p03直线、圆、椭圆的生成.ppt
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1、第三章 直线、圆、椭圆生成算法,图形的扫描转换(光栅化)确定一个像素集合,用于显示一个图形的过程。步骤如下:1、确定有关像素2、用图形的颜色或其它属性,对像素进行写操作。对一维图形,不考虑线宽,则用一个像素宽的直线来显示图形。二维图形的光栅化,即区域的填充:确定像素集,填色或图案。任何图形的光栅化,必须显示在一个窗口内,否则不予显示。即确定一个图形的哪些部分在窗口内,哪些在窗口外,即裁剪。,图形显示前需要:扫描转换+裁剪裁剪-扫描转换:最常用,节约计算时间。扫描转换-裁剪:算法简单;,本章内容,3.1扫描转换直线段 3.1.1 DDA算法 3.1.2中点画线法 3.1.3Bresenham画线
2、算法3.2圆弧、椭圆弧扫描转换 3.2.1 中点算法 3.2.2内接正多边形迫近法 3.2.3等面积正多边形逼近法 3.2.4生成圆弧的正负法,3.1直线段的扫描转换算法,直线的扫描转换:确定最佳逼近于该直线的一组象素,并且按扫描线顺序,对这些象素进行写操作。三个常用算法:数值微分法(DDA)中点画线法Bresenham算法。,3.1.1数值微分法(),假定直线的起点、终点分别为:(x0,y0),(x1,y1),且都为整数。,(X i+1,Yi+k),(X i,Int(Yi+0.5),(X i,Yi),栅格交点表示象素点位置,。,。,。,。,3.1.1数值微分(DDA)法,基本思想已知过端点P
3、0(x0,y0),P1(x1,y1)的直线段L y=kx+b直线斜率为这种方法直观,但效率太低,因为每一步需要一次浮点乘法和一次舍入运算。,计算yi+1=kxi+1+b=kxi+b+kx=yi+kx 当x=1;yi+1=yi+k 即:当x每递增1,y递增k(即直线斜率);注意上述分析的算法仅适用于k 1的情形。在这种情况下,x每增加1,y最多增加1。当 k 1时,必须把x,y地位互换,增量算法:在一个迭代算法中,如果每一步的x、y值是用前一步的值加上一个增量来获得,则称为增量算法。DDA算法就是一个增量算法。,数值微分(DDA)法,void DDALine(int x0,int y0,int
4、x1,int y1,int color)int x;float dx,dy,y,k;dx,=x1-x0,dy=y1-y0;k=dy/dx,y=y0;for(x=x0;xx1,x+)drawpixel(x,int(y+0.5),color);y=y+k;,数值微分(DDA)法,例:画直线段P0(0,0)-P1(5,2)x int(y+0.5)y+0.5000+0.5100.4+0.5210.8+0.5311.2+0.5421.6+0.5522.0+0.5,0 1 2 3 4 5,3,2,1,Line:P0(0,0)-P1(5,2),实现DDA画线程序,步骤:第一步:建立一个DDALine的工程文
5、件;第二步:添加ddaline()成员函数方法:在工作区中选择CLASSVIEW类窗口,右击CDDAlineView类,选择“add member function”,定义如下的成员函数:void ddaline(CDC*pDC,int x0,int y0,int x1,int y1,COLORREF color);,第三步:编写自定义的成员函数ddaline()程序,void CDDALineView:ddaline(CDC*pDC,int x0,int y0,int x1,int y1,COLORREF color)int length,i;float x,y,dx,dy;length=a
6、bs(x1-x0);if(abs(y1-y0)length)length=abs(y1-y0);dx=(float)(x1-x0)/length;dy=(float)(y1-y0)/length;x=x0+0.5;y=y0+0.5;for(i=1;iSetPixel(int)x,(int)y,color);x=x+dx;y=y+dy;,第四步:编写OnDraw()函数,void CDDALineView:OnDraw(CDC*pDC)CDDALineDoc*pDoc=GetDocument();ASSERT_VALID(pDoc);/TODO:add draw code for native
7、data here ddaline(pDC,100,100,400,100,RGB(255,0,0);ddaline(pDC,400,100,400,400,RGB(0,255,0);ddaline(pDC,400,400,100,400,RGB(0,0,255);ddaline(pDC,100,400,100,100,RGB(255,255,0);ddaline(pDC,100,100,400,400,RGB(255,0,255);ddaline(pDC,100,400,400,100,RGB(0,255,255);,数值微分(DDA)法,缺点:在此算法中,y、k必须是float,且每一步都
8、必须对y进行舍入取整,不利于硬件实现。,中点画线法,原理:,假定直线斜率0K1,且已确定点亮象素点P(Xp,Yp),则下一个与直线最接近的像素只能是P1点或P2点。设M为中点,Q为交点现需确定下一个点亮的象素。,P=(,x,p,y,p,),Q,P2,P1,中点画线法,当M在Q的下方-P2离直线更近更近-取P2。M在Q的上方-P1离直线更近更近-取P1M与Q重合,P1、P2任取一点。问题:如何判断M与Q点的关系?,P=(,x,p,y,p,),Q,P2,P1,3.1.2中点画线法,假设直线方程为:ax+by+c=0其中a=y0-y1,b=x1-x0,c=x0y1-x1y0由常识知:欲判断中点M点是
9、在Q点上方还是在Q点下方,只需把M代入F(x,y),并检查它的符号。,P=(,x,p,y,p,),Q,P2,P1,构造判别式:d=F(M)=F(xp+1,yp+0.5)=a(xp+1)+b(yp+0.5)+c当d0,M在直线(Q点)上方,取右方P1;当d=0,选P1或P2均可,约定取P1;能否采用增量算法呢?,P=(,x,p,y,p,),Q,P2,P1,若d0-M在直线上方-取P1;此时再下一个象素的判别式为 d1=F(xp+2,yp+0.5)=a(xp+2)+b(yp+0.5)+c=a(xp+1)+b(yp+0.5)+c+a=d+a;增量为a,P=(,x,p,y,p,),Q,P2,P1,若d
10、M在直线下方-取P2;此时再下一个象素的判别式为 d2=F(xp+2,yp+1.5)=a(xp+2)+b(yp+1.5)+c=a(xp+1)+b(yp+0.5)+c+a+b=d+a+b;增量为ab,P=(,x,p,y,p,),Q,P2,P1,画线从(x0,y0)开始,d的初值d0=F(x0+1,y0+0.5)=a(x0+1)+b(y0+0.5)+c=F(x0,y0)+a+0.5b=a+0.5b 由于只用d 的符号作判断,为了只包含整数运算,可以用2d代替d来摆脱小数,提高效率。,void Midpoint Line(int x0,int y0,int x1,int y1,int color)i
11、nt a,b,d1,d2,d,x,y;a=y0-y1,b=x1-x0,d=2*a+b;d1=2*a,d2=2*(a+b);x=x0,y=y0;drawpixel(x,y,color);while(xx1)if(d0)x+;y+;d+=d2;else x+;d+=d1;drawpixel(x,y,color);/*while*/*mid PointLine*/,例:用中点画线法P0(0,0)P1(5,2)a=y0-y1=-2 b=x1-x0=5d0=2a+b=1 d1=2a=-4 d2=2(a+b)=6ixiyid1001210-33213431-15425,0 1 2 3 4 5,3,2,1,
12、中点画线算法,MidpointLine(CDC*pDC,int x0,int y0,int x1,int y1,COLORREF color)int a,b,delta1,delta2,d,x,y;/传入的端点坐标x值相等if(x0=x1)if(y0SetPixel(x0,i,color);else for(int i=y1;iSetPixel(x0,i,color);return;,/斜率判断,斜率绝对值大于1,则m为false,否则为truebool m=(fabs(y1-y0)x1)d=x0;x0=x1;x1=d;d=y0;y0=y1;y1=d;a=y0-y1;b=x1-x0;x=x0;
13、y=y0;pDC-SetPixel(x,y,color);,/斜率绝对值小于等于1的情况if(m)/第一种情况,y值递增if(y0SetPixel(x,y,color);,/第三种情况,y值递减else d=2*a-b;delta1=2*a;delta2=2*(a-b);while(xSetPixel(x,y,color);/斜率绝对值大于1else/第二种情况,y值递增if(y0SetPixel(x,y,color);,/第四种情况,y值递减elsed=a-2*b;delta1=-2*b;delta2=2*(a-b);while(yy1)if(dSetPixel(x,y,color);,Br
14、esenham画线算法,在直线生成的算法中Bresenham算法是最有效的算法之一。令 k=y/x,就0k1的情况来说明Bresenham算法。由DDA算法可知:yi+1=yi+k(1)由于k不一定是整数,由此式求出的yi也不一定是整数,因此要用坐标为(xi,yir)的象素来表示直线上的点,其中yir表示最靠近yi的整数。,Bresenham画线算法,设图中xi列上已用(xi,yir)作为表示直线的点,又设B点是直线上的点,其坐标为(xi+1,yi+1),显然下一个表示直线的点(xi+1,yi+1,r)只能从图中的C或者D点中去选。设A为CD边的中点。若B在A点上面则应取D点作为(xi+1,y
15、i+1,r),否则应取C点。,xi,Xi+1,Yi,r,Yi+1,r,C,D,B,A,(x)的几何意义,为能确定B在A点上面或下面,令(xi+1)=yi+1-yir-0.5(2)若B在A的下面,则有(xi+1)0。由图可知 yi+1,r=yir+1,若(xi+1)0(3)yi+1,r=yir,若(xi+1)0,Bresenham画线算法,由式(2)和式(3)可得到(xi+2)=yi+2-yi+1,r-0.5=yi+1+k-yi+1,r-0.5(4)yi+1-yir-0.5+k-1,当(xi+1)0 yi+1-yir-0.5+k,当(xi+1)0(xi+2)=(xi+1)+k-1,当(xi+1)
16、0(xi+2)=(xi+1)+k,当(xi+1)0 由式(1)和式(2)可得到(x2)=k-0.5(5),Bresenham画线算法,BresenhamLine(CDC*pDC,int x1,int y1,int x2,int y2,COLORREF color)int x,y,dx,dy,p;/传入端点坐标x值相等if(x1=x2)if(y1 SetPixel(x1,i,color);elsefor(int i=y2;iSetPixel(x1,i,color);return;,/斜率判断,斜率绝对值大于,则m为false,否则为trueBOOL m=(fabs(y2-y1)x2)p=x1;x
17、1=x2;x2=p;p=y1;y1=y2;y2=p;x=x1;y=y1;dx=x2-x1;dy=y2-y1;,/斜率绝对值小于等于if(m)/第一种情况,y递增if(y1 SetPixel(x,y,color);if(p SetPixel(x,y,color);if(p 0)x+;p=p-(dy1);elsex+;y-;p=p-(dy+dx)1);,/斜率绝对值大于else/第二种情况,y递增if(y1 SetPixel(x,y,color);if(p=y2)pDC-SetPixel(x,y,color);if(p 0)y-;p=p+(dx1);elsex+;y-;p=p+(dx+dy)1);
18、,3.2.1直接利用圆的方程生成圆 下面先以圆心在原点、半径r为整数的圆为例,讨论圆的生成算法。假设圆的方程为:x2+y2=r2,3.2圆的扫描转换算法,x2+y2=r2y=sqrt(r2-x2)在一定范围内,每给定一x值,可得一y值。当x取整数时,y须取整。缺点:浮点运算,开方,取整,不均匀。,也可应用圆的参数方程画出分布比较均匀的点 x=rcos y=rsin 但仍要采用浮点运算、乘法运算、取整运算。,(y,x),(-y,x),(-x,y),(-x,-y),(-y,-x),(y,-x),(x,-y),3.2.2八分法画圆利用圆的对称性:,结论:只需对一个八分圆进行扫描转换。,当圆心坐标(x
19、c,yc),半径为整数r时:(x-xc)2+(y-yc)2=r2 可以先对圆心坐标(0,0),半径为r的八分圆进行扫描转换,根据圆的对称性,得到八个对称点,再将这八个点进行平移,即可得到原始圆上的对应点。,3.2.3画任意圆的方法,void Circle8Points(int x0,int y0,int x,int y,COLORREF c)pDC-SetPixel(x0+x,y0+y,c);pDC-SetPixel(x0-x,y0+y,c);pDC-SetPixel(x0+x,y0-y,c);pDC-SetPixel(x0-x,y0-y,c);pDC-SetPixel(x0+y,y0+x,c
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