Алгоритм де Кастельжо

В вычислительной математике алгоритм де Кастельжо, названный в честь его изобретателя Поля де Кастельжо — рекурсивный метод определения формы многочленов Бернштейна или кривых Безье. Алгоритм де Кастельжо также может быть использован для разделения кривой Безье на две части по произвольному значению параметра $(t)$ .

Достоинством алгоритма является его более высокая вычислительная устойчивость по сравнению с прямым методом.

Описание

Задан многочлен Бернштейна B степени n

B(t)=\sum _{i=0}^{n}\beta _{i}b_{i,n}(t),

где b — базис многочлена Бернштейна, многочлен в точке t₀ может быть определен с помощью рекуррентного соотношения

\beta _{i}^{(0)}:=\beta _{i}{\mbox{ , }}i=0,\ldots ,n

\beta _{i}^{(j)}:=\beta _{i}^{(j-1)}(1-t_{0})+\beta _{i+1}^{(j-1)}t_{0}{\mbox{ , }}i=0,\ldots ,n-j{\mbox{ , }}j=1,\ldots ,n

Тогда определение $B$ в точке $t_{0}$ может быть определено в $n$ шагов алгоритма. Результат $B(t_{0})$ дан по:

B(t_{0})=\beta _{0}^{(n)}.

Также, кривая Безье $B$ может быть разделена в точке $t_{0}$ на две кривые с соответствующими опорными точками:

\beta _{0}^{(0)},\beta _{0}^{(1)},\ldots ,\beta _{0}^{(n)}

\beta _{0}^{(n)},\beta _{1}^{(n-1)},\ldots ,\beta _{n}^{(0)}

Геометрическая интерпретация

Геометрическая интерпретация алгоритма де Кастельжо проста:

Задана кривая Безье с опорными точками $\scriptstyle P_{0},...,P_{n}$ . Соединив последовательно опорные точки с первой по последнюю, получаем ломаную линию.
Разделяем каждый полученный отрезок этой ломаной в соотношении $\scriptstyle t:(1-t)$ и соединяем полученные точки. В результате получаем ломаную линию с количеством отрезков, меньшим на один, чем исходная ломаная линия.
Повторяем процесс до тех пор, пока не получим единственную точку. Эта точка и будет являться точкой на заданной кривой Безье с параметром $\scriptstyle t$ .

Следующая иллюстрация демонстрирует этот процесс для кубической кривой Безье:

Следует заметить, что полученные в процессе построения промежуточные точки являются опорными точками для двух новых кривых Безье, в точности совпадающих с исходной, и в совокупности дающих исходную кривую Безье. Этот алгоритм не только определяет точку кривой в $\scriptstyle t$ , но и делит кривую на две части в $\scriptstyle t$ , а также предоставляет описание двух суб-кривых в форме Безье (в параметрическом представлении).

Описанный алгоритм справедлив для нерациональных кривых Безье. Для вычисления рациональных кривых в $\scriptstyle \mathbf {R} ^{n}$ , можно спроецировать точку в $\scriptstyle \mathbf {R} ^{n+1}$ ; например кривая в трехмерном пространстве должна иметь опорные точки $\scriptstyle \{(x_{i},y_{i},z_{i})\}$ и веса $\scriptstyle \{w_{i}\}$ спроецированные в весовые контрольные точки $\scriptstyle \{(w_{i}x_{i},w_{i}y_{i},w_{i}z_{i},w_{i})\}$ . Затем обычно алгоритм переходит к интерполяции в $\scriptstyle \mathbf {R} ^{4}$ . Результирующие четырехмерные точки могут быть спроецированы обратно в трехмерное пространство с помощью перспективного деления.

В целом, операции с рациональными кривыми (или поверхностями) эквивалентны операциям с нерациональными кривыми в проективном пространстве. Представление опорных точек как взвешенных часто бывает удобно для определения рациональных кривых.

Ссылки

Адаптивное разбиение кривых Безье

См. также