Scanline là gì
Các thuật toán tô màuTô màu một vùng là thay đổi màu sắc của các điểm vẽ nằm trong vùng cần tô. Một vùng tô thường đựơc xác định bởi một đường khép kín nào đó gọi là đường biên. Dạng đường biên đơn giản thường gặp là đa giác. Show Việc tô màu thường chia làm 2 công đoạn : . Xác định vị trí các điểm cần tô màu. . Quyết định tô các điểm trên bằng màu nào. Công đoạn này sẽ trở nên phức tạp khi ta cần tô theo một mẫu tô nào đó chứ không phải tô thuần một màu. Có 3 cách tiếp cận chính để tô màu. Đó là : tô màu theo từng điểm (có thể gọi là tô đơn giản), tô màu theo dòng quét và tô màu dựa theo đường biên. Tô đơn giảnThuật toán này bắt đầu từ việc xác định một điểm có thuộc vùng cần tô hay không ? Nếu đúng là điểm thuộc vùng cần tô thì sẽ tô với màu muốn tô. Tô đường tròn - Để tô đường tròn thì ta tìm hình vuông nhỏ nhất ngoại tiếp đường tròn bằng cách xác định điểm trên bên trái (xc-r, yc-r) và điểm dưới bên phải (xc+r, yc+r) của hình vuông (xem hình 2.2). - Cho i đi từ xc-r đến xc+r Cho j đi từ yc-r đến yc+r Tính khoảng cách d giữa hai điểm (i,j) và tâm (xc,yc) Nếu d Hình 2.3 : đường tròn nội tiếp hình vuông. Tô đa giác - Tìm hình chữ nhật nhỏ nhất có các cạnh song song với hai trục tọa độ chứa đa giác cần tô dưa vào hai tọa độ (xmin, ymin), (xmax, ymax). Trong đó, xmin, ymin là hoành độ và tung độ nhỏ nhất, xmax, ymax là hoành
độ và tung độ lớn nhất của các đỉnh của đa giác. - Cho x đi từ xmin đến xmax, y đi từ ymin đến ymax (hoặc ngược lai). Xét điểm P(x,y) có thuộc đa giác không ? Nếu có thì tô với màu cần tô (xem hình 2.4). Xmax Hình 2.4 : đa giác nội tiếp hình chữ nhật. Thông thường một điểm nằm trong đa giác thì số giao điểm từ một tia bất kỳ xuất phát từ điểm đó cắt biên của đa giác phải là một số lẻ lần. Đặc biệt, tại các đỉnh cực trị (cực đại hay cực tiểu ) thì một giao điểm phải được tính 2 lần (xem hình 2.5). Tia có thể qua phải hay qua trái. Thông thường ta chọn tia qua phải. Ví dụ : Xét đa giác gồm 13 đỉnh là P0 , P1 , ....., P12 = P0 (xem hình
2.5). Hình 2.5 : Đa giác có 13 đỉnh. Lưu ý : Gọi tung độ của đỉnh Pi là Pi.y . Nếu : - Pi.y < Min ( Pi+1.y, Pi-1.y) hay Pi.y > Max (
Pi+1.y, Pi-1.y) thì Pi là đỉnh cực trị ( cực tiểu hay cực đại ). - Pi-1.y < Pi.y < Pi+1.y hay Pi-1 > Pi.y > Pi+1.y thì Pi là đỉnh đơn điệu. - Pi = Pi+1 và Pi.y < Min ( Pi+2.y, Pi-1.y) hay Pi > Max ( Pi+2.y, Pi-1.y) thì đoạn
[Pi,Pi+1] là đoạn cực trị ( cực tiểu hay cực đại ). - Pi = Pi+1 và Pi-1.y < Pi.y < Pi+2.y hay Pi-1 > Pi.y > Pi+2.y thì đoạn [Pi,Pi+1] là đoạn đơn điệu. Thuật toán kiểm tra điểm có nằm trong đa giác - Với mỗi đỉnh của đa giác ta đánh dấu là 0 hay 1 theo qui ước như sau: nếu là đỉnh cực trị hay
đoạn cực trị thì đánh số 0. Nếu là đỉnh đơn điệu hay đoạn đơn điệu thì đánh dấu 1. - Xét số giao điểm của tia nữa đường thẳng từ P là điểm cần xét với biên của đa giác. Nếu số giao điểm là chẳn thì kết luận điểm không thụôc đa giác. Ngược lại, số giao điểm là lẻ thì điểm thuộc đa giác. Minh họa thuật toán xét điểm thuộc đa giác function PointInpoly(d: dinh; P: d_dinh; n: integer): boolean; var count, i: integer; x_cut: longint; function next(i: integer): integer; begin next := (i + n + 1) mod n end; function prev(i: integer): integer; begin prev := (i + n - 1) mod n end; begin count := 0; for i := 0 to n-1 do if d[i].y = P.y then begin if d[i].x > P.x then begin if ((d[prev(i)].y < P.y) and (P.y < d[next(i)].y)) or ((d[prev(i)].y > P.y) and (P.y > d[next(i)].y)) then count := count + 1; if d[next(i)].y = P.y then if ((d[prev(i)].y < P.y) and (P.y < d[next(next(i))].y)) or ((d[prev(i)].y > P.y and (P.y > d[next(next(i))].y)) then count := count + 1; end; end else {d[i].y = P.y} if ((d[i].y < P.y) and (P.y < d[next(i)].y)) or ((d[i].y > P.y) and (P.y > d[next(i)].y)) then begin x_cut := d[i].x + Round((d[next(i)].x - d[i].x) / (d[next(i)].y - d[i].y) * (P.y - d[i].y)); if x_cut >= P.x then count := count + 1; end; if (count mod 2 = 0) then PointInPoly := false else PointInpoly := true; end; Minh họa thuật toán tô đa giác (xmin, ymin, xmax, ymax: đã khai báo trong chương trình chính.) Procedure Todg ( d:dinh; n,maubien : integer ; d: dinh; n:integer ) ; var x, y:integer; P: d_dinh; begin for x:=xmin to xmax do for y:= ymin to ymax do begin P.x:= x; P.y := y; if pointInpoly (d, P, n) then if getpixel(x,y)<>maubien then putpixel(x,y,color); end; end; Nhận xét: Thuật toán tô đơn giản có ưu điểm là tô rất mịn và có thể sử dụng được cho đa giác lồi hay đa giác lõm, hoặc đa giác tự cắt, đường tròn, ellipse. Tuy nhiên, giải thuật này sẽ trở nên chậm khi ta phải gọi hàm PointInpoly nhiều lần. Để khắc phục nhược điểm này người ta đưa ra thuật toán tô màu theo dòng quét. Tô màu theo dòng quét (scan - line)Phương pháp này sẽ xác định phần giao của các dòng quét kế tiếp nhau với đường biên của vùng tô. Sau đó, sẽ tiến hành tô màu các điểm thuộc phần giao này. Phương pháp này thường được dùng để tô màu đa giác lồi , lõm hay đa giác tự cắt, đường tròn, ellipse, và một số đường cong đơn giản khác. Các bước chính của thuật toán - Tìm ymin, ymax lần lượt là giá trị nhỏ nhất, lớn nhất của tập các tung độ của các đỉnh của đa giác đã cho. - Ứng với mỗi dòng quét y = k với k thay đổi từ ymin đến ymax, lặp : . Tìm tất cả các hoành độ giao điểm của dòng quét y = k với các cạnh của đa giác. . Sắp xếp các hoành độ giao điểm theo thứ tự tăng dần : x0 ,x1 ,..., xn ,... . Tô màu các đoạn thẳng trên đường thẳng y = k lần lượt được giới hạn bởi các cặp (x0, x1), ( x1 ,x2 ), ....(xem hình 2.6). Hình 2.6 : Tô đa giác bằng giải thuật scan -line. Các vấn đề cần lưu ý: - Hạn chế đụơc số cạnh cần tìm giao điểm ứng với mỗi dòng quét vì ứng với mỗi dòng quét không phải lúc nào cũng giao điểm với các cạnh của đa giác. - Xác định nhanh hoàn độ giao điểm vì nếu lặp lại thao tác tìm giao điểm của cạnh đa giác với mỗi dòng quét sẽ tốn rất nhiều thời gian. - Giải quyết trường hợp số giao điểm đi qua đỉnh đơn điệu thì tính số giao điểm là 1 hay đi qua đỉnh cực trị.thì tính số giao điểm là 0 (hoặc 2). Tổ chức cấu trúc dữ liệu và thuật toán - Danh sách các cạnh (Edge Table - ET) : chứa toàn bộ các cạnh của đa giác (loại các cạnh song song với trục Ox) được sắp theo thứ tự tăng dần của trục y. Xem hình 2.5 ta có thể sắp xếp các cạnh trong ET là : AB, AI, HG, BC, GF, DC, EF (loại IH và DE) - Danh sách các cạnh đang kích họat (Active Edge Table - AET) : chứa các cạnh của đa giác có thể cắt ứng với dòng quét hiện hành, các cạnh này được sắp theo thứ tự tăng dần của hoành độ giao điểm của hoành độ giao điểm giữa cạnh và dòng quét. - Khi dòng quét đi từ ymin đến ymax, các cạnh thoả điều kiện sẽ được chuyển từ ET sang AET. Nghĩa là, khi dòng quét y=k bắt đầu cắt một cạnh, khi đó k ≥ ymin, cạnh này sẽ được chuyển từ ET sang AET. Khi dòng quét không còn cắt cạnh này nữa, khi đó, k > ymax, cạnh này sẽ bị loại khỏi AET. Khi không còn cạnh nào trong ET hay AET thì quá trình tô màu kết thúc ( xem hình 2.5). Hình 2.7 : Tô đa giác bằng giải thuật scan -line. - Để tìm giao điểm giữa cạnh đa giác và dòng quét, ta có nhận xét sau : Trong đó m là hệ số góc của cạnh. Lưu đồ thuật toán scan - line Phương pháp tô màu dựa theo đường biênBài toán đặt ra : Cần tô màu một vùng nếu biết được màu của đường biên vùng tô và một điểm nằm bên trong vùng tô. Ý tưởng : Bắt đầu từ một điểm nằm bên trong vùng tô, kiểm tra các điểm lân cận của nó đã được tô với màu muốn tô, hay điểm lân cận có màu trùng với màu biên không ? Nếu cả hai trường hợp đều không phải thì ta sẽ tô điểm đó với màu muốn tô. Quá trình này được lặp lại cho đến khi không còn tô được nữa thì dừng (xem hình 2.8). Hình 2.8 : Tô màu theo đường biên. Có 2 quan điểm về cách tô này. Đó là dùng 4 điểm lân cận (có thể gọi là 4 liên thông) hay 8 điểm lân cận (8 liên thông) (xem hình 2.9). Hình 2.9 : 4 liên thông và 8 liên thông. Cài đặt minh họa thuật toán 4 liên thông Procedure Boundary_fill ( x,y, mauto, maubien :integer); var mau_ht : integer; begin mau_ht:= getpixel(x, y); if (mau_ht <> mauto) and (mau_ht <> maubien) then begin putpixel(x,y,color); Boundary_fill ( x+1,y, mauto, maubien ); Boundary_fill ( x-1,y, mauto, maubien ); Boundary_fill ( x,y+1, mauto, maubien ); Boundary_fill ( x,y-1, mauto, maubien ); end; end; Nhận xét : - Thuật toán có thể không chính xác khi có một số điểm nằm trong vùng tô có màu là màu cần tô của vùng. - Việc thực hiện gọi đệ qui làm thuật toán không thể sử dụng cho vùng tô lớn ( tràn stack). - Có thể khắc phục việc tràn stack bằng cách giảm số lần gọi đệ qui. Khởi đầu điểm (x,y) là điểm có vị trí đặc biệt trong vùng tô, sau đó, gọi đệ qui các điểm lân cận của (x,y) (xem hình 2.8). Hình 2.10: Tam giác với 3 tọa độ đỉnh. Ví dụ 1: Trong hình 2.10, ta có thể xét điểm (x,y) có tọa độ là (498, 200). Với điểm khởi đầu này thì chỉ cần xét 3 điểm lân cận là (x-1,y), (x,y-1), (x,y+1). Khi đó thủ tục tô màu theo đường biên được viết lại như sau : Procedure Boundary_fill ( x,y,mauto, maubien :integer); var mau_ht : integer; begin mau_ht:= getpixel(x,y); if (mau_ht <> mauto) and (mau_ht <> maubien) then begin putpixel(x,y,color); Boundary_fill ( x-1,y, mauto, maubien ); Boundary_fill ( x,y+1, mauto, maubien ); Boundary_fill ( x,y-1, mauto, maubien ); end; end; Ví dụ 2: Trong hình 2.10, ta có thể xét điểm (x,y) có tọa độ là (102, 102). Với điểm khởi đầu này thì chỉ cần xét 2 điểm lân cận là (x+1,y), (x,y+1). Khi đó thủ tục tô màu theo đường biên được viết lại như sau : Procedure Boundary_fill ( x,y,mauto, maubien :integer); var mau_ht : integer; begin mau_ht:= getpixel(x,y); if (mau_ht <> mauto) and (mau_ht <> maubien) then begin putpixel(x,y,color); Boundary_fill ( x+1,y, mauto, maubien ); Boundary_fill ( x,y+1, mauto, maubien ); end; end; - Một cải tiến khác : không cài đặt đệ qui mà tô theo từng dòng (xem hình 2.11). Hình 2.10 : Tô theo từng dòng. |
