一、问题目标
给定一条 Bezier 曲线 r(t) = (x(t), y(t)),t ∈ [0, 1],其曲率定义为:
κ(t) = | x′(t)·y″(t) − y′(t)·x″(t) | ÷ [ x′(t)² + y′(t)² ]^(3⁄2)
目标:在 t ∈ [0, 1] 内找到使 κ(t) 取得最大值或最小值的参数 t*。
由于 κ(t) 通常无解析极值点,且可能不可导(因含绝对值),可采用黄金分割法 进行数值优化------前提是 κ(t) 在搜索区间内是单峰函数(即只有一个极大值或极小值)。
二、黄金分割法简介
黄金分割法是一种无需导数的一维搜索算法,适用于单峰函数的极值求解。
定义黄金比例常数:
ρ = (√5 − 1) ÷ 2 ≈ 0.6180339887
设当前搜索区间为 [a, b],构造两个内点:
t₁ = b − ρ·(b − a)
t₂ = a + ρ·(b − a)
比较函数值 f(t₁) 与 f(t₂),逐步缩小区间,直到区间长度小于预设精度 ε(如 1×10⁻⁶)。
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若求最大值 :
若 f(t₁) < f(t₂),则极值点在 [t₁, b],令 a ← t₁
否则,极值点在 [a, t₂],令 b ← t₂
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若求最小值 :
若 f(t₁) > f(t₂),则极值点在 [t₁, b],令 a ← t₁
否则,极值点在 [a, t₂],令 b ← t₂
重复迭代,直至 |b − a| < ε。最终极值点近似为 t* = (a + b) ÷ 2。
三、Bezier 曲线曲率函数的构建(以三次为例)
设三次 Bezier 曲线由四个控制点 P₀, P₁, P₂, P₃ 定义(每个 Pi = (xi, yi))。
1. 一阶导数(速度向量):
v(t) = r′(t) = 3·[(1−t)²·(P₁−P₀) + 2·(1−t)·t·(P₂−P₁) + t²·(P₃−P₂)]
记 v(t) = (vx(t), vy(t))
2. 二阶导数(加速度向量):
a(t) = r″(t) = 6·[(1−t)·(P₂ − 2·P₁ + P₀) + t·(P₃ − 2·P₂ + P₁)]
记 a(t) = (ax(t), ay(t))
3. 曲率分子(叉积):
N(t) = vx(t)·ay(t) − vy(t)·ax(t)
4. 速度模平方:
S(t) = vx(t)² + vy(t)²
5. 曲率函数:
κ(t) = |N(t)| ÷ [S(t)]^(3⁄2) ,当 S(t) > 0;
若 S(t) = 0(曲线驻点),定义 κ(t) = 0 或跳过该点。
实际计算中,为避免除零,可设 S(t) ≥ δ(如 δ = 1×10⁻¹²)。
四、完整计算流程
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预处理 :
对 t ∈ [0, 1] 均匀采样(如 100 个点),计算 κ(t),观察是否存在多个峰值。
若存在多个局部极值,将 [0, 1] 分割为若干疑似单峰子区间(如相邻采样点中 κ 先增后减的区域)。
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对每个单峰子区间 [a, b] :
应用黄金分割法最大化(或最小化)κ(t):
• 初始化 a, b
• 设置精度 ε(如 1×10⁻⁶)
• 迭代更新 t₁, t₂ 和区间,直到收敛
• 记录该区间内的极值点 t* 和 κ(t*)
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全局比较 :
比较所有子区间及端点 t=0、t=1 处的 κ 值,取最大(或最小)者作为全局曲率极值。
五、注意事项
- 黄金分割法仅适用于单峰区间。若 κ(t) 在 [a, b] 上多峰,结果可能陷入局部极值。
- 曲率函数在速度为零处(S(t)=0)不光滑,应避开或特殊处理。
- 对于二次 Bezier 曲线,曲率函数更平滑,通常在 [0,1] 上至多一个极值,可直接在整个区间应用黄金分割法。