常用的參數(shù)曲線

常用的參數(shù)曲線第1頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三1、1963年美國波音（Boeing）飛機公司的佛格森（Ferguson）最早引入參數(shù)三次曲線，將曲線曲面表示成參數(shù)矢量函數(shù)形式，構造了組合曲線和由四角點的位置矢量、兩個方向的切矢定義的佛格森雙三次曲面片。2、1964年，美國麻省理工學院（MIT）的孔斯Coons）用封閉曲線的四條邊界定義一張曲面。同年，斯恩伯格（Schoenberg）提出了參數(shù)樣條曲線、曲面的形式。 如何表示象飛機、汽車、輪船等具有復雜外形產品的表面是工程中必須解決的問題。第2頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三4、1972年，德布爾（deBoor）給出了B樣條的標準計算方法。1974年，美國通用汽車公司的戈登（Gorden）和里森費爾德（Riesenfeld）將B樣條理論用于形狀描述，提出了B樣條曲線和曲面。1975年，美國錫拉丘茲（Syracuse）大學的佛斯普里爾（Versprill）提出了有理B樣條方法。80年代后期皮格爾（Piegl）和蒂勒（Tiller）將有理B樣條發(fā)展成非均勻有理B樣條方法，并已成為當前自由曲線和曲面描述的最廣為流行的技術。3、1971年，法國雷諾（Renault）汽車公司的貝塞爾（Bezier）發(fā)表了一種用控制多邊形定義曲線和曲面的方法。同期法國雪鐵龍Citroen汽車公司的德卡斯特里奧（deCastelijau）也獨立地研究出與Bezier類似的方法。第3頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三

一、Bezier曲線

Bezier曲線的形狀是通過一組多邊折線（特征多邊形）的各頂點唯一地定義出來的。在這組頂點中：

(1)只有第一個頂點和最后一個頂點在曲線上；

(2)其余的頂點則用于定義曲線的導數(shù)、階次和形狀；

(3)第一條邊和最后一條邊則表示了曲線在兩端點處的切線方向。第4頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三第5頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三

１.Bezier曲線的數(shù)學表達式Bezier曲線是由多項式混合函數(shù)推導出來的，通常n+1個頂點定義一個n次多項式。其數(shù)學表達式為：

(0≤t≤1)式中：Ｐi：為各頂點的位置向量Ｂi,n(t)：為伯恩斯坦基函數(shù)第6頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三

伯恩斯坦基函數(shù)的表達式為：

假如規(guī)定：０＝１，０?。剑?，則

t=0:

i=0,Bi,n(t)=1

i0,Bi,n(t)=0

P(0)=P0

第7頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三

t=1:i=n,Bi,n(t)=1in,Bi,n(t)=0

P(1)=Pn所以說，“只有第一個頂點和最后一個頂點在曲線上”。即Bezier曲線只通過

多邊折線的起點和終點。第8頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三

下面我們通過對伯恩斯坦基函數(shù)求導，來分析兩端切矢的情況。

得：

第9頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三

討論：

t=0:i=0:Bi-1,n-1(t)=0；Bi,n-1(t)=1。i=1:Bi-1,n-1(t)=1；Bi,n-1(t)=0。·（均出現(xiàn)0的非0次冪）第10頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三

t=0

同理可得，當t=1時

這兩個式子說明：Bezier曲線在兩端點處的切矢方向與特征多邊形的第一條邊和最后一條邊相一致。且末端切矢的模長分別等于首末邊長的n倍，n為貝塞爾曲線的階次

第11頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三Bezier曲線的性質：（1）端點位置：

（2）端點的切線：曲線與P0P1，Pn-1Pn相切，

（3）端點的曲率：第12頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三（4）對稱性：若保持控制點的位置不變，但次序顛倒，即Pi變?yōu)镻n-i，則Bezier曲線形狀不變。（5）仿射不變性： 即Bezier曲線的形狀、重心及相對位置（與控制多邊形）與選擇的坐標無關。方便圖形變換第13頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三（6）凸包性：

對于某個t值P(t)是特征多邊形各頂點的加權平均，權因子是 。在幾何圖形上，P(t)是各控制點的凸線性組合，并且曲線各點均落在Bezier特征多邊形構成的凸包之中。第14頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三（7）直線再生性：

若控制頂點P0,P1,···,Pn在同一直線上，該Bezier曲線必為一條直線段（8）平面Bezier曲線的保凸性：如控制頂點為凸，則相應的Bezier曲線也為凸第15頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三（9）變差縮減性：平面內任一條直線與Bezier曲線的交點數(shù)，不多于此直線與控制多邊形的交點個數(shù)該性質說明：Bezier曲線比控制多邊形波動得少，比控制多邊形光順。第16頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三（10）擬局部性（見程序）當移動控制頂點Pi時，對應參數(shù)t=i/n的曲線上的點變動最大，遠離

i/n的曲線上的點變動越來越小Bezier曲線的形狀由其控制多邊形的形狀作較好的刻劃，在設計時，一般以控制多邊形的設計與修改為基本手段第17頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三

２.二次和三次Bezier曲線

(1)三個頂點：P0,P1,P2可定義一條二次(n=2)Bezier曲線：其相應的混合函數(shù)為：

第18頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三

所以，根據(jù)式：

二次Bezier曲線的表達形式為：P(t)=(1-t)2P0+2t(1-t)P1+t2

P2

（０≤t≤1)第19頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三

二次貝塞爾曲線的圖形

P(t)=(1-t)2P0+2t(1-t)P1+t2

P2P’(t)=2(t-1)P0+2(1-2t)P1+2tP2P(1/2)=1/2[P1+1/2(P0+P2)]P(0)=2(P1-P0)P(1)=2(P2-P1)P(1/2)=P2-P0第20頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三

(2)四個頂點P0、P1、P2、P3可定義一條三次Bezier曲線：

***第21頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三貝塞爾曲線在運用中的不足之處

缺乏靈活性一旦確定了特征多邊形的頂點數(shù)(m個)，也就決定了曲

線的階次(m-1次)，無法更改；

控制性差當頂點數(shù)較多時，曲線的階次將較高，此時，特征多邊形對曲線形狀的控制將明顯減弱；第22頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三不易修改由曲線的混合函數(shù)可以看出，其值在開區(qū)間(0,1)內均不為零。因此，所定義之曲線在(0<t<1)的區(qū)間內的任何一點均要受到全部頂點的影響，這使得對曲線進行局部修改成為不可能。（而在外形設計中，局部修改是隨時要進行的）第23頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三

二、B樣條曲線為了克服Bezier曲線存在的問題，

Gordon等人拓展了Bezier曲線，就外形設計的需求出發(fā)，希望新的曲線要：易于進行局部修改；更逼近特征多邊形；是低階次曲線。于是，用n次Ｂ樣條基函數(shù)替換了伯恩斯坦基函數(shù)，構造了稱之為Ｂ樣條曲線的新型曲線。第24頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三Ｂ樣條基函數(shù)

Bi，k（t）的雙下標中第二個下標k表示次數(shù)，第一個下標i表示序號。欲確定第i個k次樣條Bi，k（t），需要用到ti、ti+1、，---，ti+k+1共k+2個點B樣條曲線的方程可表示為第25頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三B樣條曲線的性質(1)局部性由定義可知,樣條基函數(shù)Bi,k只在[ti,ti+1]區(qū)間不為0，該段曲線只與控制頂點Pi-K+1,pi-k+2,……Pi有關(2)遞推性可根據(jù)遞推公式由低次的B樣條得出高次的B樣條。第26頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三（3）凸包性B樣條曲線的凸包由每一曲線段對應的控制頂點的凸包的并集構成。（4）直線再生性若控制頂點落在一條直線上，則該段曲線為直線（5）連續(xù)性（6）幾何不變性。曲線形狀由控制點決定，與坐標系的選取無關（7）磨光性由同一組控制點定義的B樣條曲線，隨著k的增加，越來越光滑。第27頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三

2.Ｂ樣條曲線的數(shù)學表達式Ｂ樣條曲線的數(shù)學表達式為：

在上式中，0≤

t≤1；i=0,1,2,…,m所以可以看出：Ｂ樣條曲線是分段定義的。如果給定m+n+1個頂點Pi(i=0,1,2,…,m+n)，則可定義m+1

段n

次的參數(shù)曲線。

第28頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三

在以上表達式中：Fk,n(t)為n次B樣條基函數(shù)，也稱Ｂ樣條分段混合函數(shù)。其表達式為：

式中：0≤t≤1k=0,1,2,…,n第29頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三

連接全部曲線段所組成的整條曲線稱為n次Ｂ樣條曲線。依次用線段連接點Pi+k(k=0,1,…,n)所組成的多邊折線稱為Ｂ樣條曲線在第i段的Ｂ特征多邊形。

第30頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三

３.二次Ｂ樣條曲線在二次Ｂ樣條曲線中，n=2,k=0,1,2故其基函數(shù)形式為：

第31頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三

有了基函數(shù)，因此可寫出二次Ｂ樣條曲線的分段表達式為：

(i=0,1,2,…,m)m+1段第32頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三

寫成一般的矩陣形式為：式中，Ｂk為分段曲線的Ｂ特征多邊形的頂點：P0,P1,P2。對于第i段曲線的Bk即為：Pi,Pi+1,Pi+2連續(xù)的三個頂點。（見下圖）

第33頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三n=2,二次B樣條曲線m+n+1個頂點，三點一段，共m+1段。i=0P0,2(t)i=1P1,2(t)第34頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三

二次Ｂ樣條曲線的性質先對P(t)求導得：

然后分別將t=0,t=0.5,t=1

代入P(t)和P’(t)，可得：P(0)=1/2(B0+B1),P(1)=1/2(B1+B2);P’(0)=B1-B0,P’(1)=B2-B1;P(1/2)=1/2{1/2[P(0)+P(1)]+B1}P’(1/2)=1/2(B2-B0)=P(1)-P(0)第35頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三

與以上這些式子所表達的性質相符的曲線是何種形狀：（見下圖）

第36頁，共40頁，2022年，5月20日，5點52分，星期三

結論