已知两个平面点的坐标、切线方向、曲率,使用牛顿迭代法构造三阶 Bézier 曲线的方法

1. 三阶 Bézier 曲线定义

B(t) = (1-t)^3P0 + 3 (1-t)^2t P1 + 3*(1-t)t^2P2 + t^3*P3, t ∈ 0,1

其中: P0:起点 P3:终点 P1, P2:控制点

2. 输入条件

设: P0 = (x0, y0) // 起点坐标

P3 = (x3, y3) // 终点坐标

T0 = (cos θ0, sin θ0) // 起点切线方向单位向量

T3 = (cos θ3, sin θ3) // 终点切线方向单位向量

κ0:起点曲率(标量)

κ3:终点曲率(标量)

3. 控制点参数化

引入参数 s0 和 s3,分别表示起点和终点处的"速度幅值":

P1 = P0 + (s0/3) * T0

P2 = P3 - (s3/3) * T3

目标:通过牛顿迭代法求解 s0 和 s3,使得 Bézier 曲线在端点处的曲率等于给定值 κ0 和 κ3。

4. 曲率公式(端点处)

在 t = 0 处的曲率近似公式为:

κ0 ≈ | B'(0) × B''(0) | / |B'(0)|^3

计算导数: B'(0) = 3*(P1 - P0) = s0 * T0

B''(0) = 6*(P2 - 2*P1 + P0)

代入 P1 和 P2:

令 ΔP = P3 - P0

则: P1 = P0 + (s0/3)*T0

P2 = P3 - (s3/3)*T3

B''(0) = 6* (P3 - (s3/3)*T3) - 2* (P0 + (s0/3)*T0) + P0
= 6* P3 - P0 - (2\*s0/3)*T0 - (s3/3)*T3
= 6* ΔP - (2*s0/3)\*T0 - (s3/3)\*T3

二维叉积(标量): a × b = a_xb_y - a_yb_x

则: B'(0) × B''(0) = (s0T0) × {6 ΔP - (2*s0/3)*T0 - (s3/3)*T3}
= 6s0 * T0 × ΔP - (2*s0/3)* (T0 × T0) - (s3/3)*(T0 × T3)
= 6
s0 * T0 × ΔP - (s3/3)\*(T0 × T3) (因 T0 × T0 = 0)

|B'(0)|^3 = (s0)^3

所以: κ0 = |6*s0 * T0 × ΔP - (s3/3)* (T0 × T3) | / (s0)^3

= 6 * | T0 × ΔP - (s3/3)*(T0 × T3) | / (s0)^2

同理,在 t = 1 处:

κ3 = 6 * | T3 × (-ΔP) - (s0/3)*(T3 × T0) | / (s3)^2

注意:T3 × T0 = - (T0 × T3)

令: C03 = T0 × T3 = cosθ0sinθ3 - sinθ0 cosθ3 = sin(θ3 - θ0)

D0 = T0 × ΔP

D3 = T3 × (P0 - P3) = T3 × (-ΔP)

则曲率方程为:

(1) κ0 = 6 * | D0 - (s3/3)*C03 | / (s0)^2

(2) κ3 = 6 * | D3 + (s0/3)*C03 | / (s3)^2

5. 牛顿迭代法求解 s0 和 s3

定义变量: x = s0, s3^T

定义残差函数: F(x) = f1(s0,s3), f2(s0,s3) ^T

其中: f1(s0,s3) = 6 * | D0 - (s3/3)*C03 | / (s0)^2 - κ0

f2(s0,s3) = 6 * | D3 + (s0/3)*C03 | / (s3)^2 - κ3

为简化,假设符号已知(例如曲率方向一致),可暂时去掉绝对值(迭代中根据符号调整):

假设: D0 - (s3/3)*C03 ≥ 0

D3 + (s0/3)*C03 ≥ 0

则: f1 = 6*( D0 - (s3/3)C03 ) / (s0)^2 - κ0
f2 = 6
( D3 + (s0/3)*C03 ) / (s3)^2 - κ3

雅可比矩阵 J = ∂f1/∂s0, ∂f1/∂s3 ; ∂f2/∂s0, ∂f2/∂s3

计算偏导数:

∂f1/∂s0 = 6*( D0 - (s3/3)C03 ) * (-2) / (s0)^3
= -12
( D0 - (s3/3)*C03 ) / (s0)^3

∂f1/∂s3 = 6 * (-C03/3) / (s0)^2 = -2*C03 / (s0)^2

∂f2/∂s0 = 6 * (C03/3) / (s3)^2 = 2*C03 / (s3)^2

∂f2/∂s3 = 6*( D3 + (s0/3)C03 ) * (-2) / (s3)^3
= -12
( D3 + (s0/3)*C03 ) / (s3)^3

6. 牛顿迭代步骤

  1. 初始化:

    选择初始值 s0^(0), s3^(0)(例如基于弦长:s0 = |P3-P0|, s3 = |P3-P0|)设置容差 ε(如 1e-6),最大迭代次数 N

  2. 对 k = 0,1,2,...,N-1: a. 计算当前残差: f1_k = 6*( D0 - (s3_k/3)C03 ) / (s0_k)^2 - κ0
    f2_k = 6
    ( D3 + (s0_k/3)C03 ) / (s3_k)^2 - κ3 b. 若 |f1_k| < ε 且 |f2_k| < ε,收敛,跳出 c. 计算雅可比矩阵元素: J11 = -12 ( D0 - (s3_k/3)C03 ) / (s0_k)^3
    J12 = -2
    C03 / (s0_k)^2

    J21 = 2C03 / (s3_k)^2
    J22 = -12
    ( D3 + (s0_k/3)*C03 ) / (s3_k)^3 d. 解线性方程组: J11 J12 Δs0 -f1_k

    J21 J22 Δs3 = -f2_k e. 更新: s0_{k+1} = s0_k + Δs0

    s3_{k+1} = s3_k + Δs3 f. 若 Δs 很小,收敛

  3. 输出最终 s0, s3

7. 计算控制点

P1 = P0 + (s0/3) * T0

P2 = P3 - (s3/3) * T3

8. 注意事项

  • 若 κ0 = 0 或 κ3 = 0,表示直线段,可单独处理(如设 s0 较大)
  • 叉积符号反映曲率方向,迭代中需检查绝对值内的表达式符号,必要时调整
  • 初始值选择影响收敛性,建议基于几何意义初始化(如 s0 ≈ √(|D0|/κ0) 等)
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