- •Лекция 1
- •1.1. Области, связанные с обработкой изображения
- •1.2. Изображение и его машинное представление
- •1.3. Описание сцены и его машинное представление
- •Представление поверхностных моделей.
- •Лекция 2
- •Лекция 2,3
- •Лекция 4,5 Преобразования на плоскости и в пространстве
- •Лекция 6-7-8 Элементы вычислительной геометрии на плоскости.
- •Отсечение отрезка на плоскости
- •Алгоритм Сазерленда-Коэна
- •Отсечение полигона выпуклым окном
- •Плоскость
- •Полигон
- •Лекция 9-10-11-12 Удаление невидимых линий и поверхностей
- •Лекция 13 Наложение текстур
- •Лекция 14 Освещение
- •Лекция 15 Устранение лестничного эффекта (Antialiasing)
- •Лекция 16 Дискретизация изображений
- •Палитры и оптимизация палитр.
- •Метод квантования цветов медианным сечением.
- •Лекция 17,18 Форматы растровых файлов
- •Сжатие графической информации
- •Типы изображений.
- •Требования к алгоритмам компрессии.
- •Критерии сравнения алгоритмов.
- •Алгоритмы архивации без потерь.
- •Лекция 19 Классы изображений и переходы между ними
- •Сегментация изображений
- •Построение контура
- •Построение скелета (остова) области
- •Сегментация кривых
- •Интерполирование
- •Заливка областей
- •Сглаживание
- •Лекция 20 Распознавание образов Понятие образа
- •Проблема обучения распознаванию образов
- •Геометрический и структурный подходы.
- •Гипотеза компактности
- •Самообучение.
- •Перцептроны
- •Р Классы (образы) аспознавание графических образов
- •Лекция 21 Аппроксимация кривых и поверхностей сплайнами
- •Сплайн-функции одной переменной
- •Кривые Безье
- •Где nk(t) – функциональные весовые множители.
- •Рациональные в-сплайновые поверхности
- •Лекция 22 Устройства ввода и вывода графической информации
- •Мониторы
- •Принтеры
- •Графопостроители
- •Сканеры
- •Планшеты и указатели
- •Графические акселераторы
- •Лекция 23 Архитектура графических систем
Лекция 2,3
Построение растровых примитивов
Примитив – простейший элемент описания изображения (по аналогии с пикселем – элементом изображения). Из примитивов фактически строится любое изображение. Это отрезки прямых и дуги кривых (например, окружности), залитые области, символы.
1. Прямоугольник (x1,y1,x2,y2,color)
Строится с помощью двух вложенных циклов по x и по y.
for(y=y1;y<=y2;y++) for(x=x1;x<=x2;x++) writePixel(x,y,color);
2. Отрезок (x1,y1,x2,y2,color)
Если это горизонтальный (y1==y2) или вертикальный (x1==x2) отрезок, то его можно построить с помощью одного цикла.
for(x=x1;x<=x2;x++) writePixel(x,y1,color);
Для построения произвольного отрезка пользуются следующими алгоритмами.
2.1. DDA (digital differential analyzer) цифровой дифференциальный анализатор. Из уравнения y=a+bx
Фактически требуется высветить те точки, которые ближе всего к отрезку.
(0,1)-(5,3)
dx=5, dy=2, d=dy/dx=0.4
(0,1.5), (1,1.9), (2,2.3),
(3,2.7), (4,3.1), (5,3.5)
Выбирается ось, вдоль которой отрезок имеет максимальный размер (например, ось x, при |dx|>|dy|)
Рассчитывается производная как d=dy/dx (|d|<=1)
y=y1+0.5;
for(x=x1;x<=x2;x++) { writePixel(x,floor(y),color); y+=d; }
Нужно ввести понятие 4-х и 8-ми связных линий.
По такому алгоритму можно построить и 4-х связный отрезок.
for(x=x1;x<x2;x++){ writePixel(x,floor(y),color); y+=d; writePixel(x,floor(y),color);}
Еще одно понятие – sub-пиксельная точность, когда координаты точек задаются не целыми числами. Более точное представление примитивов на экране.
(0.75, 1.75)-(5.5, 3.5)
Требует лишь незначительной модификации алгоритма.
writePixel(x1,floor(y1),color);
y=y1+(floor(x1)+0.5-x1)*d;
for(x=x1+1;x<x2;x++) { //writePixel(x,floor(y),color); y+=d; writePixel(x,floor(y),color); }
//writePixel(x2,floor(y),color);
writePixel(x2,floor(y2),color);
2.2. Алгоритм Брезенхема.
Не требует деления и вычислений с нецелыми числами.
r=-0.5
r+=dy/dx, при пересечении 0-ой границы – r-=1;
если все домножить на 2*dx - получим
r=-dx
r+=2*dy, при пересечении 0-ой границы – r-=2*dx;
r=-(x2-x1); a=2*(y2-y1); b=2*(x2-x1);
for(x=x1, y=y1;x<=x2;x++) { writePixel(x,y,color); r+=a; if (r>0) { y++; r-=b; } }
Для 4-х связных линий
for(x=x1, y=y1;x<x2;x++) { writePixel(x,y,color); r+=a;
if (r>0) { y++; r-=b; writePixel(x,y,color);} }
writePixel(x2,y2,color);
Для работы с sub-пиксельной точностью алгоритм следует модифицировать.
-
Дополнительно умножить все коэффициенты на точность
-
Иначе рассчитать начальный r
r=(2*K*floor(x1)+K-2*K*x1)* (y2-y1); a=2*K*(y2-y1); b=2*K*(x2-x1);
for(x=x1, y=y1;x<=x2;x++) { writePixel(x,y,color); r+=a; if (r>0) { y++; r-=b; } }
Для 4-х связных линий – ничем не отличается от обычного (кроме коэффициентов)
3. Окружность. (x0,y0,R,color)
3.1. DDA – алгоритм.
for(x=0,y=R;x<=y;x++) { writePixel(x0+x,y0-floor(y),color); y-=x/y; }
Для остальных 7 частей меняются местами x,y и направление приращения. Для sub-пиксельной точности алгоритм остается прежним, только все переменные – нецелые. Алгоритм рисует не совсем точную окружность.
3.2. Алгоритм Брезенхема.
Требуется выбрать либо A либо B.
Р асстояние от окружности до A
Расстояние от окружности до B
Если a>=0 – A находится снаружи от окружности,
выбираем A.
Е сли a<0 – определяем, что больше |a| или |b|.
Если эта разность больше нуля – выбираем A, иначе – B.
Р екуррентное соотношение для a в случае, если выбираем A.
Р екуррентное соотношение для a в случае, если выбираем B.
Н ачальное значение.
a=2*(1-R);
for(x=0,y=R;x<=y;x++) { writePixel(x0+x,y0-y,color);
if ((a<0) && (2*(a-y)-1<0)) { a+=2*x+2; }
else { y--; a+=2*(x-y)+4; } }
Для sub-пиксельной точности алгоритм остается прежним, только все коэффициенты умножаются на точность.
4. Треугольник.
(x1,y1,x2,y2,x3,y3,color)
Рисуется с помощью спанов.
Спан - горизонтальный отрезок пикселов.
Спан ограничен двумя отрезками.
Одним слева, а другим справа.
Еще одно понятие – sub-пиксельная точность, когда координаты точек задаются не целыми числами. Более точное представление примитивов на экране.
Координаты s1 и s2 спанов рассчитываются как пересечение ограничивающих отрезков с горизонтальной прямой, проходящей через центры пикселов соответствующей строки.
Сначала точки сортируются вдоль вертикальной оси (по y). A,B,C – отсортированные точки. Рассчитывается номер первой строки Ys=floor(Ay+0.5). Затем, для первых двух отрезков (AB и BC) рассчитываются производные dx/dy {k1=(Bx-Ax)/(By-Ay), k2=(Cx-Ax)/(Cy-Ay)} и значения границ первого спана {s1=Ax+k1*(Ys-Ay), s2=Ax+k2*(Ys-Ay)}. До тех пор, пока Ys<=By в цикле рисуем спан, увеличиваем Ys, пересчитываем s1,s2 для новой строки {s1+=k1; s2+=k2;}. Затем пересчитываем k1,s1 и продолжаем цикл пока Ys<=Sy.
5. Заливка ограниченной области с затравкой. (x1,y1,color1,color2) затравка, цвет контура, цвет заливки.
Реализуется с помощью рекурсивного алгоритма.
Самый простой – поточечный.
FillPoint(x, y,color1, color2)
{
c=GetPixel(x,y);
if ((c ==color1)||(c ==color2)) return;
writePixel(x,y,color2);
FillPoint(x-1,y);
FillPoint(x+1,y);
FillPoint(x,y-1);
FillPoint(x,y+1);
}
Более сложный, но и более быстрый – по спанам.
int FillSpan(int x0,int y0,long color1,long color2,int prev_xl,int prev_xr,int dir,int offset=0)
{
long c;
for(int xl=x0;xl>=0;xl--){c=GetBigPixel(xl,y0);if ((c==color1)||(c==color2)) break;}
xl++;
for(intxr=x0;xr<Width;xr++){c=GetBigPixel(xr,y0);if ((c==color1)||(c==color2)) break;}
xr--;
int x,xnext1,xnext2;
xnext1=xnext2=xl-1;
for(x=xl;x<=xr;x++)
{
bigPixel(x,y0,color1,offset);
if(x>xnext1)
{
c=GetBigPixel(x,y0+dir);
if((c!=color1)&&(c!=color2))
xnext1=FillSpan (x, y0+dir,color1,color2,xl,xr,dir,offset);
}
if ((x<prev_xl) && (x>xnext2))
{
c=GetBigPixel(x,y0-dir);
if((c!=color1)&&(c!=color2))
xnext2=FillSpan (x, y0-dir,color1,color2,xl,xr,-dir,offset);
}
if (x>prev_xr)
{
c=GetBigPixel(x,y0-dir);
if((c!=color1)&&(c!=color2))
prev_xr=FillSpan (x, y0-dir,color1,color2,xl,xr,-dir,offset);
}
}
return xr;
}