Graham's Scan法求解凸包问题
来源:互联网 发布:一般公司的网络维护 编辑:程序博客网 时间:2024/05/21 19:32
参考:
http://blog.csdn.net/hqd_acm/article/details/6218420
http://www.cnblogs.com/kuangbin/archive/2012/09/29/2707961.html
概念
凸包(Convex Hull)是一个计算几何(图形学)中的概念。用不严谨的话来讲,给定二维平面上的点集,凸包就是将最外层的点连接起来构成的凸多边型,它能包含点集中所有点的。严谨的定义和相关概念参见维基百科:凸包。
这个算法是由数学大师葛立恒(Graham)发明的,他曾经是美国数学学会(AMS)主席、AT&T首席科学家以及国际杂技师协会(IJA)主席。(太汗了,这位大牛还会玩杂技~)
问题
给定平面上的二维点集,求解其凸包。
过程
1. 在所有点中选取y坐标最小的一点H,当作基点。如果存在多个点的y坐标都为最小值,则选取x坐标最小的一点。坐标相同的点应排除。然后按照其它各点p和基点构成的向量<H,p>与x轴的夹角进行排序,夹角由大至小进行顺时针扫描,反之则进行逆时针扫描。实现中无需求得夹角,只需根据向量的内积公式求出向量的模即可。以下图为例,基点为H,根据夹角由小至大排序后依次为H,K,C,D,L,F,G,E,I,B,A,J。下面进行逆时针扫描。
2. 线段<H, K>一定在凸包上,接着加入C。假设线段<K, C>也在凸包上,因为就H,K,C三点而言,它们的凸包就是由此三点所组成。但是接下来加入D时会发现,线段<K, D>才会在凸包上,所以将线段<K, C>排除,C点不可能是凸包。
3. 即当加入一点时,必须考虑到前面的线段是否会出现在凸包上。从基点开始,凸包上每条相临的线段的旋转方向应该一致,并与扫描的方向相反。如果发现新加的点使得新线段与上线段的旋转方向发生变化,则可判定上一点必然不在凸包上。实现时可用向量叉积进行判断,设新加入的点为pn + 1,上一点为pn,再上一点为pn - 1。顺时针扫描时,如果向量<pn - 1, pn>与<pn, pn + 1>的叉积为正(逆时针扫描判断是否为负),则将上一点删除。删除过程需要回溯,将之前所有叉积符号相反的点都删除,然后将新点加入凸包。
在上图中,加入K点时,由于线段<H,K>相对于<H,C>为顺时针旋转,所以C点不在凸包上,应该删除,保留K点。接着加入D点,由于线段<K, D>相对<H, K>为逆时针旋转,故D点保留。按照上述步骤进行扫描,直到点集中所有的点都遍例完成,即得到凸包。
复杂度
这个算法可以直接在原数据上进行运算,因此空间复杂度为O(1)。但如果将凸包的结果存储到另一数组中,则可能在代码级别进行优化。由于在扫描凸包前要进行排序,因此时间复杂度至少为快速排序的O(nlgn)。后面的扫描过程复杂度为O(n),因此整个算法的复杂度为O(nlgn)。
模板:其中判断Pn-1 Pn Pn+1的时候 有些小不同。
#include<stdio.h>#include<math.h>#include<algorithm>#include<iostream>using namespace std;const int MAXN=1000;struct point{ int x,y;};point list[MAXN];int stack[MAXN],top;int cross(point p0,point p1,point p2) //计算叉积 p0p1 X p0p2 { return (p1.x-p0.x)*(p2.y-p0.y)-(p1.y-p0.y)*(p2.x-p0.x);} double dis(point p1,point p2) //计算 p1p2的 距离 { return sqrt((double)(p2.x-p1.x)*(p2.x-p1.x)+(p2.y-p1.y)*(p2.y-p1.y));} bool cmp(point p1,point p2) //极角排序函数 , 角度相同则距离小的在前面 { int tmp=cross(list[0],p1,p2); if(tmp>0) return true; else if(tmp==0&&dis(list[0],p1)<dis(list[0],p2)) return true; else return false;} void init(int n) //输入,并把 最左下方的点放在 list[0] 。并且进行极角排序 { int i,k; point p0; scanf("%d%d",&list[0].x,&list[0].y); p0.x=list[0].x; p0.y=list[0].y; k=0; for(i=1;i<n;i++) { scanf("%d%d",&list[i].x,&list[i].y); if( (p0.y>list[i].y) || ((p0.y==list[i].y)&&(p0.x>list[i].x)) ) { p0.x=list[i].x; p0.y=list[i].y; k=i; } } list[k]=list[0]; list[0]=p0; sort(list+1,list+n,cmp);} void graham(int n){ int i; if(n==1) {top=0;stack[0]=0;} if(n==2) { top=1; stack[0]=0; stack[1]=1; } if(n>2) { for(i=0;i<=1;i++) stack[i]=i; top=1; for(i=2;i<n;i++) { while(top>0&&cross(list[stack[top-1]],list[stack[top]],list[i])<=0) top--; top++; stack[top]=i; } } }
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