二次与三次B样条曲线c++实现

二次与三次B样条曲线c++实现B样条曲线构建一条平滑曲线,接近而不通过控制点(首尾点除外)。如图B样条曲线从Bezier曲线演变而来,了解B样条曲线首先得了解Bezier曲线。对于平面上的三个点P0,P1,P2,其坐标分别是(x0,y0)、(x1,y1)、(x2,y2)。二次Bezier曲线用一…

大家好,又见面了,我是你们的朋友全栈君。

     B样条曲线构建一条平滑曲线,接近而不通过控制点(首尾点除外)。如图

                                                                   二次与三次B样条曲线c++实现

     B样条曲线从Bezier曲线演变而来,了解B样条曲线首先得了解Bezier曲线。对于平面上的三个点P0,P1,P2,其坐标分别是(x0,y0)、(x1,y1)、(x2,y2)。二次Bezier曲线用一条抛物线进行拟合,其参数方程是

                                  二次与三次B样条曲线c++实现           二次与三次B样条曲线c++实现

    二次Bezier曲线有如下要求:(1)t=0时,曲线经过P0,并与P0P1相切;(2)t=1时,曲线经过P2,并与P1P2相切。即有

                                               二次与三次B样条曲线c++实现

    联立这些条件可以得到曲线参数表达式:

                                                二次与三次B样条曲线c++实现

   其中,二次与三次B样条曲线c++实现,称为二次Bezier曲线基函数。

   每3个离散点形成一条Bezier曲线,由于每条Bezier都经过端点,导致分段的Bezier曲线在端点处难以平滑过渡。二次B样条曲线克服了这个缺点,把端点移到线段中点(如下图所示),这样就能保证各段曲线在连接处能够一阶导数连续。

                         二次与三次B样条曲线c++实现    二次与三次B样条曲线c++实现

    由此满足条件:

                                                   二次与三次B样条曲线c++实现

    结合条件可以求解得到二次B样条曲线:

                                                   二次与三次B样条曲线c++实现

    二次B样条曲线实现,只需将曲线参数t划分成k等分,t从0开始取值,间隔dt,直至k*dt。如果想让整条曲线两端与起始点P0和终止点Pn重合,只需以P0和Pn为中点,构造新点PP1=2*P0-P1,与PP2=2*Pn-Pn-1,替换掉P0与Pn即可。

    三次B样条曲线通过样条基函数可以得到如下形式:

                                                  二次与三次B样条曲线c++实现

    三次B样条具有以下物理意义,曲线起点S位于三角形P0P1P2的中线P1M1上,距离P1点1/3倍P1M1处;曲线中点E位于三角形P1P2P3的中线P2M2上,距离1/3倍P2M2处;曲线起点切线平行于P0P2,终点切线平行于P1P3.

                                                          二次与三次B样条曲线c++实现

   三次B样条曲线要想让曲线两端与起始端P0与Pn重合,只需构造新点PP1=2*P0-P1,与PP2=2*Pn-Pn-1,分别加到P0之前与Pn之后即可。由此,参与计算点的增加了2个(注意,二次B样条是替换不是增加)。

编程实现:

程序实现了二次与三次B样条曲线,封装成了BSpline类

BSpine.h

#pragma once
//#include "position.h"

typedef struct tagPosition
{
    double  x;
    double  y;
	tagPosition(double _x,double _y) { x=_x; y=_y;}
	tagPosition() {};
	bool operator==(const tagPosition & pt) { return (x==pt.x && y==pt.y);} 
} CPosition;

class CBSpline
{
public:
	CBSpline(void);
	~CBSpline(void);

	void TwoOrderBSplineSmooth(CPosition *pt,int Num);
	void TwoOrderBSplineInterpolatePt(CPosition *&pt,int &Num,int *InsertNum);
	double F02(double t);
	double F12(double t);
	double F22(double t);

	void ThreeOrderBSplineSmooth(CPosition *pt,int Num);
	void ThreeOrderBSplineInterpolatePt(CPosition *&pt,int &Num,int *InsertNum);
	double F03(double t);
	double F13(double t);
	double F23(double t);
	double F33(double t);
};

BSpine.cpp

//****************************     BSpline.cpp     *********************************** 
// 包含功能:二次B样条平滑,三次B样条平滑;二次B样条平滑后节点插值
//
// 作者:    蒋锦朋   1034378054@qq.com
// 单位:    中国地质大学(武汉) 地球物理与空间信息学院
// 日期:    2014/12/03
//*************************************************************************************
#include "StdAfx.h"
#include "BSpline.h"


CBSpline::CBSpline(void)
{
}


CBSpline::~CBSpline(void)
{
}
//======================================================================
// 函数功能: 二次B样条平滑,把给定的点,平滑到B样条曲线上,不增加点的数目
// 输入参数: *pt :给定点序列,执行完成后,会被替换成新的平滑点
//            Num:点个数
// 返回值:   无返回值

// 编辑日期:    2014/12/03
//======================================================================
void CBSpline::TwoOrderBSplineSmooth(CPosition *pt,int Num)
{
	CPosition *temp=new CPosition[Num];
	for(int i=0;i<Num;i++)
		temp[i]=pt[i];

	temp[0].x=2*temp[0].x-temp[1].x;                  //  将折线两端点换成延长线上两点
	temp[0].y=2*temp[0].y-temp[1].y;

	temp[Num-1].x=2*temp[Num-1].x-temp[Num-2].x;
	temp[Num-1].y=2*temp[Num-1].y-temp[Num-2].y;

	CPosition NodePt1,NodePt2,NodePt3;
	double t;
    for(int i=0;i<Num-2;i++)
	{
		NodePt1=temp[i]; NodePt2=temp[i+1]; NodePt3=temp[i+2];
		if(i==0)                                     //  第一段取t=0和t=0.5点
		{   
			t=0;
			pt[i].x=F02(t)*NodePt1.x+F12(t)*NodePt2.x+F22(t)*NodePt3.x;
			pt[i].y=F02(t)*NodePt1.y+F12(t)*NodePt2.y+F22(t)*NodePt3.y;
			t=0.5;
			pt[i+1].x=F02(t)*NodePt1.x+F12(t)*NodePt2.x+F22(t)*NodePt3.x;
			pt[i+1].y=F02(t)*NodePt1.y+F12(t)*NodePt2.y+F22(t)*NodePt3.y;
		}else if(i==Num-3)                          //  最后一段取t=0.5和t=1点
		{
			t=0.5;
			pt[i+1].x=F02(t)*NodePt1.x+F12(t)*NodePt2.x+F22(t)*NodePt3.x;
			pt[i+1].y=F02(t)*NodePt1.y+F12(t)*NodePt2.y+F22(t)*NodePt3.y;
			t=1;
			pt[i+2].x=F02(t)*NodePt1.x+F12(t)*NodePt2.x+F22(t)*NodePt3.x;
			pt[i+2].y=F02(t)*NodePt1.y+F12(t)*NodePt2.y+F22(t)*NodePt3.y;
		}else                                      //  中间段取t=0.5点
		{
			t=0.5;
			pt[i+1].x=F02(t)*NodePt1.x+F12(t)*NodePt2.x+F22(t)*NodePt3.x;
			pt[i+1].y=F02(t)*NodePt1.y+F12(t)*NodePt2.y+F22(t)*NodePt3.y;
		}
	}
	delete []temp;
}

//================================================================
// 函数功能: 二次B样条拟合,在节点之间均匀插入指定个数点
// 输入参数: *pt :给定点序列,执行完成后,会被替换成新的数据点
//            Num:节点点个数
//            *InsertNum: 节点之间需要插入的点个数指针 
// 返回值:   无返回值
//
// 编辑日期:   2014/12/07
//=================================================================
void CBSpline::TwoOrderBSplineInterpolatePt(CPosition *&pt,int &Num,int *InsertNum)
{
	if(pt==NULL || InsertNum==NULL) return;

	int InsertNumSum=0;                               //  计算需要插入的点总数
	for(int i=0;i<Num-1;i++)  InsertNumSum+=InsertNum[i];

	CPosition *temp=new CPosition[Num];               //  二次B样条不需要增加点数,需要将首尾点替换掉
	for(int i=0;i<Num;i++)
		temp[i]=pt[i];

	temp[0].x=2*temp[0].x-temp[1].x;                  //  将折线两端点换成延长线上两点
	temp[0].y=2*temp[0].y-temp[1].y;

	temp[Num-1].x=2*temp[Num-1].x-temp[Num-2].x;
	temp[Num-1].y=2*temp[Num-1].y-temp[Num-2].y;

	delete []pt;                                      //  点数由原来的Num个增加到Num+InsertNumSum个,删除旧的存储空间,开辟新的存储空间

	pt=new CPosition[Num+InsertNumSum];              

	CPosition NodePt1,NodePt2,NodePt3,NodePt4;        //  两节点间均匀插入点,需要相邻两段样条曲线,因此需要四个节点

	double t;
	int totalnum=0;
	for(int i=0;i<Num-1;i++)                          //  每条线段均匀插入点
	{
		if(i==0)                                      //  第一段只需计算第一条样条曲线,无NodePt1
		{   
			NodePt2=temp[i]; NodePt3=temp[i+1]; NodePt4=temp[i+2];     

			double dt=0.5/(InsertNum[i]+1);
			for(int j=0;j<InsertNum[i]+1;j++)
			{
				t=0+dt*j;
				pt[totalnum].x=F02(t)*NodePt2.x+F12(t)*NodePt3.x+F22(t)*NodePt4.x;
				pt[totalnum].y=F02(t)*NodePt2.y+F12(t)*NodePt3.y+F22(t)*NodePt4.y;
				totalnum++;
			}
		}else if(i==Num-2)                            //  最后一段只需计算最后一条样条曲线,无NodePt4
		{
			NodePt1=temp[i-1]; NodePt2=temp[i]; NodePt3=temp[i+1];

			double dt=0.5/(InsertNum[i]+1);
			for(int j=0;j<InsertNum[i]+2;j++)
			{
				t=0.5+dt*j;
				pt[totalnum].x=F02(t)*NodePt1.x+F12(t)*NodePt2.x+F22(t)*NodePt3.x;
				pt[totalnum].y=F02(t)*NodePt1.y+F12(t)*NodePt2.y+F22(t)*NodePt3.y;
				totalnum++;
			}
		}else                                      
		{
			NodePt1=temp[i-1],NodePt2=temp[i]; NodePt3=temp[i+1]; NodePt4=temp[i+2];    // NodePt1,2,3计算第一条曲线,NodePt2,3,4计算第二条曲线

			int LeftInsertNum,RightInsertNum;          //  计算线段间左右曲线段上分别需要插入的点数
			double rightoffset=0;                      //  左边曲线段从t=0.5开始,又边曲线段从t=rightoffset开始
			double Leftdt=0,Rightdt=0;                 //  左右曲线取点t步长
			if(InsertNum[i]==0 )
			{
				LeftInsertNum=0;
				RightInsertNum=0;
			}else if(InsertNum[i]%2==1)                //  插入点数为奇数,左边曲线段插入点个数比右边多一点
			{
				RightInsertNum=InsertNum[i]/2;
				LeftInsertNum=RightInsertNum+1;
				Leftdt=0.5/(LeftInsertNum);
				Rightdt=0.5/(RightInsertNum+1);
				rightoffset=Rightdt;
			}else                                      //  插入点数为偶数,左右边曲线段插入个数相同
			{
				RightInsertNum=InsertNum[i]/2;
				LeftInsertNum=RightInsertNum;
				Leftdt=0.5/(LeftInsertNum+0.5);
				Rightdt=0.5/(RightInsertNum+0.5);
				rightoffset=Rightdt/2;
			}

			for(int j=0;j<LeftInsertNum+1;j++)
			{
				t=0.5+Leftdt*j;
				pt[totalnum].x=F02(t)*NodePt1.x+F12(t)*NodePt2.x+F22(t)*NodePt3.x;
				pt[totalnum].y=F02(t)*NodePt1.y+F12(t)*NodePt2.y+F22(t)*NodePt3.y;
				totalnum++;
			}

			for(int j=0;j<RightInsertNum;j++)
			{				
				t=rightoffset+Rightdt*j;
				pt[totalnum].x=F02(t)*NodePt2.x+F12(t)*NodePt3.x+F22(t)*NodePt4.x;
				pt[totalnum].y=F02(t)*NodePt2.y+F12(t)*NodePt3.y+F22(t)*NodePt4.y;
				totalnum++;
			}
		}
	}
	delete []temp;
	Num=Num+InsertNumSum;

}
//================================================================
// 函数功能: 二次样条基函数
//
// 编辑日期:    2014/12/03
//================================================================
double CBSpline::F02(double t)
{
	return 0.5*(t-1)*(t-1);
}
double CBSpline::F12(double t)
{
	return 0.5*(-2*t*t+2*t+1);
}
double CBSpline::F22(double t)
{
	return 0.5*t*t;
}
//========================================================================
// 函数功能: 三次B样条平滑,把给定的点,平滑到B样条曲线上,不增加点的数目
// 输入参数: *pt :给定点序列,执行完成后,会被替换成新的平滑点
//            Num:点个数
// 返回值:   无返回值
//
// 编辑日期:    2014/12/03
//========================================================================
void CBSpline::ThreeOrderBSplineSmooth(CPosition *pt,int Num)
{
	CPosition *temp=new CPosition[Num+2];
	for(int i=0;i<Num;i++)
		temp[i+1]=pt[i];

	temp[0].x=2*temp[1].x-temp[2].x;                  //  将折线延长线上两点加入作为首点和尾点
	temp[0].y=2*temp[1].y-temp[2].y;

	temp[Num+1].x=2*temp[Num].x-temp[Num-1].x;
	temp[Num+1].y=2*temp[Num].y-temp[Num-1].y;

	CPosition NodePt1,NodePt2,NodePt3,NodePt4;
	double t;
	for(int i=0;i<Num-1;i++)
	{
		NodePt1=temp[i]; NodePt2=temp[i+1]; NodePt3=temp[i+2]; NodePt4=temp[i+3];

		if(i==Num-4)                          //  最后一段取t=0.5和t=1点
		{
			t=0;
			pt[i].x=F03(t)*NodePt1.x+F13(t)*NodePt2.x+F23(t)*NodePt3.x+F33(t)*NodePt4.x;
			pt[i].y=F03(t)*NodePt1.y+F13(t)*NodePt2.y+F23(t)*NodePt3.y+F33(t)*NodePt4.y;
			t=1;
			pt[i+1].x=F03(t)*NodePt1.x+F13(t)*NodePt2.x+F23(t)*NodePt3.x+F33(t)*NodePt4.x;
			pt[i+1].y=F03(t)*NodePt1.y+F13(t)*NodePt2.y+F23(t)*NodePt3.y+F33(t)*NodePt4.y;
		}else                                      //  中间段取t=0.5点
		{
			t=0;
			pt[i].x=F03(t)*NodePt1.x+F13(t)*NodePt2.x+F23(t)*NodePt3.x+F33(t)*NodePt4.x;
			pt[i].y=F03(t)*NodePt1.y+F13(t)*NodePt2.y+F23(t)*NodePt3.y+F33(t)*NodePt4.y;
		}
	}
	delete []temp;
}

//================================================================
// 函数功能: 三次B样条拟合,在节点之间均匀插入指定个数点
// 输入参数: *pt :给定点序列,执行完成后,会被替换成新的数据点
//            Num:节点点个数
//            *InsertNum: 节点之间需要插入的点个数指针 
// 返回值:   无返回值
//
// 编辑日期:   2014/12/07
//=================================================================
void CBSpline::ThreeOrderBSplineInterpolatePt(CPosition *&pt,int &Num,int *InsertNum)
{
	if(pt==NULL || InsertNum==NULL) return;

	int InsertNumSum=0;                               //  计算需要插入的点总数
	for(int i=0;i<Num-1;i++)  InsertNumSum+=InsertNum[i];

	CPosition *temp=new CPosition[Num+2];
	for(int i=0;i<Num;i++)
		temp[i+1]=pt[i];

	temp[0].x=2*temp[1].x-temp[2].x;                  //  将折线延长线上两点加入作为首点和尾点
	temp[0].y=2*temp[1].y-temp[2].y;

	temp[Num+1].x=2*temp[Num].x-temp[Num-1].x;
	temp[Num+1].y=2*temp[Num].y-temp[Num-1].y;

	CPosition NodePt1,NodePt2,NodePt3,NodePt4;
	double t;

	delete []pt;                                      //  点数由原来的Num个增加到Num+InsertNumSum个,删除旧的存储空间,开辟新的存储空间

	pt=new CPosition[Num+InsertNumSum];              

	int totalnum=0;
	for(int i=0;i<Num-1;i++)                          //  每条线段均匀插入点
	{
		NodePt1=temp[i]; NodePt2=temp[i+1]; NodePt3=temp[i+2]; NodePt4=temp[i+3];
		double dt=1.0/(InsertNum[i]+1);

		for(int j=0;j<InsertNum[i]+1;j++)
		{
			t=dt*j;
			pt[totalnum].x=F03(t)*NodePt1.x+F13(t)*NodePt2.x+F23(t)*NodePt3.x+F33(t)*NodePt4.x;
			pt[totalnum].y=F03(t)*NodePt1.y+F13(t)*NodePt2.y+F23(t)*NodePt3.y+F33(t)*NodePt4.y;
			totalnum++;
		}

		if(i==Num-2){              //  最后一个尾点
			t=1;
			pt[totalnum].x=F03(t)*NodePt1.x+F13(t)*NodePt2.x+F23(t)*NodePt3.x+F33(t)*NodePt4.x;
			pt[totalnum].y=F03(t)*NodePt1.y+F13(t)*NodePt2.y+F23(t)*NodePt3.y+F33(t)*NodePt4.y;
			totalnum++;
		}
	}

	delete []temp;
	Num=Num+InsertNumSum;

}

//================================================================
// 函数功能: 三次样条基函数
//
// 编辑日期:    2014/12/03
//================================================================
double CBSpline::F03(double t)
{
	return 1.0/6*(-t*t*t+3*t*t-3*t+1);
}
double CBSpline::F13(double t)
{
	return 1.0/6*(3*t*t*t-6*t*t+4);
}
double CBSpline::F23(double t)
{
	return 1.0/6*(-3*t*t*t+3*t*t+3*t+1);
}
double CBSpline::F33(double t)
{
	return 1.0/6*t*t*t;
}

程序调用:

#include "stdafx.h"
#include "math.h"
#include "BSpline.h"

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	int num=8;
	double x[8]={9.59,60.81,105.57,161.59,120.5,100.1,50.0,10.0};
	double y[8]={61.97,107.13,56.56,105.27,120.5,150.0,110.0,180.0};

	CPosition *testpt=new CPosition[num];
	for(int i=0;i<num;i++) testpt[i]=CPosition(x[i],y[i]);

	int *Intnum=new int[num-1]; 
	for(int i=0;i<num-1;i++){
		Intnum[i]=10;                 //  每一个样条曲线内插入10个点
	}

	int num2=num;
	CBSpline bspline;
	bspline.TwoOrderBSplineInterpolatePt(testpt,num2,Intnum);        //  二次B样条曲线
	//bspline.ThreeOrderBSplineInterpolatePt(testpt,num2,Intnum);    //  三次B样条曲线

	//bspline.TwoOrderBSplineSmooth(testpt,num2);      //  二次B样条平滑
	//bspline.ThreeOrderBSplineSmooth(testpt,num2);    //  三次B样条平滑
	delete Intnum;


	FILE *fp_m_x = fopen("Bspline_test_x.txt", "wt");
	FILE *fp_m_y = fopen("Bspline_test_y.txt", "wt");
	for (int i = 0; i < num2; i++){
		fprintf(fp_m_x, "%lf\n", testpt[i].x);
		fprintf(fp_m_y, "%lf\n", testpt[i].y);
	}
	fclose(fp_m_x);
	fclose(fp_m_y);

	return 0;
}

程序运行结束后会生成样条曲线坐标文件,分别为横坐标:Bspline_test_x.txt和纵坐标Bspline_test_y.txt.利用matlab绘图可以得到下面结果: 

                                       二次与三次B样条曲线c++实现

附matlab绘图代码:

clear all;
clc;

load Bspline_test_x2.txt;    % 导入二次B样条计算的结果
load Bspline_test_y2.txt;
load Bspline_test_x3.txt;    % 导入三次B样条计算的结果
load Bspline_test_y3.txt;

load Bspline_test_smooth_x2.txt
load Bspline_test_smooth_y2.txt
load Bspline_test_smooth_x3.txt
load Bspline_test_smooth_y3.txt

control_point_x=[9.59,60.81,105.57,161.59,120.5,100.1,50.0,10.0];
control_point_y=[61.97,107.13,56.56,105.27,120.5,150.0,110.0,180.0];

figure;
h1=plot(control_point_x,control_point_y,'--ob'); hold on;
h2=plot(Bspline_test_x2,Bspline_test_y2,'--k','LineWidth',2);
h3=plot(Bspline_test_x3,Bspline_test_y3,':r','LineWidth',2);
h4=plot(Bspline_test_smooth_x2,Bspline_test_smooth_y2,'og','LineWidth',1);
h5=plot(Bspline_test_smooth_x3,Bspline_test_smooth_y3,'^b','LineWidth',1);

legend([h1 h2 h3 h4 h5],'控制点','二次B样条曲线','三次B样条曲线','二次B样条平滑','三次B样条平滑');
axis([0 200 40 200]);
set(gca,'FontSize',15); set(gca,'FontWeight','bold'); set(gca,'LineWidth',2);
set(get(gca,'XLabel'),'Fontsize',15); set(get(gca,'YLabel'),'FontSize',15);

 

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