复杂多边形光栅化算法

虽然已经一年多没有维护gbox这个图形库项目了,最近确实时间不够用。。。

今年的重点是把xmake彻底正好,至少在架构和大功能(包依赖管理)上,要完全落实下来,后期就是零散的维护和插件功能扩展了。。

tbox我会陆陆续续一直进行一些小规模更新,明年上半年稍微重构一些模块后,就开始重点重新搞gbox了,这才是我一直最想做,也是最喜欢做的项目了

所以我宁愿开发的慢点,也要把它做精,做到最好。。

好了,回归正题,虽然现在gbox还处于早期开发中,并不能用到实际的项目中去,但是里面的一些算法,还是很有参考学习价值的。。

我这两天没事就拿出来分享下,如果有感兴趣的同学,可以直接阅读源码:monotone.c

毕竟这个算法我陆陆续续花了整整一年的时间,才把它彻底搞透,并且实现出来。。

为什么会花这么久呢,也许是我太笨了哈。。嘿嘿。。当然也有工作原因哈。。

我先简单讲讲研究和实现这个复杂多边形光栅化算法的背景:

我的gbox目前有两套渲染设备,一套是直接纯算法渲染,其核心算法就是扫描多边形填充算法,这个算法已经算是很普遍了,也很成熟,效率也很高
但是在我的另外一套基于opengl es渲染设备中(为了能够利用gpu进行加速渲染),在渲染复杂多边形时,就遇到了问题:opengl不支持复杂多边形的填充

后来我想了很多办法,也去google了下,发现可以通过opengl的模板来实现,然后我就开写了。。

写到一半,整体效果也出来了,自以为搞定了,却又遇到一个很难跨过的瓶颈,效率太低了,用这种方式渲染一个老虎头,帧率只有:15 fps

比我用纯算法的实现还慢,后来就思考为什么这么慢呢,一个原因就是模板确实很慢。。。

第二个原因就是:我要实现通用的渲染接口,要支持各种填充规则,裁剪规则,这些复杂性,也使得基于模板的方式整体不太好优化。。

就这样折腾了半年,最后决定,还是整体重构gbox吧,彻底不用模板实现了,采用另外一种方式:

先在上层对复杂多边形根据各种填充规则和裁剪,进行预处理,核心算法呢就是:对复杂多边形进行三角化分割,并且合并成凸多边形
再送到opengl中进行快速渲染。。。

那问题来了,如果才能高效分割多边形呢,而且还要支持各种填充规则?

继续google,最后发现libtess2的光栅化代码里面的算法是可以完全做到的,但是我不可能直接用它的代码,一个原因是维护不方便
另外一个原因是,它里面的实现,很多地方效率不是很高,而我要实现的比他更高效,更稳定。。。

那就必须要先看透它的实现逻辑,然后再去改进和优化里面的算法实现。。。

虽然里面代码不多,但是我光看透,就又花了半年时间,最后陆陆续续写了半年,终于才完全搞定。。

最后效果吗,还是不错的,至少在我的mac pro上用opengl渲染老虎头,帧率可以达到:60 fps

当然,里面肯定还是有很多问题在里面的,不做最近确实没时间整了,只能先搁置下来了,等以后在优化优化。。。

先晒晒,三角化后的效果:

test_triangulation1

test_triangulation2

test_triangulation3

然后再晒张老虎头效果:

draw_tiger

接着我再对分割算法做些简要描述:

gbox中实现算法跟libtess2算法中的一些不同和改进的地方:

  • 整体扫描线方向从纵向扫描,改成了横向扫描,这样更符合图像扫描的席位逻辑,代码处理上也会更方便
  • 我们移除了3d顶点坐标投影的过程,因为我们只处理2d多边形,所以会比libtess2更快
  • 处理了更多交点情况,优化了更多存在交点误差计算的地方,因此我们的算法会更稳定,精度也更高
  • 整体支持浮点和定点切换,在效率和精度上可以自己权衡调整
  • 采用自己独有的算法实现了活动边缘比较,精度更高,稳定性更好
  • 优化了从三角化的mesh合并成凸多边形的算法,效率更高
  • 对每个区域遍历,移除了没必要的定点计数过程,因此效率会快很多

整个算法总共有四个阶段:

  1. 从原始复杂多边形构建DCEL mesh网(DCEL双连通边缘链表, 跟quad-edge类似,相当于是个简化版).
  2. 如果多边形是凹多边形或者复杂多边形,那么先把它分割成单调多边形区域(mesh结构维护)
  3. 对基于mesh的单调多边形进行快速三角化处理
  4. 合并三角化后的区域到凸多边形

其中光栅化算法实现上分有七个阶段:

  1. 简化mesh网,并且预先处理一些退化的情况(例如:子区域退化成点、线等)
  2. 构建顶点事件列表并且排序它 (基于最小堆的优先级排序).
  3. 构建活动边缘区域列表并且排序它(使用局部区域的插入排序,大部分情况下都是O(n),而且量不多).
  4. 使用Bentley-Ottman扫描算法,从事件队列中扫描所有顶点事件,并且计算交点和winding值(用于填充规则计算)
  5. 如果产生交点改变了mesh网的拓扑结构或者活动边缘列表发生改变,需要对mesh的一致性进行修复
  6. 当我们处理过程中,发生了一些mesh face的退化情况,那么也需要进行处理
  7. 将单调区域的left face标记为"inside",也就是最后需要获取的输出区域

如果你想要了解更多算法细节,可以参考: libtess2/alg_outline.md

光栅化接口的使用例子,来自源码:gbox/gl/render.c:

更详细的算法实现细节,请参考我的实现: monotone.c

    static tb_void_t gb_gl_render_fill_convex(gb_point_ref_t points, tb_uint16_t count, tb_cpointer_t priv)
    {
        // check
        tb_assert(priv && points && count);

        // apply it
        gb_gl_render_apply_vertices((gb_gl_device_ref_t)priv, points);

#ifndef GB_GL_TESSELLATOR_TEST_ENABLE
        // draw it
        gb_glDrawArrays(GB_GL_TRIANGLE_FAN, 0, (gb_GLint_t)count);
#else
        // the device 
        gb_gl_device_ref_t device = (gb_gl_device_ref_t)priv;

        // make crc32
        tb_uint32_t crc32 = 0xffffffff ^ tb_crc_encode(TB_CRC_MODE_32_IEEE_LE, 0xffffffff, (tb_byte_t const*)points, count * sizeof(gb_point_t));

        // make color
        gb_color_t color;
        color.r = (tb_byte_t)crc32;
        color.g = (tb_byte_t)(crc32 >> 8);
        color.b = (tb_byte_t)(crc32 >> 16);
        color.a = 128;

        // enable blend
        gb_glEnable(GB_GL_BLEND);
        gb_glBlendFunc(GB_GL_SRC_ALPHA, GB_GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);

        // apply color
        if (device->version >= 0x20) gb_glVertexAttrib4f(gb_gl_program_location(device->program, GB_GL_PROGRAM_LOCATION_COLORS), (gb_GLfloat_t)color.r / 0xff, (gb_GLfloat_t)color.g / 0xff, (gb_GLfloat_t)color.b / 0xff, (gb_GLfloat_t)color.a / 0xff);
        else gb_glColor4f((gb_GLfloat_t)color.r / 0xff, (gb_GLfloat_t)color.g / 0xff, (gb_GLfloat_t)color.b / 0xff, (gb_GLfloat_t)color.a / 0xff);

        // draw the edges of the filled contour
        gb_glDrawArrays(GB_GL_TRIANGLE_FAN, 0, (gb_GLint_t)count);

        // disable blend
        gb_glEnable(GB_GL_BLEND);
#endif
    }
    static tb_void_t gb_gl_render_fill_polygon(gb_gl_device_ref_t device, gb_polygon_ref_t polygon, gb_rect_ref_t bounds, tb_size_t rule)
    {
        // check
        tb_assert(device && device->tessellator);

#ifdef GB_GL_TESSELLATOR_TEST_ENABLE
        // set mode
        gb_tessellator_mode_set(device->tessellator, GB_TESSELLATOR_MODE_TRIANGULATION);
//      gb_tessellator_mode_set(device->tessellator, GB_TESSELLATOR_MODE_MONOTONE);
#endif

        // set rule
        gb_tessellator_rule_set(device->tessellator, rule);

        // set func
        gb_tessellator_func_set(device->tessellator, gb_gl_render_fill_convex, device);

        // done tessellator
        gb_tessellator_done(device->tessellator, polygon, bounds);
    }

个人主页:TBOOX开源工程
原文出处:http://tboox.org/cn/2016/07/21/tessellate-polygon-algorithm/

最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 151,829评论 1 331
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 64,603评论 1 273
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 101,846评论 0 226
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 42,600评论 0 191
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 50,780评论 3 272
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 39,695评论 1 192
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 31,136评论 2 293
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 29,862评论 0 182
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 33,453评论 0 229
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 29,942评论 2 233
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 31,347评论 1 242
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 27,790评论 2 236
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 32,293评论 3 221
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 25,839评论 0 8
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 26,448评论 0 181
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 34,564评论 2 249
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 34,623评论 2 249

推荐阅读更多精彩内容