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第3章直线和圆弧的生成算法3.1直线图形的生成算法数学上的直线是没有宽度、由无数个点构成的集合，显然，光栅显示器只能近地似显示直线。
当我们对直线进行光栅化时，需要在显示器有限个像素中，确定最佳逼近该直线的一组像素，并且按扫描线顺序，对这些像素进行写操作，这个过程称为用显示器绘制直线或直线的扫描转换。
由于在一个图形中，可能包含成千上万条直线，所以要求绘制算法应尽可能地快。
本节我们介绍一个像素宽直线绘制的三个常用算法：数值微分法(DDA、中点画线法和Bresenham算法。
3.1.1逐点比较法3.1.2数值微分(DDA)法设过端点P o(x o , y°)、R(X1 , y1)的直线段为L( P0 , R)，则直线段L的斜率为—沁生要在显示器显示厶必须确定最佳逼近Z的掃素集合。
我们从L的起点P0的横坐标X o向L的终点R的横坐标X1步进，取步长=1(个像素)，用L 的直线方程y=kx+b计算相应的y坐标，并取像素点(x,round( y))作为当前点的坐标。
因为：y i+1 = kX i+1+b= k1X i +b+k x= y i+k x所以，当x =1; y i+1 = y i+k。
也就是说，当x每递增1，y递增k(即直线斜率)。
根据这个原理，我们可以写出DDA( Digital Differential Analyzer) 画线算法程序。
DDA画线算法程序: void DDALi ne(int xO,i nt yO,i nt x1,i nt y1,i nt color){ int x ；float dx, dy, y, k ；dx = x1-x0 ；dy=y1-y0 ；k=dy/dx, ；y=yO；for (x=xO ；x< x1 ；x++){ drawpixel (x, i nt(y+0.5), color);y=y+k;}}注意：我们这里用整型变量color表示像素的颜色和灰度。
第3章直线和圆弧的生成算法3.1直线图形的生成算法数学上的直线是没有宽度、由无数个点构成的集合，显然，光栅显示器只能近地似显示直线。
当我们对直线进展光栅化时，需要在显示器有限个像素中，确定最优逼近该直线的一组像素，并且按扫描线顺序，对这些像素进展写操作，这个过程称为用显示器绘制直线或直线的扫描转换。
由于在一个图形中，可能包含成千上万条直线，所以要求绘制算法应尽可能地快。
本节我们介绍一个像素宽直线绘制的三个常用算法：数值微分法〔DDA〕、中点画线法和Bresenham算法。
3.1.1逐点比拟法3.1.2数值微分(DDA)法设过端点P0(x0,y0)、P1(x1,y1)的直线段为L(P0,P1)，如此直线段L的斜率L的起点P0的横坐标x0向L的终点P1的横坐标x1步进，取步长=1(个像素)，用L的直线方程y=kx+b计算相应的y坐标，并取像素点(x,round(y))作为当前点的坐标。
因为：y i+1= kx i+1+b= k1x i+b+k∆x= y i+k∆x所以，当 x =1; y i+1= y i+k。
也就是说，当x每递增1，y递增k(即直线斜率)。
根据这个原理，我们可以写出DDA〔Digital Differential Analyzer〕画线算法程序。
DDA画线算法程序：void DDALine(int x0,int y0,int x1,int y1,int color){ int x；float dx, dy, y, k；dx = x1-x0；dy=y1-y0；k=dy/dx,；y=y0；for (x=x0；x< x1；x++){ drawpixel (x, int(y+0.5), color);y=y+k;}}注意：我们这里用整型变量color表示像素的颜色和灰度。
举例：用DDA方法扫描转换连接两点P0〔0,0〕和P1〔5,2〕的直线段。
x int(y+0.5) y0 0 01 02 13 14 2图3 直线段的扫描转换注意：上述分析的算法仅适用于|k| ≤1的情形。
12直线生成算法圆弧绘制算法图元的概念33.1 图元的概念为其颜色值。
3.1 图元的概念3.1 图元的概念12直线生成算法圆弧绘制算法图元的概念33.2 直线生成算法曲线和各种复杂的图形均是离散成许多直线段来绘制，因而直线是二维图形生成技术的基础。
数学上的理想直线没有宽度，是由无数个点构成的集合。
对直线进行光栅化时，只能在显示器所给定的有限个像素组成的点阵中，选择能最好地逼近于该直线的一组像素，并对这些像素进行写操作。
这就是通常所说的用显示器绘制直线，即直线的扫描转换。
直线扫描转换的主要工作：快速找出像素点阵中最近的网格点3.2 直线生成算法画一条从近直线的像素序列，并填入色彩数据的过程。
这一过程也称为直线光栅化。
需要解决的问题►连续性►粗细、亮度要均匀►像素逼近待画直线►速度3.2 直线生成算法 问题1问题3.2 直线生成算法常用的直线生成算法有三种：►►►►►►3.2 直线生成算法基本思路：是用数值方法求解微分方程的一种方法，即根据长移动，由此产生连续的像素坐标3.2 直线生成算法设起点和终点坐标分别为Δx令即第3.2 直线生成算法于是有步的结果加上一个增量得到。
该算法在方向增量为3.2 直线生成算法3.2 直线生成算法下图中，用公式（表示，但显示时要用像素来表示，即采用舍入的办法得到最靠近空心圆点的像素，用这些像素（下图中的实心圆点）来表示直线。
3.2 直线生成算法void LineDDA(int{int} }3.2 直线生成算法►►想位置的偏移；►►整运算，运行效率低且取整运算不利于硬件实现基本思路：假定直线斜率P(x p,y的中点，---如果取---如果取---M与问题转换为如何判断构造判别式假设直线方程为：则由数学知识可知有下面的关系：F(F(F(所以，欲判断Q点下方，只需要把中点并检查它的符号。
构造判别式d=F(=a(当d<0取右上方当d≥0取右方P判别式的增量算法当增量为若增量为其它斜率的情况时再将算法设计：画线从d0可以用d0算法设计：例：用中点画线法12345void MidpointLine (int x { int a, b, d} /* mid PointLine */设直线的起点坐标为的情况来说明该算法。
直线和圆弧的生成算法第3章直线和圆弧的生成算法3.1直线图形的生成算法数学上的直线是没有宽度、由无数个点构成的集合，显然，光栅显示器只能近地似显示直线。
当我们对直线进行光栅化时，需要在显示器有限个像素中，确定最佳逼近该直线的一组像素，并且按扫描线顺序，对这些像素进行写操作，这个过程称为用显示器绘制直线或直线的扫描转换。
由于在一个图形中，可能包含成千上万条直线，所以要求绘制算法应尽可能地快。
本节我们介绍一个像素宽直线绘制的三个常用算法：数值微分法（DDA）、中点画线法和Bresenham算法。
3.1.1逐点比较法3.1.2数值微分(DDA)法设过端点P0(x0,y0)、P1(x1,y1)的直线段为L(P0,P1)，则直线段L的斜率L的起点P0的横坐标x0向L的终点P1的横坐标x1步进，取步长=1(个像素)，用L的直线方程y=kx+b计算相应的y坐标，并取像素点(x,round(y))作为当前点的坐标。
因为：y i+1= kx i+1+b= k1x i+b+k∆x= y i+k∆x所以，当 x =1; y i+1= y i+k。
也就是说，当x每递增1，y递增k(即直线斜率)。
根据这个原理，我们可以写出DDA（Digital Differential Analyzer）画线算法程序。
DDA画线算法程序：void DDALine(int x0,int y0,int x1,int y1,int color){ int x；float dx, dy, y, k；dx = x1-x0； dy=y1-y0；k=dy/dx,；y=y0；for (x=x0；x< x1；x++){ drawpixel (x, int(y+0.5), color);y=y+k;}}注意：我们这里用整型变量color表示像素的颜色和灰度。
举例：用DDA方法扫描转换连接两点P0（0,0）和P1（5,2）的直线段。
x int(y+0.5) y+0.50 0 01 0 0.4+0.52 1 0.8+0.53 1 1.2+0.54 2 1.6+0.5图3.1.1 直线段的扫描转换注意：上述分析的算法仅适用于|k| ≤1的情形。
在这种情况下，x每增加1,y最多增加1。
当|k| 1时，必须把x，y地位互换，y每增加1，x相应增加1/k。
在这个算法中，y与k必须用浮点数表示，而且每一步都要对y进行四舍五入后取整，这使得它不利于硬件实现。
动画演示：数值微分画线算法（DDA）3.1.3中点画线法假定直线斜率k在0~1之间，当前像素点为（x p,y p），则下一个像素点有两种可选择点P1（x p+1,y p）或P2（x p+1,y p+1）。
若P1与P2的中点（x p+1,y p+0.5）称为M，Q为理想直线与x=x p+1垂线的交点。
当M在Q的下方时，则取P2应为下一个像素点；当M在Q的上方时，则取P1为下一个像素点。
这就是中点画线法的基本原理。
图3.1.2 中点画线法每步迭代涉及的像素和中点示意图下面讨论中点画线法的实现。
过点(x0,y0)、(x1, y1)的直线段L的方程式为F(x, y)=ax+by+c=0，其中，a=y0-y1, b=x1-x0, c=x0y1-x1y0，欲判断中点M在Q点的上方还是下方，只要把M代入F（x，y），并判断它的符号即可。
为此，我们构造判别式：d=F(M)=F(x p+1, y p+0.5)=a(x p+1)+b(y p+0.5)+c当d<0时，M在L(Q点)下方，取P2为下一个像素；当d>0时，M在L(Q点)上方，取P1为下一个像素；当d=0时，选P1或P2均可，约定取P1为下一个像素；注意到d是x p, y p的线性函数，可采用增量计算，提高运算效率。
若当前像素处于d 0情况，则取正右方像素P1(x p+1, y p),要判下一个像素位置，应计算d1=F(x p+2, y p+0.5)=a(x p+2)+b(y p+0.5)=d+a，增量为a。
若d<0时，则取右上方像素P2(x p+1, y p+1)。
要判断再下一像素，则要计算d2= F(x p+2, y p+1.5)=a(x p+2)+b(y p+1.5)+c=d+a+b ，增量为a＋b。
画线从(x0, y0)开始，d的初值d0=F(x0+1, y0+0.5)=F(x0, y0)+a+0.5b，因 F(x0, y0)=0，所以d0=a+0.5b。
由于我们使用的只是d的符号，而且d的增量都是整数，只是初始值包含小数。
因此，我们可以用2d代替d来摆脱小数，写出仅包含整数运算的算法程序。
中点画线算法程序：void Midpoint Line (int x0,int y0,int x1, int y1,int color){ int a, b, d1, d2, d, x, y；a=y0-y1； b=x1-x0；d=2*a+b；d1=2*a；d2=2* (a+b)；x=x0；y=y0；drawpixel(x, y, color);while (x<x1){ if (d<0) {x++；y++； d+=d2; }else {x++； d+=d1;}drawpixel (x, y, color);} /* while */} /* mid PointLine */举例：用中点画线方法扫描转换连接两点P0（0,0）和P1（5,2）的直线段。
x y d0 0 11 0 -32 1 33 1 -14 2 55 2 15图3.1.3 中点画线法问题1：若上述算法往下取二步(i=2)，则算法和像素的取法将变成怎样？问题2：与DDA法相比，中点法的优点是什么？动画演示：中点画线算法3.1.4 Bresenham算法Bresenham算法是计算机图形学领域使用最广泛的直线扫描转换算法。
仍然假定直线斜率在0~1之间，该方法类似于中点法，由一个误差项符号决定下一个像素点。
算法原理如下：过各行各列像素中心构造一组虚拟网格线。
按直线从起点到终点的顺序计算直线与各垂直网格线的交点，然后确定该列像素中与此交点最近的像素。
该算法的巧妙之处在于采用增量计算，使得对于每一列，只要检查一个误差项的符号，就可以确定该列的所求像素。
如图2.1.4所示，设直线方程为y i+1=y i+k(x i+1-x i)+k。
假设列坐标像素已经确定为x i，其行坐标为y i。
那么下一个像素的列坐标为x i＋1，而行坐标要么为y i，要么递增1为y i＋1。
是否增1取决于误差项d的值。
误差项d的初值d0＝0，x坐标每增加1，d的值相应递增直线的斜率值k，即d＝d＋k。
一旦d≥1，就把它减去1，这样保证d在0、1之间。
当d≥0.5时，直线与垂线x=x i＋1交点最接近于当前像素(x i，y i)的右上方像素(x i＋1，y i＋1)；而当d<0.5时，更接近于右方像素(x i＋1，y i)。
为方便计算，令e＝d－0.5，e的初值为－0.5，增量为k。
当e≥0时，取当前像素(x i，y i)的右上方像素(x i＋1，y i＋1)；而当e<0时，取(x i，y i)右方像素(x i＋1，y i)。
图3.1.4 Bresenham算法所用误差项的几何含义○Bresenham画线算法程序：void Bresenhamline (int x0,int y0,int x1, int y1,int color){ int x, y, dx, dy；float k, e;dx = x1-x0；dy = y1- y0；k=dy/dx；e=-0.5； x=x0,；y=y0；for (i=0；i<dx；i++){ drawpixel (x, y, color);x=x+1；e=e+k;if (e0){ y++； e=e-1;}}}举例：用Bresenham方法扫描转换连接两点P0（0,0）和P1（5,2）的直线段。
x y e0 0 -0.51 0 -0.12 1 -0.73 1 -0.34 2 -0.95 2 -0.5图3.1.5 Bresenham算法上述Bresenham算法在计算直线斜率与误差项时用到小数与除法。
可以改用整数以避免除法。
由于算法中只用到误差项的符号，因此可作如下替换：2*e*dx。
改进的Bresenham画线算法程序：void InterBresenhamline (int x0,int y0,int x1, int y1,int color){ dx = x1-x0,；dy = y1- y0,；e=-dx;x=x0； y=y0;for (i=0; i<dx; i++){drawpixel (x, y, color);x++； e=e+2*dy;if (e0) { y++; e=e-2*dx;}}}动画演示：Bresenham画线算法：3.2 圆弧的扫描转换算法这一节我们来讨论圆弧的扫描转换算法。
3.2.1圆的特征圆被定义为到给定中心位置(x c,y c)距离为r的点集。
圆心位于原点的圆有四条对称轴x=0,y=0,x=y和x=-y。
若已知圆弧上一点(x,y),可以得到其关于四条对称轴的其它7个点，这种性质称为圆的八对称性。
因此，只要扫描转换八分之一圆弧，就可以求出整个圆弧的像素集。
显示圆弧上的八个对称点的算法：void CirclePoints(int x,int y,int color){ drawpixel(x,y,color); drawpixel(y,x,color);drawpixel(-x,y,color); drawpixel(y,-x,color);drawpixel(x,-y,color); drawpixel(-y,x,color);drawpixel(-x,-y,color); drawpixel(-y,-x,color);}3.2.2中点画圆法如果我们构造函数F(x,y)=x2+y2-R2，则对于圆上的点有F(x,y)=0，对于圆外的点有F(x,y)>0，对于圆内的点F(x,y)<0 。
与中点画线法一样，构造判别式：d=F(M)=F(x p+1,y p-0.5)=(x p+1)2+(y p-0.5)2-R2若d<0，则应取P1为下一像素，而且再下一像素的判别式为：d=F(x p+2,y p-0.5)=(x p+2)2+(y p-0.5)2-R2=d+2x p+3若d≥0，则应取P2为下一像素，而且下一像素的判别式为：d=F(x p+2,y p-1.5)=(x p+2)2+(y p-1.5)2-R2=d+2(x p-y p)+5我们这里讨论的第一个像素是（0,R），判别式d的初始值为：d0=F(1,R-0.5)=1.25-R图3.2.1 当前像素与下一像素的候选者中点画圆算法：MidPointCircle(int r int color){ int x,y;float d;x=0; y=r; d=1.25-r;circlepoints (x,y,color);while(x<=y){ if(d<0) d+=2*x+3;else { d+=2*(x-y)+5; y--;}x++;circlepoints (x,y,color);}}为了进一步提高算法的效率，可以将上面的算法中的浮点数改写成整数，将乘法运算改成加法运算，即仅用整数实现中点画圆法。
