,但是如何把这个曲线画出来,或者说如何用一个函数来表示这条曲线就很困难了。不过这个不需要我们关心,有大佬已经解决了。我们直接来看看贝塞尔曲线的定义式,如下图3:

图3

先别急着划走,这个公式不用记 ,因为它太复杂而且计算量大,因此在工程开发中我们不会用它。一般在工程中,我们使用德卡斯特里奥算法(de Casteljau) 来构造贝塞尔曲线。听起来更复杂了,别急让我们举个🌰。下面以2次贝塞尔曲线为例。

图4

图5

看图4,德卡斯特里奥算法(de Casteljau) 的意义就是满足 P 0 Q 0 P 0 P 1 = P 1 Q 1 P 1 P 2 = Q 0 B Q 0 Q 1 = t \frac{P_0Q_0}{P_0P_1} = \frac{P_1Q_1}{P_1P_2} = \frac{Q_0B}{Q_0Q_1} = t P0P1P0Q0=P1P2P1Q1=Q0Q1Q0B=t 的情况下,随着 t 从 0 到 1 逐渐变大,B点经过的点组成的曲线就是我们需要的贝塞尔曲线了。图5是我们常见的动图,之前看的时候一直很懵逼,现在了解了贝塞尔曲线是如何画出来的,是不是清楚多了。

更高阶的贝塞尔曲线绘制方式和上面的一样,只是多了几条边,绘制的动图如下:

3次贝塞尔曲线

4次贝塞尔曲线

5次贝塞尔曲线

贝塞尔曲线的函数表示

看到这里,我们已经对贝塞尔曲线有了一个大概的了解。但是还是一个关键的问题,我们怎么画出贝塞尔曲线呢?或者说有什么函数可以让我们画出这个曲线吗?这个其实更简单,我们高中就学过了。还是以二次贝塞尔曲线为例,它的参数方程如下,其中 P0、P1、P2代表控制点。

我们假设三个控制点的坐标是 P0 (-1, 0)、 P1 (0, 1) 、P2 (1, 0),把值带入上面的参数方程,就可以得到如下结果:
( x y ) = ( 1 − t ) 2 ( − 1 0 ) + 2 t ( 1 − t ) ( 0 1 ) + t 2 ( 1 0 ) \left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right) = (1 - t)^{2} \left(\begin{array}{c}-1\\ 0\end{array}\right) + 2t(1 - t) \left(\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right) + t^{2} \left(\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right) (xy)=(1−t)2(−10)+2t(1−t)(01)+t2(10)
( x y ) = ( − ( 1 − 2 t ) 2 + t 2 2 t ( 1 − t ) ) \left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right) = \left(\begin{array}{c}-(1 - 2t)^{2} + t ^ 2\\ 2t(1 - t)\end{array}\right) (xy)=(−(1−2t)2+t22t(1−t))
{ x = 2 t − 1 y = − 2 t 2 + 2 t \begin{cases} x = 2t - 1 \\ y = -2t^2 + 2t\end{cases} {x=2t−1y=−2t2+2t

最后化解可得到我们熟悉的 y = f(x) 函数 : y = − 1 2 x 2 + 1 2 :y = -\frac{1}{2}x^2 + \frac{1}{2} :y=−21x2+21 效果图如下图。可以看出二次贝塞尔曲线实际上就是我们高中学的抛物线。唯一不同的是,我们高中求的抛物线,会经过 P0、P1、P2三个点,而贝塞尔曲线只会经过 P0、P1两个端点。

类似的:

一次贝塞尔曲线就是一次函数 : y = a 0 x + a 1 :y = a_0x + a_1 :y=a0x+a1 ;

三次贝塞尔曲线就是三次函数: y = a 0 x 3 + a 1 x 2 + a 2 x + a 3 y = a_0x^3 + a_1x^2 + a_2x + a_3 y=a0x3+a1x2+a2x+a3

四次贝塞尔曲线就是四次函数: y = a 0 x 4 + a 1 x 3 + a 2 x 2 + a 3 x + a 4 y = a_0x^4 + a_1x^3 + a_2x^2 + a_3x + a_4 y=a0x4+a1x3+a2x2+a3x+a4

n次贝塞尔曲线就是n次函数: y = a 0 x n + a 1 x n − 1 + . . . + a n y = a_0x^n + a_1x^{n-1} + ... + a_{n} y=a0xn+a1xn−1+...+an

总结

贝塞尔曲线实际上并不复杂,我们可以简单的把n次贝塞尔曲线看成对应的n次函数的曲线。因为贝塞尔曲线的这个特点,也造成了贝塞尔曲线的最大缺陷------------不能局部修改,即改变其中一个参数时会改变整条曲线。后面为了解决贝塞尔曲线的这个问题,提出了B样条曲线,下篇文章我们就介绍B样条曲线。

最后这篇文章为了方便读者的理解,省略了很多贝塞尔曲线特性的介绍,如果对贝塞尔曲线感兴趣,可以在B站上看看它的完整课程。

参考

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