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贝塞尔曲线

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Academic year: 2021

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补充:贝塞尔曲线

.. . 高等数学课程 . 2020 年 2 月 12 日 . „暨南大学数学系 „吕荐瑞

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贝塞尔曲线简介

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第一节

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伯恩斯坦多项式

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第二节

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贝塞尔曲线定义

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第三节

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贝塞尔曲线应用

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第四节

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贝塞尔曲面简介

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第五节

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贝塞尔曲线

贝 塞 尔 曲 线,又 称 贝 济 埃 曲 线, 是在计算机图形学中广泛使用的 一种参数曲线. 皮埃尔·贝塞尔 (Pierre B´ezier) 是 法 国 雷 诺 汽 车 公 司 的 工 程 师, 他从 1962 年开始在汽车外形设 计中运用此类曲线. 图片来源:Wikipedia .

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贝塞尔曲线

贝 塞 尔 曲 线,又 称 贝 济 埃 曲 线, 是在计算机图形学中广泛使用的 一种参数曲线. 皮埃尔·贝塞尔 (Pierre B´ezier) 是 法 国 雷 诺 汽 车 公 司 的 工 程 师, 他从 1962 年开始在汽车外形设 计中运用此类曲线. 图片来源:Wikipedia .

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贝塞尔曲线

贝塞尔的想法是先用折线勾画出汽车外形的大致轮廓, 然后用光滑的参数曲线去逼近这个折线多边形. . .

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贝塞尔曲线

贝塞尔的想法是先用折线勾画出汽车外形的大致轮廓, 然后用光滑的参数曲线去逼近这个折线多边形. . .

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贝塞尔曲线

贝塞尔曲线的优点在于 1 常用的贝塞尔曲线是三次参数曲线,计算快捷. 2 存储时只需记录若干控制点的坐标,节省空间. 因此贝塞尔曲线在计算机图形中得到广泛应用. 比如电脑字体中的各个字符的轮廓, 就是用贝塞尔曲线来描述的,右图显 示了 Windows 系统中的楷体汉字. .

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贝塞尔曲线

贝塞尔曲线的优点在于 1 常用的贝塞尔曲线是三次参数曲线,计算快捷. 2 存储时只需记录若干控制点的坐标,节省空间. 因此贝塞尔曲线在计算机图形中得到广泛应用. 比如电脑字体中的各个字符的轮廓, 就是用贝塞尔曲线来描述的,右图显 示了 Windows 系统中的楷体汉字. .

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贝塞尔曲线简介

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第一节

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伯恩斯坦多项式

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第二节

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贝塞尔曲线定义

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第三节

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贝塞尔曲线应用

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第四节

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贝塞尔曲面简介

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第五节

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伯恩斯坦多项式

贝塞尔曲线的定义需要用到下面的伯恩斯坦多项式. 定义 给定正整数 n,以及 0 k n,我们定义 n+ 1 个 n 次多项式 bk,n(t) = Ckntk(1 − t)n−k 其中 Ck n 是组合数.这些多项式称为伯恩斯坦多项式. 性质 所有 n 次伯恩斯坦多项式之和恒为零. .

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伯恩斯坦多项式

贝塞尔曲线的定义需要用到下面的伯恩斯坦多项式. 定义 给定正整数 n,以及 0 k n,我们定义 n+ 1 个 n 次多项式 bk,n(t) = Ckntk(1 − t)n−k 其中 Ck n 是组合数.这些多项式称为伯恩斯坦多项式. 性质 所有 n 次伯恩斯坦多项式之和恒为零. .

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伯恩斯坦多项式

贝塞尔曲线的定义需要用到下面的伯恩斯坦多项式. 定义 给定正整数 n,以及 0 k n,我们定义 n+ 1 个 n 次多项式 bk,n(t) = Ckntk(1 − t)n−k 其中 Ck n 是组合数.这些多项式称为伯恩斯坦多项式. 性质 所有 n 次伯恩斯坦多项式之和恒为零. .

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伯恩斯坦多项式

例 1 当 n = 2 时,3 个伯恩斯坦多项式之和 b0,2(t) + b1,2(t) + b2,2(t) = (1 − t)2+ 2t(1 − t) + t2 = 0 例 2 当 n = 3 时,4 个伯恩斯坦多项式之和 b0,3(t) + b1,3(t) + b2,3(t) + b3,3(t) = (1 − t)3+ 3t(1 − t)2+ 3t2(1 − t) + t3 = 0 .

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伯恩斯坦多项式

例 1 当 n = 2 时,3 个伯恩斯坦多项式之和 b0,2(t) + b1,2(t) + b2,2(t) = (1 − t)2+ 2t(1 − t) + t2 = 0 例 2 当 n = 3 时,4 个伯恩斯坦多项式之和 b0,3(t) + b1,3(t) + b2,3(t) + b3,3(t) = (1 − t)3+ 3t(1 − t)2+ 3t2(1 − t) + t3 = 0 .

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贝塞尔曲线简介

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第一节

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伯恩斯坦多项式

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第二节

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贝塞尔曲线定义

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第三节

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贝塞尔曲线应用

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第四节

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贝塞尔曲面简介

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第五节

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贝塞尔曲线

定义 给定平面或空间中 n+ 1 个点 P0, P1, · · · , Pn, 我们定义参数曲线 P(t) = n=0 b,n(t) P, 0 t 1. 并称它为 n 次贝塞尔曲线,称这些点为曲线的控制点, 称这些点依次连接起来所得折线为曲线的控制多边形. .

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一次贝塞尔曲线

例 1 给定空间中两点 P0(0,y0) 和 P1(1,y1,z1), 则所得到的一次贝塞尔曲线为 P(t) = (1 − t) · (0,y0,z0) + t · (1,y1,z1). 令 P(t) = (t),y(t),z(t),则该曲线的参数方程      (t) = 0+ (1− 0) t, y(t) = y0+ (y1− y0) t, z(t) = z0+ (z1− z0) t, (0 t 1). 因此,一次贝塞尔曲线就是连接两点的直线段 P0P1. 注记 我们要将 P 视为向量,P(t) 视为向量值函数. .

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一次贝塞尔曲线

例 1 给定空间中两点 P0(0,y0) 和 P1(1,y1,z1), 则所得到的一次贝塞尔曲线为 P(t) = (1 − t) · (0,y0,z0) + t · (1,y1,z1). 令 P(t) = (t),y(t),z(t),则该曲线的参数方程      (t) = 0+ (1− 0) t, y(t) = y0+ (y1− y0) t, z(t) = z0+ (z1− z0) t, (0 t 1). 因此,一次贝塞尔曲线就是连接两点的直线段 P0P1. 注记 我们要将 P 视为向量,P(t) 视为向量值函数. .

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一次贝塞尔曲线

例 1 给定空间中两点 P0(0,y0) 和 P1(1,y1,z1), 则所得到的一次贝塞尔曲线为 P(t) = (1 − t) · (0,y0,z0) + t · (1,y1,z1). 令 P(t) = (t),y(t),z(t),则该曲线的参数方程      (t) = 0+ (1− 0) t, y(t) = y0+ (y1− y0) t, z(t) = z0+ (z1− z0) t, (0 t 1). 因此,一次贝塞尔曲线就是连接两点的直线段 P0P1. 注记 我们要将 P 视为向量,P(t) 视为向量值函数. .

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二次贝塞尔曲线

例 2 给定平面上三点 P0(1,0), P1(1,1), P2(0,1), 则所得到的二次贝塞尔曲线为 P(t) = (1−t)2· (1,0) + 2t(1−t) · (1,1) + t2· (0,1) = (1 − t2 ,2t− t2) 令 P(t) = (t),y(t),则曲线 的参数方程为 ( (t) = 1 − t2, y(t) = 2t − t2, (0 t 1). 作为对比,图中的虚线是圆弧. .. P0 . P1 . P2 . O .

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二次贝塞尔曲线

例 2 给定平面上三点 P0(1,0), P1(1,1), P2(0,1), 则所得到的二次贝塞尔曲线为 P(t) = (1−t)2· (1,0) + 2t(1−t) · (1,1) + t2· (0,1) = (1 − t2 ,2t− t2) 令 P(t) = (t),y(t),则曲线 的参数方程为 ( (t) = 1 − t2, y(t) = 2t − t2, (0 t 1). 作为对比,图中的虚线是圆弧. .. P0 . P1 . P2 . O .

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二次贝塞尔曲线

例 3 给定平面上三点 P0(0,0), P1(1,1), P2(2,0), 则所得到的二次贝塞尔曲线为 P(t) = (1−t)2· (0,0) + 2t(1−t) · (1,1) + t2· (2,0) = (2t,2t− 2t2) 令 P(t) = (t),y(t),则曲线 的参数方程为 ( (t) = 2t, y(t) = 2t − 2t2, (0 t 1). ..P.0 P1 . P2 .

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二次贝塞尔曲线

例 3 给定平面上三点 P0(0,0), P1(1,1), P2(2,0), 则所得到的二次贝塞尔曲线为 P(t) = (1−t)2· (0,0) + 2t(1−t) · (1,1) + t2· (2,0) = (2t,2t− 2t2) 令 P(t) = (t),y(t),则曲线 的参数方程为 ( (t) = 2t, y(t) = 2t − 2t2, (0 t 1). ..P.0 P1 . P2 .

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三次贝塞尔曲线

例 4 给定平面上四点 P0(0,0), P1(1,1), P2(2,1), P3(2,0),则所得到的三次贝塞尔曲线为 P(t) = (1 − t)3· (0,0) + 3t(1 − t)2· (1,1) + 3t2(1 − t) · (2 ,1) + t3· (2,0) = (3t − t3 ,3t− 3t2). 令 P(t) = (t),y(t),则曲线 的参数方程为 ( (t) = 3t − t3, y(t) = 3t − 3t2. (0 t 1). .. P0 . P1 . P2 . P3 .

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三次贝塞尔曲线

例 4 给定平面上四点 P0(0,0), P1(1,1), P2(2,1), P3(2,0),则所得到的三次贝塞尔曲线为 P(t) = (1 − t)3· (0,0) + 3t(1 − t)2· (1,1) + 3t2(1 − t) · (2 ,1) + t3· (2,0) = (3t − t3 ,3t− 3t2). 令 P(t) = (t),y(t),则曲线 的参数方程为 ( (t) = 3t − t3, y(t) = 3t − 3t2. (0 t 1). .. P0 . P1 . P2 . P3 .

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三次贝塞尔曲线

例 5 给定平面上四点 P0(0,0), P1(1,1), P2(1,−1), P3(2,0),则所得到的三次贝塞尔曲线为 P(t) = (1 − t)3· (0,0) + 3t(1 − t)2· (1,1) + 3t2(1 − t) · (1 ,−1) + t3· (2,0) = (3t − 3t2+ 2t3 ,3t− 9t2+ 6t3). 令 P(t) = (t),y(t),则曲线 的参数方程为 (0 t 1) ( (t) = 3t − 3t2+ 2t3, y(t) = 3t − 9t2+ 6t3. .. P0 . P1 . P2 . P3 .

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三次贝塞尔曲线

例 5 给定平面上四点 P0(0,0), P1(1,1), P2(1,−1), P3(2,0),则所得到的三次贝塞尔曲线为 P(t) = (1 − t)3· (0,0) + 3t(1 − t)2· (1,1) + 3t2(1 − t) · (1 ,−1) + t3· (2,0) = (3t − 3t2+ 2t3 ,3t− 9t2+ 6t3). 令 P(t) = (t),y(t),则曲线 的参数方程为 (0 t 1) ( (t) = 3t − 3t2+ 2t3, y(t) = 3t − 9t2+ 6t3. .. P0 . P1 . P2 . P3 .

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贝塞尔曲线的性质

性质 贝塞尔曲线与控制点之间的有如下关系: 1 P(0) = P0,P(0) = n(P1− P0). 2 P(1) = Pn,P(1) = n(Pn− Pn−1). 或者说 1 贝塞尔曲线的起点与控制点 P0 重合, 且在 P0 点的切线与直线 P0P1 重合. 2 贝塞尔曲线的终点与控制点 Pn 重合, 且在 Pn 点的切线与直线 Pn−1Pn 重合. .

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贝塞尔曲线的性质

性质 贝塞尔曲线与控制点之间的有如下关系: 1 P(0) = P0,P(0) = n(P1− P0). 2 P(1) = Pn,P(1) = n(Pn− Pn−1). 或者说 1 贝塞尔曲线的起点与控制点 P0 重合, 且在 P0 点的切线与直线 P0P1 重合. 2 贝塞尔曲线的终点与控制点 Pn 重合, 且在 Pn 点的切线与直线 Pn−1Pn 重合. .

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贝塞尔曲线简介

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第一节

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伯恩斯坦多项式

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第二节

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贝塞尔曲线定义

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第三节

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贝塞尔曲线应用

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第四节

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贝塞尔曲面简介

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第五节

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用贝塞尔曲线作曲线逼近

例 1 用三次贝塞尔曲线逼近单位圆周 2+ y2 = 1 在 第一象限部分. 解答 由贝塞尔曲线的性质,我们可以设 P0(1,0), P1(1), P2,1), P3(0,1). 则对应的三次贝塞尔曲线为 P(t) = ((t),y(t)) = (1 − t)3· (1 ,0) + 3t(1 − t)2· (1) + 3t2(1 − t) · (λ ,1) + t3· (0,1) 即 ¨ (t) = 1 − 3t2+ 2t3+ λ(3t2− 3t3), y(t) = 3t2− 2t3+ λ(3t − 6t2+ 3t3). .

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用贝塞尔曲线作曲线逼近

例 1 用三次贝塞尔曲线逼近单位圆周 2+ y2 = 1 在 第一象限部分. 解答 由贝塞尔曲线的性质,我们可以设 P0(1,0), P1(1), P2,1), P3(0,1). 则对应的三次贝塞尔曲线为 P(t) = ((t),y(t)) = (1 − t)3· (1 ,0) + 3t(1 − t)2· (1) + 3t2(1 − t) · (λ ,1) + t3· (0,1) 即 ¨ (t) = 1 − 3t2+ 2t3+ λ(3t2− 3t3), y(t) = 3t2− 2t3+ λ(3t − 6t2+ 3t3). .

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用贝塞尔曲线作曲线逼近

例 1 用三次贝塞尔曲线逼近单位圆周 2+ y2 = 1 在 第一象限部分. 解答 由贝塞尔曲线的性质,我们可以设 P0(1,0), P1(1), P2,1), P3(0,1). 则对应的三次贝塞尔曲线为 P(t) = ((t),y(t)) = (1 − t)3· (1 ,0) + 3t(1 − t)2· (1) + 3t2(1 − t) · (λ ,1) + t3· (0,1) 即 ¨ (t) = 1 − 3t2+ 2t3+ λ(3t2− 3t3), y(t) = 3t2− 2t3+ λ(3t − 6t2+ 3t3). .

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用贝塞尔曲线作曲线逼近

例 1 用三次贝塞尔曲线逼近单位圆周 2+ y2 = 1 在 第一象限部分. 解答 由贝塞尔曲线的性质,我们可以设 P0(1,0), P1(1), P2,1), P3(0,1). 则对应的三次贝塞尔曲线为 P(t) = ((t),y(t)) = (1 − t)3· (1 ,0) + 3t(1 − t)2· (1) + 3t2(1 − t) · (λ ,1) + t3· (0,1) 即 ¨ (t) = 1 − 3t2+ 2t3+ λ(3t2− 3t3), y(t) = 3t2− 2t3+ λ(3t − 6t2+ 3t3). .

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用贝塞尔曲线作曲线逼近

解答 (续) 欲得到较好的逼近效果,可令贝塞尔曲线 的中点与圆弧的中点重合,即 € €12Š,y€12ŠŠ= p 2 2 , p 2 2  . 代入前面的参数方程,解得 λ= λ0 = 4(p2−1) 3 ≈ 0.5523. 图中红线是圆弧,蓝线是贝塞尔曲线. .. P0 . P1 . P2 . P3 . O 从绘制出的图形看,贝塞尔曲线已经非常接近圆弧了. .

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用贝塞尔曲线作曲线逼近

解答 (续) 现在来分析逼近误差 ε(t) = [(t)]2+ [y(t)]2− 1. 代入贝塞尔曲线的参数方程,得到 ε(t) = A t2(t − 1/2)2(t − 1)2, 其中 A = 2(3λ0− 2)2 = 8(3 − 2 p 2)2 ≈ 0.2355. 求得 ε(t) 在 0 t 1 中的最大值为 A 432 ≈ 0.0005. 即用贝塞尔曲线代替圆弧时,逼近误差已经相当小了. .

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用贝塞尔曲线作曲线逼近

解答 (续) 现在来分析逼近误差 ε(t) = [(t)]2+ [y(t)]2− 1. 代入贝塞尔曲线的参数方程,得到 ε(t) = A t2(t − 1/2)2(t − 1)2, 其中 A = 2(3λ0− 2)2 = 8(3 − 2 p 2)2 ≈ 0.2355. 求得 ε(t) 在 0 t 1 中的最大值为 A 432 ≈ 0.0005. 即用贝塞尔曲线代替圆弧时,逼近误差已经相当小了. .

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用贝塞尔曲线作曲线逼近

解答 (续) 现在来分析逼近误差 ε(t) = [(t)]2+ [y(t)]2− 1. 代入贝塞尔曲线的参数方程,得到 ε(t) = A t2(t − 1/2)2(t − 1)2, 其中 A = 2(3λ0− 2)2 = 8(3 − 2 p 2)2 ≈ 0.2355. 求得 ε(t) 在 0 t 1 中的最大值为 A 432 ≈ 0.0005. 即用贝塞尔曲线代替圆弧时,逼近误差已经相当小了. .

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三次贝塞尔曲线

从之前例子可以看出,随着次数的增加,贝塞尔曲线 的变化也更加多样.因此贝塞尔曲线足够描述实际应 用中的复杂几何图形. 但是,在实际应用中我们通常只使用三次贝塞尔曲线. 这是因为,如果其中一个控制点的坐标变化了,整个 贝塞尔曲线的形状也变化了.这样次数越高越不容易 对曲线作局部调整.

常见的软件中,PowerPoint, Inkscape, Photoshop, Illustrator, CorelDraw 都支持绘制三次贝塞尔曲线.

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三次贝塞尔曲线

从之前例子可以看出,随着次数的增加,贝塞尔曲线 的变化也更加多样.因此贝塞尔曲线足够描述实际应 用中的复杂几何图形. 但是,在实际应用中我们通常只使用三次贝塞尔曲线. 这是因为,如果其中一个控制点的坐标变化了,整个 贝塞尔曲线的形状也变化了.这样次数越高越不容易 对曲线作局部调整.

常见的软件中,PowerPoint, Inkscape, Photoshop, Illustrator, CorelDraw 都支持绘制三次贝塞尔曲线.

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三次贝塞尔曲线

从之前例子可以看出,随着次数的增加,贝塞尔曲线 的变化也更加多样.因此贝塞尔曲线足够描述实际应 用中的复杂几何图形. 但是,在实际应用中我们通常只使用三次贝塞尔曲线. 这是因为,如果其中一个控制点的坐标变化了,整个 贝塞尔曲线的形状也变化了.这样次数越高越不容易 对曲线作局部调整.

常见的软件中,PowerPoint, Inkscape, Photoshop, Illustrator, CorelDraw 都支持绘制三次贝塞尔曲线.

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三次贝塞尔曲线

从之前例子可以看出,随着次数的增加,贝塞尔曲线 的变化也更加多样.因此贝塞尔曲线足够描述实际应 用中的复杂几何图形. 但是,在实际应用中我们通常只使用三次贝塞尔曲线. 这是因为,如果其中一个控制点的坐标变化了,整个 贝塞尔曲线的形状也变化了.这样次数越高越不容易 对曲线作局部调整.

常见的软件中,PowerPoint, Inkscape, Photoshop, Illustrator, CorelDraw 都支持绘制三次贝塞尔曲线.

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三次贝塞尔曲线

要描述精细的几何图形,可以用多条三次贝塞尔曲线 连接起来.比如(下图中 P3 和 Q0 重合) . . P0 . P1 . P2 . P3 . Q0 . Q1 . Q2 . Q3 .... .... 三次贝塞尔曲线的四个控制点可分为两类:P0 和 P3 称为顶点(或锚点),P1 和 P2 称为控点(或方向点). 若 P3P2 与 Q0Q1 不共线,称 P3(即 Q0) 为角部顶点. .

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三次贝塞尔曲线

要描述精细的几何图形,可以用多条三次贝塞尔曲线 连接起来.比如(下图中 P3 和 Q0 重合) . . P0 . P1 . P2 . P3 . Q0 . Q1 . Q2 . Q3 .... .... 三次贝塞尔曲线的四个控制点可分为两类:P0 和 P3 称为顶点(或锚点),P1 和 P2 称为控点(或方向点). 若 P3P2 与 Q0Q1 不共线,称 P3(即 Q0) 为角部顶点. .

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三次贝塞尔曲线

要描述精细的几何图形,可以用多条三次贝塞尔曲线 连接起来.比如(下图中 P3 和 Q0 重合) . . P0 . P1 . P2 . P3 . Q0 . Q1 . Q2 . Q3 .... .... 三次贝塞尔曲线的四个控制点可分为两类:P0 和 P3 称为顶点(或锚点),P1 和 P2 称为控点(或方向点). 若 P3P2 与 Q0Q1 不共线,称 P3(即 Q0) 为角部顶点. .

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三次贝塞尔曲线

要描述精细的几何图形,可以用多条三次贝塞尔曲线 连接起来.比如(下图中 P3 和 Q0 重合) . . P0 . P1 . P2 . P3 . Q0 . Q1 . Q2 . Q3 .... .... 三次贝塞尔曲线的四个控制点可分为两类:P0 和 P3 称为顶点(或锚点),P1 和 P2 称为控点(或方向点). 若 P3P2 与 Q0Q1 不共线,称 P3(即 Q0) 为角部顶点. .

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三次贝塞尔曲线

要去掉两条三次贝塞尔曲线连接处的尖角,可以让 P3P2 与 Q0Q1 方向相反.比如 . . P0 . P1 . P2 . P3 . Q0 . Q1 . Q2 . Q3 .... .... 如果 P3P2 与 Q0Q1 方向相反,我们称 P3(即 Q0) 为直线顶点. .

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三次贝塞尔曲线

要去掉两条三次贝塞尔曲线连接处的尖角,可以让 P3P2 与 Q0Q1 方向相反.比如 . . P0 . P1 . P2 . P3 . Q0 . Q1 . Q2 . Q3 .... .... 如果 P3P2 与 Q0Q1 方向相反,我们称 P3(即 Q0) 为直线顶点. .

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三次贝塞尔曲线

要去掉两条三次贝塞尔曲线连接处的尖角,可以让 P3P2 与 Q0Q1 方向相反.比如 . . P0 . P1 . P2 . P3 . Q0 . Q1 . Q2 . Q3 .... .... 如果 P3P2 与 Q0Q1 方向相反,我们称 P3(即 Q0) 为直线顶点. .

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三次贝塞尔曲线

要让两条三次贝塞尔曲线连接处更加光滑,可以让 P3P2 与 Q0Q1 方向相反且大小相等.比如 . . P0 . P1 . P2 . P3 . Q0 . Q1 . Q2 . Q3 .... .... 如果 P3P2 与 Q0Q1 方向相反且大小相等,我们称 P3 (即 Q0)为平滑顶点.此时曲线的切向量连续变化. .

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三次贝塞尔曲线

要让两条三次贝塞尔曲线连接处更加光滑,可以让 P3P2 与 Q0Q1 方向相反且大小相等.比如 . . P0 . P1 . P2 . P3 . Q0 . Q1 . Q2 . Q3 .... .... 如果 P3P2 与 Q0Q1 方向相反且大小相等,我们称 P3 (即 Q0)为平滑顶点.此时曲线的切向量连续变化. .

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三次贝塞尔曲线

要让两条三次贝塞尔曲线连接处更加光滑,可以让 P3P2 与 Q0Q1 方向相反且大小相等.比如 . . P0 . P1 . P2 . P3 . Q0 . Q1 . Q2 . Q3 .... .... 如果 P3P2 与 Q0Q1 方向相反且大小相等,我们称 P3 (即 Q0)为平滑顶点.此时曲线的切向量连续变化. .

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贝塞尔曲线简介

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第一节

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伯恩斯坦多项式

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第二节

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贝塞尔曲线定义

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第三节

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贝塞尔曲线应用

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第四节

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贝塞尔曲面简介

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第五节

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贝塞尔曲面

定义 设 P,j( = 0,1,2· · · ,n; j = 0,1,2,· · · ,m) 是空间中给定的 (n + 1) × (m + 1) 个点,参数曲面 P(,) = n=0 mj=0 b,n() bj,m() P,j, 0 , 1. 称为 n× m 次贝塞尔曲面,这些点称为曲面的控制点. .

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双三次贝塞尔曲面

图片来源: Wikipedia 图片作者: Philip Rideout .

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參考文獻

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