--- title: OpenGL-直线的扫描转换 cover: https://pic.biss.click/image/c5457adc-214c-4a18-9aa6-43fbc0bfc2f4.webp categories: - 技术 - 学习 series: OpenGL tags: OpenGL abbrlink: 7207243b summary: >- 这篇文章介绍了三种直线扫描转换算法:DDA算法、中点画线算法和Bresenham算法。 DDA算法通过计算直线起点和终点的坐标差值来确定步数和增量,依次绘制直线上的点。算法实现简单,适用于任意直线,但精度较低。 中点画线算法仅适用于斜率为0或1的直线,通过计算中点和斜率来确定直线上的像素点,效率较高。 Bresenham算法根据直线的斜率和误差项来确定像素点的位置,适用于任意直线,且精度高,但实现稍复杂。 date: 2026-04-11 19:01:02 --- 这篇文章来介绍直线扫描转换算法 # DDA数值微分线段算法 ## 算法简介 数值微分法即DDA法(Digital Differential Analyzer),是一种基于微分方程来生成直线的方法。在计算机图形学中,并没有线段的概念,而是一个个像素点组成了线段。 DDA法生成线段的步骤一般如下: 1. 有了起始点($x_1,y_1$)和终点($x_n,y_n$); 2. $$\Delta x =|x_n-x_1|, \Delta y=|y_n-y_1|$$ 3. 比较$\Delta x$和$\Delta y$的大小; steps=$\Delta x$和$\Delta y$中较大者; 4. $$step_x=\frac{\Delta x}{steps},step_y=\frac{\Delta y}{steps}$$ ## 算法实现 DDA算法实现如下: ```cpp #include #include #include // 窗口宽度和高度 const int WIDTH = 640; const int HEIGHT = 480; void drawDDALine(int x1, int y1, int x2, int y2) { float x = x1; float y = y1; // 计算差值 int dx = x2 - x1; int dy = y2 - y1; // 确定步数,取 dx 和 dy 中绝对值较大的那个 int steps = std::abs(dx) > std::abs(dy) ? std::abs(dx) : std::abs(dy); //三元表达式 // 计算每一步的增量 float xIncrement = (float)dx / steps; float yIncrement = (float)dy / steps; // 开始绘制点 glBegin(GL_POINTS); glVertex2i((int)round(x), (int)round(y)); // 绘制起点 for (int k = 0; k < steps; k++) { x += xIncrement; y += yIncrement; // 将浮点坐标四舍五入取整转换为整数像素坐标 std::cout << (int)round(x) << ", " << (int)round(y)<<"\n"; glVertex2i((int)round(x), (int)round(y)); } glEnd(); } // 显示回调函数 void display() { drawDDALine(0, 0, 50, 20); glFlush(); } // 初始化 OpenGL 设置 void init() { // 设置背景颜色为白色 glClearColor(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f); // 设置投影矩阵为 2D 正交投影 glMatrixMode(GL_PROJECTION); glLoadIdentity(); // 定义可视区域,左下角(0,0),右上角(WIDTH, HEIGHT) gluOrtho2D(0.0, WIDTH, 0.0, HEIGHT); } int main(int argc, char** argv) { // 初始化 GLUT glutInit(&argc, argv); // 设置显示模式:单缓冲、RGB 颜色模式 glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGB); // 设置窗口大小和位置 glutInitWindowSize(WIDTH, HEIGHT); glutInitWindowPosition(100, 100); // 创建窗口 glutCreateWindow("DDA算法"); // 注册回调函数 glutDisplayFunc(display); // 初始化设置 init(); // 进入主循环 glutMainLoop(); return 0; } ``` # 中点画线算法 ## 算法简介 只考虑当直线的斜率$|k|< 1$时的情况,假设现在有一条直线$(x_1,y_1,x_2,y_2)$,那么第一个点一定是$(x_1,y_1)$无疑,下一个点的$x$坐标为$x_1+1$,$y$坐标要么为$y1$要么为$y1+1$。关键在于每次取下一个点时,是取前一个的$y1$呢,还是$y1+1$,这时一定是取直线上点最靠近的那个了,而判断取哪个点就用到了中点,我们将中点代入直线中 $d=F(x_1+1,y_1+0.5)=a \cdot (x_1+1)+b \cdot (y_1+0.5)+c$。 1. 如果直线$d>=0$,则取下边的点也就是$(x_1+1,y_1)$。 2. 如果直线$d<0$,则取上边的点也就是$(x_1+1,y_1+1)$。 它的实际过程就是这样每次根据前边的点判断下一个点在哪,然后进行打亮,但这样每次判断的时候都得代入直线方程计算太麻烦了,我们将这俩种情况分别代入直线方程中可以找出规律: 1. 当直线$d>=0$时,经过化解得$d_1=d+a$; 2. 当直线$d<0$时,经过化解得$d_2=d+a+b$; 3. 初始值$d_0=a+0.5b$。 也就是说每次的增量要么为$a$,要么为$a+b$,那么这样判断的时候就简单多了,因为我们每次只是判断它的正负。所以给等式同时乘2,将其中浮点数0.5化为整数,这样硬件操作时无疑更快了。 ## 算法实现 ```cpp #include #include #include // 中点画线算法函数 (仅针对斜率 0 <= k <= 1 的情况进行演示,其它象限需类比处理) void drawLineMidpoint(int x0, int y0, int x1, int y1) { int a = y0 - y1; int b = x1 - x0; int d = 2 * a + b; int d1 = 2 * a; int d2 = 2 * (a + b); int x = x0, y = y0; glBegin(GL_POINTS); glVertex2i(x, y); // 画起点 while (x < x1) { if (d < 0) { x++; y++; d += d2; } else { x++; d += d1; } glVertex2i(x, y); } glEnd(); } // 渲染回调函数 void display() { glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); glColor3f(1.0, 1.0, 1.0); // 设置画笔颜色为白色 // 调用算法画一条直线 (x0, y0) 到 (x1, y1) // 注意:此处的坐标对应屏幕像素坐标 drawLineMidpoint(50, 50, 450, 300); glFlush(); } // 初始化设置 void init() { glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0); // 背景设为黑色 glMatrixMode(GL_PROJECTION); glLoadIdentity(); // 设置正交投影矩阵,使坐标系与窗口像素对应 gluOrtho2D(0, 500, 0, 500); } int main(int argc, char** argv) { glutInit(&argc, argv); glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGB); glutInitWindowSize(500, 500); glutInitWindowPosition(100, 100); glutCreateWindow("Midpoint Line Algorithm - FreeGLUT"); init(); glutDisplayFunc(display); glutMainLoop(); return 0; } ``` # Bresenham算法 ## 算法简介 假设我们需要由$(x_0, y_0)$这一点,绘画一直线至右下角的另一点$(x_1, y_1)$,x,y分别代表其水平及垂直坐标,并且$x_1 - x_0 > y_1 - y_0$。在此我们使用电脑系统常用的坐标系,即$x$坐标值沿$x$轴向右增长,$y$坐标值沿$y$轴向下增长。 因此x及y之值分别向右及向下增加,而两点之水平距离为$x_{1}-x_{0}$且垂直距离为$y_{1}-y_{0}$。由此得之,该线的斜率必定介乎于$0$至$1$之间。而此算法之目的,就是找出在$x_{0}$与$x_{1}$之间,第$x$行相对应的第$y$列,从而得出一像素点,使得该像素点的位置最接近原本的线。 对于由$(x_0, y_0)$及$(x_1, y_1)$两点所组成之直线,公式如下: $$y-y_{0}={\frac {y_{1}-y_{0}}{x_{1}-x_{0}}}(x-x_{0})$$ 因此,对于每一点的x,其y的值是 $${\frac {y_{1}-y_{0}}{x_{1}-x_{0}}}(x-x_{0})+y_{0}$$ 因为$x$及$y$皆为整数,但并非每一点$x$所对应的$y$皆为整数,故此没有必要去计算每一点x所对应之$y$值。反之由于此线之斜率介乎于$1$至$0$之间,故此我们只需要找出当$x$到达那一个数值时,会使$y$上升$1$,若$x$尚未到此值,则$y$不变。至于如何找出相关的$x$值,则需依靠斜率。斜率之计算方法为$m=(y_{1}-y_{0})/(x_{1}-x_{0})$。由于此值不变,故可于运算前预先计算,减少运算次数。 要实行此算法,我们需计算每一像素点与该线之间的误差。于上述例子中,误差应为每一点$x$中,其相对的像素点之$y$值与该线实际之$y$值的差距。每当$y$的值增加$1$,误差的值就会增加$m$。每当误差的值超出$0.5$,线就会比较靠近下一个映像点,因此$y$的值便会加$1$,且误差减$1$。 ## 算法实现 ```cpp #include #include #include // 通用 Bresenham 画线算法 void drawLineBresenham(int x0, int y0, int x1, int y1) { int dx = abs(x1 - x0); int dy = abs(y1 - y0); int sx = (x0 < x1) ? 1 : -1; // X 方向步进 int sy = (y0 < y1) ? 1 : -1; // Y 方向步进 int err = dx - dy; // 初始误差项 glBegin(GL_POINTS); while (true) { glVertex2i(x0, y0); // 绘制当前点 if (x0 == x1 && y0 == y1) break; // 到达终点 int e2 = 2 * err; // 判断是否在 X 方向步进 if (e2 > -dy) { err -= dy; x0 += sx; } // 判断是否在 Y 方向步进 if (e2 < dx) { err += dx; y0 += sy; } } glEnd(); } // 渲染回调 void display() { glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); glColor3f(0.0f, 0.8f, 0.4f); // 设置一个好看的绿色(类似你图中的图标颜色) // 绘制几条不同方向的线来测试算法的健壮性 drawLineBresenham(50, 50, 450, 400); // 第一象限 drawLineBresenham(50, 400, 450, 50); // 第四象限 drawLineBresenham(250, 50, 250, 450); // 垂直线 drawLineBresenham(50, 250, 450, 250); // 水平线 glFlush(); } void init() { glClearColor(0.1f, 0.1f, 0.1f, 1.0f); // 深色背景 glMatrixMode(GL_PROJECTION); glLoadIdentity(); gluOrtho2D(0, 500, 0, 500); // 建立 500x500 的直角坐标系 } int main(int argc, char** argv) { glutInit(&argc, argv); glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGB); glutInitWindowSize(600, 600); glutCreateWindow("Bresenham Line Algorithm"); init(); glutDisplayFunc(display); glutMainLoop(); return 0; } ```