计算机图形学各类算法
计算机图形学中的曲面细分算法与实现
计算机图形学中的曲面细分算法与实现曲面细分算法是计算机图形学中的重要主题，它主要用于生成光滑的曲面模型，通常用于生成真实感的3D模型。
曲面细分算法可以分为两种主要类型：细分曲面和插值曲面。
细分曲面是通过逐步细分原始控制网格来生成光滑曲面，而插值曲面是通过对原始几何形状进行插值来生成光滑曲面。
本文将介绍曲面细分算法的基本概念、常见的曲面细分算法以及其实现。
一、基本概念曲面细分算法是计算机图形学中的一种重要技术，它通过细分原始几何形状来生成光滑曲面。
曲面细分算法通常可以分为两种类型：细分曲面和插值曲面。
细分曲面是通过逐步细分原始控制网格来生成光滑曲面，而插值曲面是通过对原始几何形状进行插值来生成光滑曲面。
曲面细分算法通常可以用来生成真实感的3D模型，因此在计算机图形学中应用广泛。
曲面细分算法的基本原理是将原始几何形状逐步细分，从而生成光滑曲面。
在这个过程中，通常会根据一些控制点或节点来确定曲面的形状。
曲面细分算法的关键在于如何选择合适的控制点或节点，以及如何决定细分的次数。
通常来说，曲面细分算法的实现可以分为多种方法，例如递归细分、均匀细分、自适应细分等。
二、常见的曲面细分算法1.递归细分算法递归细分算法是一种常见的曲面细分算法，它通过递归的方式来细分原始几何形状，从而生成光滑曲面。
在递归细分算法中，通常会将原始几何形状逐步细分成更小的子几何形状，直到达到指定的细分次数为止。
递归细分算法通常是一种简单而有效的方法，它可以用来生成各种光滑曲面，例如贝塞尔曲面、B样条曲面等。
2.均匀细分算法均匀细分算法是另一种常见的曲面细分算法，它通过均匀地细分原始几何形状来生成光滑曲面。
在均匀细分算法中，通常会将原始控制网格分成均匀的子网格，然后逐步细分每个子网格，从而生成光滑曲面。
均匀细分算法通常是一种简单而高效的方法，它可以用来生成各种曲面模型，例如球面、圆柱面等。
3.自适应细分算法自适应细分算法是一种更加复杂的曲面细分算法，它通过根据曲面的曲率或其他属性来自适应地细分原始几何形状，从而生成光滑曲面。
计算机图形学第3章 基本图形生成算法
例题：有点P0（4，3）；P1（6，5）；P2（10，
6 ）；P3（12，4），用以上4点构造2次B样条曲线。
2.1.7 非均匀有理B样条
非均匀有理B样条NURBS（Non Uniform Rational BSpline）；
3.2.2
Bresenham画圆法
该算法是最有效的算法之一。
不失一般性，假设圆心(xc，yc) ,圆上的点(x′，y′)，则：
x' x xc
y ' y yc
圆心为原点，半径为R的位于第一象限1/8圆弧的画法，即(0, R)～( R , R )。
2 2
yi )， 思想:每一步都选择一个距离理想圆周最近的点P( xi ， 使其误差项最小。
画其他曲线。
3.3
自由曲线的生成
正弦函数曲线
指数函数曲线
多项式函数曲线
自 由 曲 线
概率分布曲线及样条函数曲线
3.3.1 曲线的基本理论
基本概念
2.1.4
规则曲线：可用数学方程式表示出来的，如抛物 线等。
自由曲线：很难用一个数学方程式描述的，如高
速公路等。可通过曲线拟合(插值、逼近)的方法来
例题： 利用Bresenham算法生成P （0，0）到Q（6，5）的直 线所经过的像素点。要求先 列出计算式算出各点的坐标 值，然后在方格中标出各点。
（1，1）
3.1.5 双步画线法 原理
模式1：当右像素位于右下角时，中间像素位于底线 模式4：当右边像素位右上角时，中间像素位于中线 模式2和模式3：当右像素位于中线时，中间像素可能位于底线 上，也可能位于中线上，分别对应于模式2和模式3，需进一步 判断。 当0≤k≤1/2时，模式4不可能出现，当1/2≤k≤1时，模式1不 可能出现。
计算机图形学二、多边形的扫描转换算法
2
做一个
E
2
A
C C
2
D
B
2
局部极大或局部极小点， 交点看做是二个
非局部极值点，交点看
2
做一个
E
非局部极值点将这些相
邻边分割开来
2
A
如何计算扫描线与多边形边界线的所有交点？
若扫描线yi与多边形边界线交点的x坐标是xi， 则对下一条扫描线yi+l，它与那条边界线的交点的x 坐标xi+1，可如下求出：
m
yi1 yi xi1 xi
, yi1
yi
1
xi 1
xi
1 m
扫描线与多边形边的交点计算 C
B
yk 1 yk
x AC k 1
xkAC
1 mAC
x BC k 1
xkBC
1 mBC
A
活跃(活性)边：与当前扫描线相交的边 活跃(活性)边表AET：存贮当前扫描线相交的各边的表。
ymax x 1/m next
…
扫描线5 扫描线6
e2 92 0
e2 92 0
e6 5 13 6/4 λ
e5 11 13 0 λ
9∧
8∧
e3
e4
7
9 7 -5/2
11 7 6/4 λ
e5
6
11 13 0 λ
5∧
e2
e3
4
9 2 0λ
3∧
e2
2∧
e1
e6
1
3 7 -5/2
5 7 6/4 λ
e1
0∧
ymax xmin 1/m
e4 e5
e6 5 111/2 6/4 λ
9∧
计算机图形学——圆的扫描转换（基本光栅图形算法）
计算机图形学——圆的扫描转换（基本光栅图形算法）与直线的⽣成类似，圆弧⽣成算法的好坏直接影响到绘图的效率。
本篇博客将讨论圆弧⽣成的3个主要算法，正负法、Bresenham 法和圆的多边形迫近法，在介绍算法时，只考虑圆⼼在原点，半径为R的情况。
⼀、正负法1、基本原理假设已选取Pi-1为第i-1个像素，则如果Pi-1在圆内，就要向圆外⽅向⾛⼀步；若已在圆外就要向圆内⾛⼀步。
总之，尽量贴近圆的轮廓线。
2、正负法的具体实现1）圆的表⽰：设圆的圆⼼为(0,0),半径为R，则圆的⽅程为：F(x,y)=x2+y2–R2=0当点(x,y)在圆内时，F(x,y)<0。
当点(x,y)在圆外时，F(x,y)>0。
2）实现步骤第1步：x0=0，y0=R第2步：求得Pi(x i,y i)后找点P i+1的原则为：当P i在圆内时(F(xi,yi)≤0)，要向右⾛⼀步得P i+1，这是向圆外⽅向⾛去。
取x i+1= x i+1, y i+1= y i当P i在圆外时(F(xi,yi)>0)，要向下⾛⼀步得P i+1，这是向圆内⽅向⾛去，取x i+1= x i, y i+1= y i-1⽤来表⽰圆弧的点均在圆弧附近且 F(xi, yi)时正时负假设已经得到点（x i, y i），则容易算出F(x i, y i)，即确定了下⼀个点（x i＋1, y i＋1），则如何计算F(x i+1, y i+1)，以确定下下个点（x i＋2, y i＋2）？分为两种情况：右⾛⼀步后：x i+1=x i+1，y i+1=y i，此时：F(x i+1, y i+1)=x i+12+y i2-R2=x i2+y i2-R2+2x i+1 = F(x i, y i)+2x i+1下⾛⼀步后：x i+1=x i，y i+1=y i-1， 此时：F(x i+1, y i+1)=x i2+（y i-1)2-R2= F(x i, y i)-2y i+1由此可得：确定了F(xi+1, yi+1)之后，即可决定下⼀个点(xi+2, yi+2)，选择道理同上。
计算机图形学的基本概念与算法
计算机图形学的基本概念与算法计算机图形学是研究如何利用计算机生成、处理和显示图像的学科。
它在许多领域中都有广泛应用，例如电影制作、游戏开发、医学成像等。
本文将介绍计算机图形学的基本概念和算法，并分步详细列出相关内容。
一、基本概念1. 图像表示：计算机图形学中，图像通常使用像素（Pixel）来表示。
每个像素包含了图像上一个特定位置的颜色或灰度值。
2. 坐标系统：计算机图形学使用不同的坐标系统来表示图像的位置。
常见的坐标系统有笛卡尔坐标系、屏幕坐标系等。
3. 颜色模型：计算机图形学中常用的颜色模型有RGB模型（红、绿、蓝）和CMYK模型（青、品红、黄、黑）等。
RGB模型将颜色表示为三个分量的组合，而CMYK模型用于打印颜色。
4. 变换：变换是计算机图形学中常用的操作，包括平移、旋转、缩放和剪切等。
通过变换，可以改变图像的位置、大小和方向。
5. 插值：在计算机图形学中，插值是指通过已知的数据点来推测未知位置的值。
常见的插值方法有双线性插值和双三次插值等。
二、基本算法1. 线段生成算法：线段生成是图形学中最基本的操作之一。
常见的线段生成算法有DDA算法（Digital Differential Analyzer）和Bresenham算法。
DDA算法通过计算线段的斜率来生成线段上的像素，而Bresenham算法通过绘制画板上的一个像素来逐渐描绘出整条直线。
2. 多边形填充算法：多边形填充是将一个多边形内的区域用颜色填充的过程。
常见的多边形填充算法有扫描线算法和边界填充算法。
扫描线算法通过扫描多边形的每一条水平线，不断更新当前扫描线下方的活动边并进行填充。
边界填充算法从某点开始，向四个方向延伸，逐渐填充整个多边形。
3. 圆弧生成算法：生成圆弧是计算机图形学中常见的操作之一，常用于绘制圆形和曲线。
常见的圆弧生成算法有中点圆生成算法和Bresenham圆弧生成算法。
中点圆生成算法通过计算圆弧中的每个点与圆心的关系来生成圆弧上的像素，而Bresenham圆弧生成算法通过在八个特定的扫描区域内绘制圆弧上的像素。
计算机图形学的基本算法
计算机图形学的基本算法计算机图形学是研究如何利用计算机生成、处理和显示图像的学科。
图形学的基本算法涵盖了多个方面，包括图像绘制、几何变换、光照和渲染等。
以下将详细介绍计算机图形学的基本算法及其步骤。
1. 图像绘制算法：- 像素绘制算法：基于像素的图形绘制算法包括点绘制、线段绘制和曲线绘制。
例如，Bresenham线段算法可用于绘制直线。
- 多边形填充算法：多边形填充算法用于绘制封闭曲线图形的内部区域。
常见的算法包括扫描线填充算法和种子填充算法。
2. 几何变换算法：- 平移变换：平移变换算法用于将图像在平面上进行上下左右的平移操作。
- 旋转变换：旋转变换算法用于将图像按照一定的角度进行旋转。
- 缩放变换：缩放变换算法用于按照一定的比例对图像进行放大或缩小操作。
- 剪切变换：剪切变换算法用于按照一定的裁剪方式对图像进行剪切操作。
3. 光照和渲染算法：- 光照模型：光照模型用于模拟物体与光源之间的相互作用。
常见的光照模型有Lambert模型和Phong模型等。
- 阴影生成算法：阴影生成算法用于在渲染过程中生成逼真的阴影效果。
例如，阴影贴图和阴影体积等算法。
- 光线追踪算法：光线追踪算法通过模拟光线的路径和相互作用，实现逼真的光影效果。
常见的光线追踪算法包括递归光线追踪和路径追踪等。
4. 图像变换和滤波算法：- 傅里叶变换算法：傅里叶变换算法用于将图像从时域转换到频域进行分析和处理。
- 图像滤波算法：图像滤波算法用于对图像进行平滑、锐化、边缘检测等操作。
常见的滤波算法包括均值滤波、高斯滤波和Sobel算子等。
5. 空间曲线和曲面生成算法：- Bézier曲线和曲面算法：Bézier算法可用于生成平滑的曲线和曲面，包括一阶、二阶和三阶Bézier曲线算法。
- B样条曲线和曲面算法：B样条算法可用于生成具有更高自由度和弯曲度的曲线和曲面。
以上列举的是计算机图形学中的一些基本算法及其应用。
2024年考研高等数学三计算机图形学中的数学算法历年真题
2024年考研高等数学三计算机图形学中的数学算法历年真题数学算法作为计算机图形学的重要组成部分，其在图像处理、三维建模、动画制作等领域具有广泛应用。
下面回顾历年考研高等数学三计算机图形学中涉及到的数学算法真题，以加深对该领域知识的理解。
一、二维图形的表示和处理1. 2015年真题题目描述：给定一个二维平面上的点集P，设计一个算法，统计该点集中在指定矩形内部的点的数量。
解析：该问题可采用扫描线算法来解决。
将矩形按横坐标分割成多个行，并从上至下依次统计每行内的点数量。
具体算法步骤为：先对点集P按照横坐标排序，然后逐行扫描，记录在每一行内x坐标落在矩形范围内的点的数量。
二、三维图形的表示和处理2. 2018年真题题目描述：给定一个三维空间中的点云数据集P，设计一个算法，确定该数据集中所有点的最大距离。
解析：该问题可使用蛮力法(brute-force)来解决。
遍历所有点对的组合，计算它们之间的距离，并在遍历过程中保存最大距离。
具体算法步骤为：对点云数据集P中的每一对点(A, B)，计算其欧氏距离dist(A,B)，并保留最大的距离值。
三、曲线和曲面的生成及处理3. 2019年真题题目描述：已知一个平面上的曲线关于X轴的转动，设计一个算法，在三维空间内生成该曲线的旋转曲面。
解析：该问题可使用参数方程法来解决。
考虑平面上的曲线由参数方程x=f(t)，y=g(t)给出，其中t为参数。
要生成其旋转曲面，首先选择一个旋转轴，假设为Z轴，然后将x和y分别替换为t的函数，可得旋转曲面的参数方程x=f(t)cosθ，y=f(t)sinθ，z=g(t)，其中θ为旋转的角度。
通过不同的θ取值，可生成曲线的多个旋转曲面。
四、三维变换4. 2020年真题题目描述：给定一个三维对象的初始位置和一个变换矩阵，设计一个算法，计算该对象在变换后的位置。
解析：该问题可使用齐次坐标和矩阵乘法来解决。
将三维对象的初始坐标表示为齐次坐标[x, y, z, 1]，并将变换矩阵表示为4×4的矩阵T。
计算机图形学——区域填充算法（基本光栅图形算法）
计算机图形学——区域填充算法（基本光栅图形算法）⼀、区域填充概念区域：指已经表⽰成点阵形式的填充图形，是象素的集合。
区域填充：将区域内的⼀点（常称【种⼦点】）赋予给定颜⾊，然后将这种颜⾊扩展到整个区域内的过程。
区域填充算法要求区域是连通的，因为只有在连通区域中，才可能将种⼦点的颜⾊扩展到区域内的其它点。
1、区域有两种表⽰形式1）内点表⽰：枚举出区域内部的所有象素，内部所有象素着同⼀个颜⾊，边界像素着与内部象素不同的颜⾊。
2）边界表⽰：枚举出区域外部的所有象素，边界上的所有象素着同⼀个颜⾊，内部像素着与边界象素不同的颜⾊。
21）四向连通区域：从区域上⼀点出发可通过【上、下、左、右】四个⽅向移动的组合，在不越出区域的前提下，到达区域内的任意象素。
2）⼋向连通区域：从区域上⼀点出发可通过【上、下、左、右、左上、右上、左下、右下】⼋个⽅向移动的组合，在不越出区域的前提下，到达区域内的任意象素。
⼆、简单种⼦填充算法给定区域G⼀种⼦点（x, y）,⾸先判断该点是否是区域内的⼀点，如果是，则将该点填充为新的颜⾊，然后将该点周围的四个点（四连通）或⼋个点（⼋连通）作为新的种⼦点进⾏同样的处理，通过这种扩散完成对整个区域的填充。
这⾥给出⼀个四连通的种⼦填充算法（区域填充递归算法），使⽤【栈结构】来实现原理算法原理如下：种⼦像素⼊栈，当【栈⾮空】时重复如下三步：这⾥给出⼋连通的种⼦填充算法的代码：void flood_fill_8(int[] pixels, int x, int y, int old_color, int new_color){if(x<w&&x>0&&y<h&&y>0){if (pixels[y*w+x]==old_color){pixels[y*w+x]== new_color);flood_fill_8(pixels, x,y+1,old_color,new_color);flood_fill_8(pixels, x,y-1,old_color,new_color);flood_fill_8(pixels, x-1,y,old_color,new_color);flood_fill_8(pixels, x+1,y,old_color,new_color);flood_fill_8(pixels, x+1,y+1,old_color,new_color);flood_fill_8(pixels, x+1,y-1,old_color,new_color);flood_fill_8(pixels, x-1,y+1,old_color,new_color);flood_fill_8(pixels, x-1,y-1,old_color,new_color);}}}简单种⼦填充算法的不⾜a)有些像素会多次⼊栈，降低算法效率，栈结构占空间b)递归执⾏，算法简单，但效率不⾼，区域内每⼀像素都要进/出栈，费时费内存c)改进算法，减少递归次数，提⾼效率三、扫描线种⼦填充算法基本思想从给定的种⼦点开始，填充当前扫描线上种⼦点所在的⼀区段，然后确定与这⼀段相邻的上下两条扫描线上位于区域内的区段（需要填充的区间），从这些区间上各取⼀个种⼦点依次把它们存起来，作为下次填充的种⼦点。
几何常用算法的计算机实现
几何常用算法的计算机实现
几何常用算法是指在计算机图形学和几何计算中经常使用的一些算法和技术，用于求解几何问题和处理几何数据。
这些算法主要用于计算点、线、曲线、曲面等几何对象之间的关系和属性，对于计算机图形学、计算机辅助设计和计算机辅助制造等领域具有重要意义。
在以下内容中，我将介绍一些常见的几何算法的计算机实现。
1.点与线段的关系判断算法
在计算机图形学中，经常需要判断一点与线段之间的关系，比如求点到线段的垂直距离、判断点是否在线段上等。
常用的算法有：点到线段的垂直距离算法、点在线段上的判断算法等。
这些算法的计算机实现可以使用向量运算和坐标转换等技术。
2.线段与线段的相交判断算法
线段与线段的相交判断算法是计算机图形学中常用的算法之一、它用于判断两条线段是否相交，以及计算相交点的坐标。
常见的算法有：端点重合和部分重合判断算法、跨立实验算法等。
这些算法可以通过线段的参数方程及坐标运算来进行计算机实现。
3.多边形的凸包算法
多边形的凸包算法用于求解一个给定点集合的最小凸包，即包围所有点集的最小凸多边形。
常用的算法有：Graham扫描算法、Jarvis步进算法、快速算法等。
这些算法的计算机实现可以利用极角排序、叉积计算等技术。
4.曲线的参数化表示与插值算法
5.曲面的参数化表示与细分算法
总结起来，几何常用算法的计算机实现主要集中在点与线段的关系判断、线段与线段的相交判断、多边形的凸包计算、曲线的参数化表示与插值以及曲面的参数化表示与细分等方面。
这些算法使用了向量运算、坐标转换、极角排序、叉积计算、递推和插值等技术来实现几何计算和几何数据处理。
计算几何与图形学有关的几种常用算法
算法系列之九：计算几何与图形学有关的几种常用算法（一）分类：算法系列2011-12-18 23:13 8182人阅读评论(41) 收藏举报我的专业是计算机辅助设计（CAD），算是一半机械一半软件，《计算机图形学》是必修课，也是我最喜欢的课程。
热衷于用代码摆平一切的我几乎将这本教科书上的每种算法都实现了一遍，这种重复劳动虽然意义不大，但是收获很多，特别是丢弃了多年的数学又重新回到了脑袋中，算是最大的收获吧。
尽管已经毕业多年了，但是每次回顾这些算法的代码，都觉得内心十分澎湃，如果换成现在的我，恐怕再也不会有动力去做这些事情了。
在学习《计算机图形学》之前，总觉得很多东西高深莫测，但实际掌握了之后，却发现其中了无神秘可言，就如同被原始人像神一样崇拜的火却被现代人叼在嘴上玩弄一样的感觉。
图形学的基础之一就是计算几何，但是没有理论数学那么高深莫测，它很有实践性，有时候甚至可以简单到匪夷所思。
计算几何是随着计算机和CAD的应用而诞生的一门新兴学科，在国外被称为“计算机辅助几何设计（Computer Aided Geometric Design，CAGD）”。
“算法系列”接下来的几篇文章就会介绍一些图形学中常见的计算几何算法（顺便晒晒我的旧代码），都是一些图形学中的基础算法，需要一些图形学的知识和数学知识，但是都不难。
不信？那就来看看到底有多难。
本文是第一篇，主要是一些图形学常用的计算几何方法，涉及到向量、点线关系以及点与多边形关系求解等数学知识，还有一些平面几何的基本原理。
事先声明一下，文中涉及的算法实现都是着眼于解释原理以及揭示算法实质的目的，在算法效率和可读性二者的考量上，更注重可读性，有时候为了提高可读性会刻意采取“效率不高”的代码形式，实际工程中使用的代码肯定更紧凑更高效，但是算法原理都是一样的，请读者们对此有正确的认识。
一、判断点是否在矩形内计算机图形学和数学到底有什么关系？我们先来看几个例子，增加一些感性认识。
计算机图形学多边形填充算法
计算机图形学多边形填充算法计算机图形学中的多边形填充算法是指将给定的多边形区域进行颜色填充，以使其完全填充的过程。
在图形学中，多边形是由一系列连续的线段组成的封闭图形。
填充算法可用于渲染图形、绘制图像等应用场景。
多边形填充算法的目标是根据设计要求和用户输入，给定一个多边形的边界，将多边形的内部区域进行颜色填充。
填充算法的实现涉及到图像的扫描线和区域判定，以确定填充的区域和颜色。
在本文中，我们将介绍常见的多边形填充算法，包括扫描线填充算法、边界填充算法等，并讨论它们的优缺点和适用场景。
扫描线填充算法扫描线填充算法是一种常见且简单的多边形填充算法。
该算法将多边形划分为一条条水平扫描线，并通过判断扫描线与多边形边界的交点，确定填充区域。
具体步骤如下：1.找到多边形边界的最上端和最下端。
2.从最上端开始，逐行进行扫描。
3.在每一行，通过求解扫描线与多边形边界的交点，确定填充区域。
4.对于每个填充区域，根据设计要求进行颜色填充。
扫描线填充算法的优点是简单易懂、实现较为容易。
然而，该算法存在一些缺点。
首先，对于具有复杂形状的多边形，扫描线填充算法可能会产生很多不必要的计算，导致效率降低。
其次，该算法需要处理多边形边界相交的情况，可能出现像素重复填充的问题，需要进行额外的处理。
边界填充算法边界填充算法是另一种常见的多边形填充算法。
与扫描线填充算法不同的是，边界填充算法是从多边形的边界出发，向内部填充颜色。
该算法的基本思想是对多边形的每条边进行填充，最终得到多边形的填充区域。
具体步骤如下：1.遍历多边形的每条边，保存每条边的起点和终点。
2.对于每个边，根据设计要求进行颜色填充。
3.对于多边形内部的区域，根据边界的颜色填充。
边界填充算法的优点是适用于复杂形状的多边形，无需处理边界相交的问题。
然而，该算法的实现相对复杂，需要处理边界的细化以及边缘像素重复填充的问题。
适用场景不同的多边形填充算法在不同场景下有不同的适用性。
计算机图形学（三种画线算法）
计算机图形学（三种画线算法）第⼆章：光栅图形学算法1、光栅显⽰器：光栅扫描式图形显⽰器简称光栅显⽰器，是画点设备，可看作是⼀个点阵单元发⽣器，并可控制每个点阵单元的亮度2、由来：随着光栅显⽰器的出现，为了在计算机上处理、显⽰图形，需要发展⼀套与之相适应的算法。
3、研究内容：1>直线段的扫描转换算法2>多边形的扫描转换与区域填充算法3>裁剪算法4>反⾛样算法5>消隐算法⼀、直线段的扫描转换算法1.为了显⽰⼀条直线，就在光栅显⽰器上⽤离散的像素点逼近直线，所以我们就要知道这些像素点的坐标已知P0和P1，利⽤斜截式⽅程，y=kx+b,求出k=（y1-y0）/(x1-x0),b为截距现在k,b已知，x,y未知，现在假设⼀个像素距离为y，即可求出y的值。
因为像素的坐标是整数，所以y值还要进⾏取整处理2.在计算机中加法的运算更快，乘法较慢，故可以把上述⽅法优化来提⾼效率1>数值微分法（DDA）2>中点划线法3>Bresenham算法数值微分法（DDA）-----增量算法（只有⼀个加法）这个式⼦的含义是：当前步的y值等于前⼀步的y值加上斜率k（增量）例⼦：思考：x递增1，y递增k，是否适合任意的k？可改进的点：1>⼀般情况下，k都是⼩数，且每⼀步均要对y四舍五⼊，唯⼀改进的途径是把浮点运算变为整数加法！2>⽅程还有两点式，⼀般式当|k|<=1时，伪代码如下：voidDDALine(int x0,int y0,int 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,x<=x1;x++){Drawpixel(x,int(y+0.5),color);//drawpixel(x, y, color)在(x, y)像素点绘制颜⾊为color的点Y=y+k;}}中点画线法采⽤直线的⼀般式⽅程：Ax+By+C=0 F(x,y)=0，其中a = y0 - y1， b = x1 - x0，c = x0y1 - x1y0令F(x, y)=0则得出直线⽅程，代⼊ (x0, y0)和(x1, y1)，便可得到三个⽅程，可求出a,b,c的值⼀条直线把平⾯分成了三个部分，直线上⽅，直线上，直线下⽅x⽅向上+1，y⽅向上加不加1需判断如何判断Q在M的上⽅还是下⽅？把M点的坐标带⼊⽅程,其中a = y0 - y1， b = x1 - x0分析计算量？两个乘法，四个加法，推导出d的增量公式d的初始值包含⼩数，因此可以⽤2d来代替d实现整数加法，所以d=2a+b伪代码如下：Void MidPointLine(int x0,int y0,int x1,int y1,int color){Int a,b,delta1,delta2,d,x,y;a=y0-y1;b=x1-x0;d=2*a+b;Delta1 = 2*a;Delta2 =2*(a+b);X = x0;Y=y0;//在对应的x,y像素点着⾊putpixel(x,y,GREEN);while(x<x1){if(d<0){x++;y++;d+=delta2;}else{x++;d+=delta1;}//在对应的x,y像素点着⾊putpixel(x,y,GREEN);}Bresenham算法每步的进化：DDA把算法效率提⾼到每步只做⼀个加法中点算法进⼀步把效率提⾼到每步只做⼀个整数加法Bresenham算法提供了⼀个更⼀般的算法，该算法不仅有好的效率，⽽且有更⼴泛的适⽤范围如何把算法的效率也提⾼到整数加法？改进⼀：令e=d-0.5因为d的初值为0，所以e的初值为-0.5，e=e+k,如果e>0,e=e-1改进⼆：在计算e值的情况下还是关于浮点数的计算，所以把浮点数化为整数。
计算机图形学第3章
第3章 基本图形生成算法
3.1 生成直线的常用算法
均假定所画直线的斜率k∈[0，1]。
3.1.1 DDA画线算法
DDA（Digital Differential Analyzer）画线 算法也称数值微分法，是一种增量算法。它的算 法实质是用数值方法解微分方程，通过同时对x和 y各增加一个小增量，计算下一步的x、y值。
边界表示的四连通区域种子填充算法 内点表示的四连通区域种子填充算法 边界表示的八连通区域种子填充算法 内点表示的八连通区域种子填充算法
第3章 基本图形生成算法
1．边界表示的四连通区域种子填充算法
基本思想：从多边形内部任一点（像素）出发，依“左 上右下”顺序判断相邻像素，若其不是边界像素且没有被填 充过，对其填充，并重复上述过程，直到所有像素填充完毕。 可以使用栈结构来实现该算法，算法的执行步骤如下： 种子像素入栈，当栈非空时，重复执行如下三步操作： （1）栈顶像素出栈； （2）将出栈像素置成多边形填充的颜色； （3）按左、上、右、下的顺序检查与出栈像素相邻的 四个像素，若其中某个像素不在边界上且未置成多边形色， 则把该像素入栈。
过各行各列像素中心构造一组虚拟网格线，按直 线从起点到终点的顺序计算直线与各垂直网格线的交 点，然后确定该列像素中与此交点最近的像素。 由图3-5不难看出：若s<t， 则Si比较靠近理想直线，应 选Si;若s≥t，则Ti比较靠近 理想直线，应选Ti。
第3章 基本图形生成算法
令dx=x2-x1，dy=y2-y1 递推公式 ：di 1 di 2dy 2dx( yi yi 1 ) di的初值： d1 2dy dx 当di≥0时，选Ti，
第3章 基本图形生成算法
计算机图形学
计算机图形学a.扫描线算法：⽬标：利⽤相邻像素之间的连贯性，提⾼算法效率。
处理对象：简单多边形，⾮⾃交多边形（边与边之间除了顶点外⽆其它交点）。
扫描线：平⾏于坐标轴的直线，⼀般取平⾏于X轴。
区间：扫描线与边的交点间的线段。
基本原理：将整个绘图窗⼝内扫描多边形的问题分解到⼀条条扫描线，只要完成每条扫描线的绘制就实现了多边形的扫描转换；⼀条扫描线与多边形的边有偶数个交点，每2个点形成⼀区间。
步骤：(对于每⼀条扫描线)(1)计算扫描线与边的交点(2)交点按x坐标从⼩到⼤排序(3)交点两两配对，填充区间。
算法：1、建⽴ET；2、将扫描线纵坐标y的初值置为ET中⾮空元素的最⼩序号，如图中，y=1；3、置AEL为空；4、执⾏下列步骤直⾄ET和AEL都为空．4.1、如ET中的第y类⾮空，则将其中的所有边取出并插⼊AEL 中；4.2、如果有新边插⼊AEL，则对AEL中各边排序；4.3、对AEL中的边两两配对，（1和2为⼀对，3和4为⼀对，…），将每对边中x坐标按规则取整，获得有效的填充区段，再填充．4.4、将当前扫描线纵坐标 y 值递值1；4.5、将AEL中满⾜y = ymax边删去（因为每条边被看作下闭上开的）；4.6、对AEL中剩下的每⼀条边的x 递增deltax，即x = x+deltax．b.⾛样与反⾛样：⾛样：⽤离散量（像素）表⽰连续的量（图形）⽽引起的失真，称为⾛样，或称为混淆。
光栅图形的⾛样现象：阶梯（锯齿）状边界、图形细节失真、狭⼩图形遗失：动画序列中时隐时现，产⽣闪烁。
反⾛样：在图形显⽰过程中，⽤于减少或消除⾛样（混淆）现象的⽅法。
⽅法：提⾼分辨率⽅法{⽅法简单，但代价⾮常⼤，显⽰器的⽔平、竖直分辩率各提⾼⼀倍，则显⽰器的点距减少⼀倍，帧缓存容量则增加到原来的4倍，⽽扫描转换同样⼤⼩的图元却要花4倍时间}、⾮加权区域采样{扫描转换线段的两点假设：像素是数学上抽象的点，它的⾯积为0，它的亮度由覆盖该点的图形的亮度所决定；直线段是数学上抽象直线段，它的宽度为0。
计算机图形学第3章-基本光栅图形生成算法
P4
P3
多边形顶点表示
多边形点阵表示
• 多边形填充就是把多边形的顶点表示转换为点阵表示,即从 多边形的给定边界出发,求出位于其内部的各个像素,并将
多边形的填充
• 填充条件：多边形的顶点序列<Pi,i=0,1,…,n>、填充色.
• 对多边形进行填充,关键是找出多边形内的象素.
• 多边形内点的判别准则
多边形的填充—边缘填充算法
• 算法实现： • 对多边形P的每一非水平边〔i=0,1,…,n〕上的各像素做向右
求反运算即可,见下图,其中<a>为给定的多边形；<b>为对区 域赋初值；<c>,<d>,<e>和<f>表示逐边向右求反.
多边形的填充—边界标志算法
• 基本原理：首先用一种特殊的颜色在帧缓冲器中将多边形 的边界〔水平边的部分边界除外〕勾画出来.然后再把位于 多边形内的各个像素着上所需的颜色
多边形的填充—扫描线算法
•算法步骤
•根据给出的多边形顶点坐标,建立ET表； • 求出顶点坐标中最大y值ymax和最小y值ymin. •初始化AET表指针,使它为空. •使用扫描线的yj值作为循环变量,使其初值为ymin. • 对于循环变量yj的每一整数值,重复作以下事情,直到yj大于ymax,或ET 表与AET表都为空为止： •如果ET表中yj桶非空,则将yj桶中的全部记录合并到AET表中. •对AET表链中的记录按x的大小从小到大排序. •依次取出AET表各记录中的xi坐标值,两两配对填充,即将每对xi之间的 象素填上所要求的颜色. •如果AET表中某记录的ymax=yj,则删除该记录. •对于仍留在AET表中的每个记录,用xi+1/m代替xi进行修改,这就是该 记录的边线与下一条扫描线yj+1的交点. •使yj加1,以便进入下一轮循环.
计算机图形学常用算法及代码大全
2.1.1 生成直线的DDA算法数值微分法即DDA法(Digital Differential Analyzer)，是一种基于直线的微分方程来生成直线的方法。
一、直线DDA算法描述：设(x1，y1)和(x2，y2)分别为所求直线的起点和终点坐标，由直线的微分方程得可通过计算由x方向的增量△x引起y的改变来生成直线：也可通过计算由y方向的增量△y引起x的改变来生成直线：式(2－2)至(2－5)是递推的。
二、直线DDA算法思想：选定x2－x1和y2－y1中较大者作为步进方向(假设x2－x1较大)，取该方向上的增量为一个象素单位(△x=1)，然后利用式(2－1)计算另一个方向的增量(△y=△x·m=m)。
通过递推公式(2－2)至(2－5)，把每次计算出的(x i+1，y i+1)经取整后送到显示器输出，则得到扫描转换后的直线。
之所以取x2－x1和y2－y1中较大者作为步进方向，是考虑沿着线段分布的象素应均匀，这在下图中可看出。
另外，算法实现中还应注意直线的生成方向，以决定Δx及Δy是取正值还是负值。
三、直线DDA算法实现：1、已知直线的两端点坐标：(x1，y1)，(x2，y2)2、已知画线的颜色：color3、计算两个方向的变化量：dx=x2－x1dy=y2－y14、求出两个方向最大变化量的绝对值：steps=max(|dx|，|dy|)5、计算两个方向的增量(考虑了生成方向)：xin=dx/stepsyin=dy/steps6、设置初始象素坐标：x=x1,y=y17、用循环实现直线的绘制：for(i=1；i<=steps；i++){ putpixel(x，y，color)；/*在(x，y)处，以color色画点*/x=x+xin；y=y+yin；}五、直线DDA算法特点：该算法简单，实现容易，但由于在循环中涉及实型数的运算，因此生成直线的速度较慢。
//@brief 浮点数转整数的宏实现代码#define FloatToInteger(fNum)((fNum>0)?static_cast<int>(fNum+0.5):static_cast<int>(fNum-0.5))/*!* @brief DDA画线函数** @param pDC [in]窗口DC* @param BeginPt [in]直线起点* @param EndPt [in]直线终点* @param LineCor [in]直线颜色* @return 无*/void CDrawMsg::DDA_DrawLine(CDC *pDC,CPoint &BeginPt,CPoint &EndPt,COLORREF LineCor){l ong YDis = (EndPt.y - BeginPt.y);l ong XDis = (EndPt.x-BeginPt.x);l ong MaxStep = max(abs(XDis),abs(YDis)); // 步进的步数f loat fXUnitLen = 1.0f; // X方向的单位步进f loat fYUnitLen = 1.0f; // Y方向的单位步进f YUnitLen = static_cast<float>(YDis)/static_cast<float>(MaxStep);f XUnitLen = static_cast<float>(XDis)/static_cast<float>(MaxStep);// 设置起点像素颜色p DC->SetPixel(BeginPt.x,BeginPt.y,LineCor);f loat x = static_cast<float>(BeginPt.x);f loat y = static_cast<float>(BeginPt.y);// 循环步进f or (long i = 1;i<=MaxStep;i++){x = x + fXUnitLen;y = y + fYUnitLen;pDC->SetPixel(FloatToInteger(x),FloatToInteger(y),LineCor);}}2.1.2 生成直线的B resenham算法从上面介绍的DDA算法可以看到，由于在循环中涉及实型数据的加减运算，因此直线的生成速度较慢。
计算机图形学基本光栅图形算法
void bresenham(Graphics g, int xs, int ys, int xe, int ye) { int dx = xe-xs; int dy = ye-ys; 改进后的 int e = 2*dy-dx; 算法程序 int x = xs; int y = ys; for(int i = 0;i < dx; i++) { g.drawLine(x,y,x,y); //画点（x, y） if(e>=0) { y=y+1; e=e-2*dx; } x=x+1; e=e+2*dy; } }
当点(x,y)在圆上时，F(x,y)=0。
19
2）实现步骤
第1步：x0=0，y0=R 第2步： 求得Pi(xi,yi)后找点Pi+1的原则为： 当Pi在圆内时(F(xi,yi)≤0)， 要向右走一步得Pi+1，这是向圆外方 向走去。取xi+1= xi+1, yi+1= yi
A
y
Pi
Pi+1
上面讨论了x y 0 的情况，如果 y x 0 ， 则需把 x 和 y 的地位互换。如果 y 0 或 x 0 ， 注： 程序中y y 1或 x x 1需换成 y y 1或x x 1 ， 17 同时 也应相应地改变。
3.3 圆的扫描转换
xi
xi 1
图3.5 ( x)的几何意义的其他两种情况
15
算法的程 序实现
m = (double)dy/(double)dx； e = m–0.5； for(i = 0; i <dx; i++) { g.drawLine(x,y,x,y); if(e>=0){ y = y+1； e = e–1; } x = x+1；e = e+m; }
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
现需确定下一个点亮的象素。
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P1 M与Q重合， P1、P2任取一点。
P2 Q
P=(xp,yp) P1
问题：如何判断M与Q点的关系？
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：
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。
在直线生成的算法中Bresenham算法是最有 效的算法之一。令 k=Δy/Δx，就 0≤k≤1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。
中点画线法
例：用中点画线法P0(0,0) P1(5,2)
a=y0-y1=-2 b=x1-x0=5 d0=2a+b=1 d1=2a=-4 d2=2(a+b)=6
i 1 2 3 4
xi 0 1 2 3
yi 0 0 1 1 2
d 1 -3 3 -1 5
3 2 1 0 1 2 3 4 5
5 4
Bresenham画线算法
P2 Q P1
中点画线法
若d≥0->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
P2 Q
P=(xp,yp) P1
中点画线法
若d<0->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a＋b
中点画圆法
利用圆的对称性，只须讨论1/8圆。第二个8分圆
P（Xp ，Yp ） P1 M P2
P为当前点亮象素，那么，下一个点亮的象素可 能是P1（Xp+1，Yp）或P2（Xp +1，Yp +1)。
中点画圆法
构造函数：F（X，Y）=X + Y - R ；则 F（X，Y）= 0 （X，Y）在圆上； F（X，Y）< 0 （X，Y）在圆内； F（X，Y）> 0 （X，Y）在圆外。 设M为P1、P2间的中点，M=(Xp+1,Yp-0.5)
数值微分(DDA)法
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 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; x≤x1, x++) { drawpixel (x, int(y+0.5), color); y=y+k; } }
P2 Q
P=(xp,yp) P1
中点画线法
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。
。
栅格交点表示象素点位置
(X i+1 ,Yi + k)
。
(X i , Int(Yi +0.5))
数值微分(DDA)法
基本思想
已知过端点P0 (x0, y0), P1(x1, y1)的直线段L y=kx+b 直线斜率为 y − y0 1
k =
x − x0 1
令x = x0 → x1 ; x = x + stepx ∴ ( x, round ( y ) )
中点画线法
void Midpoint Line (int x0,int y0,int x1, int y1,int color) { int 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 (x<x1) { if (d<0) {x++; y++; d+=d2; } else {x++; d+=d1;} drawpixel (x, y, color); } /* while */ } /* mid PointLine */
数值微分(DDA)法
缺点： 在此算法中，y、k必须是float，且每一 步都必须对y进行舍入取整，不利于硬件实现。
中点画线法
原理：
P2 Q
P=(xp,yp) P1
假定直线斜率0<K<1，且已 确定点亮象素点P（X ,Y ）, 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
若d<0, 则P1 为下一个象素，那么再下一个象素 的判别式为：
d
P1
-R
2
M P2
中点画圆法
若d>=0, 则P2 为下一个象素，那么再下一个象 素的判别式为： d1 = F(xp + 2, yp - 1.5) 2 2 2 = (xp + 2) + (yp - 1.5) - R = d + （2xp + 3）+（-2 yp + 2x 3 + -2 2） P1 即d 的增量为 2 (xp - yp) +5. d的初值: M d0 = F(1, R0.5) P2 2 = 1 + (R-0.5) 2 -R = 1.25 - R
程序如下： BresenhamLine(x0,y0,x1,y1,color) int x0,y0,x1,y1,color; { int x,y,dx,dy; float k,e; int e; dx = x1-x0; dy = y1-y0; k = dy/dx; e = -0.5; x=x0; y=y0; e = -dx; for( i=0; i<=dx; i++){ drawpixel(x,y,color); x++; e=e+k; e1=e-0.5; e=e+2*dy; e1= e-dx; if(e1 > 0) e = e - 1; e = e - 2*dx; if(e >=0) y++; } }
2 2 2
y
缺点：浮点运算，开方， 取整，不均匀。
x
角度DDA法
x = x0 + Rcosθ y = y0 + Rsinθ dx =- Rsinθdθ dy = Rcosθdθ xn+1 =x n + dx y n+1 =y n + dy xn+1 = x n + dx = x n - Rsinθdθ =x n - (y n - y 0 )dθ y n+1 = y n + dy = y n + Rcosθdθ =y n + (x n - x 0 )dθ 显然，确定x,y的初值及dθ值后，即可以增量方 式获得圆周上的坐标，然后取整可得象素坐标。 但要采用浮点运算、乘法运算、取整运算。
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பைடு நூலகம்运算。
y = kx + b
数值微分(DDA)法
计算yi+1= kxi+1+b = kxi+b+k∆x = yi+k∆x 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
Bresenham画线算法
圆的扫描转换算法
下面仅以圆心在原点、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： 2 2 2 X + Y = R
圆弧扫描算法
X + Y = R 2 2 Y = ±Sqrt(R - X ) 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。
Bresenham画线算法
由式（2）和式（3）可得到 ε(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ε(xi+1)≥0 yi+1 - yir -0.5 + k, 当ε(xi+1)≤0 ε(xi+2)= ε(xi+1) + k -1 ,当ε(xi+1)≥0 ε(xi+2)= ε(xi+1) + k , 当ε(xi+1)≤0 由式（1）和式（2）可得到 ε(x2)= k - 0.5 (5)