B样条曲线在节点u处添加节点的操作方法
在B样条曲线中,节点插入(Knot Insertion)是一项基本且重要的操作,它允许我们在不改变曲线形状的前提下,在节点向量中添加一个新的节点。这对于细化曲线表示、进行局部修改或为后续操作(如分割、升阶)做准备非常有用。
下面详细介绍在节点 u 处插入节点的操作方法。
一、基本概念
给定一条 k 次(例如三次,k=3)B样条曲线,其定义如下:
- 控制点:P₀, P₁, ..., Pₙ₋₁
- 节点向量:U = {u₀, u₁, ..., uₘ},其中 m = n + k
我们要在节点区间 [uᵢ, uᵢ₊₁) 内插入一个新的节点 u,满足 uᵢ ≤ u < uᵢ₊₁。
二、节点插入算法(Boehm 算法)
插入节点 u 后,将生成一组新的控制点 {Qⱼ},数量比原控制点增加一个。新控制点的计算公式如下:
对于 j = 0, 1, ..., n-1:
如果 j < i-k+1 或 j > i,则: Qⱼ = Pⱼ
否则(即 i-k+1 ≤ j ≤ i): Qⱼ = αⱼ·Pⱼ₋₁ + (1 - αⱼ)·Pⱼ
其中,αⱼ 的计算公式为: αⱼ = (u - uⱼ) / (uⱼ₊ₖ - uⱼ)
三、详细步骤
- 找到插入位置 i,使得 uᵢ ≤ u < uᵢ₊₁
- 初始化新控制点数组 Q,大小为 n+1
- 对于每个 j:
- 若 j < i-k+1 或 j > i,Qⱼ = Pⱼ
- 否则,计算 αⱼ = (u - uⱼ)/(uⱼ₊ₖ - uⱼ),然后 Qⱼ = αⱼ·Pⱼ₋₁ + (1-αⱼ)·Pⱼ
- 更新节点向量:在 uᵢ 和 uᵢ₊₁ 之间插入 u,得到新的节点向量 U'
四、示例(三次B样条,k=3)
假设要插入节点 u,位于 [uᵢ, uᵢ₊₁) 区间,则受影响的控制点为:
Qᵢ₋₂ = [(u - uᵢ₋₂)/(uᵢ₊₁ - uᵢ₋₂)]·Pᵢ₋₃ + [(uᵢ₊₁ - u)/(uᵢ₊₁ - uᵢ₋₂)]·Pᵢ₋₂
Qᵢ₋₁ = [(u - uᵢ₋₁)/(uᵢ₊₂ - uᵢ₋₁)]·Pᵢ₋₂ + [(uᵢ₊₂ - u)/(uᵢ₊₂ - uᵢ₋₁)]·Pᵢ₋₁
Qᵢ = [(u - uᵢ)/(uᵢ₊₃ - uᵢ)]·Pᵢ₋₁ + [(uᵢ₊₃ - u)/(uᵢ₊₃ - uᵢ)]·Pᵢ
其余 Qⱼ = Pⱼ
五、重复节点插入
若要插入 r 重节点 u,需重复上述过程 r 次。每次插入后,节点向量更新,下一次插入在同一位置。