Bezier曲线曲率极值的计算方法

1. 平面参数曲线的曲率定义

对于平面曲线 r(t) = (x(t), y(t)),其曲率 κ(t) 为:

κ(t) = |x′(t)·y″(t) − y′(t)·x″(t)| / x′(t)² + y′(t)²^(3/2)

2. 三次 Bezier 曲线的导数表达式

给定控制点 P₀, P₁, P₂, P₃(每个为二维点),定义:

A = 3(P₁ − P₀)

B = 6(P₂ − 2P₁ + P₀)

C = 6(P₃ − 3P₂ + 3P₁ − P₀)

则:

r′(t) = A + B·t + (1/2)·C·t²

r″(t) = B + C·t

将 r′(t) = (x′(t), y′(t)),r″(t) = (x″(t), y″(t)) 代入曲率公式。

3. 曲率极值的必要条件(无绝对值处理)

令分子(有向曲率)为:

N(t) = x′(t)·y″(t) − y′(t)·x″(t)

令速度平方为:

S(t) = x′(t)² + y′(t)²

则曲率 κ(t) = |N(t)| / S(t)^(3/2)

为求极值,对 κ(t) 求导并令导数为零。等价于求解以下方程(当 N(t) ≠ 0 时):

N′(t)·S(t) − 3·N(t)·x′(t)·x″(t) + y′(t)·y″(t) = 0

该方程是关于 t 的多项式方程(三次 Bezier 曲线下最高为 5 次),需在区间 0, 1 内数值求解。

4. 实用计算步骤(三次 Bezier)

  1. 计算差分向量:

    d₀ = P₁ − P₀

    d₁ = P₂ − P₁

    d₂ = P₃ − P₂

  2. 速度向量(一阶导数):

    v(t) = 3(1−t)²·d₀ + 2(1−t)t·d₁ + t²·d₂

  3. 加速度向量(二阶导数):

    a(t) = 6(1−t)(d₁ − d₀) + t(d₂ − d₁)

  4. 曲率分子:

    N(t) = vₓ(t)·aᵧ(t) − vᵧ(t)·aₓ(t)

  5. 构造极值方程:

    F(t) = N′(t)·vₓ(t)² + vᵧ(t)² − 3·N(t)·vₓ(t)·aₓ(t) + vᵧ(t)·aᵧ(t) = 0

  6. 求解 F(t) = 0 在 t ∈ 0, 1 的实根,并与端点 t = 0, 1 一起比较 κ(t),得到曲率最大值和最小值。

5. 二次 Bezier 曲线(简化情形)

控制点:P₀, P₁, P₂

速度:

v(t) = 2(1−t)(P₁ − P₀) + t(P₂ − P₁)

加速度(常数):

a = 2(P₂ − 2P₁ + P₀)

曲率分子 N(t) 是 t 的一次函数,S(t) 是 t 的二次函数,极值方程 F(t) = 0 退化为一个三次多项式,可解析或数值求解。

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