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c++ - 使用Direct2D绘制样条线

coder 2023-11-15 原文

我有样条曲线的数据

  • 控制点
  • 合适的点
    我需要使用Direct2D绘制此曲线。目前,我正在使用ID2D1GeometrySink interface绘制几何图形,但似乎它没有实现可能的AddSpline方法。

    有没有办法通过Direct2D绘制样条曲线?甚至可以在o​​jit_code应用程序中使用的DirectX实现也可以。

    最佳答案

    除非您已经具有基本的NURBS操作代码,或者您是NURBS专家,否则我建议您使用一些NURBS库。通常,与您的问题相关的一组操作是:点评估,结点插入,劈裂以及度提升。

    为了概括起见,我将描述三种可能的解决方案。

    按节拆分

    假设您输入的NURBS曲线是非理性的(无权重=单位权重),并且其度数不能超过生成的贝塞尔曲线的最大允许度数。然后,样条曲线的每个跨度都是一条多项式曲线,因此可以将其提取为贝塞尔曲线。

    根据您使用的库,算法的描述可能会有所不同。以下是可能的变体:

  • 如果有一个将NURBS曲线拆分为Bezier曲线的函数,只需调用它即可。
  • 假设有一个函数,可以在给定参数下将曲线分为两个子曲线。然后将曲线拆分为任何内部结(即不等于最小/最大结)。对每个子曲线执行相同的操作,直到没有内部结,这意味着所有曲线均为贝塞尔曲线。
  • 任何NURBS库都必须具有结插入功能。对于多重度小于D(度)的每个结Ki,将param = Ki称为结插入。您可以按任何顺序插入不同的结。该库还可以包含“多个结插入”,它允许将所有插入组合到一个调用中。最后,最小/最大结点必须具有多重性D + 1,所有内部结点都必须具有多重性D。这时,控制点完全描述了您所需的贝塞尔曲线:控制点[0..D]定义0- th Bezier,[D..2D]定义第1个Bezier,...,[q D ..(q + 1)D]控制点定义第q个Bezier。

  • 如果输入的NURBS曲线的度数低于所需的Bezier曲线度数,则也可以为原始NURBS曲线或生成的Bezier曲线度数。说到ID2D1GeometrySink,它接受度数<=>

    如果您的NURBS曲线可能具有 Not Acceptable 高阶或合理,则必须使用三次样条曲线(更硬和更快)或折线(更简单但更慢)来近似曲线。

    保证折线近似

    这是一个相当简单的递归算法,可建立NURBS曲线的折线近似值,并保证误差<=>
  • 从曲线的第一个控制点到最后一个控制点绘制一条线段。
  • 检查所有控制点是否都在距线段的MaxErr距离之内。
  • 如果是,则将线段添加到输出中。
  • 否则,将中间的曲线分成两个子曲线,然后递归地对其进行近似。

  • 要实现它,您需要NURBS曲线分割操作(可以通过结插入实现)。

    启发式折线近似

    如果手头没有NURBS库,则执行结点插入可能会引起很多痛苦。因此,我描述了另一种仅使用NURBS曲线的点评估的解决方案。您可以通过de Boor算法或通过定义来实现点评估(请参见basis functionsNURBS curve定义)

    该算法是递归的,它接受原始曲线上的参数间隔作为输入。
  • 评估参数间隔的起点和终点。
  • 通过它们绘制一条线段。
  • 评估参数区间内曲线上的一些点。
  • 检查这些内部点是否在线段的MaxErr距离内。
  • 如果是,则将线段添加到输出中。
  • 否则,将参数间隔分成两半,然后递归调用它们的近似值。

  • 该算法是自适应的,在极少数情况下,在实践中可能会产生不好的近似。可以在参数间隔内统一选择检查点。为了获得更高的可靠性,最好还对输入曲线的所有结中的参数范围内的曲线进行评估。

    第三方图书馆

    如果您不打算大量使用NURBS,建议您使用tinyspline库。它在设计上非常小,没有依赖性,并且具有MIT许可证。另外,它似乎正在积极开发中,因此在出现任何问题时都可以与作者进行交流。

    对于主题入门者来说,第一个解决方案似乎就足够了,因此下面是使用tinyspline将NURBS拆分为Bezier曲线的代码:
    #include <stdlib.h>
    #include <stdio.h>
    #include <assert.h>
    #include <math.h>
    #include "tinysplinecpp.h"
    #include "debugging.h"
    
    int main() {
        //create B-spline curve and set its data
        TsBSpline nurbs(3, 2, 10, TS_NONE);
        float knotsData[] = {0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.3f, 0.3f, 0.5f, 0.7f, 0.7f, 0.7f, 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};
        for (int i = 0; i < nurbs.nKnots(); i++)
            nurbs.knots()[i] = knotsData[i];
        for (int i = 0; i < nurbs.nCtrlp(); i++) {
            nurbs.ctrlp()[2*i+0] = 0.0f + i;
            float x = 1.0f - i / float(nurbs.nCtrlp());
            nurbs.ctrlp()[2*i+1] = x * x * x;
        }
        ts_bspline_print(nurbs.data());
    
        //insert knots into B-spline so that it becomes a sequence of bezier curves
        TsBSpline beziers = nurbs;
        beziers.toBeziers();
        ts_bspline_print(beziers.data());
    
        //check that the library does not fail us
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            float t = float(rand()) / RAND_MAX;
            float *pRes1 = nurbs(t).result();
            float *pRes2 = beziers(t).result();
            float diff = hypotf(pRes1[0] - pRes2[0], pRes1[1] - pRes2[1]);
            if (diff >= 1e-6f)
                printf("Bad eval at %f: err = %f  (%f;%f) vs (%f;%f)\n", t, diff, pRes1[0], pRes1[1], pRes2[0], pRes2[1]);
        }
    
        //extract bezier curves
        assert(beziers.nCtrlp() % nurbs.order() == 0);
        int n = beziers.nCtrlp() / nurbs.order();
        int sz = nurbs.order() * 2; //floats per bezier
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            float *begin = beziers.ctrlp() + sz * i;
            float *end = beziers.ctrlp() + sz * (i + 1);
            //[begin..end) contains control points of i-th bezier curve
        }
    
        return 0;
    }
    

    最后的笔记

    上面的大多数文本都假设您的NURBS曲线已被钳位,这意味着最小和最大结的多重性为D + 1。有时也使用非钳制的NURBS曲线。如果遇到一个,您可能还需要使用库的适当功能对其进行钳位。刚好在NURBS上方使用了来自tinyspline的tobeziers方法,您无需手动进行夹紧。

    关于c++ - 使用Direct2D绘制样条线,我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/31269690/

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