Системы координаты строк сканирования

2.8 Системы координаты строк сканирования.

 Точное определение тех пикселов, которые должны активироваться, требует некоторой осторожности. Рассмотрим простой прямоугольник, изображенный на рис. 2.8. Прямоугольник имеет координаты (1,1), (5,1), (5,4), (1,4). Сканирующие строки с 1 по 4 имеют пересечения с ребрами многоугольника при x = 1 и 5. Пиксел адресуется координатами своего левого нижнего угла, значит, для каждой из этих сканирующих строк будут активированы пикселы с x-координатами 1, 2, 3, 4 и 5. На рис. 2.8 показан результат. Заметим, что площадь, покрываемая активированными пикселами, равна 20, в то время как настоящая площадь прямоугольника равна 12.

Модификация системы координат сканирующей строки и теста активации устраняет эту проблему, как это показано на рис. 2.8,b. Считается, что сканирующие строки проходят через центр строк пикселов, т. е. через середину интервала, как это показано на рис. 2.8,b. Тест активации модифицируется следующим образом: проверяется, лежит ли внутри интервала центр пиксела, расположенного справа от пересечения. Однако пикселы все еще адресуются координатами левого нижнего угла. Как показано на рис.2.8,b, результат данного метода корректен.

Горизонтальные ребра не могут пересекать сканирующую строку и, таким образом, игнорируются. Это совсем не означает, что их нет на рисунке. Эти ребра формируются верхней и нижней строками пикселов.

Дополнительная трудность возникает при пересечении сканирующей строки и многоугольника точно по вершине, как это показано на рис. 2.9. При использовании соглашения о середине интервала между сканирующими строками получаем, что строка у = 3.5 пересечет многоугольник в 2, 2 и 8, т. е. получится нечетное количество пересечений. Следовательно, разбиение пикселов на пары даст неверный результат, т. е. пикселы (0,3), (1,3) и от (3,3) до (7,3) будут фоновыми, а пикселы (2,3), (8,3), (9,3) окрасятся в цвет многоугольника. Если учитывать только одну точку пересечения с вершиной. Тогда для строки у = 3.5 получим правильный результат. Однако результат применения метода к строке у = 1.5, имеющей два пересечения в (5,1), показывает, что метод неверен. Для этой строки именно разбиение на пары даст верный результат, т. е. окрашен будет только пиксел (5,1). Если же учитывать в вершине только одно пересечение, то пикселы от (0,1) до (4,1) будут фоновыми, а пикселы от (5,1) до (9,1) будут окрашены в цвет многоугольника.

2.9 Особенности пересечения со строками сканирования.

Правильныйрезультат можно получить, учитывая точку пересечения в вершине два реза, если она является точкой локального минимума или максимума и учитывая один раз в противном случае. Определить локальный максимум или минимум многоугольника в рассматриваемой вершине можно с помощью проверки концевых точек двух ребер. Если у обоих рёбер у больше, чем у вершины, значит, вершина является точкой локального минимума. Если меньше, значит, вершина - точка локального максимума. Если одна больше, а другая меньше, следовательно, вершина не является ни точкой локального минимума, ни точкой локального максимума. На рис.2.10 точка Р₁ - локальный минимум, Р₃ - локальный максимум, а Р₂, Р₄ - ни то ни другое. Следовательно, в точках Р₁ и Р₃ учитываются два пересечения со сканирующими

строками, а в Р₂ и Р₄ - одно.

Алгоритм с упорядоченным списком рёбер

Используя описанные выше методы, можно разработать эффективные алгоритмы растровой развертки сплошных областей, называемые алгоритмами с упорядоченным списком ребер. Эффективность этих алгоритмов зависит от эффективности сортировки. Приведём очень простой алгоритм.

Алгоритм с упорядоченным списком ребер, использующий список активных рёбер.

Подготовить данные:

Используя сканирующие строки, проведенные через середины отрезков, т. е. через у + ½ определить для каждого ребра многоугольника наивысшую сканирующую строку, пересекаемую ребром.

Занести ребро многоугольника в у- группу, соответствующую этой сканирующей строке.

Сохранить в связном списке значения: начальное значение координат x точек пересечения, Dy - число сканирующих строк, пересекаемых ребром многоугольника, и ~ Dx – шаг приращения по x при переходе от одной сканирующей строки к другой.

Преобразовать эти данные в растровую форму:

Для каждой сканирующей строки проверить соответствующую у- группу на наличие новых ребер. Новые ребра добавить в список активных рёбер.

Отсортировать координаты x точек пересечения из САР в порядке возрастания; т. е. х₁ предшествует x₂, если х₁< х₂

Выделить пары точек пересечений из отсортированного по

x списка. Активировать на сканирующей строке y пикселы для целых значений x, таких, что x₁ £ x + ½ £ x₂.Для каждого ребра из САР уменьшить Dу на 1. Если Dу < 0, то исключить данное ребро из САР. Вычислить новое значение координат x точек пересечения x_нов = x_стар + Dx

Перейти к следующей сканирующей строке

В алгоритме предполагается, что все данные предварительно преобразованы в представление, принятое для многоугольников.

Алгоритм заполнения по рёбрам

Алгоритм, использующий список ребер и флаг, является двух шаговым. Первый шаг состоит в обрисовке контура, в результате чего на каждой сканирующей строке образуются пары ограничивающих пикселов. Второй шаг состоит в заполнении пикселов, расположенных между ограничивающими. Более точно алгоритм можно сформулировать в следующем виде:

Алгоритм со списком ребер и флагом

Обрисовка контура:

Используя соглашения о середине интервала между сканирующими строками для каждого ребра, пересекающего сканирующую строку, отметить самый левый пиксел, центр которого лежит справа от пересечения; т.е.

x + 1/2 > x_{пересечения}

Заполнение:

Для каждой сканирующей строки, пересекающей многоугольник

Внутри = FALSE

for x = 0 (левая граница) to x = x_max, (правая граница)

if пиксел в точке x имеет граничное значение

then инвертировать значение переменной Внутри

if Внутри = TRUE then

присвоить пикселу в x значение цвета многоугольника

else

присвоить пикселу в x значение цвета фона

end if

next x

В данном алгоритме каждый пиксел обрабатывается только один раз, так что затраты на ввод/вывод значительно меньше, чем в алгоритме со списком рёбер, в результате чего, при его аппаратной реализации, он работает на один-два порядка быстрее чем алгоритм с упорядоченным списком рёбер.

Алгоритмы заполнения с затравкой

В обсуждавшихся выше алгоритмах заполнение происходит в порядке сканирования. Иной подход используется в алгоритмах заполнения с затравкой. В них предполагается, что известен хотя бы один пиксел из внутренней области многоугольника. Алгоритм пытается найти и закрасить все другие пикселы, принадлежащие внутренней области. Области могут быть либо внутренние, либо гранично-определенные.

Рис. 2.10. Внутренне - определённая область

Рис. 2.11. Гранично-определённая область

Если область относится к внутренне - определенным, то все пикселы, принадлежащие внутренней части, имеют один и тот же цвет или интенсивность, а все пикселы, внешние по отношению к области, имеют другой цвет. Это продемонстрировано на рис. 2.10. Если область относится к гранично-определенным, то все пикселы на границе области имеют выделенное значение или цвет, как это показано на рис. 2.11. Алгоритмы, заполняющие внутренне - определенные области, называются внутренне - заполняющими, а алгоритмы для гранично-определённых областей – гранично-заполняющими. Далее будут обсуждаться гранично-заполняющие алгоритмы, однако соответствующие внутренне заполняющие алгоритмы можно получить аналогичным образом.

Внутренне- или гранично-определённые области могут быть 4- или 8- связными. Если область 4-связная, то любой пиксел в области можно достичь с помощью комбинаций движений только в 4-х направлениях: налево, направо, вверх, вниз. Для 8-и связной области добавляются ещё и диагональные направления. Алгоритм заполнения 8-связной области заполнит и 4-связную, но обратное не верно. Однако в ситуации, когда требуется заполнить разными цветами две отдельные 4-связные области, использование 8-связного алгоритма даст не верный результат. Далее речь пойдёт об алгоритмах для 4-связных областей, однако их легко адаптировать и для 8-связных.

Построчный алгоритм заполнения с затравкой

Используя стек, можно разработать алгоритм заполнения гранично-определенной области. Стек - это просто массив или другая структура данных, в которую можно последовательно помещать значения и из которой их можно последовательно извлекать. Как показывает практика, стек может быть довольно большим. Зачастую в нём содержится дублирующаяся информация. В построчном алгоритме заполнения с затравкой стек минимизируется за счёт хранения только затравочного пиксела для любого непрерывного интервала на сканирующей строке. Непрерывный интервал - это группа примыкающих друг к другу пикселов (ограниченная уже заполненными или граничными пикселами). Мы для разработки алгоритма используем эвристический подход, однако также возможен и теоретический подход, основанный на теории графов.

Данный алгоритм применим гранично-определённым 4-связным областям, которые могут быть как выпуклыми, так и не выпуклыми, а также могут содержать дыры. В области, внешней и примыкающей к нашей, не должно быть пикселов с цветом, которым область или многоугольник заполнятся. Схематично работу алгоритма можно разбить на четыре этапа.

Построчный алгоритм заполнения с затравкой

Затравочный пиксел на интервале извлекается из стека, содержащего затравочные пикселы.

Интервал с затравочным пикселом заполняется влево и вправо от затравки вдоль сканирующей строки до тех пор пока не будет найдена граница.

В переменной X_лев и X_прав запоминаются крайний левый и крайний правый пикселы интервала

В диапазоне X_лев £ x £ X_прав проверяются строки расположенные непосредственно над в под текущей строкой. Определяется, есть ли на них еще не заполненные пикселы. Если такие пикселы есть (т. е. не все пикселы граничные, или уже заполненные), то в указанном диапазоне крайний правый пиксел в каждом интервале отмечается как затравочный и помещается в стек.

При инициализации алгоритма в стек помешается единственный затравочный пиксел, работа завершается при опустошении стека. Ниже приводится более подробное описание алгоритма на псевдокоде.

Построчный алгоритм заполнения с затравкой

Затравка ( x, y ) выдаёт затравочный пиксел

Pop -процедура, которая извлекает пиксел из стека

Push - процедура, которая помещает пиксел в стек

инициируем стек

Push Затравка ( x, y )

While ( стек не пуст )

Извлекаем пиксел из стека и присваиваем ему новое значениеPop Пиксел ( x, y )

Пиксел ( x, y ) = Нов_значение

сохраняем x- координату затравочного пиксела

Врем_х = x

заполняем интервал справа от затравки

x = x +1

while Пиксел ( x, y ) ¹ Гран_значение

Пиксел ( x, y ) = Нов_значение

x = x +1

end while

сохраняем крайний справа пиксел

Xправ = x -1

восстанавливаем x- координату затравки

x = Врем_х

заполняем интервал слева от затравки

x = x -1

while Пиксел ( x, y ) ¹ Гран_значение

Пиксел ( x, y ) = Нов_значение

x = x -1

end while

сохраняем крайний слева пиксел

Xлев = x +1

восстанавливаем x- координату затравки

x = Врем_х

проверим, что строка выше не является ни границей многоугольника, ни уже полностью заполненной; если это не так, то найти затравку, начиная с левого края подинтервала сканирующей строки

x = Xлев

y = y +1

while x £ Xправ

ищем затравку на строке выше

Флаг = 0

while ( Пиксел ( x, y ) ¹ Гран_значение and

Пиксел ( x, y ) ¹ Нов_значение and x < Xправ )

if Флаг = 0 then Флаг = 1

x = x + 1

end while

помещаем в стек крайний справа пиксел

if Флаг =1 then

if ( x = Xправ and Пиксел ( x, y ) ¹ Гран_значение and Пиксел ( x, y ) ¹ Нов_значение ) then

Push Пиксел ( x, y )

else

Push Пиксел ( x - 1, y )

end if

Флаг = 0

end if

продолжим проверку, если интервал был прерван

Xвход = x

while (( Пиксел ( x, y ) = Гран_значение or

Пиксел ( x, y ) = Нов_значение ) and x < Xправ)

x = x + 1

end while

удостоверимся что координата пиксела увеличена

if x = Xвход then x = x + 1

end while

проверим, что строка ниже не является ни границей многоугольника, ни уже полностью заполненной

Эта часть алгоритма совершенно аналогична проверке для строки выше, за исключением, того что вместо y = y + 1 надо подставить y = y - 1

end while

finish

Удаление невидимых линий и поверхностей

Задача удаления невидимых линий и поверхностей является одной из наиболее сложных в машинной графике. Алгоритмыудаления невидимых линий и поверхностей служат для определения линий ребер, поверхностей или объемов, которые видимы или невидимы для наблюдателя, находящегося в заданной точке пространства.

Похожие работы

Компьютерная графика и решаемые ею задачи

Скачать

17177

0

0

... Разновидности компьютерной графики   Двумерная графика Двумерная компьютерная графика классифицируется по типу представления графической информации, и следующими из него алгоритмами обработки изображений. Обычно, компьютерную графику разделяют на: · векторную · растровую, · фрактальную Они отличаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на ...

Тенденции развития рынка компьютерной графики и анимации

Скачать

20082

0

0

... в качестве реальной альтернативы системе Unix.  _ 23.Платформа Intel ПК с процессором Intel продолжает оставаться наиболее распространённой платформой в сфере компьютерной графики и анимации. Главным событием, имеющим к ней непосредственное отноше- ние, стала демонстрация компанией Autodesk четвёртой версии программы 3D Studio - ...

Компьютерная графика

Скачать

29081

0

3

... простыми. Большинство цветовых оттенков образуется смешением основных цветов. Способ разделения цветового оттенка на составляющие компоненты называется цветовой моделью. Существует много различных типов цветовых моделей, но в компьютерной графике, как правило, применяется не более трех. Эти модели известны под названиями: RGB, CMYK, НSB. Цветовая модель RGB Наиболее проста для понимания и ...

Компьютерная графика и основные графические редакторы

Скачать

66016

2

0

... прочие). В соответствии с принципами формирования изображения аддитивным или субтрактивным методами разработаны способы разделения цветового оттенка на составляющие компоненты, называемые цветовыми моделями. В компьютерной графике в основном применяют модели RGB и HSB (для создания и обработки аддитивных изображений) и CMYK (для печати копии изображения на полиграфическом оборудовании). Цветовые ...