求三次贝塞尔曲线上一点的正切

Question

对于三次贝塞尔曲线，通常有四个点 a、b、c 和 d，

对于给定值 t，

如何最优雅地找到该点的切线？

Answer 1

曲线的正切就是它的导数。米哈尔使用的参数方程：

P(t) = (1 - t)^3 * P0 + 3t(1-t)^2 * P1 + 3t^2 (1-t) * P2 + t^3 * P3

应该有一个导数

dP(t) / dt =  -3(1-t)^2 * P0 + 3(1-t)^2 * P1 - 6t(1-t) * P1 - 3t^2 * P2 + 6t(1-t) * P2 + 3t^2 * P3 

，顺便说一句，在你之前的问题中似乎是错误的。我相信您使用的是二次贝塞尔曲线的斜率，而不是三次贝塞尔曲线。

从这里开始，实现执行此计算的 C 函数应该很简单，就像 Michal 已经为曲线本身提供的那样。

Answer 2

下面是经过充分测试的复制和粘贴代码：

它沿曲线绘制近似点，并且绘制切线。

bezierInterpolation 查找点

bezierTangent 查找切线

下面提供了 bezierInterpolation 的两个版本：

bezierInterpolation< /code> 工作完美。

altBezierInterpolation 完全相同，但它是以扩展、清晰、解释性的方式编写的。它使算术更容易理解。

使用这两个例程中的任何一个：结果是相同的。

在这两种情况下，都使用 bezierTangent 来查找切线。 （注意：Michal 的精彩代码库此处。）

如何使用 drawRect: 的完整示例也包括在内。

// MBBezierView.m    original BY MICHAL stackoverflow #4058979

#import "MBBezierView.h"



CGFloat bezierInterpolation(
    CGFloat t, CGFloat a, CGFloat b, CGFloat c, CGFloat d) {
// see also below for another way to do this, that follows the 'coefficients'
// idea, and is a little clearer
    CGFloat t2 = t * t;
    CGFloat t3 = t2 * t;
    return a + (-a * 3 + t * (3 * a - a * t)) * t
    + (3 * b + t * (-6 * b + b * 3 * t)) * t
    + (c * 3 - c * 3 * t) * t2
    + d * t3;
}

CGFloat altBezierInterpolation(
   CGFloat t, CGFloat a, CGFloat b, CGFloat c, CGFloat d)
    {
// here's an alternative to Michal's bezierInterpolation above.
// the result is absolutely identical.
// of course, you could calculate the four 'coefficients' only once for
// both this and the slope calculation, if desired.
    CGFloat C1 = ( d - (3.0 * c) + (3.0 * b) - a );
    CGFloat C2 = ( (3.0 * c) - (6.0 * b) + (3.0 * a) );
    CGFloat C3 = ( (3.0 * b) - (3.0 * a) );
    CGFloat C4 = ( a );

    // it's now easy to calculate the point, using those coefficients:
    return ( C1*t*t*t + C2*t*t + C3*t + C4  );
    }







CGFloat bezierTangent(CGFloat t, CGFloat a, CGFloat b, CGFloat c, CGFloat d)
 {
    // note that abcd are aka x0 x1 x2 x3

/*  the four coefficients ..
    A = x3 - 3 * x2 + 3 * x1 - x0
    B = 3 * x2 - 6 * x1 + 3 * x0
    C = 3 * x1 - 3 * x0
    D = x0

    and then...
    Vx = 3At2 + 2Bt + C         */

    // first calcuate what are usually know as the coeffients,
    // they are trivial based on the four control points:

    CGFloat C1 = ( d - (3.0 * c) + (3.0 * b) - a );
    CGFloat C2 = ( (3.0 * c) - (6.0 * b) + (3.0 * a) );
    CGFloat C3 = ( (3.0 * b) - (3.0 * a) );
    CGFloat C4 = ( a );  // (not needed for this calculation)

    // finally it is easy to calculate the slope element,
    // using those coefficients:

    return ( ( 3.0 * C1 * t* t ) + ( 2.0 * C2 * t ) + C3 );

    // note that this routine works for both the x and y side;
    // simply run this routine twice, once for x once for y
    // note that there are sometimes said to be 8 (not 4) coefficients,
    // these are simply the four for x and four for y,
    // calculated as above in each case.
 }







@implementation MBBezierView

- (void)drawRect:(CGRect)rect {
    CGPoint p1, p2, p3, p4;

    p1 = CGPointMake(30, rect.size.height * 0.33);
    p2 = CGPointMake(CGRectGetMidX(rect), CGRectGetMinY(rect));
    p3 = CGPointMake(CGRectGetMidX(rect), CGRectGetMaxY(rect));
    p4 = CGPointMake(-30 + CGRectGetMaxX(rect), rect.size.height * 0.66);

    [[UIColor blackColor] set];
    [[UIBezierPath bezierPathWithRect:rect] fill];
    [[UIColor redColor] setStroke];
    UIBezierPath *bezierPath = [[[UIBezierPath alloc] init] autorelease];   
    [bezierPath moveToPoint:p1];
    [bezierPath addCurveToPoint:p4 controlPoint1:p2 controlPoint2:p3];
    [bezierPath stroke];

    [[UIColor brownColor] setStroke];

 // now mark in points along the bezier!

    for (CGFloat t = 0.0; t <= 1.00001; t += 0.05) {
  [[UIColor brownColor] setStroke];

        CGPoint point = CGPointMake(
            bezierInterpolation(t, p1.x, p2.x, p3.x, p4.x),
            bezierInterpolation(t, p1.y, p2.y, p3.y, p4.y));

            // there, use either bezierInterpolation or altBezierInterpolation,
            // identical results for the position

        // just draw that point to indicate it...
        UIBezierPath *pointPath =
           [UIBezierPath bezierPathWithArcCenter:point
             radius:5 startAngle:0 endAngle:2*M_PI clockwise:YES];
        [pointPath stroke];

        // now find the tangent if someone on stackoverflow knows how
        CGPoint vel = CGPointMake(
            bezierTangent(t, p1.x, p2.x, p3.x, p4.x),
            bezierTangent(t, p1.y, p2.y, p3.y, p4.y));

        // the following code simply draws an indication of the tangent
        CGPoint demo = CGPointMake( point.x + (vel.x*0.3),
                                      point.y + (vel.y*0.33) );
        // (the only reason for the .3 is to make the pointers shorter)
        [[UIColor whiteColor] setStroke];
        UIBezierPath *vp = [UIBezierPath bezierPath];
        [vp moveToPoint:point];
        [vp addLineToPoint:demo];
        [vp stroke];
    }   
}

@end

to draw that class...
MBBezierView *mm = [[MBBezierView alloc]
                     initWithFrame:CGRectMake(400,20, 600,700)];
[mm setNeedsDisplay];
[self addSubview:mm];

---

以下是沿贝塞尔曲线计算近似等距点及其切线的两个例程。

为了清晰和可靠，这些例程以尽可能最简单、最具解释性的方式编写。

CGFloat bezierPoint(CGFloat t, CGFloat a, CGFloat b, CGFloat c, CGFloat d)
    {
    CGFloat C1 = ( d - (3.0 * c) + (3.0 * b) - a );
    CGFloat C2 = ( (3.0 * c) - (6.0 * b) + (3.0 * a) );
    CGFloat C3 = ( (3.0 * b) - (3.0 * a) );
    CGFloat C4 = ( a );

    return ( C1*t*t*t + C2*t*t + C3*t + C4  );
    }

CGFloat bezierTangent(CGFloat t, CGFloat a, CGFloat b, CGFloat c, CGFloat d)
    {
    CGFloat C1 = ( d - (3.0 * c) + (3.0 * b) - a );
    CGFloat C2 = ( (3.0 * c) - (6.0 * b) + (3.0 * a) );
    CGFloat C3 = ( (3.0 * b) - (3.0 * a) );
    CGFloat C4 = ( a );

    return ( ( 3.0 * C1 * t* t ) + ( 2.0 * C2 * t ) + C3 );
    }

四个预先计算的值 C1 C2 C3 C4 有时称为贝塞尔曲线的系数。 （回想一下，abcd 通常称为四个控制点。）

当然，t 从 0 到 1，例如每 0.05。

只需为 X 调用一次这些例程，然后为 Y 分别调用一次。

希望它对某人有所帮助！

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重要事实：

(1) 这是一个绝对事实：不幸的是，Apple 绝对没有提供从 UIBezierPath 中提取点的方法。截至 2019 年，确实如此。

(2) 不要忘记，沿着 UIBezierPath 为某些内容设置动画非常简单。谷歌很多例子。

(3) 许多人问，“CGPathApply 不能用于从 UIBezierPath 中提取点吗？” 不，CGPathApply 完全不相关：它只是为您提供了一个列表你的“制作任何路径的说明”（因此，“从这里开始”，“画一条直线到这一点”等等）这个名字很令人困惑，但 CGPathApply 与贝塞尔路径完全无关。

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对于游戏程序员 - 正如@Engineer指出的那样，您可能很需要切线的法线，幸运的是Apple有内置的向量数学：

https://developer.apple.com/documentation/accelerate/simd/working_with_vectors
https://developer.apple.com/documentation/simd/2896658-simd_normalize

Answer 3

我发现使用提供的方程太容易出错。太容易错过细微的 t 或放错位置的括号。

相比之下，维基百科提供了一个更清晰、更干净、更衍生的恕我直言：

...在代码中轻松实现为：（

3f * oneMinusT * oneMinusT * (p1 - p0)
+ 6f * t * oneMinusT * (p2 - p1)
+ 3f * t * t * (p3 - p2)

假设您有用您选择的语言配置的向量减号；问题没有专门标记为 ObjC，iOS 现在有几种可用的语言）

Answer 4

这是我的 Swift 实现。

我尽力通过消除所有冗余数学运算来优化速度。即对数学运算的调用次数最少。并使用尽可能少的乘法（这比求和要昂贵得多）。

创建贝塞尔曲线需要 0 次乘法。
然后进行 3 次乘法得到贝塞尔曲线点。
并进行 2 次乘法以获得贝塞尔曲线的切线。

struct CubicBezier {

    private typealias Me = CubicBezier
    typealias Vector = CGVector
    typealias Point = CGPoint
    typealias Num = CGFloat
    typealias Coeficients = (C: Num, S: Num, M: Num, L: Num)

    let xCoeficients: Coeficients
    let yCoeficients: Coeficients

    static func coeficientsOfCurve(from c0: Num, through c1: Num, andThrough c2: Num, to c3: Num) -> Coeficients
    {
        let _3c0 = c0 + c0 + c0
        let _3c1 = c1 + c1 + c1
        let _3c2 = c2 + c2 + c2
        let _6c1 = _3c1 + _3c1

        let C = c3 - _3c2 + _3c1 - c0
        let S = _3c2 - _6c1 + _3c0
        let M = _3c1 - _3c0
        let L = c0

        return (C, S, M, L)
    }

    static func xOrYofCurveWith(coeficients coefs: Coeficients, at t: Num) -> Num
    {
        let (C, S, M, L) = coefs
        return ((C * t + S) * t + M) * t + L
    }

    static func xOrYofTangentToCurveWith(coeficients coefs: Coeficients, at t: Num) -> Num
    {
        let (C, S, M, _) = coefs
        return ((C + C + C) * t + S + S) * t + M
    }

    init(from start: Point, through c1: Point, andThrough c2: Point, to end: Point)
    {
        xCoeficients = Me.coeficientsOfCurve(from: start.x, through: c1.x, andThrough: c2.x, to: end.x)
        yCoeficients = Me.coeficientsOfCurve(from: start.y, through: c1.y, andThrough: c2.y, to: end.y)
    }

    func x(at t: Num) -> Num {
        return Me.xOrYofCurveWith(coeficients: xCoeficients, at: t)
    }

    func y(at t: Num) -> Num {
        return Me.xOrYofCurveWith(coeficients: yCoeficients, at: t)
    }

    func dx(at t: Num) -> Num {
        return Me.xOrYofTangentToCurveWith(coeficients: xCoeficients, at: t)
    }

    func dy(at t: Num) -> Num {
        return Me.xOrYofTangentToCurveWith(coeficients: yCoeficients, at: t)
    }

    func point(at t: Num) -> Point {
        return .init(x: x(at: t), y: y(at: t))
    }

    func tangent(at t: Num) -> Vector {
        return .init(dx: dx(at: t), dy: dy(at: t))
    }
}

使用如下：

let bezier = CubicBezier.init(from: .zero, through: .zero, andThrough: .zero, to: .zero)

let point02 = bezier.point(at: 0.2)
let point07 = bezier.point(at: 0.7)

let tangent01 = bezier.tangent(at: 0.1)
let tangent05 = bezier.tangent(at: 0.5)

Answer 5

在我意识到对于参数方程，(dy/dt)/(dx/dt) = dy/dx 之前，我无法让这些起作用。