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《算法技术手册》凸包扫描

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我们选择了迭代的方法,希望能够得到高效计算凸包的算法,如图9-8所示。首先,根据最后找到的两个凸包点连成的线段,在非凸包点中,计算出角度偏差最小的点,这就是下一个得到的凸包点。当计算出的部分凸包包含h个点时,我们需要计算n-h个点的夹角,然后才能找出哪个是下一个凸包点,很显然每一步都是必不可少的。

图 9-7 凸包扫描详解 图 9-8 凸包的增量式构建

Andrew凸包扫描算法将整个问题分成两个部分,分别构建一个上部凸包和一个下部凸包。首先,点集P中所有的点按照x坐标排序(x坐标相同时,对y坐标进行排序)。图9-8中的点已经按照x坐标从左至右标上了数字。上部凸包从P中的最左边两个点开始构建。凸包扫描算法首先对上部凸包进行扩展,在P中找到这样一个点p,排序后,其前一个位置即上部凸包的最后一个点Li。

如果三个点Li-1、Li和p组成的两条线段形成了一个右折,那么凸包扫描算法将会把这个点p加入到这个凸包中。这里计算了一个叉积cp=(Li.x-Li-1.x)(p.y-Li-1.y)-(Li.y-Li-1.y)(p.x-Li-1.x),等价于计算图9-9中的3×3的矩阵。如果cp<0,那么这三个点组成的线段形成了一个右拐,凸包扫描算法继续进行。如果cp=0(也就是说三点共线)或者cp>0(三点组成的线段形成了一个左拐),那么中间的点Li将会从凸包中删除,这是为了维护凸多边形的性质。凸包扫描算法计算出上部凸包之后,按照类似的方法计算出下部凸包(递减x来选择点),最后将这两个凸包合并在一起。

图 9-9 检查这三个点是否组成了一个右折

凸包扫描算法的行为如图9-7所示。我们可以看到算法在从左到右访问P中的每个点时,还是做出了一些错误的决定。但是在最后一步,算法不断地删除掉最后三个点中不满足条件的中点,从而纠正了之前犯下的错误。

输入/输出

输入

平面上的二维点集P。

输出

一个有序的表L,其包含组成凸包的h个顶点,这些顶点的顺序是顺时针顺序。点L0,L1,……,Lh-1组成的多边形便是凸包,h是点的数目,这个凸包有h条边:<L0,L1>,<L1,L2>,……,<Lh-1,L0>。

假设

为了避免平凡解,我们假设|P|≥3。而且没有两个点会过于接近。如果两个点太过接近,而且如果一个点属于凸包,那么凸包扫描算法将会错误地选择一个无效的凸包点(或者抛弃一个有效的凸包点),但是这种误差可以忽略不计。