Há boas bibliotecas para resolver splines cúbicos em C ++? [fechadas]
https://stackoverflow.com/questions/1204553
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Eu estou procurando uma boa biblioteca C ++ para me dar funções para resolver para grandes splines cúbicos (na ordem dos 1000 pontos) um Alguém sabe?
Solução
Tente a biblioteca B-Spline cúbica:
e ALGLIB:
Outras dicas
Escreva a sua própria. Aqui é a função spline() que eu escrevi com base em excelente wiki algoritmo :
#include<iostream>
#include<vector>
#include<algorithm>
#include<cmath>
using namespace std;
typedef vector<double> vec;
struct SplineSet{
double a;
double b;
double c;
double d;
double x;
};
vector<SplineSet> spline(vec &x, vec &y)
{
int n = x.size()-1;
vec a;
a.insert(a.begin(), y.begin(), y.end());
vec b(n);
vec d(n);
vec h;
for(int i = 0; i < n; ++i)
h.push_back(x[i+1]-x[i]);
vec alpha;
for(int i = 0; i < n; ++i)
alpha.push_back( 3*(a[i+1]-a[i])/h[i] - 3*(a[i]-a[i-1])/h[i-1] );
vec c(n+1);
vec l(n+1);
vec mu(n+1);
vec z(n+1);
l[0] = 1;
mu[0] = 0;
z[0] = 0;
for(int i = 1; i < n; ++i)
{
l[i] = 2 *(x[i+1]-x[i-1])-h[i-1]*mu[i-1];
mu[i] = h[i]/l[i];
z[i] = (alpha[i]-h[i-1]*z[i-1])/l[i];
}
l[n] = 1;
z[n] = 0;
c[n] = 0;
for(int j = n-1; j >= 0; --j)
{
c[j] = z [j] - mu[j] * c[j+1];
b[j] = (a[j+1]-a[j])/h[j]-h[j]*(c[j+1]+2*c[j])/3;
d[j] = (c[j+1]-c[j])/3/h[j];
}
vector<SplineSet> output_set(n);
for(int i = 0; i < n; ++i)
{
output_set[i].a = a[i];
output_set[i].b = b[i];
output_set[i].c = c[i];
output_set[i].d = d[i];
output_set[i].x = x[i];
}
return output_set;
}
int main()
{
vec x(11);
vec y(11);
for(int i = 0; i < x.size(); ++i)
{
x[i] = i;
y[i] = sin(i);
}
vector<SplineSet> cs = spline(x, y);
for(int i = 0; i < cs.size(); ++i)
cout << cs[i].d << "\t" << cs[i].c << "\t" << cs[i].b << "\t" << cs[i].a << endl;
}
Eu tive que rotina ranhura de gravação para uma "entidade" que estava seguindo um caminho (série de waypoints ligados) em um jogo que eu estou trabalhando.
I criada uma classe base para lidar com um "SplineInterface" e as criadas duas classes derivadas, um baseado na técnica clássica estriada (por exemplo Sedgewick / Algoritmos) um segundo uma base em Bezier splines.
Aqui está o código. É um único arquivo de cabeçalho, que contém todas as classes estriado:
#ifndef __SplineCommon__
#define __SplineCommon__
#include "CommonSTL.h"
#include "CommonProject.h"
#include "MathUtilities.h"
/* A Spline base class. */
class SplineBase
{
private:
vector<Vec2> _points;
bool _elimColinearPoints;
protected:
protected:
/* OVERRIDE THESE FUNCTIONS */
virtual void ResetDerived() = 0;
enum
{
NOM_SIZE = 32,
};
public:
SplineBase()
{
_points.reserve(NOM_SIZE);
_elimColinearPoints = true;
}
const vector<Vec2>& GetPoints() { return _points; }
bool GetElimColinearPoints() { return _elimColinearPoints; }
void SetElimColinearPoints(bool elim) { _elimColinearPoints = elim; }
/* OVERRIDE THESE FUNCTIONS */
virtual Vec2 Eval(int seg, double t) = 0;
virtual bool ComputeSpline() = 0;
virtual void DumpDerived() {}
/* Clear out all the data.
*/
void Reset()
{
_points.clear();
ResetDerived();
}
void AddPoint(const Vec2& pt)
{
// If this new point is colinear with the two previous points,
// pop off the last point and add this one instead.
if(_elimColinearPoints && _points.size() > 2)
{
int N = _points.size()-1;
Vec2 p0 = _points[N-1] - _points[N-2];
Vec2 p1 = _points[N] - _points[N-1];
Vec2 p2 = pt - _points[N];
// We test for colinearity by comparing the slopes
// of the two lines. If the slopes are the same,
// we assume colinearity.
float32 delta = (p2.y-p1.y)*(p1.x-p0.x)-(p1.y-p0.y)*(p2.x-p1.x);
if(MathUtilities::IsNearZero(delta))
{
_points.pop_back();
}
}
_points.push_back(pt);
}
void Dump(int segments = 5)
{
assert(segments > 1);
cout << "Original Points (" << _points.size() << ")" << endl;
cout << "-----------------------------" << endl;
for(int idx = 0; idx < _points.size(); ++idx)
{
cout << "[" << idx << "]" << " " << _points[idx] << endl;
}
cout << "-----------------------------" << endl;
DumpDerived();
cout << "-----------------------------" << endl;
cout << "Evaluating Spline at " << segments << " points." << endl;
for(int idx = 0; idx < _points.size()-1; idx++)
{
cout << "---------- " << "From " << _points[idx] << " to " << _points[idx+1] << "." << endl;
for(int tIdx = 0; tIdx < segments+1; ++tIdx)
{
double t = tIdx*1.0/segments;
cout << "[" << tIdx << "]" << " ";
cout << "[" << t*100 << "%]" << " ";
cout << " --> " << Eval(idx,t);
cout << endl;
}
}
}
};
class ClassicSpline : public SplineBase
{
private:
/* The system of linear equations found by solving
* for the 3 order spline polynomial is given by:
* A*x = b. The "x" is represented by _xCol and the
* "b" is represented by _bCol in the code.
*
* The "A" is formulated with diagonal elements (_diagElems) and
* symmetric off-diagonal elements (_offDiagElemns). The
* general structure (for six points) looks like:
*
*
* | d1 u1 0 0 0 | | p1 | | w1 |
* | u1 d2 u2 0 0 | | p2 | | w2 |
* | 0 u2 d3 u3 0 | * | p3 | = | w3 |
* | 0 0 u3 d4 u4 | | p4 | | w4 |
* | 0 0 0 u4 d5 | | p5 | | w5 |
*
*
* The general derivation for this can be found
* in Robert Sedgewick's "Algorithms in C++".
*
*/
vector<double> _xCol;
vector<double> _bCol;
vector<double> _diagElems;
vector<double> _offDiagElems;
public:
ClassicSpline()
{
_xCol.reserve(NOM_SIZE);
_bCol.reserve(NOM_SIZE);
_diagElems.reserve(NOM_SIZE);
_offDiagElems.reserve(NOM_SIZE);
}
/* Evaluate the spline for the ith segment
* for parameter. The value of parameter t must
* be between 0 and 1.
*/
inline virtual Vec2 Eval(int seg, double t)
{
const vector<Vec2>& points = GetPoints();
assert(t >= 0);
assert(t <= 1.0);
assert(seg >= 0);
assert(seg < (points.size()-1));
const double ONE_OVER_SIX = 1.0/6.0;
double oneMinust = 1.0 - t;
double t3Minust = t*t*t-t;
double oneMinust3minust = oneMinust*oneMinust*oneMinust-oneMinust;
double deltaX = points[seg+1].x - points[seg].x;
double yValue = t * points[seg + 1].y +
oneMinust*points[seg].y +
ONE_OVER_SIX*deltaX*deltaX*(t3Minust*_xCol[seg+1] - oneMinust3minust*_xCol[seg]);
double xValue = t*(points[seg+1].x-points[seg].x) + points[seg].x;
return Vec2(xValue,yValue);
}
/* Clear out all the data.
*/
virtual void ResetDerived()
{
_diagElems.clear();
_bCol.clear();
_xCol.clear();
_offDiagElems.clear();
}
virtual bool ComputeSpline()
{
const vector<Vec2>& p = GetPoints();
_bCol.resize(p.size());
_xCol.resize(p.size());
_diagElems.resize(p.size());
for(int idx = 1; idx < p.size(); ++idx)
{
_diagElems[idx] = 2*(p[idx+1].x-p[idx-1].x);
}
for(int idx = 0; idx < p.size(); ++idx)
{
_offDiagElems[idx] = p[idx+1].x - p[idx].x;
}
for(int idx = 1; idx < p.size(); ++idx)
{
_bCol[idx] = 6.0*((p[idx+1].y-p[idx].y)/_offDiagElems[idx] -
(p[idx].y-p[idx-1].y)/_offDiagElems[idx-1]);
}
_xCol[0] = 0.0;
_xCol[p.size()-1] = 0.0;
for(int idx = 1; idx < p.size()-1; ++idx)
{
_bCol[idx+1] = _bCol[idx+1] - _bCol[idx]*_offDiagElems[idx]/_diagElems[idx];
_diagElems[idx+1] = _diagElems[idx+1] - _offDiagElems[idx]*_offDiagElems[idx]/_diagElems[idx];
}
for(int idx = (int)p.size()-2; idx > 0; --idx)
{
_xCol[idx] = (_bCol[idx] - _offDiagElems[idx]*_xCol[idx+1])/_diagElems[idx];
}
return true;
}
};
/* Bezier Spline Implementation
* Based on this article:
* http://www.particleincell.com/blog/2012/bezier-splines/
*/
class BezierSpine : public SplineBase
{
private:
vector<Vec2> _p1Points;
vector<Vec2> _p2Points;
public:
BezierSpine()
{
_p1Points.reserve(NOM_SIZE);
_p2Points.reserve(NOM_SIZE);
}
/* Evaluate the spline for the ith segment
* for parameter. The value of parameter t must
* be between 0 and 1.
*/
inline virtual Vec2 Eval(int seg, double t)
{
assert(seg < _p1Points.size());
assert(seg < _p2Points.size());
double omt = 1.0 - t;
Vec2 p0 = GetPoints()[seg];
Vec2 p1 = _p1Points[seg];
Vec2 p2 = _p2Points[seg];
Vec2 p3 = GetPoints()[seg+1];
double xVal = omt*omt*omt*p0.x + 3*omt*omt*t*p1.x +3*omt*t*t*p2.x+t*t*t*p3.x;
double yVal = omt*omt*omt*p0.y + 3*omt*omt*t*p1.y +3*omt*t*t*p2.y+t*t*t*p3.y;
return Vec2(xVal,yVal);
}
/* Clear out all the data.
*/
virtual void ResetDerived()
{
_p1Points.clear();
_p2Points.clear();
}
virtual bool ComputeSpline()
{
const vector<Vec2>& p = GetPoints();
int N = (int)p.size()-1;
_p1Points.resize(N);
_p2Points.resize(N);
if(N == 0)
return false;
if(N == 1)
{ // Only 2 points...just create a straight line.
// Constraint: 3*P1 = 2*P0 + P3
_p1Points[0] = (2.0/3.0*p[0] + 1.0/3.0*p[1]);
// Constraint: P2 = 2*P1 - P0
_p2Points[0] = 2.0*_p1Points[0] - p[0];
return true;
}
/*rhs vector*/
vector<Vec2> a(N);
vector<Vec2> b(N);
vector<Vec2> c(N);
vector<Vec2> r(N);
/*left most segment*/
a[0].x = 0;
b[0].x = 2;
c[0].x = 1;
r[0].x = p[0].x+2*p[1].x;
a[0].y = 0;
b[0].y = 2;
c[0].y = 1;
r[0].y = p[0].y+2*p[1].y;
/*internal segments*/
for (int i = 1; i < N - 1; i++)
{
a[i].x=1;
b[i].x=4;
c[i].x=1;
r[i].x = 4 * p[i].x + 2 * p[i+1].x;
a[i].y=1;
b[i].y=4;
c[i].y=1;
r[i].y = 4 * p[i].y + 2 * p[i+1].y;
}
/*right segment*/
a[N-1].x = 2;
b[N-1].x = 7;
c[N-1].x = 0;
r[N-1].x = 8*p[N-1].x+p[N].x;
a[N-1].y = 2;
b[N-1].y = 7;
c[N-1].y = 0;
r[N-1].y = 8*p[N-1].y+p[N].y;
/*solves Ax=b with the Thomas algorithm (from Wikipedia)*/
for (int i = 1; i < N; i++)
{
double m;
m = a[i].x/b[i-1].x;
b[i].x = b[i].x - m * c[i - 1].x;
r[i].x = r[i].x - m * r[i-1].x;
m = a[i].y/b[i-1].y;
b[i].y = b[i].y - m * c[i - 1].y;
r[i].y = r[i].y - m * r[i-1].y;
}
_p1Points[N-1].x = r[N-1].x/b[N-1].x;
_p1Points[N-1].y = r[N-1].y/b[N-1].y;
for (int i = N - 2; i >= 0; --i)
{
_p1Points[i].x = (r[i].x - c[i].x * _p1Points[i+1].x) / b[i].x;
_p1Points[i].y = (r[i].y - c[i].y * _p1Points[i+1].y) / b[i].y;
}
/*we have p1, now compute p2*/
for (int i=0;i<N-1;i++)
{
_p2Points[i].x=2*p[i+1].x-_p1Points[i+1].x;
_p2Points[i].y=2*p[i+1].y-_p1Points[i+1].y;
}
_p2Points[N-1].x = 0.5 * (p[N].x+_p1Points[N-1].x);
_p2Points[N-1].y = 0.5 * (p[N].y+_p1Points[N-1].y);
return true;
}
virtual void DumpDerived()
{
cout << " Control Points " << endl;
for(int idx = 0; idx < _p1Points.size(); idx++)
{
cout << "[" << idx << "] ";
cout << "P1: " << _p1Points[idx];
cout << " ";
cout << "P2: " << _p2Points[idx];
cout << endl;
}
}
};
#endif /* defined(__SplineCommon__) */
Algumas Notas
- A ranhura clássico vai falhar se você dar-lhe um conjunto vertical de pontos. É por isso que eu criei o Bezier ... Eu tenho muita verticais linhas / caminhos a seguir. Pode ser modificado para apenas dar uma linha reta.
- A classe base tem uma opção para remover pontos colineares que você adicionar eles. Este usa uma comparação inclinação simples de duas linhas para descobrir se eles estão na mesma linha. Você não tem que fazer isso, mas para longos caminhos que são linhas rectas, que reduz em ciclos. Quando você fazer um monte de pathfinding em um gráfico normal espaçados, você tende a ter uma monte de segmentos contínuos.
Aqui está um exemplo de como usar o Bezier Spline:
/* Smooth the points on the path so that turns look
* more natural. We'll only smooth the first few
* points. Most of the time, the full path will not
* be executed anyway...why waste cycles.
*/
void SmoothPath(vector<Vec2>& path, int32 divisions)
{
const int SMOOTH_POINTS = 6;
BezierSpine spline;
if(path.size() < 2)
return;
// Cache off the first point. If the first point is removed,
// the we occasionally run into problems if the collision detection
// says the first node is occupied but the splined point is too
// close, so the FSM "spins" trying to find a sensor cell that is
// not occupied.
// Vec2 firstPoint = path.back();
// path.pop_back();
// Grab the points.
for(int idx = 0; idx < SMOOTH_POINTS && path.size() > 0; idx++)
{
spline.AddPoint(path.back());
path.pop_back();
}
// Smooth them.
spline.ComputeSpline();
// Push them back in.
for(int idx = spline.GetPoints().size()-2; idx >= 0; --idx)
{
for(int division = divisions-1; division >= 0; --division)
{
double t = division*1.0/divisions;
path.push_back(spline.Eval(idx, t));
}
}
// Push back in the original first point.
// path.push_back(firstPoint);
}
Notas
- Enquanto todo o caminho poderia ser suavizadas, nesta aplicação, uma vez que o caminho estava mudando de vez em quando, era melhor apenas para suavizar os primeiros pontos e, em seguida, ligá-la.
- Os pontos são carregados por ordem "inversa" para o vector de circuito. este pode ou não salvar ciclos (Eu tenho dormido desde então).
Este código é parte de uma base de código muito maior, mas você pode baixar tudo no github ver uma entrada de blog sobre isso aqui .
Dê uma olhada de David Eberly GeometricTools.com .
Eu estou apenas começando, mas o código e doc estão tão longe de excelente qualidade.
(Ele tem livros também:. Ferramentas geométricas para computação gráfica, design de motor de jogo 3D)
Licenciado em: CC-BY-SA com atribuição
Não afiliado a StackOverflow
