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如何计算二次贝塞尔曲线的控制点

聖光之護

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发布时间:2026-01-23 16:23:00

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如何计算二次贝塞尔曲线的控制点

已知曲线起点、终点和曲线上某一点(如顶点)及其对应参数 t,可通过解析贝塞尔公式反推唯一控制点坐标,本文提供完整推导、可直接调用的函数及使用注意事项。

在图形渲染与图布局(如力导向图、节点链接图)中,常需用二次贝塞尔曲线实现平滑避让效果——例如当连接线经过某节点区域时,让曲线“拱起”绕开该节点。此时,你已知:

  • 起点 $ P_0 = (s_x, s_y) $(链路起点)
  • 终点 $ P_2 = (e_x, e_y) $(链路终点)
  • 曲线上某一关键点 $ B(t) = (t_x, t_y) $(如你计算出的“顶部避让点”)
  • 对应参数 $ t \in (0,1) $(非端点,通常取 0.5 可得中点,但你已通过距离比例精确计算)

二次贝塞尔曲线的标准参数方程为:
$$ B(t) = (1-t)^2 P_0 + 2t(1-t) P_1 + t^2 P_2 $$
其中 $ P_1 = (x, y) $ 即待求控制点。将上式按坐标分量展开并整理,解出 $ P_1 $:

$$ t_x = (1-t)^2 s_x + 2t(1-t) x + t^2 e_x \ \Rightarrow x = \frac{t_x - (1-t)^2 s_x - t^2 e_x}{2t(1-t)} $$

同理对 y 坐标。因此得到稳定、无歧义的解析解(前提是 $ t \neq 0 $ 且 $ t \neq 1 $):

export function findControlPoint(
  s_x: number, s_y: number,   // 起点
  t_x: number, t_y: number,   // 曲线上已知点(如顶点)
  e_x: number, e_y: number,   // 终点
  t: number                   // 该点对应的参数值,0 < t < 1
): { x: number; y: number } {
  const inv = 1 - t;
  const denominator = 2 * inv * t;

  // 防止除零(t 接近 0 或 1 时数值不稳定)
  if (Math.abs(denominator) < 1e-8) {
    throw new Error(`Invalid t value: ${t}. Must be strictly between 0 and 1.`);
  }

  return {
    x: (t_x - inv * inv * s_x - t * t * e_x) / denominator,
    y: (t_y - inv * inv * s_y - t * t * e_y) / denominator,
  };
}

使用示例(配合你的避让逻辑):

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const start = { x: link.from.x, y: link.from.y };
const end   = { x: link.to.x,   y: link.to.y };
const top   = { 
  x: node.x + node.radius * Math.sin(angle) + 10 * Math.sign(Math.sin(angle)),
  y: node.y + node.radius * Math.cos(angle) + 10 * Math.sign(Math.cos(angle))
};
const t = /* 你已计算的距离比值 */;

const control = findControlPoint(
  start.x, start.y,
  top.x, top.y,
  end.x, end.y,
  t
);

// 绘制二次贝塞尔曲线: moveTo(start) → quadraticCurveTo(control, end)

⚠️ 关键注意事项

  • t 必须严格介于 0 和 1 之间:若 t=0 或 t=1,分母为零,且此时已知点即为端点,无法唯一确定控制点;
  • 几何合理性校验:所得控制点可能使曲线“反向弯曲”,建议在可视化前检查曲率方向(例如通过叉积判断 $ (P_1 - P_0) \times (P_2 - P_1) $ 符号);
  • 性能优化:该函数为纯数学计算,无副作用,可放心用于高频图更新场景(如拖拽节点时实时重算);
  • 扩展性提示:若需更高自由度(如强制水平/垂直切线),可在控制点基础上施加约束投影,但本解已满足绝大多数避让需求。

掌握此方法后,你不仅能精准生成绕开节点的平滑链接,还可将其泛化至动态路径规划、动画轨迹插值等场景——核心思想始终是:从参数化定义出发,逆向求解自由变量

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