Алгоритм быстрого рисования линий

Задача состоит в том, чтобы найти способ нарисовать горизонтальную линию в массиве 16-битных целых чисел.

Мы предполагаем массив 256x192 пикселей с 16 пикселями на слово. Строка - это непрерывный набор битов (1). Строки могут начинаться с середины любого слова, накладываться на любые другие слова и заканчиваться на любом слове; они также могут начинаться и заканчиваться одним и тем же словом. Они не могут переходить на следующую строку. Подсказка: средние слова просты - просто напишите 0xffff, но края будут хитрыми, как и обработка случая для начала и конца в одном и том же слове. Функция / процедура / подпрограмма должна принимать координаты x0 и x1, указывающие точки начала и конца по горизонтали, а также координату yy.

Я исключаю себя из этого, потому что я сам разработал почти идентичный алгоритм для встроенного процессора, но мне любопытно, как другие поступят по этому поводу. Бонусные баллы за использование относительно быстрых операций (например, операция 64-битного умножения или с плавающей запятой не будет быстрой на встроенной машине, но будет простой сдвиг битов).

В этом коде предполагается, что и x0, и x1 являются включающими конечными точками, а слова имеют порядок байтов (т. Е. Можно установить (0,0) пиксель array[0][0]|=1).

int line(word *array, int x0, int x1, int y) {
  word *line = array + (y << 4);
  word *start = line + (x0 >> 4);
  word *end = line + (x1 >> 4);
  word start_mask = (word)-1 << (x0 & 15);
  word end_mask = (unsigned word)-1 >> (15 - (x1 & 15));
  if (start == end) {
    *start |= start_mask & end_mask;
  } else {
    *start |= start_mask;
    *end |= end_mask;
    for (word *p = start + 1; p < end; p++) *p = (word)-1;
  }
}

питон

Основной трюк здесь заключается в использовании таблицы поиска для хранения битовых масок пикселей. Это экономит несколько операций. В наши дни таблица размером 1 КБ невелика даже для встроенной платформы

Если места действительно мало, по цене пары & 0xf справочную таблицу можно уменьшить до 64B

Этот код написан на Python, но его было бы просто перенести на любой язык, который поддерживает битовые операции.

Если вы используете C, вы можете рассмотреть возможность размотки петли с помощью устройства switchот Даффа . Поскольку ширина строки не более 16 слов, я бы расширил ее switchдо 14 строк и whileвообще отказался от нее.

T=[65535, 32767, 16383, 8191, 4095, 2047, 1023, 511,
   255, 127, 63, 31, 15, 7, 3, 1]*16
U=[32768, 49152, 57344, 61440, 63488, 64512, 65024, 65280,
   65408, 65472, 65504, 65520, 65528, 65532, 65534, 65535]*16

def drawline(x1,x2,y):
    y_=y<<4
    x1_=y_+(x1>>4)
    x2_=y_+(x2>>4)
    if x1_==x2_:
        buf[x1_]|=T[x1]&U[x2]
        return    
    buf[x1_]|=T[x1]
    buf[x2_]|=U[x2]        
    x1_+=+1
    while x1_<x2_:
        buf[x1_] = 0xffff
        x1_+=1


#### testing code ####

def clear():
    global buf
    buf=[0]*192*16

def render():
    for y in range(192):
        print "".join(bin(buf[(y<<4)+x])[2:].zfill(16) for x in range(16))


clear()
for y in range(0,192):
    drawline(y/2,y,y)
for x in range(10,200,6):
    drawline(x,x+2,0)
    drawline(x+3,x+5,1)
for y in range(-49,50):
    drawline(200-int((2500-y*y)**.5), 200+int((2500-y*y)**.5), y+60)
render()

Вот C-версия моего Python-ответа с использованием оператора switch вместо цикла while и уменьшением индексации путем увеличения указателя вместо индекса массива

Размер таблицы поиска может быть существенно уменьшен при использовании T [x1 & 0xf] и U [x2 & 0xf] для пары дополнительных инструкций

#include <stdio.h>
#include <math.h>

unsigned short T[] = {0xffff, 0x7fff, 0x3fff, 0x1fff, 0x0fff, 0x07ff, 0x03ff, 0x01ff,
                      0x00ff, 0x007f, 0x003f, 0x001f, 0x000f, 0x0007, 0x0003, 0x0001,
                      0xffff, 0x7fff, 0x3fff, 0x1fff, 0x0fff, 0x07ff, 0x03ff, 0x01ff,
                      0x00ff, 0x007f, 0x003f, 0x001f, 0x000f, 0x0007, 0x0003, 0x0001,
                      0xffff, 0x7fff, 0x3fff, 0x1fff, 0x0fff, 0x07ff, 0x03ff, 0x01ff,
                      0x00ff, 0x007f, 0x003f, 0x001f, 0x000f, 0x0007, 0x0003, 0x0001,
                      0xffff, 0x7fff, 0x3fff, 0x1fff, 0x0fff, 0x07ff, 0x03ff, 0x01ff,
                      0x00ff, 0x007f, 0x003f, 0x001f, 0x000f, 0x0007, 0x0003, 0x0001,
                      0xffff, 0x7fff, 0x3fff, 0x1fff, 0x0fff, 0x07ff, 0x03ff, 0x01ff,
                      0x00ff, 0x007f, 0x003f, 0x001f, 0x000f, 0x0007, 0x0003, 0x0001,
                      0xffff, 0x7fff, 0x3fff, 0x1fff, 0x0fff, 0x07ff, 0x03ff, 0x01ff,
                      0x00ff, 0x007f, 0x003f, 0x001f, 0x000f, 0x0007, 0x0003, 0x0001,
                      0xffff, 0x7fff, 0x3fff, 0x1fff, 0x0fff, 0x07ff, 0x03ff, 0x01ff,
                      0x00ff, 0x007f, 0x003f, 0x001f, 0x000f, 0x0007, 0x0003, 0x0001,
                      0xffff, 0x7fff, 0x3fff, 0x1fff, 0x0fff, 0x07ff, 0x03ff, 0x01ff,
                      0x00ff, 0x007f, 0x003f, 0x001f, 0x000f, 0x0007, 0x0003, 0x0001,
                      0xffff, 0x7fff, 0x3fff, 0x1fff, 0x0fff, 0x07ff, 0x03ff, 0x01ff,
                      0x00ff, 0x007f, 0x003f, 0x001f, 0x000f, 0x0007, 0x0003, 0x0001,
                      0xffff, 0x7fff, 0x3fff, 0x1fff, 0x0fff, 0x07ff, 0x03ff, 0x01ff,
                      0x00ff, 0x007f, 0x003f, 0x001f, 0x000f, 0x0007, 0x0003, 0x0001,
                      0xffff, 0x7fff, 0x3fff, 0x1fff, 0x0fff, 0x07ff, 0x03ff, 0x01ff,
                      0x00ff, 0x007f, 0x003f, 0x001f, 0x000f, 0x0007, 0x0003, 0x0001,
                      0xffff, 0x7fff, 0x3fff, 0x1fff, 0x0fff, 0x07ff, 0x03ff, 0x01ff,
                      0x00ff, 0x007f, 0x003f, 0x001f, 0x000f, 0x0007, 0x0003, 0x0001,
                      0xffff, 0x7fff, 0x3fff, 0x1fff, 0x0fff, 0x07ff, 0x03ff, 0x01ff,
                      0x00ff, 0x007f, 0x003f, 0x001f, 0x000f, 0x0007, 0x0003, 0x0001,
                      0xffff, 0x7fff, 0x3fff, 0x1fff, 0x0fff, 0x07ff, 0x03ff, 0x01ff,
                      0x00ff, 0x007f, 0x003f, 0x001f, 0x000f, 0x0007, 0x0003, 0x0001,
                      0xffff, 0x7fff, 0x3fff, 0x1fff, 0x0fff, 0x07ff, 0x03ff, 0x01ff,
                      0x00ff, 0x007f, 0x003f, 0x001f, 0x000f, 0x0007, 0x0003, 0x0001,
                      0xffff, 0x7fff, 0x3fff, 0x1fff, 0x0fff, 0x07ff, 0x03ff, 0x01ff,
                      0x00ff, 0x007f, 0x003f, 0x001f, 0x000f, 0x0007, 0x0003, 0x0001};

unsigned short U[] = {0x8000, 0xc000, 0xe000, 0xf000, 0xf800, 0xfc00, 0xfe00, 0xff00,
                      0xff80, 0xffc0, 0xffe0, 0xfff0, 0xfff8, 0xfffc, 0xfffe, 0xffff,
                      0x8000, 0xc000, 0xe000, 0xf000, 0xf800, 0xfc00, 0xfe00, 0xff00,
                      0xff80, 0xffc0, 0xffe0, 0xfff0, 0xfff8, 0xfffc, 0xfffe, 0xffff,
                      0x8000, 0xc000, 0xe000, 0xf000, 0xf800, 0xfc00, 0xfe00, 0xff00,
                      0xff80, 0xffc0, 0xffe0, 0xfff0, 0xfff8, 0xfffc, 0xfffe, 0xffff,
                      0x8000, 0xc000, 0xe000, 0xf000, 0xf800, 0xfc00, 0xfe00, 0xff00,
                      0xff80, 0xffc0, 0xffe0, 0xfff0, 0xfff8, 0xfffc, 0xfffe, 0xffff,
                      0x8000, 0xc000, 0xe000, 0xf000, 0xf800, 0xfc00, 0xfe00, 0xff00,
                      0xff80, 0xffc0, 0xffe0, 0xfff0, 0xfff8, 0xfffc, 0xfffe, 0xffff,
                      0x8000, 0xc000, 0xe000, 0xf000, 0xf800, 0xfc00, 0xfe00, 0xff00,
                      0xff80, 0xffc0, 0xffe0, 0xfff0, 0xfff8, 0xfffc, 0xfffe, 0xffff,
                      0x8000, 0xc000, 0xe000, 0xf000, 0xf800, 0xfc00, 0xfe00, 0xff00,
                      0xff80, 0xffc0, 0xffe0, 0xfff0, 0xfff8, 0xfffc, 0xfffe, 0xffff,
                      0x8000, 0xc000, 0xe000, 0xf000, 0xf800, 0xfc00, 0xfe00, 0xff00,
                      0xff80, 0xffc0, 0xffe0, 0xfff0, 0xfff8, 0xfffc, 0xfffe, 0xffff,
                      0x8000, 0xc000, 0xe000, 0xf000, 0xf800, 0xfc00, 0xfe00, 0xff00,
                      0xff80, 0xffc0, 0xffe0, 0xfff0, 0xfff8, 0xfffc, 0xfffe, 0xffff,
                      0x8000, 0xc000, 0xe000, 0xf000, 0xf800, 0xfc00, 0xfe00, 0xff00,
                      0xff80, 0xffc0, 0xffe0, 0xfff0, 0xfff8, 0xfffc, 0xfffe, 0xffff,
                      0x8000, 0xc000, 0xe000, 0xf000, 0xf800, 0xfc00, 0xfe00, 0xff00,
                      0xff80, 0xffc0, 0xffe0, 0xfff0, 0xfff8, 0xfffc, 0xfffe, 0xffff,
                      0x8000, 0xc000, 0xe000, 0xf000, 0xf800, 0xfc00, 0xfe00, 0xff00,
                      0xff80, 0xffc0, 0xffe0, 0xfff0, 0xfff8, 0xfffc, 0xfffe, 0xffff,
                      0x8000, 0xc000, 0xe000, 0xf000, 0xf800, 0xfc00, 0xfe00, 0xff00,
                      0xff80, 0xffc0, 0xffe0, 0xfff0, 0xfff8, 0xfffc, 0xfffe, 0xffff,
                      0x8000, 0xc000, 0xe000, 0xf000, 0xf800, 0xfc00, 0xfe00, 0xff00,
                      0xff80, 0xffc0, 0xffe0, 0xfff0, 0xfff8, 0xfffc, 0xfffe, 0xffff,
                      0x8000, 0xc000, 0xe000, 0xf000, 0xf800, 0xfc00, 0xfe00, 0xff00,
                      0xff80, 0xffc0, 0xffe0, 0xfff0, 0xfff8, 0xfffc, 0xfffe, 0xffff,
                      0x8000, 0xc000, 0xe000, 0xf000, 0xf800, 0xfc00, 0xfe00, 0xff00,
                      0xff80, 0xffc0, 0xffe0, 0xfff0, 0xfff8, 0xfffc, 0xfffe, 0xffff};

unsigned short buf[192*16];

void clear(){
    int i;
    for (i=0; i<192*16; i++) buf[i]==0;
}

void render(){
    int x,y;
    for (y=0; y<192; y++){
        for (x=0; x<256; x++) printf("%d", (buf[(y<<4)+(x>>4)]>>(15-(x&15)))&1);
        printf("\n");
    }
}

void drawline(int x1, int x2, int y){
    int y_ = y<<4;
    int x1_ = y_+(x1>>4);
    int x2_ = y_+(x2>>4);
    unsigned short *p = buf+x1_;

    if (x1_==x2_){
        *p|=T[x1]&U[x2];
        return;
        }

    *p++|=T[x1];
    switch (x2_-x1_){
    case 14: *p++ = 0xffff;
    case 13: *p++ = 0xffff;
    case 12: *p++ = 0xffff;
    case 11: *p++ = 0xffff;
    case 10: *p++ = 0xffff;
    case 9: *p++ = 0xffff;
    case 8: *p++ = 0xffff;
    case 7: *p++ = 0xffff;
    case 6: *p++ = 0xffff;
    case 5: *p++ = 0xffff;
    case 4: *p++ = 0xffff;
    case 3: *p++ = 0xffff;
    case 2: *p++ = 0xffff;
    case 1: *p++ = U[x2];
    }     
}


int main(){
    int x,y;
    clear();

    for (y=0; y<192; y++){
        drawline(y/2,y,y); 
    }

    for (x=10; x<200; x+=6){
        drawline(x,x+2,0);
        drawline(x+3,x+5,1);
    }

    for (y=-49; y<50; y++){
        x = sqrt(2500-y*y);
        drawline(200-x, 200+x, y+60);
    }
    render();
    return 0;
    }

Скала, линии 7 с / 1М, строки 4.1 с / 1М

// declaration and initialisation of an empty field: 
val field = Array.ofDim[Short] (192, 16) 

первая реализация:

// util-method: set a single Bit:
def setBit (x: Int, y: Int) = 
  field (y)(x/16) = (field (y)(x/16) | (1 << (15 - (x % 16)))).toShort 
def line (x0: Int, x1: Int, y: Int) = 
  (x0 to x1) foreach (setBit (_ , y))

После устранения внутреннего вызова метода и замены цикла for с помощью цикла while на моем одноядерном 2Ghz Scala 2.8 он освобождает 1 Mio. Строки за 4.1сек. вместо начальных 7с.

  def line (x0: Int, x1: Int, y: Int) = {
    var x = x0
    while (x < x1) {  
      field (y)(x/16) = (field (y)(x/16) | (1 << (15 - (x % 16)))).toShort
      x += 1
    }
  }

Тест-код и вызов:

// sample invocation:
line (12, 39, 3) 
// verification 
def shortprint (s: Short) = s.toBinaryString.length match {          
  case 16 => s.toBinaryString                                          
  case 32 => s.toBinaryString.substring (16)                           
  case x  => ("0000000000000000".substring (x) + s.toBinaryString)}

field (3).take (5).foreach (s=> println (shortprint (s)))            
// result:
0000000000001111
1111111111111111
1111111100000000
0000000000000000
0000000000000000

Тестирование производительности:

  val r = util.Random 

  def testrow () {
    val a = r.nextInt (256)
    val b = r.nextInt (256)
    if (a < b)
      line (a, b, r.nextInt (192)) else
        line (b, a, r.nextInt (192)) 
  }

  def test (count: Int): Unit = {
    for (n <- (0 to count))
      testrow ()
  }

  // 1 mio tests
  test (1000*1000) 

Протестировано с использованием инструмента Unix, сравнивая время пользователя, включая время запуска, скомпилированный код, отсутствие фазы запуска JVM.

Увеличение количества строк показывает, что на каждый новый миллион требуется дополнительно 3,3 с.