Алгоритмы растровой графики

Finish

Gо to 1

шагm_D

20 х_i = х_i+ 1

y_i = y_i+ 1

_i = _i+ 2х_i - 2у_i+ 2

Переменная предела устанавливается в нуль для окончания работы алгоритма на горизонтальной оси, в результате генерируется окружность в первом квадранте. Если необходим лишь один из октантов, то второй октант можно получить с помощью установки Предел =Integer (R/sqrt(2)), а первый - с помощью отражения второго октанта относительно прямой у = х (рис. 5.1). Блок-схема алгоритма приводится на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Блок-схема пошагового алгоритма Брезенхема для генерации окружности в первом квадранте.

Пример 5.1. Алгоритм Брезенхема для окружностию

Рассмотрим окружность радиусом 8 с центром в начале координат. Генерируется только первый квадраннт.

начальные установки

x = 0

y = 8

= 2(1-8) = -14

Предел = 0

Пошаговое выполнение основного цикла

1 Plot (0,8)

yi > Предел (продолжать)

i < 0 go to 2

2 go to 10

10 x = 0+1 = 1

i = -14 +2 + 1 = -11

go to 1

1 Plot (1,8)

yi > Предел (продолжать)

i < 0 go to 2

2 go to 10

10 x = 1+1 = 1

i = -11 +2(2) + 1 = -6

go to 1

1 Plot (2,8)

...

Продолжать

Результаты всех последовательных проходов алгоритма сведены в таблицу. Список пикселов выбранных алгоритмов состоит из (0,8), (1,8), (2,8), (3,7), (4,7), (5,6), (6,5), (7,4), (7,3), (8,2), (8,1), (8,0).

Plot	i		'	x	y
	-14
(0,8)
	-11	-13
(1,8)
	-6	-7
(2,8)
	-12
(3,7)
	-3
(4,7)
	-3
(5,6)

(6,5)
			-11
(7,4)

(7,3)
			-7
(8,2)

(8,1)

(8,0)

алгоритм завершен.

Результаты показаны на рис.5.6. вместе с реальной окружностью. Алгоритм легко обобщается для других квадрантов или дуг окружностей.

Рис. 5.6. Результаты работы пошагового алгоритма Брезенхема генерации окружности.

Растром называется прямоугольная сетка точек, формирующих изображение на экране компьютера. Каждая точка растра характеризуется двумя параметрами: своим положением на экране и своим цветом, если монитор цветной, или степенью яркости, если монитор черно-белый. Поскольку растровые изображения состоят из множества дискретных точек, то для работы с ними необходимы специальные алгоритмы. Рисование отрезка прямой линии - одна из простейших задач растровой графики. Смысл ее заключается в вычислении координат пикселов, находящихся вблизи непрерывных отрезков, лежащих на двумерной растровой сетке.

Рис. 28. Растеризация отрезка прямой линии.

Термин “пиксел” образован от английского pixel (picture element - элемент изображения) - то есть точка на экране. Будем считать, что пикселы имеют целочисленные координаты. На первый взгляд кажется, что эта задача имеет простое решение. Пусть конечные точки отрезка имеют целочисленные координаты, и уравнение прямой, содержащей отрезок: . Не нарушая общности, будем также считать, что тангенс угла наклона прямой лежит в пределах от 0 до 1. Тогда для изображения отрезка на растре достаточно для всех целых , принадлежащих отрезку, выводить на экран точки с координатами . Однако в этом методе присутствует операция умножения . Хотелось бы иметь алгоритм без частого использования операции умножения вещественных чисел. Избавиться от операции умножения можно следующим образом. Поскольку , то один шаг по целочисленной сетке на оси будет соответствовать . Отсюда получаем, что будет увеличиваться на величину . Итерационная последовательность выглядит следующим образом:

Когда , то шаг по будет приводить к шагу по , поэтому и следует поменять ролями, придавая единичное приращение, а будет увеличиваться на единиц. Этот алгоритм все же не свободен от операций с вещественными числами. Наиболее изящное решение задачи растровой развертки отрезков прямых было найдено Брезенхемом. В его алгоритме вообще не используются операции с вещественными числами, в том числе операции умножения и деления.

Для вывода формул алгоритма Брезенхема рассмотрим рис. 29.

Рис. 29. Рисование отрезков прямых по методу Брезенхема.

Пусть начало отрезка имеет координаты , а конец . Обозначим , . Не нарушая общности, будем считать, что начало отрезка совпадает с началом координат, и прямая имеет вид , где . Считаем что начальная точка находится слева. Пусть на -м шаге текущей точкой отрезка является . Выбор следующей точки или зависит от знака разности . Если , то и тогда , , если же , то и тогда , .

, ,

Поскольку знак совпадает со знаком разности , то будем проверять знак выражения . Так как и , то .

Пусть на предыдущем шаге , тогда и . Если же на предыдущем шаге , тои .

Осталось узнать как вычислить . Так как при :

, .

Далее приводится листинг процедуры на языке Паскаль, реализующей алгоритм Брезенхема.

Procedure Bresenham(x1,y1,x2,y2,Color: integer);

var

dx,dy,incr1,incr2,d,x,y,xend: integer;

begin

dx:= ABS(x2-x1);

dy:= Abs(y2-y1);

d:=2*dy-dx; {начальное значение для d}

incr1:=2*dy; {приращение для d<0}

incr2:=2*(dy-dx); {приращение для d>=0}

if x1>x2 then {начинаем с точки с меньшим знач. x}

begin

x:=x2;

y:=y2;

xend:=x1;

end

else

begin

x:=x1;

y:=y1;

xend:=x2;

end;

PutPixel(x,y,Color); {первая точка отрезка}

While x<xend do

begin

x:=x+1;

if d<0 then

d:=d+incr1 {выбираем нижнюю точку}

else

begin

y:=y+1;

d:=d+incr2; {выбираем верхнюю точку, y-возрастает}

end;

PutPixel(x,y,Color);

end;{while}

end;{procedure}

Перед тем, как исследовать методы получения изображений более сложных, чем отрезки прямых, рассмотрим проблему, незримо присутствующую в большинстве задач компьютерной графики. Эта проблема отсечения изображения по некоторой границе, например, по границе экрана, или, в общем случае, некоторого прямоугольного окна. Рассмотрим эту задачу применительно к отрезкам прямых. Некоторые из них полностью лежат внутри области экрана, другие целиком вне ее, а некоторые пересекают границу экрана. Правильное отображение отрезков означает нахождение точек пересечения их с границей экрана и рисование только тех их частей, которые попадают на экран. Один из очевидных способов отсечения отрезков состоит в определении точек пересечения прямой, содержащей отрезок, с каждой из четырех прямых, на которых лежат границы окна и проверки не лежит ли хотя бы одна точка пересечения на границе. В этом случае для каждой пары сторона-отрезок необходимо решать систему из двух уравнений, используя операции умножения и деления. При этом удобно параметрическое задание прямых:

Для эти уравнения определяют точки, находящиеся между и . Специальной проверки требует случай, когда отрезок параллелен стороне окна. Пусть координата x точки пересечения найдена, тогда