Geometry & Recognition

$n$ 차 Bezier 곡선은 두 개의 $(n-1)$ 차 Bezier 곡선의 선형보간으로 표현할 수 있다. Bezier 곡선은 Bernstein 다항식을 이용해서도 표현할 수도 있지만, 높은 찻수의 곡선일 때는 De Casteljau's Algorithm을 이용하는 것이 수치적으로 보다 안정적인 결과를 준다.

// De Casteljau's algorithm; recursive version; slow for larger deg;
double Bezier(int deg, double Q[], double t) {
   if (deg == 0) return Q[0];
   else if (deg == 1) return (1-t)*Q[0] + t*Q[1];
   else if (deg == 2) return (1-t)*((1-t)*Q[0] + t*Q[1]) + t*((1-t)*Q[1] + t*Q[2]);
   else return (1 - t) * Bezier(deg-1, &Q[0], t) + t * Bezier(deg-1, &Q[1], t);
}
// De Casteljau's algorithm(degree=n-1); 
// non-recursive. Bezier() modifies Q's;
double Bezier(int deg, double Q[], double t) {
    if (deg==0) return Q[0];
    else if (deg==1) return (1-t)*Q[0] + t*Q[1];
    else if (deg==2) return (1-t)*((1-t)*Q[0] + t*Q[1]) + t*((1-t)*Q[1] + t*Q[2]);
    
    for (int k = 0; k < deg; k++)
        for (int j = 0; j < (deg - k); j++)
            Q[j] = (1 - t) * Q[j] + t * Q[j + 1];
    return Q[0];
}
std::vector<CfPt> BezierCurve(const std::vector<CfPt> &cntls, const int segments) {
    std::vector<double> xp(cntls.size()), yp(cntls.size());
    std::vector<CfPt> curves(segments + 1);
    for (int i = 0; i <= segments; ++i) {
        double t = double(i) / segments;
        // clone control points; non-rec version modifies inputs;
        for (int k = cntls.size(); k-->0;) {
            xp[k] = cntls[k].x; yp[k] = cntls[k].y;
        }
        curves[i] = CfPt(Bezier(xp.size()-1, &xp[0], t), Bezier(yp.size()-1, &yp[0], t));
    }
    return curves;
};

곡선의 길이를 구하고자 하면 곡선을 따라 속력을 적분하면 된다. 곡선을 기술하는 벡터가 $\mathbf{B}(t)=[B_x(t),B_y(t)]$ 로 주어지면 곡선의 길이는

$$\begin{array}{rl}\text{Arc Length}(t_1,t_2)& ={\int }_{t_1}^{t_2}|{\mathbf{B}}^{\prime }(t)|dt\\ & ={\int }_{t_1}^{t_2}\sqrt{(B_x^{\prime }(t){)}^2+(B_y^{\prime }(t){)}^2}dt\end{array}$$

그러나 일반적으로 이 적분은 닫힌 형태로 주어지지 않으므로 Gauss-Legendre quadrature와 같은 수치 적분에 의존해서 그 값을 계산하여야 한다.
Bezier curve의 경우는 기하학적인 방법을 이용하여서 좀 더 간편하게 그 길이를 구할 수 있다. Bezier curve의 길이에 대한 간단한 근사는 현의 길이($|{\mathbf{Q}}_3-{\mathbf{Q}}_0|$)로 근사하는 것이다. 그러나 현의 길이는 lower bound만을 준다. 다음으로 고려할 근사는  control 점 사이 거리의 합이다. 이것은 실제 길이의 upper bound를 준다. 따라서 근사적인 길이는 이 두 거리의 평균으로 잡으면 될 것이다:

$$\text{Arc Length}\sim \frac{\text{cord length}+\sum \text{distance between control points}}{2}.$$

그러나 이 근사가 유효하기 위해서는 현의 길이와 control point 간의 거리의 합

$$|{\mathbf{Q}}_3-{\mathbf{Q}}_2|+|{\mathbf{Q}}_2-{\mathbf{Q}}_1|+|{\mathbf{Q}}_1-{\mathbf{Q}}_0|$$

의 차이가 충분히 작아야 한다. 만약에 이 두 길이의 차이기 정해진 임계값보다도 크면 Bezier curve를 둘로 분할해서 좌우 두 Bezier curve에 대해서 동일한 검사를 한다. 충분히 평탄한 경우는 위의 평균값으로 근사하고 그렇지 못한 경우는 충분히 평탄해질 때까지 분할하는 과정을 반복한다. 아래 코드는 3차 Bezier curve의 길이를 이 알고리즘을 이용해서 구하는 과정을 구현한 것이다.

#define DistL2(A, B) sqrt(((A).x-(B).x)*((A).x-(B).x) + ((A).y-(B).y)*((A).y-(B).y))
static void BezierSubDiv(CfPt Q[4], CfPt leftQ[4], CfPt rightQ[4]) {
    CfPt T[4][4];                      /* Triangle Matrix */
    for (int j = 0; j < 4; ++j) T[0][j] = Q[j];
    // de Casteljau divides and conquers at t = 0.5;
    for (int i = 1; i < 4; ++i)
        for (int j = 0 ; j <= 3 - i; ++j)
            T[i][j] = (T[i - 1][j] + T[i - 1][j + 1]) / 2;
            
    // left subdiv control points;
    for (int j = 0; j < 4; ++j) leftQ[j]  = T[j][0];
    // right subdiv control points;
    for (int j = 0; j < 4; ++j) rightQ[j] = T[3 - j][j];
}                                        
void BezierLength(CfPt Q[4], double tol, double *length) {
    CfPt leftQ[4], rightQ[4];                
    double controlLen = 0;  
    for (int i = 0; i < 3; ++i) controlLen += DistL2(Q[i], Q[i + 1]);
    double cordLen = DistL2(Q[0], Q[3]);
    // test flatness;
    if (fabs(controlLen - cordLen) > tol) {
        BezierSubDiv(Q, leftQ, rightQ);              /* divide */
        BezierLength(leftQ, tol, length);            /* left side */
        BezierLength(rightQ, tol, length);           /* right side */
        return;
    }
    *length = *length + (cordLen + controlLen) / 2 ;
    return ;
}

다음은 4분원의 길이를 위의 알고리즘을 이용해서 구하는 예제이다. 네 개의 control point는

$$Q_1=(0,1),Q_2=(k,1),Q_3=(1,k),Q_4=(1,0)$$

이고, $k$ 값은 Bezier curve의 중간이 원에 접하는 경우, 원과 벗어남이 가장 작은 경우, 면적을 같게 하는 경우, 길이를 같게 하는 경우 각각에 대해 계산을 한다. 

int main() {
    double k[4] = {0.5522847498, //touch at t = 0.5;
                   0.551915023,  //min-deviation;
                   0.551778477,  //match area;
                   0.551777131   //match length;
                   };
    for (int i = 0; i < 4; i++)
        printf("bezier length = %.8f\n", BezierLengthCircle(k[i]));
    printf("exact length  = %.8f\n", 2.0 * atan(1.));
    return 0;
}
double BezierLengthCircle(double k) {
    CfPt Q[4] = {{0, 1.}, {k, 1.}, {1., k}, {1., 0.}};
    double len = 0;
    double tol = 1.e-20;//
    BezierLength(Q, tol, &len);
    return len;
};

Bezier 곡선을 이용한 원의 근사처럼 타원을 근사해보도록 하자. 원점을 중심으로 하고 장축 반지름이 $a$, 단축 반지름이 $b$인 타원을 1사분에서 3차 Bezier curve을 이용해서 근사하려면 4개의 control point가 필요하다. 원의 경우처럼, 끝점에서 접선의 기울기를 같게 하는 조건을 부여하면 control point는

$${\mathbf{P}}_{\mathbf{0}}=(0,b),{\mathbf{P}}_1=(ka,b),{\mathbf{P}}_2=(a,kb),{\mathbf{P}}_3=(a,0)$$

로 잡을 수 있다. 따라서

$$\mathbf{B}(t)=(1-t^3){\mathbf{P}}_0+3t(1-t{)}^2{\mathbf{P}}_1+3t^2(1-t){\mathbf{P}}_2+t^3{\mathbf{P}}_3=\left(\begin{array}{c}ax(t)\\ by(t)\end{array}\right)$$

$$x(t)=3k(1-t{)}^{2}t+3(1-t)t^2+t^3$$

$$y(t)=3k{t}^2(1-t)+3t(1-t{)}^2+(1-t{)}^3$$

$t=1/2$일 때 $(a/\sqrt{2},b/\sqrt{2})$을 통과하는 조건을 부여하면, 원과 마찬가지로

$$k=\frac{4}{3}(\sqrt{2}-1)=0.5522847498...$$

을 얻는다. Mahalanobis measure를 기준으로 거리를 측정하면  타원의 경우도 벗어남 에러가

$$\mathrm{\Delta }(t)=\sqrt{\frac{B_x^2(t)}{a^2}+\frac{B_y^2(t)}{b^2}}-1=\sqrt{x^2(t)+y^2(t)}-1$$

원의 경우와 같음을 쉽게 알 수 있다.

회전된 타원; 

2사분면: $(x,y)\to (-x,y)$

3사분면: $(x,y)\to (-x,-y)$

4사분면: $(x,y)\to (x,-y)$

void BezierEllipse(CDC *pDC, CPoint center, double a, double b) {
    const double k = 0.5522847498;
    CPen red(PS_SOLID, 3, RGB(0xFF, 0, 0));
    CPen *pOld = pDC->SelectObject(&red);
    CPoint P[4];  //control pts;
    P[0] = CPoint(center.x,                    int(center.y - b + 0.5));
    P[1] = CPoint(int(center.x + k * a + 0.5), int(center.y - b + 0.5));
    P[2] = CPoint(int(center.x + a + 0.5),     int(center.y - k * b + 0.5));
    P[3] = CPoint(int(center.x + a + 0.5),     center.y);
    pDC->PolyBezier(P, 4);
    pDC->SelectObject(pOld);
}

void BezierEllipse(CDC *pDC, CPoint center, double a, double b, double ang) {
    const double k = 0.5522847498;
    const double cosang = cos(ang);
    const double sinang = sin(ang);
    CPoint P[4];
    double x[4], y[4], xt[4], yt[4];
    //1사분면: 
    x[0] = 0,     y[0] = b;
    x[1] = k * a, y[1] = b;
    x[2] = a,     y[2] = k * b;
    x[3] = a,     y[3] = 0;
    CPen red(PS_SOLID, 3, RGB(0xFF, 0, 0));
    CPen *pOld = pDC->SelectObject(&red);    
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        xt[i] = x[i] * cosang - y[i] * sinang;
        yt[i] = x[i] * sinang + y[i] * cosang;
        P[i] = CPoint(int(center.x + xt[i] + 0.5), int(center.y - yt[i] + 0.5));
    }
    pDC->PolyBezier(P, 4);
    pDC->SelectObject(pOld);
    //4사분면;(x, -y);
    CPen blue(PS_SOLID, 3, RGB(0, 0, 0xFF));
    pOld = pDC->SelectObject(&blue);
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        xt[i] = x[i] * cosang - (-y[i]) * sinang;
        yt[i] = x[i] * sinang + (-y[i]) * cosang;
        P[i] = CPoint(int(center.x + xt[i] + 0.5), int(center.y - yt[i] + 0.5));
    }
    pDC->PolyBezier(P, 4);
    pDC->SelectObject(pOld);
    //3-사분면;(-x,-y)
    CPen green(PS_SOLID, 3, RGB(0, 0xFF, 0));
    pOld = pDC->SelectObject(&green);
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        xt[i] = (-x[i]) * cosang - (-y[i]) * sinang;
        yt[i] = (-x[i]) * sinang + (-y[i]) * cosang;
        P[i] = CPoint(int(center.x + xt[i] + 0.5), int(center.y - yt[i] + 0.5));
    }
    pDC->PolyBezier(P, 4);
    pDC->SelectObject(pOld);
    //2사분면;(-x,y);    
    CPen magenta(PS_SOLID, 3, RGB(0xFF, 0, 0xFF));
    pOld = pDC->SelectObject(&magenta);
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        xt[i] = (-x[i]) * cosang - y[i] * sinang;
        yt[i] = (-x[i]) * sinang + y[i] * cosang;
        P[i] = CPoint(int(center.x + xt[i] + 0.5), int(center.y - yt[i] + 0.5));
    }
    pDC->PolyBezier(P, 4);
    pDC->SelectObject(pOld);
}