Bezier曲线原理及实现代码（c++）

       贝塞尔曲线于1962年，由法国工程师皮埃尔·贝塞尔（Pierre
Bézier）所广泛发表，他运用贝塞尔曲线来为汽车的主体进行设计。贝塞尔曲线最初由 Paul
de Casteljau 于1959年运用 de
Casteljau 算法开发，以稳定数值的方法求出贝塞尔曲线。

线性贝塞尔曲线

给定点 P₀、P₁，线性贝塞尔曲线只是一条两点之间的直线。这条线由下式给出：

且其等同于线性插值。

二次方贝塞尔曲线的路径由给定点 P₀、P₁、P₂ 的函数 B(t)
追踪：

。

TrueType 字型就运用了以贝塞尔样条组成的二次贝塞尔曲线。

P₀、P₁、P₂、P₃ 四个点在平面或在三维空间中定义了三次方贝塞尔曲线。曲线起始于 P₀ 走向 P₁，并从 P₂ 的方向来到 P₃。一般不会经过 P₁ 或 P₂；这两个点只是在那里提供方向资讯。 P₀ 和 P₁ 之间的间距，决定了曲线在转而趋进 P₃ 之前，走向 P₂ 方向的“长度有多长”。

曲线的参数形式为：

。

现代的成象系统，如 PostScript、Asymptote 和 Metafont，运用了以贝塞尔样条组成的三次贝塞尔曲线，用来描绘曲线轮廓。

一般化

P₀、P₁、…、P_n，其贝塞尔曲线即

。

例如 ：

。

如上公式可如下递归表达： 用  表示由点 P₀、P₁、…、P_n 所决定的贝塞尔曲线。则

用平常话来说， 阶贝塞尔曲线之间的插值。

一些关于参数曲线的术语，有

即多项式

又称作 n 阶的伯恩斯坦基底多项式，定义
0⁰ = 1。

点 P_i 称作贝塞尔曲线的控制点。多边形以带有线的贝塞尔点连接而成，起始于 P₀并以 P_n 终止，称作贝塞尔多边形（或控制多边形）。贝塞尔多边形的凸包（convex
hull）包含有贝塞尔曲线。

线性贝塞尔曲线函数中的 t 会经过由 P₀ 至P₁ 的 B(t)
所描述的曲线。例如当 t=0.25时，B(t) 即一条由点 P₀ 至 P₁ 路径的四分之一处。就像由
0 至 1 的连续 t，B(t) 描述一条由 P₀ 至 P₁ 的直线。

为建构二次贝塞尔曲线，可以中介点 Q₀ 和 Q₁ 作为由 0 至 1 的 t：

• 由 P₀ 至 P₁ 的连续点 Q₀，描述一条线性贝塞尔曲线。
• 由 P₁ 至 P₂ 的连续点 Q₁，描述一条线性贝塞尔曲线。
• 由 Q₀ 至 Q₁ 的连续点 B(t)，描述一条二次贝塞尔曲线。
•  

为建构高阶曲线，便需要相应更多的中介点。对于三次曲线，可由线性贝塞尔曲线描述的中介点 Q₀、Q₁、Q₂，和由二次曲线描述的点 R₀、R₁ 所建构：

对于四次曲线，可由线性贝塞尔曲线描述的中介点 Q₀、Q₁、Q₂、Q₃，由二次贝塞尔曲线描述的点 R₀、R₁、R₂，和由三次贝塞尔曲线描述的点 S₀、S₁ 所建构：

P(t)=(1-t)P₀+tP₁ , 。

矩阵表示为：

　　 。

P(t)=(1-t)²P₀+2t(1-t)P₁+t²P₂, 。

矩阵表示为：

　　 。

　　P(t)=(1-t)³P₀+3t(1-t)²P₁+3t²(1-t)P₂+t³P₃ 

矩阵表示为：

 。

（6－3－2） 

 。 

在（6－3－2）式中，Mⁿ⁺¹是一个n＋1阶矩阵，称为n次Bezier矩阵。

 （6－3－3）



其中，

利用（6－3－3）式，我们可以得到任意次Bezier矩阵的显式表示，例如4次和5次Bezier矩阵为：





可以证明，n次Bezier矩阵还可以表示为递推的形式：

（6－3－4）

二、算法（c++）

工程目录是:Win32App 

vc6.0



#include<windows.h>

#include<stdlib.h>

#include<time.h>

#define NUM 10



LRESULT CALLBACK Winproc(HWND,UINT,WPARAM,LPARAM);

int WINAPI WinMain(HINSTANCE hInstance,HINSTANCE hPrevInstanc,LPSTR lpCmdLine,int nShowCmd)

{

    MSG msg;

    static TCHAR szClassName[] = TEXT("::Bezier样条计算公式由法国雷诺汽车公司的工程师Pierm Bezier于六十年代提出");

    HWND hwnd;

    WNDCLASS wc;

    wc.cbClsExtra =0;

    wc.cbWndExtra =0;

    wc.hbrBackground = (HBRUSH)GetStockObject(WHITE_BRUSH);

    wc.hCursor = LoadCursor(NULL,IDC_ARROW);

    wc.hIcon = LoadIcon(NULL,IDI_APPLICATION);

    wc.hInstance = hInstance;

    wc.lpfnWndProc = Winproc;

    wc.lpszClassName = szClassName;

    wc.lpszMenuName = NULL;

    wc.style = CS_HREDRAW|CS_VREDRAW;



    if(!RegisterClass(&wc))

    {

        MessageBox(NULL,TEXT("注册失败"),TEXT("警告框"),MB_ICONERROR);

        return 0;

    }

    hwnd = CreateWindow(szClassName,szClassName,

                        WS_OVERLAPPEDWINDOW,

                        CW_USEDEFAULT,CW_USEDEFAULT,

                        CW_USEDEFAULT,CW_USEDEFAULT,

                        NULL,NULL,hInstance,NULL);



    ShowWindow(hwnd,SW_SHOWMAXIMIZED);

    UpdateWindow(hwnd);



    while(GetMessage(&msg,NULL,0,0))

    {

        TranslateMessage(&msg);

        DispatchMessage(&msg);

    }

    return msg.wParam;

}



LRESULT CALLBACK Winproc(HWND hwnd,UINT message, WPARAM wparam,LPARAM lparam)

{

  PAINTSTRUCT ps;

  HDC hdc;

  static POINT pt[NUM];

  TEXTMETRIC tm;

  static int cxClient,cyClient;

  HPEN hpen;

  int i,j,k,n,t;



  switch(message)

  {

  case WM_CREATE:

      static int cxchar;

      hdc = GetDC(hwnd);

      GetTextMetrics(hdc,&tm);

      cxchar = tm.tmAveCharWidth;

      ReleaseDC(hwnd,hdc);



  case WM_SIZE:

       cxClient = LOWORD(lparam);

      cyClient = HIWORD(lparam);

      return 0;

  case WM_PAINT:

       hdc = GetDC(hwnd);

       srand(time(0));



       Rectangle(hdc,0,0,cxClient,cyClient);

      for(i=0; i<500; i++)

          {

            SelectObject(hdc,GetStockObject(WHITE_PEN));

            PolyBezier(hdc,pt,NUM);

            for(j=0; j<NUM; j++)

            {

                pt[j].x = rand()%cxClient;

                pt[j].y = rand()%cyClient;

            }

            hpen = CreatePen(PS_INSIDEFRAME,3,RGB(rand()%256,rand()%256,rand()%256));

             DeleteObject(SelectObject(hdc,hpen));

            PolyBezier(hdc,pt,NUM);

            for(k=0; k<50000000;k++);

          }

      for(i=0; i<100;i++)

      {

        Ellipse(hdc,rand()%cxClient,rand()%cyClient,rand()%cxClient,rand()%cyClient);



        Pie(hdc,j=rand()%cxClient,k=rand()%cyClient,n=rand()%cxClient,t=rand()%cyClient,rand()%cxClient,rand()%cyClient,rand()%cxClient,rand()%cyClient) ; 



      }

       if((n=(n+j)/2)>cxchar*20) n=cxchar*20;  

        SetTextColor(hdc,RGB(rand()%256,rand()%256,rand()%256));

        TextOut(hdc,n/2,(t+k)/2,TEXT("瑾以此向Pierm Bezier致敬!"),lstrlen(TEXT("瑾以此向Pierm Bezier致敬!")));

        ReleaseDC(hwnd,hdc);

          DeleteObject(hpen);

          ValidateRect(hwnd,NULL);

   return 0;



  case WM_DESTROY:

      PostQuitMessage(0);

      return 0;

  }

  return DefWindowProc(hwnd,message,wparam,lparam);

}