Algorytm szybkiego rysowania linii

Zadanie polega na znalezieniu sposobu na narysowanie linii poziomej w szeregu 16-bitowych liczb całkowitych.

Przyjmujemy tablicę 256 x 192 pikseli z 16 pikselami na słowo. Linia to ciągły ciąg setów (1) bitów. Linie mogą rozpoczynać się w środku dowolnego słowa, nakładać się na inne słowa i kończyć się dowolnym słowem; mogą również zaczynać się i kończyć tym samym słowem. Nie mogą się zawijać do następnej linii. Wskazówka: środkowe słowa są łatwe - po prostu napisz 0xffff, ale krawędzie będą trudne, podobnie jak obsługa przypadku na początku i na końcu tego samego słowa. Funkcja / procedura / procedura musi przyjmować współrzędne x0 i x1 wskazujące poziome punkty początkowe i końcowe, a także współrzędne y.

Wykluczam się z tego, ponieważ sam zaprojektowałem prawie identyczny algorytm dla wbudowanego procesora, ale jestem ciekawy, jak inni by to zrobili. Punkty bonusowe za użycie stosunkowo szybkich operacji (na przykład 64-bitowa operacja zwielokrotnienia lub operacja zmiennoprzecinkowa nie byłaby szybka na wbudowanej maszynie, ale wystarczyłaby zwykła zmiana bitów.)

Ten kod zakłada, że ​​zarówno x0, jak i x1 są włączającymi punktami końcowymi i że słowa są małymi endianami (tzn. Piksel (0,0) można ustawić za pomocą 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;
  }
}

Pyton

Główną sztuczką jest tutaj użycie tabeli odnośników do przechowywania masek bitowych pikseli. Oszczędza to kilka operacji. Tabela 1kB nie jest obecnie tak duża nawet dla wbudowanej platformy

Jeśli przestrzeń jest naprawdę ograniczona, za cenę kilku & 0xf tabelę wyszukiwania można zmniejszyć do zaledwie 64B

Ten kod jest w języku Python, ale można go łatwo przenieść na dowolny język obsługujący operacje bitowe.

W przypadku korzystania z C, można rozważyć odwijania pętlę używając switchz urządzeniem Duffa . Ponieważ linia ma maksymalnie 16 słów, przedłużyłbym switchdo 14 linii i zrezygnowałbym z whilecałości.

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()

Oto wersja C mojej odpowiedzi w języku Python przy użyciu instrukcji switch zamiast pętli while i zmniejszonego indeksowania poprzez zwiększenie wskaźnika zamiast indeksu tablicy

Rozmiar tabeli odnośników można znacznie zmniejszyć, używając T [x1 i 0xf] i U [x2 i 0xf] dla kilku dodatkowych instrukcji

#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;
    }

Scala, linie 7s / 1M linie 4,1s / 1M

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

pierwsze wdrożenie:

// 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))

Po wyeliminowaniu wewnętrznego wywołania metody i zamianie for na pętlę while, na moim 2Ghz Single Core Scala 2.8 zwalnia 1 Mio. Linie w 4.1 sek. zamiast początkowych 7.

  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
    }
  }

Kod testowy i wywołanie:

// 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

Test wydajności:

  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) 

Testowany przy użyciu czasu narzędzia uniksowego, porównując czas użytkownika, w tym czas uruchomienia, skompilowany kod, brak fazy rozruchu JVM.

Zwiększenie liczby wierszy pokazuje, że na każdy nowy milion potrzeba dodatkowych 3.3s.