首页 > 代码库 > 计算几何-凸包算法 Python实现与Matlab动画演示

计算几何-凸包算法 Python实现与Matlab动画演示

凸包算法是计算几何中的最经典问题之一了。给定一个点集,计算其凸包。凸包是什么就不罗嗦了

本文给出了《计算几何——算法与应用》中一书所列凸包算法的Python实现和Matlab实现,并给出了一个Matlab动画演示程序。

啊,实现谁都会实现啦(╯▽╰),但是演示就不一定那么好做了。

算法CONVEXHULL(P) 输入:平面点集P 输出:由CH(P)的所有顶点沿顺时针方向组成的一个列表1.   根据x-坐标,对所有点进行排序,得到序列p1, …, pn2.   在Lupper中加入p1和p2(p1在前)3. for(i←3 ton) 4.   do 在Lupper中加入pi5.   while(Lupper中至少还有三个点,而且最末尾的三个点所构成的不是一个右拐) 6.   do 将倒数第二个顶点从Lupper中删去7.   在Llower 中加入pn和pn-1(pn在前)8. for(i←n-2 downto1) 9.   do 在Llower 中加入pi10.    while(Llower 中至少还有三个点,而且最末尾的三个点所构成的不是一个右拐) 11.    do 将倒数第二个顶点从Llower 中删去12.  将第一个和最后一个点从Llower 中删去(以免在上凸包与下凸包联接之后,出现重复顶点)13.  将Llower 联接到Lupper后面(将由此得到的列表记为L)14.  return(L) 

看看,不是很多的样子是吧。
这里面需要说明的地方只有一点,那就是方向的判定问题。

设有三个点P,Q,R,现需求R位于向量PQ的左侧还是右侧(或者R在PQ上)。

计算PR与PQ的叉积,也就是外积。

如果将向量PR以P为旋转中心旋转只向量PQ的方向走过一个正角(逆时针),意味着R在PQ的右侧,此时外积为正。

技术分享

另外需要注意的是,如果在凸包上有三点共线的情况,在本例中三点是均位于凸包边界点集中的。如果想避免这一点,可以通过微量抖动数据的方式解决。

废话不多说,Python实现如下:

 1 #!/usr/bin/env python 2 # coding: gbk 3   4 ######################################################################## 5 #Author: Feng Ruohang 6 #Create: 2014/10/02 13:39 7 #Digest: Computate the convex hull of a given point list 8 ######################################################################## 9  10  11 direction = lambda m: (m[2][0] - m[0][0]) * (m[1][1] - m[0][1]) - (m[1][0] - m[0][0]) * (m[2][1] - m[0][1])12 ‘‘‘13     A Quick Side_check version Using Lambda expression14     Input:  Given a list of three point : m should like [(p_x,p_y), (q_x,q_y), (r_x,r_y)]15     Output: Return a Number to indicate whether r on the right side of vector(PQ).16     Positive means r is on the right side of vector(PQ).17     This is negative of cross product of PQ and PR: Defined by:(Qx-Px)(Ry-Py)-(Rx-Px)(Qy-Py)18     Which ‘negative‘ indicate PR is clockwise to PQ, equivalent to R is on the right side of PQ19 ‘‘‘20  21  22 def convex_hull(point_list):23     ‘‘‘24     Input:  Given a point List: A List of Truple (x,y)25     Output: Return a point list: A List of Truple (x,y) which is CONVEX HULL of input26     For the sake of effeciency, There is no error check mechanism here. Please catch outside27     ‘‘‘28     n = len(point_list)  #Total Length29     point_list.sort()30  31     #Valid Check:32     if n < 3:33         return point_list34  35     #Building Upper Hull: Initialized with first two point36     upper_hull = point_list[0:1]37     for i in range(2, n):38         upper_hull.append(point_list[i])39         while len(upper_hull) >= 3 and not direction(upper_hull[-3:]):40             del upper_hull[-2]41  42     #Building Lower Hull: Initialized with last two point43     lower_hull = [point_list[-1], point_list[-2]]44     for i in range(n - 3, -1, -1):  #From the i-3th to the first point45         lower_hull.append(point_list[i])46         while len(lower_hull) >= 3 and not direction(lower_hull[-3:]):47             del lower_hull[-2]48     upper_hull.extend(lower_hull[1:-1])49     return upper_hull50  51  52 #========Unit Test:53 if __name__ == __main__:54     test_data = [(i, i ** 2) for i in range(1, 100)]55     result = convex_hull(test_data)56     print result57 58 2015年1月23日

使用很简单,看DocString就行。

下面顺便给出了Matlab 的实现,以及可视化的算法演示:

效果就是个小动画,像这样吧。

技术分享

Matlab的凸包算法有三个文件:

side_check2:检查三个点构成的弯折的方向

Convex_hull: 凸包算法Matlab实现

Convex_hull_demo:凸包算法的演示。

拷在一个目录里

运行convex_hull_demo( randn(200,2)*100); 就可以看到可视化演示了

这个是辅助函数

%filename: side_check2.m%Input:     Matrix of three point: (2x3 or 3x2)%           P(p_x,p_y),Q(q_x,q_y),R(r_x,r_y)%Output:    如果P Q R三点构成一个右拐,返回True%           右拐意味着点R在PQ向量的右侧.此时function result = side_check2(D)if all(size(D) ~= [3,2])    if all(size(D)==[2,3])        D = D‘;    else        error(‘error dimension‘)    endendresult = (det([[1;1;1], D]) < 0 );

这个是纯算法实现。

%filename:     convex_hull.m%CONVEX_HULL%INPUT:     Point Set:(n x 2)%OUPUT:     HULL Point List: (x x 2)function L=t(P)[num,dimension] = size(P);if dimension ~= 2    error(‘dimension error‘)endP = sortrows(P,[1,2]);%if there is only one or two point remain,return itif num < 3     L = P;     return end%STEP ONE: Upper Hull:L_upper = P([1,2],:); %Take first two pointsfor i = 3:num    L_upper = [L_upper;P(i,:)]; %add the point into list     while size(L_upper,1) >= 3        l_size = size(L_upper,1);        if det([ones(3,1),L_upper(l_size-2:l_size,:)])= 3        l_size = size(L_lower,1);       if det([ones(3,1),L_lower(l_size-2:l_size,:)])

这个是演示:

%CONVEX_HULL%INPUT:     Point Set:(n x 2)%OUPUT:     HULL Point List: (x x 2)%Samples:   convex_hull_demo( randn(200,2)*100)function L=convex_hull_demo(P)%Test Data%data_size = data_size%P = randi([-50,50],[data_size,2]);[num,dimension] = size(P);if dimension ~= 2    error(‘dimension error‘)endP = sortrows(P,[1,2]);%====Visual Lizationboard_left = min(P(:,1));board_right = max(P(:,1));board_bottom = min(P(:,2));board_up = max(P(:,2));x_padding = (board_right- board_left)*0.1;y_padding = (board_up- board_bottom)*0.1;plot_range= [board_left - x_padding,board_right + x_padding,board_bottom-y_padding,board_up+y_padding];clf;scatter(P(:,1),P(:,2),‘b.‘);axis(plot_range);hold on%====VisualLization%if there is only one or two point remain,return itif num < 3     L = P;end%STEP ONE: Upper Hull:L_upper = P([1,2],:); %Take first two pointshull_handle = plot(L_upper(:,1),L_upper(:,2),‘ob-‘);for i = 3:num    L_upper = [L_upper;P(i,:)]; %add the point into list        while size(L_upper,1) >= 3        l_size = size(L_upper,1);        if side_check2(L_upper(l_size-2:l_size,:)) %Check if it is valid            break;  %Quit if Valid        else            L_upper(l_size-1,:) = []; %Remove the inner point and continue if not        end        set(hull_handle,‘XData‘,L_upper(:,1),‘YData‘,L_upper(:,2));drawnow;            end    set(hull_handle,‘XData‘,L_upper(:,1),‘YData‘,L_upper(:,2));drawnow;end   %Visualization plot(L_upper(:,1),L_upper(:,2),‘bo-‘); %Visualization  %STEP Two: Build the lower hullL_lower = [P([num,num-1],:)]; % Add P(n) and P(n-1)set(hull_handle,‘XData‘,L_lower(:,1),‘YData‘,L_lower(:,2));drawnow;for i = num-2:-1:1    L_lower = [L_lower;P(i,:)];    while size(L_lower,1) >= 3        l_size = size(L_lower,1);       if side_check2(L_lower(l_size-2:l_size,:)) %Check if it is valid            break;  %Quit if Valid        else            L_lower(l_size-1,:) = []; %Remove the inner point and continue if not       end           set(hull_handle,‘XData‘,L_lower(:,1),‘YData‘,L_lower(:,2));drawnow;    end    set(hull_handle,‘XData‘,L_lower(:,1),‘YData‘,L_lower(:,2));drawnow;endL_lower([1,size(L_lower,1)],:) = [];if isempty(L_lower)    L = L_upper;else    L = [L_upper;L_lower(2:size(L_lower,1)-1,:)];endhold off;return

 

 

 

 

 

 

 

 

计算几何-凸包算法 Python实现与Matlab动画演示