B样条曲线拟合能量约束方法介绍

B样条曲线拟合中的能量约束方法（Unicode公式版）

1. B样条曲线基本形式

B样条曲线由控制点 Pᵢ 和基函数 Nᵢ,ₖ(u) 定义，其表达式为：

C(u) = Σᵢ₌₀ⁿ Pᵢ · Nᵢ,ₖ(u), u ∈ [uₖ, uₘ₋ₖ]

其中：

• k 为阶数（次数 + 1），
• n + 1 为控制点个数，
• 节点向量为 U = {u₀, u₁, …, uₘ}。

2. 普通拟合目标

给定数据点 {Qⱼ}（j = 1,…,M），传统最小二乘拟合目标为：

minₚ Σⱼ₌₁ᴹ ‖C(uⱼ) − Qⱼ‖²

这仅关注逼近精度，可能产生振荡或不自然的弯曲。

3. 引入能量约束

为提升曲线平滑性，引入“能量”项作为正则化项。常用能量包括：

(a) 弯曲能量（二阶导数平方积分）

E_bend = ∫ ‖C″(u)‖² du

(b) 拉伸能量（一阶导数变化，较少用）

E_tens = ∫ ‖C′(u)‖² du

实际应用中多采用弯曲能量，因其对应物理梁的弹性势能，能有效抑制不必要的曲率波动。

4. 带能量约束的优化模型

综合拟合误差与平滑性，构建如下目标函数：

minₚ λ · Σⱼ₌₁ᴹ ‖C(uⱼ) − Qⱼ‖² + (1 − λ) · ∫ ‖C″(u)‖² du

其中：

• λ ∈ [0, 1] 为权衡参数，
• λ → 1：强调拟合精度，
• λ → 0：强调曲线光滑。

由于 C(u) 是控制点 Pᵢ 的线性组合，C″(u) 也是 Pᵢ 的线性函数，因此整个目标函数是关于 Pᵢ 的二次凸函数，可解析求解。

5. 矩阵形式求解

令 P = [P₀, P₁, …, Pₙ]ᵀ（向量堆叠），则目标函数可写为：

J(P) = λ · ‖AP − Q‖² + (1 − λ) · Pᵀ K P

其中：

• A 是采样点处的基函数值矩阵（Aⱼᵢ = Nᵢ,ₖ(uⱼ)），
• Q 是数据点向量，
• K 是弯曲能量对应的刚度矩阵，元素为：

Kᵢⱼ = ∫ N″ᵢ,ₖ(u) · N″ⱼ,ₖ(u) du

该积分可在每个非零支撑区间上数值计算（如高斯积分）。

最优解满足线性方程组：

[λ AᵀA + (1 − λ) K] P = λ Aᵀ Q

6. 优点与应用

优点：

• 曲线更平滑、视觉自然；
• 抑制过拟合和高频噪声；
• 物理意义明确（类弹性梁）。

典型应用：

• 工业设计中的外形光顺；
• 医学图像轮廓重建；
• 机器人轨迹生成（要求加速度连续）；
• 动画路径插值。

7. 扩展方向

• 使用更高阶导数（如三阶导数）控制“抖动”；
• 自适应调节 λ（局部平滑 vs 局部保形）；
• 结合几何约束（如端点切线、曲率）；
• 在曲面拟合中推广为薄板能量（∫(Cᵤᵤ² + 2Cᵤᵥ² + Cᵥᵥ²) dudv）。