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1. Bezier
给定空间n+1个点P0,P1,…,Pn,成下列参数曲线为n次的Bezier曲线:
C(u)=SumPiBi,n(u) 0Bi,n-1(u)(Pi+1 -Pi)
C’(0)=n(P1-P0), C’(1)=n(Pn-Pn-1)
Bezier曲线在P0点处与边P1P0相切,在Pn点处与边Pn-1Pn相切。
(3) 端点的曲率C(u)在两端点的曲率分别为:
K(0)=(n-1)/n •|P0P1*P1P2|/|P0P1|^3
K(1)=(n-1)/n •|Pn-2Pn-1*Pn-...
计算机图形学
1. Bezier
给定空间n+1个点P0,P1,…,Pn,成下列参数曲线为n次的Bezier曲线:
C(u)=Sum
PiBi,n(u) 0<=u<=1
其中,Bi,n(u)是Bernstein基函数,即
BiBi,n-1(u)(Pi+1 -Pi)
C’(0)=n(P1-P0), C’(1)=n(Pn-Pn-1)
Bezier曲线在P0点处与边P1P0相切,在Pn点处与边Pn-1Pn相切。
(3) 端点的曲率C(u)在两端点的曲率分别为:
K(0)=(n-1)/n •|P0P1*P1P2|/|P0P1|^3
K(1)=(n-1)/n •|Pn-2Pn-1*Pn-1Pn|/|Pn-1Pn|^3
(4) 对称性
如保持原全部定点的位置不变,只是把次序颠倒过来,则新的Bezier曲线形状不变,但方向相反。
(5) 几何不变性
Bezier曲线的位置和形状只与特征多边形的定点位置相关,他不依赖左坐
标系的选择。移动第i个控制点Pi,将对曲线上参数为u=i/n的那个点C(i/n)
发生最大的影响。
(6) 凸包性
因为C(u)是多边形各顶点P0,P1,…,Pn的加权平均,而权因子0<=Bi,n(u)<=1,这反映在几何图形上有两重含义:
Bezier曲线C(u)位于其控制顶点P0,P1,…,Pn的凸包之内;
Bezier曲线C(u)随着其控制多边形的变化而变化;
(7) 变差缩减性
对于平面Bezier曲线C(u),平面内任意一条直线与其交点的个数不多于该直线
与其控制多边形的交点个数。
3. Bezier
由Bezier曲线C(u)的定义,可推出常用的一次,二次,三次Bezier曲线
矩阵表示。
1)一次Bezier曲线
C(u)=(1-u)P0+uP1
[-1 1][P0]
矩阵表示为 C(u)=[u,1][1 0][P1]
2)2次Bezier曲线
C(u)=(1-u)^2*P0+2u(1-u)P1+u^2*P2
[1 -2 1][P0]
矩阵表示为 C(u)=[u^2,u,1][-2 2 0][P1]
[1 0 0][P2]
3)3次Bezier曲线
C(u)=(1-u)^3*P0+3u(1-u)^2*P1+3u^2*(1-u)P2+u^3P3
[-1 3 -3 1][P0]
[ 3 -6 3 0][P1]
矩阵表示为 C(u)=[u^2,u,1][-3 3 0 0][P2]
[ 1 0 0 0][P3]
4. BezierDe Casteljau
给定三维空间点P0,P1,…,Pn以及一位标量参数u,假定:
P(j,r)(u)=(1-u)P(I,r-1)(u)+uP(i+1,r-1)(u) {r=1,…,n;i=0,…,n-r}
并且P(I,0)(u)=Pi,那么P(0,n)(u)即为Bezier曲线上参数u处的点。
De Casteljau(P,n,u,C)
{ /*Computepoint point on curve using DeCasteljau algorithm*/
/*Input :P,n,u*/
/*Output :C(a point)*/
for(i=0;i<=n;i++)
Q[i]=P[i];
for(k=1;k<=n;k++)
for(i=0;i<=n-k;i++)
Q[i]=(1.0-u)*Q[i]+u*Q[i+1];
C=Q[0];
}
5. Bezier
利用De Casteljau算法可以以几何方式计算参数值u处的曲线点。
步骤如下:
(1)根据给定的参数值u,在控制多边形在每条边上的确定某一分割点,是分
割后的线段之比为u(1-u),由此的分割点为
P(i,1)=(1-u)Pi+uPi+1 i=0,1,2,…,n-1
由此组成一个边数为(n-1)的新的多边形。
(2)用相同的方法对次多边形再次分割,得到分割点P(i.2)(i=0,1,…,n-2)形成一个新的多边形。
(3)按相同的过程分割n-1次后,得到两个顶点P0^n-1、P1^n-1,在分割得到所求的点P(0,n)即为所求的u处的曲线点。
6. Bezier
为了方便Bezier曲线的修改,需要增加控制顶点提高灵活度,而不要改变
原来曲线的形状,也就是将N次的Bezier曲线升级表达为n+1次的Bezier曲线,即:
P(u)= SumPiBi,n(u)= SumP'iBi,n+1(u)
只需要将左边乘以[u+(1-u)],然后比较u^i(1-u)^(n+1-i)的系数,即可得到:
P’i=i/n+1•Pi-1 +(1-i/n+1)Pi, i=0,1,2,…,n+1
几何意义:
新的控制顶点时对老的特征多边形在参数i/(n+1)处进行线性插值的结果;
升阶后的新特征多边形在老的特征多边形的凸包内;
升阶后的新的特征多边形更逼近Bezier曲线。
7. Bezier
有理Bezier曲线的定义式为:
P(u)= SumBi,n(u)wiPi/ SumBi,n(u)wi=
SumRi,n(u)Pi
与Bezier曲线相比,除了可以调节有理Bezier曲线的控制点外,还可以调
节其权因子的大小来改变曲线的形状,因而具有更强的造型功能。
在CAD/CAM中,常采用Bezier曲线曲面,这样便于理解曲线/曲面。但采用Bezier形式的曲线曲面不能精确的表示二次曲线和二次曲面,如球体和圆。将
多项式改为有理形式,不仅能精确表示二次曲线和二次曲面,且增加了设计的自
由度。重复的进行两点线性插值,可以构造Bezier Curve。重复的进行两点有理插值,可以构造有理Bezier Curve。
与控制顶点类似,有理Bezier曲线上的点可映射为Bezier曲线上的点或对应的控制多边形上的点。在透视投影使用理形式与非有理形式产生相同投影时,
有理Bezier曲线曲面和有理B样条曲线曲面继承了Bezier曲线曲面和B样条曲线曲面的简单、优美的特性。这种形式,数学上的分析及几何特性的掌握了解都
比其他4D空间(wx、wy、wz、w)方法和单纯的3D空间有理形式要简单和容易。
现在,有理曲线曲面不仅仅用于表示和构造二次曲线曲面。对有理曲线曲面
的权因子该如何选取往往不很清楚,而且有理形式的计算比非有理形式复杂,但
是,由于其构造特性,现在人们已经开始考虑有理Bezier和有理Bezier样条曲线曲面的应用。
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