计算机图形学——裁剪

裁剪作用:
选择显示的内容--图形在窗口内的部分被显示出来,窗口外的部分被裁剪掉
 图形中每个图形基本元素都要经过裁剪,因此裁剪直接影响整个图形系统的效率。

裁剪窗口:矩形,凸多边形,任意多边形
裁剪类型:二维裁剪、三维裁剪
裁剪对象:直线段、多边形、文字等
裁剪方法:
直线的裁剪方法: Sutherland-Cohen算法 , Cyrus-Beck算法,梁友栋-Barsky算法
多边形的裁剪方法:Sutherland-Hodgman算法
三维的裁剪方法: Sutherland-Cohen算法 ,梁友栋-Barsky算法
 

一、Sutherland-Cohen算法

本算法又称为编码裁剪算法

Sutherland–Cohen算法分成两部分:

第一步,判定:
1) 完全在窗口内的直线段,称为完全可见的线段,如AB。保留着
2) 完全在窗口外的线段,称为完全不可见线段,如CD。抛弃掉

第二步,处理不能断定为完全可见或完全不可见的线段,如IJ、KL
*这时需要计算出直线段和窗口边界的一个交点,这个交点把直线分成两段,其中一条为完全不可见的线段,被抛弃。
*对余下部分再作第一步的判断,重复上述过程,直到直线段余下的部分可用第一步的判断得出肯定的结论为止。

1、判断完全可见/不可见的线段

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。窗口的四条边把整个平面分成九个区域,每一个区域采用四位编码表示:

在x=xL左侧的区域,编码的第四位是1;
在x=xR右侧的区域,编码的第三位是1;
在y=yB下侧的区域,编码的第二位是1;
在y=yT上侧的区域,编码的第一位是1。


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如何判断?
对要被裁剪的线段的两个端点进行区域编码。

如果其所在的区域的编码均是0000(相与),则这条线段完全可见;
如果两个编码的逻辑与不为0000,则这条线段完全不可见

2、处理不能断定为完全可见或完全不可见的线段

线段KL为例,从K点(1001)的编码分析出K在x=xL的左侧,KL必和x=xL有交点,求出其交点M,KM显然是完全不可见的,因而只要对ML从第一步开始重复上述处理步骤。
由于ML还是不能用第一步下结论,又从M的编码发现M在y=yT的上侧,因而要求ML和y=yT的交点N。

丢掉MN,对NL用第一步的方法可断定NL为完全可见,至此裁剪结束。

3、程序代码

float xl, xr, yt, yb;
unsigned char code(float x, float y)
{
    unsigned char c = 0;
    if (x < xl)
        c = c|1;  //按位或
    else if (x > xr)
        c = c|2;
    if (y < yb)
        c = c|4;
    else if (y > yt)
        c = c|8;
    return c;
}//给九个区域编码
 
void clip(float x0, float y0, float x2, float y2)
{
    unsigned char c1, c2, c;
    float x, y, wx, wy;
    c1 = code(x0, y0);
    c2 = code(x2, y2);
    while ((!(c1 == 0)) || (!(c2 == 0)))
    {
        if ((c1& c2))
            return; //两端点逻辑与不为0,则在区域外,裁去
        c = c1;
        if (c == 0)
            c = c2;
        wx=x2-x0;
        wy=y2-y0;
        if ((c & 1) == 1)
        {
            y = y0 + wy * (xl - x0) /wx;
            x = xl;
        }//端点在xl左侧,求与xl的交点

        else if ((c & 2) == 2)
        {
            y = y0 +wy * (xr - x0) /wx;
            x = xr;
        } //端点在xr右侧,求与xr的交点

        else if ((c & 4) == 4)
        {
            x = x0 +wx * (yb - y0) /wy;
            y = yb;
        } //端点在yb下方,求与yb的交点

        else if ((c & 8) == 8)
        {
            x = x0 +wx * (yt - y0) / wy;
            y = yt;
        } //端点在yt上方,求与yt的交点

        if (c == c1)
        {
            x0 = x;
            y0 = y;
            c1 = code(x0, y0);
        }
        else
        {
            x2 = x;
            y2 = y;
            c2 = code(x2, y2);
        } //用交点代替端点,再返回第一步
    }// While()
    glLine(int(x0), int(y0), int(x2), int(y2));
}

4、小结

Cohen-Sutherland裁剪算法对不与边框相交的线段进行裁剪时效率较高,而对与窗口边界有交点的线段裁剪效率低。

因而比较适合两种情况的裁剪:一是大部分线段完全可见;二是大部分线段完全不可见。

而且很多的时候,被裁剪线段仅与窗口边界延长线相交,求交点到最后是无效的操作,因为线段可能完全被丢弃;并且被裁剪线段与窗口边界相交时交点的取得比较复杂。

比如像下图这样的裁剪,这条红色线段完全是在裁剪窗口的外部,却需要进行算法计算,最后线段完全被丢弃!

二、中点分隔算法

中点分隔算法是对Sutherland-Cohen算法在求交点方面的改进。

核心思想是通过二分逼近来确定直线段与 窗口的交点。

取线段的中点

1、若中点不在窗口内, 则把中点和离窗口边界最远点构成的线段丢掉,以线段上的另一点和该中点再构成线段求其中点

2、如中点在窗口内,则又以中点和最远点构成线段, 并求其中点,直到中点与窗口边界的 坐标值在规定的误差范围内相等

重复上述过程,直到线段长度小于给定的小数ε为止。
在显示时ε可取成一个象素的宽度,对分辨率为2N×2N的显示器来说,上面讲的二分的过程最多只要作N次



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