基于PythonGUI实现的绘图工具软件设计.zip

# 计算机图形学大作业 # 一、综述 在老师所给框架代码上进行修改完善,完成了所有要求的指令输入输出,GUI 界面实现了 CLI 部分的所有功能,包括设置画笔颜色、重置画布、保存画布、两种算法绘制线段、两种算法绘制多边形、绘制椭圆、两种算法绘制曲线、平移、旋转、缩放和两种算法裁剪线段。 额外实现了如下内容: 点击画布右、下、右下角边框调整画布大小; 点击画布选择图元; 编辑时显示平移等操作控制点。 删除选中图元,复制选中图元,粘贴已复制图元。 绘制虚线段; 凸多边形和椭圆填充。 更美观的界面。 # 二、算法介绍 ## 绘制线段 ### DDA 算法 基本思想是记下起点,然后让长的一边变量不断加一,短的一边则不断加斜率乘 1 后近似为 int 值.代码参照[7]. ### Bresenham 算法 基本思想其实和 DDA 是一样的.只是 Bresenham 算法通过变形避免了浮点运算.这样一来,既提高了运算的效率,又避免了浮点数不断累加造成的长线段误差.所以本质上,Bresenham 是 DDA 算法的优化形式.代码参照[7]. ### 代码处理 特判使得能够处理两端点相等的情况。 因为讲义中说不要求像素级一致,所以和伪代码一样只亮一边端点,即线段点的范围[P0,P1)。 ### 绘制多边形 默认指令中的点是排好序的, 直接调用线段绘制算法按顺序连点。 ### 绘制椭圆 使用 ppt 上的中点椭圆算法, 先画出 1/4 椭圆, 然后对称. 画 1/4 椭圆时,根据是否到达切线斜率为-1 的位置, 来判断选点的方向是基于 x 还是基于 y, 再根据实际椭圆上的点离哪个点更近取近似。 实际代码要先求出中心和长短轴, 然后以中心为原点求点, 再映射回原来的坐标系。 对称的时候考虑了 x 轴和 y 轴上的特例, 不然 x=0 和 y=0 的点对称后相当于 1 个点出现了两次。 代码流程参考书上 ppt 相关部分。 ### 绘制曲线 ### Bezier 曲线 书上给出了 Bezier 曲线关于控制点的参数方程和矩阵形式, 但直接这样计算参数 u 对应的点效率太低, 于是又给出了 de Casteljau 递推算法来快速计算一个 u 值对应的曲线上点的坐标。 有了这个递推算法后, 由于参数 u 位于[0,1]之间,理论上我们只要将[0,1]分割的足够小,就可以得到精度足够高的一条 Bezier 曲线。 但这样分割, 为了确保精度, 我们往往要将步长设置的非常小, 从而导致计算次数过多. 于是书上给出了一种二分逼近的办法.也就是每次先计算 u=1/2 处的点, 然后用这个点将曲线分为两段, 再对这两段曲线进行 u 值的二分, 重复这个二分的操作, 最后每段曲线的控制多边形会很接近理论曲线, 就可以直接拿控制多边形当作实际曲线。 实现参考[9]中 6.3.3 和 6.3.4。 ### spline 曲线 B 样条曲线的绘制本质上和 Bezier 没什么不同, 都是要根据递推式求参数 u 对应的离散点. 但具体实现起来还是有所不同的。 B 样条曲线实际上是按照次数进行分段绘制的, k 次 B 样条就是每 k+1 个控制点一段, 相邻两段有 k 个公共控制点, 这也解释了为什么它具有局部性。 不过, 由于它的控制多边形不像 Bezier 曲线那样可以随着二分不断逼近, 在具体绘制一段 B 样条曲线时, 只能设置步长密集取点, 这既导致了步长取密时曲线会变粗(重叠部分), 也导致了效率的降低。 实现参考[8]。 代码处理 B-spline 曲线绘制其中一段时, 目前选择取 100 个离散点, 再往大取 GUI 绘制时就会很卡。 ### 平移 平移部分参考 ppt, 直接令各图形的控制点偏移[dx,dy]即可。 ### 旋转 旋转部分参考 ppt, 直接套用公式, 各图形的控制点相对于旋转中心[x,y]顺时针旋转 r 度即可。 ### 缩放 缩放部分参考 ppt, 直接套用公式, 控制点相对于缩放中心[x,y]缩放 s 倍即可。 ### 裁剪 ### Cohen-Sutherland 这个算法的特别之处在于位运算的思想,用 4 位二进制数表示左右上下四个位置的是否. 接着再分类讨论不同情况下线段裁剪时, 就可以用位运算来判断怎么裁剪线段. 它会重复裁剪直到线段完全在窗口内或者完全在窗口外. 代码参考[6]。 ### Liang-Barskey 算法 这个算法不同于 Cohen-Sutherland 算法, 它希望一步直接将线段裁剪出来, 而不是重复裁剪. 它用 P = P1 + u (P2 P1)来表示直线 P, 并分情况判断和裁剪窗口相交点处的 u1,u2 值, 根据 u1,u2 的情况来判断结果. 代码参考[2]和 ppt。 ## 二.系统介绍 ### CLI 框架 沿用了老师的框架, 每次进行绘制图元或编辑图元操作时, 将需要的绘制信息储存在字典 item dict 中, 等到 save Canvas 时再根据每个 item 的 item type, 调用相应算法计算图元的像素点, 并修改 canvas 中的值。 ### GUI 框架 gui 部分沿用了老师 MainWindow(继承 QMainWindow)作为主窗口, MyCanvas(继承 QGraphicsView)作为画布, MyItem(继承 QGraphicsItem)储存图元信息的框架。 原始代码由于点击绘制图元和在画布上 press mouse 时都调用 get id 方法, 使 item cnt 加 1,因此图元编号并不连续. 对此进行了修改, 令 get id 方法不修改 item cnt, 另外声明方法 id inc 来修改 item cnt。 窗口布局情况如下图: 最上面是菜单栏,由 self.menuBar()方法返回, 可以进行设置画笔颜色等操作。 下面一行是编辑工具栏,由 self.addToolBar 方法添加, 可以对图元进行平移等操作。 左边是绘图工具栏,由 self.addToolBar 方法添加, 可以选择要绘制的图元类型及算法。 右边窗口显示图元类型及编号, 由 self.list widget()返回, 点击可以用于选择图元。 下方状态栏, 由 self.statusBar()方法返回, 显示当前在进行什么操作。 最中间的则是画布区域, 定义 MyCanvas 类, 可以用鼠标操作绘图。  ### GUI 功能 #### 菜单栏 画笔颜色选择参考了[3], 利用 QColorDialog 唤出调色板, 将选取的颜色值存在全局变量 g penColor 中, 每次要绘制图元的时候将 g penColor 作为画笔颜色, 关键代码如下: ```c++ global gpenColor color = QColorDialog . getColor( ) gpenColor = color ``` 重置画布操作也参考了[3], 调用两次 QInputDialog 获取新画布的 x,y 轴大小, 然后清空画布和场景, 初始化各个变量。 保存画布的代码参考了[1], 利用 QFileDialog.getSaveFileName 输入要生成文件的目录和名字, 然后再用 QGraphicsScene 的 render 方法将画布的内容储存到 QPixmap 类中, 最后用 QPixmap 类的 save 方法生成文件.关键代码如下: ```c++ fname = QFileDialog . getSaveFileName ( self,’Save file’,\’/home/output/ default ’,’Image files(.bmp)’) # cancel save if (fname[0]== ’’) : return # Get QRectF rect = self . scene . sceneRect () # Create a pixmap , fill with white color pixmap = QPixmap( g width , g height) # set background white pixmap . fill (QColor(255 ,255 ,255)) # painter painter = QPainter(pixmap) # Render scene to the pixmap self.scene.render ( painter,rect,rect) painter.end () # save bmp file pixmap . save (fname [0]) ``` #### 2.6.3 绘图工具栏 绘制线段和绘制椭圆其实是类似的, 都是先在 mousePressEvent 中记录一个端点, 然后在 mouseMoveEvent 中记录另一个端点, 然后利用 updateScene 方法更新画布, 这样在 MyItem 类中会自动调用 paint 方法绘制图形。 绘制多边形又和绘制曲线类似, 都是�