计算机图形学裁剪算法详解.doc

裁剪算法详解 在使用计算机处理图形信息时，计算机内部存储的图形往往比较大，而屏幕显示的只是图的一部分。因此需要确定图形中哪些部分落在显示区之内，哪些落在显示区之外，以便只显示落在显示区内的那部分图形。这个选择过程称为裁剪。最简单的裁剪方法是把各种图形扫描转换为点之后，再判断各点是否在窗内。但那样太费时，一般不可取。这是因为有些图形组成部分全部在窗口外，可以完全排除，不必进行扫描转换。所以一般采用先裁剪再扫描转换的方法。(a)裁剪前 (b) 裁剪后图1.1 多边形裁剪1直线段裁剪 直线段裁剪算法比较简单，但非常重要，是复杂图元裁剪的基础。因为复杂的曲线可以通过折线段来近似，从而裁剪问题也可以化为直线段的裁剪问题。常用的线段裁剪方法有三种：Cohen-Sutherland,中点分割算法和梁友栋barskey算法。1.1 Cohen-Sutherland裁剪该算法的思想是：对于每条线段P1P2分为三种情况处理。（1）若P1P2完全在窗口内，则显示该线段P1P2简称“取”之。（2）若P1P2明显在窗口外，则丢弃该线段，简称“弃”之。（3）若线段既不满足“取”的条件，也不满足“弃”的条件，则在交点处把线段分为两段。其中一段完全在窗口外，可弃之。然后对另一段重复上述处理。 为使计算机能够快速判断一条直线段与窗口属何种关系，采用如下编码方法。延长窗口的边，将二维平面分成九个区域。每个区域赋予4位编码CtCbCrCl.其中各位编码的定义如下：图1.2 多边形裁剪区域编码 图5.3线段裁剪裁剪一条线段时，先求出P1P2所在的区号code1,code2。若code1=0,且code2=0，则线段P1P2在窗口内，应取之。若按位与运算code1&code20，则说明两个端点同在窗口的上方、下方、左方或右方。可判断线段完全在窗口外，可弃之。否则，按第三种情况处理。求出线段与窗口某边的交点，在交点处把线段一分为二，其中必有一段在窗口外，可弃之。在对另一段重复上述处理。在实现本算法时，不必把线段与每条窗口边界依次求交，只要按顺序检测到端点的编码不为0，才把线段与对应的窗口边界求交。Cohen-Sutherland裁减算法#define LEFT 1#define RIGHT 2#define BOTTOM 4#define TOP 8int encode(float x,float y) int c=0; if(xXR) c|=RIGHT; if(xYB) c|=BOTTOM; if(xYT) c|=TOP; retrun c;void CS_LineClip(x1,y1,x2,y2,XL,XR,YB,YT)float x1,y1,x2,y2,XL,XR,YB,YT;/(x1,y1)(x2,y2)为线段的端点坐标，其他四个参数定义窗口的边界 int code1,code2,code; code1=encode(x1,y1); code2=encode(x2,y2); while(code1!=0 |code2!=0) if(code1&code2 !=0) return; code = code1; if(code1=0) code = code2; if(LEFT&code !=0) x=XL; y=y1+(y2-y1)*(XL-x1)/(x2-x1); else if(RIGHT&code !=0) x=XR; y=y1+(y2-y1)*(XR-x1)/(x2-x1); else if(BOTTOM&code !=0) y=YB;x=x1+(x2-x1)*(YB-y1)/(y2-y1);else if(TOP & code !=0) y=YT; x=x1+(x2-x1)*(YT-y1)/(y2-y1); if(code =code1) x1=x;y1=y; code1 =encode(x,y);else x2=x;y2=y; code2 =encode(x,y); displayline（x1,y1,x2,y2);1.2 中点分割裁剪算法 中点分割算法的大意是，与前一种Cohen-Sutherland算法一样首先对线段端点进行编码，并把线段与窗口的关系分为三种情况: 全在、完全不在和线段和窗口有交。对前两种情况，进行一样的处理。对于第三种情况，用中点分割的方法求出线段与窗口的交点。即从p0点出发找出距p0最近的可见点A和从p1点出发找出距p1最近的可见点B，两个可见点之间的连线即为线段p0p1的可见部分。从p0出发找最近可见点采用中点分割方法：先求出p0p1的中点pm,若p0pm不是显然不可见的，并且p0p1在窗口中有可见部分，则距p0最近的可见点一定落在p0pm上，所以用p0pm代替p0p1；否则取pmp1代替p0p1。再对新的p0p1求中点pm。重复上述过程，直到pmp1长度小于给定的控制常数为止，此时pm收敛于交点。由于该算法的主要计算过程只用到加法和除2运算，所以特别适合硬件实现，同时也适合于并行计算。图5.4 A、B分别为距p0、p1最近的可见点，Pm为p0p1中点1.3梁友栋Barskey算法梁友栋和Barskey提出了更快的参数化裁剪算法。首先按参数化形式写出裁剪条件：这四个不等式可以表示为形式：其中，参数pk,qk定义为：任何平行于裁剪边界之一的直线pk=0，其中k对应于裁剪边界（k=1,2,3,4对应于左、右、下、上边界）如果还满足qk0，则线段完全在边界外，舍弃该线段。如果qk0，则该线段平行于裁剪边界并且在窗口内。当pk0,线段从裁剪边界延长线的内部延伸到外部。当pk0，可以计算出线段与边界k的延长线的交点的u值：u=qk/pk对于每条直线，可以计算出参数u1和u2，它们定义了在裁剪矩形内的线段部分。u1的值由线段从外到内遇到的矩形边界所决定（p0）。对这些边界计算rk=qk/pk 。u2取1和各个rk值之中的最小值。如果u1u2，则线段完全落在裁剪窗口之外，被舍弃。否则裁剪线段由参数u的两个值u1,u2计算出来。void LB_LineClip(x1,y1,x2,y2,XL,XR,YB,YT)float x1,y1,x2,y2,XL,XR,YB,YT; float dx,dy,u1,u2; tl=0;tu=1; dx =x2-x1; dy =y2-y1; if(ClipT(-dx,x1-Xl,&u1,&u2) if(ClipT(dx,XR-x1, &u1,&u2)if(ClipT(-dy,y1-YB, &u1,&u2) if(ClipT(dy,YT-y1, &u1,&u2) displayline(x1+u1*dx,y1+u1*dy, x1+u2*dx,y1+u2*dy) return; bool ClipT(p,q,u1,u2)float p,q,*u1,*u2; float r; if(p*u2)return FALSE; else if(r*u1) *u1=r; return TRUE; else if(p0) r=p/q; if(r*u1) return FALSE; else if(r*u2) *u2=r; return TRUE; else if(q0) return FALSE; return TRUE;2 多边形裁剪 对于一个多边形，可以把它分解为边界的线段逐段进行裁剪。但这样做会使原来封闭的多边形变成不封闭的或者一些离散的线段。当多边形作为实区域考虑时，封闭的多边形裁剪后仍应当是封闭的多边形，以便进行填充。为此，可以使用Sutherland-Hodgman算法。该算法的基本思想是一次用窗口的一条边裁剪多边形。 算法的每一步，考虑窗口的一条边以及延长线构成的裁剪线。该线把平面分成两个部分：一部分包含窗口，称为可见一侧；另一部分称为不可见一侧。依序考虑多边形的各条边的两端点S、P。它们与裁剪线的位置关系只有四种。(1)S,P均在可见一侧（2）S,P均在不可见一侧(3)S可见,P不可见(4)S不可见,P可见。图1.3 S、P与裁剪线的四种位置关系每条线段端点S、P与裁剪线比较之后，可输出0至两个顶点。对于情况（1）仅输出顶点P；情况（2）输出0个顶点；情况（3）输出线段SP与裁剪线的交点I； 情况（4）输出线段SP与裁剪线的交点I和终点P 上述算法仅用一条裁剪边对多边形进行裁剪，得到一个顶点序列，作为下一条裁剪边处理过程的输入。对于每一条裁剪边，算法框图一样，只是判断点在窗口哪一侧以及求线段SP与裁剪边的交点算法应随之改变。基于divide and conquer策略的Sutherland-Hodgman算法typedef struct float x; float y; Vertex;typedef Vertex Edge2;typedef Vertex VertexArrayMAX;SutherlandHodgmanClip（VertexArray InVertexArray, VertexArray OutVertexArray, edge ClipBoundary, int &Inlength, int &Outlength） Vertex s, p, ip; int j; Outlength = 0; S = InVertexArray InLength -1; For (j = 0; j ClipBoundary0.x)/裁剪边为窗口下边 if(testpt.y= ClipBoundary0.y) return TRUE; else if(ClipBoundary1.x ClipBoundary0.x) /裁剪边为窗口上边 if(testpt.y ClipBoundary0.y) /裁剪边为窗口右边 if(testpt.x= ClipBoundary0.x) return TRUE; else if(ClipBoundary1.y= ClipBoundary0.x) return TRUE; Return FALSE; /直线段SP和窗口边界求交，返回交点；void Intersect (Vertex&S,Vertex &P,Edge ClipBoundary,Vertex& IntersectPt) if(ClipBoundary0.y= ClipBoundary1.y)/