Giải thuật Bresenham vẽ đoạn thẳng

Giải thuật vẽ đoạn thẳng của Bresenham (tiếng Anh: Bresenham's line algorithm) là giải thuật xác định các điểm raster hai chiều cần vẽ để nhận được xấp xỉ gần đúng của đoạn thẳng có hai đầu mút là 2 điểm cho trước. Đây là một trong những thuật toán cổ nhất trong đồ họa máy tính. Thuật toán này được Jack E. Bresenham thiết kế vào năm 1962 tại công ty IBM. Thuật toán được sử dụng rộng rãi, đặc biệt để vẽ đoạn thẳng trên màn hình máy tính. Nó chỉ sử dụng các lệnh cộng trừ số học và lệnh trên pixel, có chi phí rẻ và phù hợp với kiến trúc sơ khai của máy tính. Đây là một trong những giải thuật đồ họa máy tính phát triển sớm nhất. Sự mở rộng của giải thuật này là giải thuật vẽ các đường cong bậc 2.

Mặc dù các giải thuật khác như giải thuật Xiaolin Wu cũng thường được sử dụng trong đồ họa máy tính hiện đại vì có tính năng khử răng cưa (tiếng Anh: antialiasing), nhưng tốc độ và sự đơn giản của giải thuật Bresenham cho thấy nó vẫn còn quan trọng. Giải thuật được tích hợp lên phần cứng như plotter hay lên chip đồ họa của những card đồ họa hiện đại. Nó cũng được tìm thấy trong nhiều phần mềm thư viện đồ họa. Bởi vì giải thuật cực kì đơn giản, nên nó thường được thực hiện cả trong firmware lẫn trong phần cứng của card đồ họa hiện đại.

Ngày nay nhãn hiệu "Bresenham" được dùng cho cả họ giải thuật biến đổi hoặc mở rộng giải thuật Bresenham nguyên thủy. Xin hãy xem thêm phần tham khảo bên dưới.

Giải thuật Bresenham

Đoạn thẳng được vẽ giữa hai điểm (x0,y0) và (x1,y1), trong đó x0, x1 là các tọa độ cột, còn y0,y1 là các tọa độ hàng, số thứ tự của chúng tăng dần từ trái sang phải và từ trên xuống dưới.

Giải thuật ban đầu sẽ được trình bày chỉ cho trường hợp góc phần tám, trong đó đoạn thẳng đi xuống và sang phải (x0≤x1 và y0≤y1), và hình chiếu ngang của nó x_1-x_0 dài hơn hình chiếu đứng y_1-y_0 (đường thẳng có hệ số góc nhỏ hơn 1 và lớn hơn 0), hay góc nghiêng của đường thẳng so với phương ngang nhỏ hơn 45 độ.
Trong góc phần tám này, với mỗi cột x nằm giữa x_0 và x_1, có chính xác một hàng y (được tính bởi giải thuật) chứa một pixel của đường thẳng, trong khi đó mỗi hàng nằm giữa y_0 và y_1 có thể chứa nhiều rasterized pixels.

Phương trình tổng quát của đường thẳng đi qua hai điểm:
:\frac{y - y_0}{y_1-y_0} = \frac{x-x_0}{x_1-x_0}.

Vì chúng ta biết cột = x, nên hàng của pixel - y được tính bằng cách làm tròn giá trị sau đây đến số nguyên gần nhất:

:y = \frac{y_1-y_0}{x_1-x_0} (x-x_0) + y_0.

Tuy nhiên, tính giá trị chính xác của biểu thức này là không cần thiết, cần chú ý rằng y tăng từ y0 và sau mỗi bước chúng ta thêm vào x một đơn vị và thêm vào y giá trị của hệ số góc s = (y_1-y_0)/(x_1-x_0). Hệ số góc s chỉ phụ thuộc vào các tọa độ điểm mút nên có thể tính trước được. Hơn nữa, ở mỗi bước chúng ta chọn làm một trong hai việc: hoặc là giữ nguyên y, hoặc là tăng y lên 1 đơn vị.

Có thể giải quyết việc lựa chọn này bằng cách lần theo giá trị sai số. Giá trị sai số là khoảng cách giữa giá trị y hiện tại và giá trị y chính xác đối với x hiện tại. Mỗi lần khi chúng ta tăng x, chúng ta sẽ tăng thêm vào giá trị sai số một đại lượng s, s là hệ số góc nói ở trên. Nếu sai số vượt quá 0.5, rasterization y sẽ được tăng thêm 1 (đường thẳng tiếp tục trên hàng raster bên dưới tiếp theo) và sai số giảm đi 1.0.

Trong mẫu mã giả dưới đây plot(x,y) vẽ một điểm và abs trả về giá trị tuyệt đối:

function line(x0, x1, y0, y1)
int deltax:= x1 - x0
int deltay:= y1 - y0
real error:= 0
real deltaerr:= deltay / deltax // Giả định deltax!= 0 (đường thẳng không thẳng đứng),
// chú ý: phép chia này cần được thực hiện sao cho nó có thể giữ lại phần thập phân
int y:= y0
for x from x0 to x1
plot(x,y)
error:= error + deltaerr
if abs(error) ≥ 0.5 then
y:= y + 1
error:= error - 1.0

Tổng quát hóa
Phiên bản ở trên chỉ điều khiển đường đi xuống về bên phải. Tất nhiên mong muốn của chúng ta là có thể vẽ được tất cả các đường. Trường hợp đầu tiên cho phép chúng ta vẽ các đường có hệ số gốc dốc xuống nhưng có đầu ở hướng đối diện. Việc này rất đơn giản nhờ việc tráo các điểm khởi tạo nếu x0 > x1. Việc khó hơn là cần xác định làm cách nào để có thể vẽ các đường đi lên. Để làm việc này, chúng ta sẽ kiểm tra y0 ≥ y1 có đúng không; nếu đúng vậy, chúng ta sẽ thay đổi bước y bởi -1 thay vì 1. Sau cùng, chúng ta vẫn cần phải tổng quát hóa giải thuật để có thể vẽ các đường trong mọi hướng. Cho đến lúc này, chúng ta chỉ có thể vẽ các đường có hệ số góc nhỏ hơn 1. Để có thể vẽ các đường có hệ số góc lớn hơn (đường dốc hơn), chúng ta tận dụng thực tế là một đường dốc có thể được phản xạ qua đường thẳng y=x để nhận được một đường có hệ số góc (độ dốc) nhỏ. Hiệu ứng này là tráo đổi các biến x và y khắp nơi, bao gồm luôn việc tráo đổi các tham số để plot (vẽ, chấm điểm). Mã chương trình có thể trông như sau:

function line(x0, x1, y0, y1)
boolean steep:= abs(y1 - y0) > abs(x1 - x0)
if steep then
swap(x0, y0)
swap(x1, y1)
if x0 > x1 then
swap(x0, x1)
swap(y0, y1)
int deltax:= x1 - x0
int deltay:= abs(y1 - y0)
real error:= 0
real deltaerr:= deltay / deltax
int ystep
int y:= y0
if y0 error và deltaerr; hơn nữa, các sai số có thể được tích lũy qua nhiều phép cộng số thực (floating-point addition). Làm việc với số nguyên vừa nhanh hơn vừa chính xác hơn. Thủ thuật chúng ta sử dụng đó là nhân tất cả các số thập phân ở trên với deltax, việc này cho phép chúng ta biểu diễn chúng như các số nguyên. Vấn đề duy nhất còn lại đó là hằng số 0.5&mdash; để giải quyết việc này, chúng ta thay đổi việc khởi tạo biến error, và hoán đổi nó cho một tối ưu hóa bổ sung. Chương trình mới sẽ như sau:

function line(x0, x1, y0, y1)
boolean steep:= abs(y1 - y0) > abs(x1 - x0)
if steep then
swap(x0, y0)
swap(x1, y1)
if x0 > x1 then
swap(x0, x1)
swap(y0, y1)
int deltax:= x1 - x0
int deltay:= abs(y1 - y0)
int error:= deltax / 2
int ystep
int y:= y0
if y0 -dy then
err:= err - dy
x0:= x0 + sx
end if
if e2 < dx then
err:= err + dx
y0:= y0 + sy
end if
end loop

Lịch sử

Thuật toán được phát triển bởi Jack E. Bresenham vào năm 1962 tại công ty IBM. Vào năm 2001 Bresenham đã viết:

Giải thuật Bresenham sau đó được biến đổi để tạo ra các đường tròn, đôi khi nó được biết đến với tên gọi là "giải thuật đường tròn Bresenham" hay giải thuật điểm giữa đường tròn (tiếng Anh: midpoint circle algorithm).

Các giải thuật tương tự
Giải thuật Bresenham có thể được hiểu là biến đổi nhỏ của thuật toán DDA (dùng 0.5 là ngưỡng sai số thay cho 0, phép raster hóa đa giác không chồng chập cần 0).

Nguyên tắc sử dụng sai số tăng thay cho phép tính chia có các ứng dụng khác trong đồ họa. Có thể dùng kĩ thuật này để tính các tọa độ U, V trong quá trình quét raster của kết cấu đa giác ánh xạ (texture mapped polygon). Các lõi phần mềm dựng hình heightmap voxel thấy trong các trò chơi máy tính cũng đã sử dụng nguyên tắc này.

Bresenham cũng đã công bố giải thuật tính toán Run-Slice (trái ngược với Run-Length).

Một mở rộng của giải thuật Bresenham để điều khiển các đường có bề dày được tạo ra bởi Alan Murphy ở IBM.

Xem thêm
Digital Differential Analyzer (graphics algorithm) là phương pháp chung đơn giản để raster hóa đường và tam giác.
Giải thuật Xiaolin Wu (Xiaolin Wu's line algorithm), phương pháp tương tự vẽ nhanh đường có ứng dụng phép khử răng cưa (tiếng Anh: antialiasing).
Midpoint circle algorithm, giải thuật vẽ đường tròn tương tự.

Tham khảo

Jack E. Bresenham, "Algorithm for computer control of a digital plotter", IBM Systems Journal, Vol. 4, No.1, tháng 1 năm 1965, pp.&nbsp;25–30
"The Bresenham Line-Drawing Algorithm", by Colin Flanagan
Michael Abrash's Graphics Programming Black Book a very optimized version of the algorithm in C and assembly for use in video games with complete details of its inner workings, written by Michael Abrash, pages 654-678 - ISBN 978-1-57610-174-2

Đọc thêm
Patrick-Gilles Maillot's Thesis an extension of the Bresenham line drawing algorithm to perform 3D hidden lines removal; also published in MICAD '87 proceedings on CAD/CAM and Computer Graphics, page 591 - ISBN 2-86601-084-1.
Line Thickening by Modification To Bresenham's Algorithm, A.S. Murphy, IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 20, No. 12, tháng 5 năm 1978.

Liên kết ngoài
Implementation in C for TC's BGI library
Analyze Bresenham's line algorithm in an online Javascript IDE
Basic Graphics Programs
The Bresenham Line-Drawing Algorithm by Colin Flanagan
National Institute of Standards and Technology page on Bresenham's algorithm
Calcomp 563 Incremental Plotter Information
Implementations in Delphi
3D extension
Bresenham 3D
Bresenham Algorithm in Python