贝塞尔曲线的全解析

简单了解贝塞尔曲线

Bézier curve(贝塞尔曲线)是应用于二维图形应用程序的数学曲线。
曲线定义:起始点、终止点(也称锚点)、控制点。通过调整控制点,贝塞尔曲线的形状会发生变化。
1962年,法国数学家Pierre Bézier第一个研究了这种矢量绘制曲线的方法,并给出了详细的计算公式,因此按照这样的公式绘制出来的曲线就用他的姓氏来命名,称为贝塞尔曲线。

意义

贝塞尔曲线为计算机矢量图形学奠定了基础。
它的主要意义在于无论是直线或曲线都能在数学上予以描述。

原理和简单推导:

抛物线的三切线定理:


三切线.gif

设P0、P02、P2是一条抛物线上顺序三个不同的点。过P0和P2点的两切线交于P1点,在P02点的切线交P0P1和P2P1于P01和P11,则如下比例成立:


比例.jpeg

当P0,P2固定,引入参数t,令上述比值为t:(1-t),即有:


t公式.png

推导出:
公式1.jpeg

t从0变到1,第一、二式就分别表示控制二边形的第一、二条边,它们是两条一次Bezier曲线。将一、二式代入第三式得:

公式2.gif

当t从0变到1时,它表示了由三顶点P0、P1、P2三点定义的一条二次Bezier曲线

依次类推,
由四个控制点定义的三次Bezier曲线P03可被定义为分别由(P0,P1,P2)和(P1,P2,P3)确定的两条二次Bezier曲线的线性组合。
即由 (n+1) 个控制点Pi(i=0,1,...,n)定义的n次Bezier曲线P0n可被定义为分别由 前、后n个控制点 定义的 两条(n-1)次 Bezier曲线P0n-1与P1n-1的线性组合:

公式3.gif

由此得到Bezier曲线的递推计算公式:


公式4.gif

原理和公式理清之后,我们再通过图形变化,继续深入了解下贝塞尔曲线

以下公式中:B(t)为t时间下点的坐标;P0为起点,Pn为终点,Pi为控制点

  • 一阶贝塞尔曲线(线段)

由 P0 至 P1 的连续点P01,描述的一条线段:

1阶.gif

公式-1.gif

  • 二阶贝塞尔曲线(抛物线)

2阶.gif

公式-2.gif

由 P0 至 P1 的连续点 P01,描述一条线段。
由 P1 至 P2 的连续点 P12,描述一条线段。
由 P01 至 P12 的连续点 B(t),描述一条二次贝塞尔曲线。

  • 三阶贝塞尔曲线:

3阶.gif
公式-3.gif
  • JS计算三阶贝塞尔曲线的点实现

/**
     * 三阶贝塞尔曲线
     * B(t) = P0 * (1-t)^3 + 3 * P1 * t * (1-t)^2 + 3 * P2 * t^2 * (1-t) + P3 * t^3, t ∈ [0,1]
     *
     * @param t  曲线长度比例
     * @param p0 起始点
     * @param p1 控制点1
     * @param p2 控制点2
     * @param p3 终止点
     * @return t对应的点
     */
    CalculateBezierPointForCubic : function ( t, p0, p1, p2, p3) {
        var point = cc.p( 0, 0 );
        var temp = 1 - t;
        point.x = p0.x * temp * temp * temp + 3 * p1.x * t * temp * temp + 3 * p2.x * t * t * temp + p3.x * t * t * t;
        point.y = p0.y * temp * temp * temp + 3 * p1.y * t * temp * temp + 3 * p2.y * t * t * temp + p3.y * t * t * t;
        return point;
    }

  • 高阶贝塞尔曲线

  • 4阶曲线:


    4阶.gif
  • 5阶曲线:


    5阶.gif
  • 应用到前端CSS3的贝塞尔曲线

transition-timing-function 规定过渡效果的时间曲线为贝塞尔曲线
transition: all 2s cubic-bezier( p1x, p1y, p2x, p2y )
项目预览地址:http://jsrun.net/tr3Kp

image.png

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