Bezjeove krive

Извор: testwiki
Пређи на навигацију Пређи на претрагу

Шаблон:Multiple image

Bezjeove krive su parametarske krive. Njihovu najbolju primenu pronalazimo u računarskoj grafici.

Zadaju se određenim brojem kontrolnih tačaka čijim se pomeranjem menja oblik krive. Dodavanjem kontrolnih tačaka se povećava stepen krive, ali i složenost izračunavanja, zbog čega se najčešće koriste krive malog stepena. Takozvanim „lepljenjem“ krivih malog stepena, dobijaju se Bezjeovi splajnovi (složene krive).

Pol Kastelžo i Pjer Bezje su ih prvi koristili pri dizajnu automobila krajem pedesetih godina dvadesetog veka[1].

Definicija Bezjeove krive

Rekurzivna definicija

Ako Bezjeovu krivu određenu pomoću tački P0,P1,...Pn označimo kao αP0P1...Pn. Onda:

α𝐏0(t)=𝐏0 i
α(t)=α𝐏0𝐏1𝐏n(t)=(1t)α𝐏0𝐏1𝐏n1(t)+tα𝐏1𝐏2𝐏n(t)

Eksplicitna definicija

Neka je Bezjeova kriva, stepena n2, zadata pomoću P0,P1,P2..Pn,n2 tačaka ravni. Možemo je predstaviti sledećim polinomom:

αn(t)=i=0n(ni)ti(1t)niPi=i=0nBin(t)Pi,t[0,1].

Tačke Pi pomoću kojih je definisana kriva nazivaju se kontrolne tačke, a polinomi Bin Bernstajnovi polinomi, tj. bazne funkcije.

Tačke P0,P1,P2..Pn obrazuju kontrolni poligon.

Polinomijalni oblik

Primenom binomne teoreme na definiciju krive dobijamo:

α(t)=j=0ntj𝐂j

gde je:

𝐂j=n!(nj)!i=0j(1)i+j𝐏ii!(ji)!=m=0j1(nm)i=0j(1)i+j𝐏ii!(ji)!.

Izvod

Izvod krive stepena n je:

α(t)=ni=0n1bi,n1(t)(𝐏i+1𝐏i)

Specijalni slučajevi

Najveću praktičnu primenu imaju Bezjeove krive drugog i trećeg stepena.

Linearna Bezjeova kriva

Bezjeova kriva stepena 1, tj. kriva određena sa samo dve tačke P0 i P1, jeste zapravo duž P0P1, zadata sledećom parametrizacijom:

α1(t)=(1t)P0+tP1,t[0,1].


Kvadratna Bezjeova kriva

Bezijerova kriva drugog stepena


Bezjeova kriva drugog stepena je deo parabole

Kvadratna Bezjeova kriva zadata je sledećom parametrizacijom:

α2(t)=(1t)2P0+2t(1t)P1+t2P2,t[0,1].


Bezjeova kriva drugog stepena je deo parabole. Dokaz leži u osobini invarijantnosti afinih preslikavanja.


Izvod:

α(t)=2(𝐏22𝐏1+𝐏0).

Kubna Bezjeova kriva

Bezjeova kriva trećeg stepena

Kriva je zadata pomoću tačaka P0,P1,P2,P3 . Počinje u P0, ide prema P1 i stiže u P3 dolazeći iz smera P2. Uglavnom ne prolazi kroz P1 i P2; ove tačke služe da obezbede dodatne informacije (razdaljina između P0 i P1 određuje „koliko daleko“ i „koliko brzo“ se kriva kreće prema P1 pre nego što skrene ka P2).

Kubna Bezjeovakriva zadata je sledećom paramtrizacijom:


α3(t)=(1t)3P0+3t(1t)2P1+3t2(1t)P2+t3P3,t[0,1].



Prvi izvod:

α(t)=3(1t)2(𝐏1𝐏0)+6(1t)t(𝐏2𝐏1)+3t2(𝐏3𝐏2).


Drugi izvod:

α(t)=6(1t)(𝐏22𝐏1+𝐏0)+6t(𝐏32𝐏2+𝐏1).

Osobine Bezjeovih krivih

  • Najveći stepen Bezjeove krive αn definisane sa n+1 kontrolnih tačaka je n.
  • Početna tačka krive je P0, tj. αn(0)=P0
  • Vektor P0P1 je kolinearan tangentnom vektoru krive u tački P0 dok je vektor Pn1Pn kolinearan tangentnom vektoru krive Pn.
  • Osobina nenegativnosti: za t[0,1] možemo videti da su svi Bernstajnovi polinomi Bin[0,1], tj. nenegativni su.
  • Osobina konveksnog omotača: Bezjeova kriva koja je određena pomoću n+1 kontrolnih tačka pripada konveksnom omotaču tih tačka. Centar mase tačaka P0(B0n(t)) ,...,Pn(Bnn(t)) sa pridruženim pozitivnim masama je tačka αn(t). Na slici je prikazana kriva 6. stepena, a konveksni omotač njenih 7 kontrolnih tačaka je označen roze bojom. Izuzev dve krajnje tačke koje su na rubu, čitava kriva leži unutar omotača.
Konveksni omotač Bezjeove krive Osobina manje varijacije
  • Osobina manje varijacije: nijedna prava ne preseca Bezijerovu krivu više puta nego što seče kontrolnu poligonsku liniju.
  • Osobina afine invarijantnosti: slika Bezjeove krive pri afinom preslikavanju je određena slikama njenih kontrolnih tačaka pri tom istom preslikavanju.

Bezjeova kriva na proizvoljnom segmentu

Osnovni domen Bezjeove krive je segment [0,1], ali ga možemo proširiti na proizvoljni segment. U tom slučaju je potrebno izvršiti smenu promenljive t na sledeći način:

u=taba

Sada je promenljiva u definisana na intervalu [0,1] i potrebno ju je zameniti u bazne funkcije kako bi kriva bila definisana na segmentu [a,b]:


Bn,i(t)=n!i!(ni)!(taba)i(1taba)ni


Pomeranje kontrolnih tačaka

Pomeranje kontrolne tačke Bezjeove krive

Pretpostavimo da je kontrolna tačka Pk pomerena za vektor v.


Nova kriva je određena tačkama P0,P1,,Pk+v,,Pn i njena jednačina je:

β(t)=i=0k1Bn,i(t)Pi+Bn,k(t)(Pk+v)+i=k+1nBn,i(t)Pi=i=0nBn,i(t)Pi+Bn,k(t)v=α(t)+Bn,k(t)v


Nova kriva se predstavlja kao zbir početne krive i dodatnog člana Bn,k(t)v. Tačka α(t) na novoj krivoj je dobijena translacijom tačke α(t) na početnoj krivoj u pravcu v na rastojanju |Bn,k(t)v|. Osim krajnjih tačaka, sve tačke početne krive se pomeraju na nove pozicije.

Pomeranje bilo koje kontrolne tačke Bezjeove krive menja krivu globalno.

Početna kriva na slici je kriva 8. stepena sa 9 kontrolnih tačaka i označena je crnom bojom. Ako kontrolnu tačku P3 pomerimo na novu poziciju, crna kriva se menja u crvenu.

Matrična reprezentacija[2]

Kvadratne Bezjeove krive

(1,t,t2)[100220121][P0P1P2]


Kubne Bezjeove krive

[1tt2t3]M[PoP1P2P3]


Gde je M=[1000330036301331]


Odakle se analogijom dobija uopštenje:


[1tt2t3tn]M[PoP1P2P3Pn]



Podela Bezjeove krive na dva dela korišćenjem matrične reprezentacije

Kvadratna Bezjeova kriva

Razmotrimo sad podelu krive na dva dela pravljenjem reza u tački α(t)=α(t0),t,t0[0,1].

Prva kriva:

β21(t)=(1,t,t2)MS[0,t0](P0,P1,P2)T,


gde je S[0,t0] data sa:


S[0,t0]=[1001t0t00(1t0)22t0(1t0)t02].


Temena kontrolnog poligona dobijamo iz:

S[0,t0][P0P1P2]=[1001t0t00(1t0)22t0(1t0)t02][P0P1P2]


Za t0=12 temena su data sa:


S[0,12][P0P1P2P3] =[P012(P0+P1)14(P0+2P1+P2)]



Druga kriva β22(t) je definisana sa:


β22(t)=α(t0+(1t0)t)=(1,t,t2)MS[1t0,1](P0,P1,P2)T,


gde je:


S[1t0,1]=[(1t0)22t0(1t0)t020(1t0)t0001].



Kontrolni poligon je određen sledećim tačkama:


S[1t0,1][P0P1P2]=[(1t0)22t0(1t0)t020(1t0)t0001][P0P1P2].


tj. za t0=12:


S[12,1][P0P1P2] =[14(P0+2P1+P2)12(P1+P2)P2]


Kubna Bezjeova kriva

Razmotrimo sad podelu krive na dva dela pravljenjem reza u tački α(t)=α(t0),t,t0[0,1].

Prva kriva:

β31(t)=(1,t,t2,t3)MS[0,t0](P0,P1,P2,P3)T,


gde je S[0,t0] data sa:


S[0,t0]=[10001t0t000(1t0)22t0(1t0)t020(1t0)23t0(1t0)23t02(1t0)t03].


Temena kontrolnog poligona dobijamo iz:

S[0,t0][P0P1P2P3]=[10001t0t000(1t0)22t0(1t0)t020(1t0)23t0(1t0)23t02(1t0)t03][P0P1P2P3]


Za t0=12 temena su data sa:


S[0,12][P0P1P2P3] =[P012(P0+P1)14(P0+2P1+P2)18(P0+3P1+3P2+P3)]



Druga kriva β32(t) je definisana sa:


β32(t)=α(t0+(1t0)t)=(1,t,t2,t3)MS[1t0,1](P0,P1,P2,P3)T,


gde je:

S[1t0,1]=[(1t0)33t0(1t0)23t02(1t0)t030(1t0)22t0(1t0)t0200(1t0)t00001].


Kontrolni poligon je određen sledećim tačkama:


S[1t0,1][P0P1P2P3]=[(1t0)33t0(1t0)23t02(1t0)t030(1t0)22t0(1t0)t0200(1t0)t00001][P0P1P2P3]


tj. za t0=12:


S[12,1][P0P1P2P3] =[18(P0+3P1+3P2+P3)14(P1+2P2+P3)12(P2+P3)P3]


De Kastelžoov algoritam

Ako želimo da odredimo tačku α(t),t[0,1] na krivoj, možemo jednostavno zameniti parametar u jednačinu krive. Ova metoda je numerički nestabilna i zato se koristi jednostavnija metoda: De Kastelžoov algoritam, čija je osnovna ideja u iterativnoj podeli kontrolnih duži u odnosu t:(1t).

Podela Bezjeove krive

Smisao podele krive je da je „isečemo“ u nekoj tački, tako da ona ostane podeljena na dva dela od kojih je svaki i dalje Bezjeova kriva. Početni skup kontrolnih tačaka se odbacuje, a rezultujuće Bezjeove krive se zadaju pomoću svojih novih kontrolnih tačkama.

Algoritam podele bazira se na De Kastelžoovom algoritmu.

Podela krive ima veliki broj primena: dizajn krivih, renderovanje Bezjeove krive, određivanje preseka dve krive... Ako imamo neku krivu koja nam ne odgovara, možemo je podeliti na nezadovoljavajući i zadovoljavajući deo i onda se skoncentrisati na promenu nezadovoljavajućeg dela.

Kriva se može deliti proizvoljan broj puta, a ako želimo da se podeoni preseci krive glatko spajaju, onda granične tačke i njihove dve susedne tačke moraju biti kolinearne.

Isto to važi ako želimo spojiti dve krive u jednu. Kako je crtanje krivih većeg stepena zahtevno, mogu se iskoristiti krive manjeg stepena i onda ih glatko povezivati.

Povećanje stepena krive

Шаблон:Main

Računarstvo

Kodiranje[3]

Neki programski jezici omogućavaju crtanje Bezjeovih krivih ako su poznate kontrolne tačke kojima su određene.

Na primer, u -{html}--u napravimo -{canvas tag}-:

 <canvas id="myCanvas" width="500" height="300"></canvas>

U okviru -{JavaScript}--a definišemo -{canvas}- preko promenljivih:

 var c=document.getElementById("myCanvas");
 var ctx=c.getContext("2d");

Sada možemo koristiti sledeći kod koji iscrtava krivu stepena 3, gde Pix i Piy označavaju x i y koordinate i-te tačke.

 ctx.beginPath();
 ctx.moveTo(<math>P_0x,P_0y</math>);
 ctx.bezierCurveTo(<math>P_1x,P_1y,P_2x,P_2y,P_3x,P_3y</math>);
 ctx.stroke();

Ako želimo krivu drugog stepena, potrebno je pozvati odgovarajuću funkciju, tj.:

 ctx.beginPath();
 ctx.moveTo(<math>P_0x,P_0y</math>);
 ctx.quadraticCurveTo(<math>P_1x,P_1y,P_2x,P_2y</math>);
 ctx.stroke();

Naredni kod je jednostavan i praktičan primer koji prikazuje kako se crta kubna Bezjeova kriva u programskom jeziku -{C}-. Ovaj algoritam je linearan jer je u praksi brži i lakši za implementaciju, za razliku od rekurzivnog De Kastelžoovog algoritma koji se često pominje u računarskoj grafici.

/******************************************************
  Kod za generisanje kubne Bezjeove krive
 *******************************************************/
 
  typedef struct
  {
 	float x;
 	float y;
  }
  Point2D;
 
 /******************************************************
  cp je niz koji sadrži 4 elementa gde:
  cp[0] je početna tačka
  cp[1] je prva kontrolna tačka
  cp[2] je druga kontrolna tačka
  cp[3] je krajnja tačka
 
  t je parametar, 0 <= t <= 1
 *******************************************************/
 
  Point2D PointOnCubicBezier( Point2D* cp, float t )
  {
 	float   ax, bx, cx;
 	float   ay, by, cy;
 	float   tSquared, tCubed;
 	Point2D result;
 	
 	/* računa koeficijente polinoma*/
 	
 	cx = 3.0 * (cp[1].x - cp[0].x);
 	bx = 3.0 * (cp[2].x - cp[1].x) - cx;
 	ax = cp[3].x - cp[0].x - cx - bx;
 	
 	cy = 3.0 * (cp[1].y - cp[0].y);
 	by = 3.0 * (cp[2].y - cp[1].y) - cy;
 	ay = cp[3].y - cp[0].y - cy - by;
 	
 	/* računa tačku krive u zavisnosti od parametra t */
 	
 	tSquared = t * t;
 	tCubed = tSquared * t;
 	
 	result.x = (ax * tCubed) + (bx * tSquared) + (cx * t) + cp[0].x;
 	result.y = (ay * tCubed) + (by * tSquared) + (cy * t) + cp[0].y;
 	
 	return result;
  }
 
 /*****************************************************************************
  Argument funkcije ComputeBezier je niz struktura Point2D sa tačkama krive 
  generisanim uz pomoć kontrolnih tačaka cp. Pozivalac mora da obezbedi dovoljno
  memorije za rezultat čija je veličina <sizeof(Point2D) * brojTačaka>
 ******************************************************************************/
 
  void	ComputeBezier( Point2D* cp, int numberOfPoints, Point2D* curve )
  {
 	float dt;
 	int   i;
 	
 	dt = 1.0 / ( numberOfPoints - 1 );
 	
 	for( i = 0; i < numberOfPoints; i++ )
 		curve[i] = PointOnCubicBezier( cp, i*dt );
  }

Grafika

Bezjeove krive se naširoko koriste za modelovanje glatkih krivih. Afine transformacije kao što su translacija i rotacija mogu biti primenjene na kontrolne tačke krive.

Najčešće se koriste kvadratna i kubna kriva, jer krive većeg stepena troše mnogo više resursa računara daljom obradom. Kada su potrebni složeniji oblici, krive nižeg reda se spajaju i formiraju složenu Bezjeovu krivu, tzv. Bezjeov splajn. U jezicima vektorske grafike se složena Bezijerova kriva zove još i putanja. Kako bi se garantovala glatkoća krive, kontrolna tačka u kojoj se dve krive spajaju mora da bude na liniji između dve kontrolne tačke sa obe strane.

Standard za vektorsku grafiku naziva se -{SVG}-, a postoje programi za vektorsku grafiku: -{Adobe Illustrator}-, -{CorelDraw}-, -{Inkscape}-...

Najčešće korišćeni metod za rasterizovanje Bezjeove krive je rekurzivna podela, u kojoj se proveravaju kontrolne tačke, kako bi se otkrilo da li je kriva dovoljno glatka. U slučaju da nije, kriva se deli parametarski na dva segmenta i ista rekurzivna procedura se sprovodi nad oba dela.

Animacije

U -{Adobe Flash}- i -{Synfig}- animacijama, Bezijerove krive se koriste za konstruisanje. Recimo da korisnik želi da se njegov objekat kreće određenom putanjom. On će tu putanju zadati kao Bezjeovu krivu, a aplikacija će na osnovu unosa napraviti potrebne okvire po kojima će se objekat kretati.


Animacija Bezijerove krive u programskom jeziku -{Java}-
Animacija Bezjeove krive u programskom jeziku -{Python}-

Konstrukcija krivih

Linearne krive

Parametar t kod linearne Bezjeove krive može biti protumačen kao „koliko je α(t) daleko od P0 krećući se ka P1. Na primer, kada je t=0.5 , α(t) je na pola puta od P0 ka P1. Promenom parametra t od 0 do 1, ispisuje se prava linija.

Animacija linearne Bezjeove krive, t je iz [0,1]

Kvadratne krive

Dok parametar t varira od 0 do 1, moguće je uočiti sledeće:

  • Tačku Q0(t) koja varira od P0 do P1 i time ispisuje linearnu Bezjeovu krivu
  • Tačku Q1(t) koja varira od P1 do P2 i time ispisuje linearnu Bezjeovu krivu
  • Tačku α(t) koja je linearna interpolacija tačaka Q0 i Q1 i time ispisuje kvadratnu Bezjeovu krivu


Konstrukcija kvadratne Bezjeove krive
Animacija kvadratne Bezjeove krive, t je iz [0,1]


Krive višeg stepena

  • Kubna Bezjeova kriva ima tri tačke Q0,Q1,Q2 koje ispisuju linearne krive i tačke R0,R1 koje opisuju kvadratne Bezjeove krive.


Konstrukcija kubne Bezjeove krive
Animacija kubne Bezjeove krive, t je iz [0,1]
  • Kriva stepena četiri ima četiri tačke za opis linearnih krivih, tri tačke koje opisuju kvadratne krive i dve tačke koje opisuju kubne Bezjeove krive.


Konstrukcija Bezjeove krive stepena 4
Animacija Bezjeove krive stepena 4, t je iz [0,1]
  • Analogijom konstruišemo i krivu petog stepena, kao i krive većih stepena
Animacija Bezijerove krive petog stepena

Reference

Шаблон:Reflist

Literatura

Шаблон:Литература

Шаблон:Литература крај

Video snimci

Vidi još

Spoljašnje veze

Шаблон:Commonscat

Шаблон:Normativna kontrola