[CGAL] CGAL的世界-Kernel内核、Traits特征类

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几何图元

geometric primitives（几何图元）被定义在kernel（内核）中，使用几何图元之前要指定内核。此处先使用double内核，可以理解为使用double作为坐标的数值类型，内核将在后面介绍。

#include 
typedef CGAL::Simple_cartesian<double> Kernel;
typedef Kernel::Point_2 Point_2;
typedef Kernel::Segment_2 Segment_2;

Point_2 p(1,1), q(10,10); //点
Segment_2 s(p,q);		  //线段

谓词

Point_2 p(1,1), q(10,10), m(5, 9); //点
Segment_2 s(p,q);		  //线段

// 两点距离
CGAL::squared_distance(p,q);

//点到线段距离的平方
CGAL::squared_distance(s,m);

//计算中点
CGAL::midpoint(p,q);

//三点的方向
switch (CGAL::orientation(p,q,m)){
     
  case CGAL::COLLINEAR: //共线
    std::cout << "are collinear\n";
    break;
  case CGAL::LEFT_TURN: //p->q, q->m时向左转
    std::cout << "make a left turn\n";
    break;
  case CGAL::RIGHT_TURN: //p->q, q->m时向右转
    std::cout << "make a right turn\n";
    break;
}

Kernel内核

计算几何的核心是计算精度问题，而Kernel正是代表这个程序如何去对待精度问题。它可以是

1. double：使用double精度
2. Exact_predicates_exact_constructions_kernel：精确谓词，且精确构造
3. Exact_predicates_inexact_constructions_kernel：精确谓词、但不精确构造
   

double内核

要解释内核，就要先看一个计算几何中的一个大坑：精度问题。

「案例一」如果是自己写的几何算法，我们一般使用float或者double类型，这里以double为例，讨论精度问题。

#include 
#include 
typedef CGAL::Simple_cartesian<double> Kernel; //使用double作为坐标的类型
typedef Kernel::Point_2 Point_2; //定义一个double类型的二维点
int main()
{
     
	{
     
		Point_2 p(0, 0.3), q(1, 0.6), r(2, 0.9); //实例化三个点
		std::cout << (CGAL::collinear(p, q, r) ? "collinear\n" : "not collinear\n"); //三个点是否共线
	}
	{
     
		Point_2 p(0, 1.0 / 3.0), q(1, 2.0 / 3.0), r(2, 1);
		std::cout << (CGAL::collinear(p, q, r) ? "collinear\n" : "not collinear\n");
	}
	{
     
		Point_2 p(0, 0), q(1, 1), r(2, 2);
		std::cout << (CGAL::collinear(p, q, r) ? "collinear\n" : "not collinear\n");
	}
	return 0;
}

代码中的三个例子，手算都应该是共面，但输出的结果是这样的：

这是由于使用double所导致的（在计算的途中，由于精度的问题，可能会得到意想不到的结果）。如果要保证精度，可以使用内核Exact_predicates_exact_constructions_kernel。

精确谓词、精确构造的内核

「案例二」使用内核Exact_predicates_exact_constructions_kernel，即精确谓词、精确构造的内核

#include 
#include  
#include 
typedef CGAL::Exact_predicates_exact_constructions_kernel Kernel; //精确谓词、精确构造的内核
typedef Kernel::Point_2 Point_2;
int main()
{
     
  Point_2 p(0, 0.3), q, r(2, 0.9);
  {
     
    q  = Point_2(1, 0.6);
    std::cout << (CGAL::collinear(p,q,r) ? "collinear\n" : "not collinear\n");
  }
  {
     
    std::istringstream input("0 0.3   1 0.6   2 0.9");
    input >> p >> q >> r;
    std::cout << (CGAL::collinear(p,q,r) ? "collinear\n" : "not collinear\n");
  }
  {
     
    q = CGAL::midpoint(p,r);
    std::cout << (CGAL::collinear(p,q,r) ? "collinear\n" : "not collinear\n");
  }
  return 0;
}

运行的结果如下：

是不是很奇怪，第一个例子还是出错了。
分析：

1. 第一个代码块中，这三个点仍然不是共线的。是因为它用文本传入的坐标，传入后变成了浮点数，转换成了任意精度的有理数时，它们仅表示浮点数，而可能不会精确的表示原来数值。
2. 第二个代码块中。是从文件中读取数字，然后直接从字符串构造任意精度的有理数，以便它们能够精确的表示原来的数值。
3. 在第三块中，中点是通过计算得出的，正如内核定义的那样，使用的是精确谓词，精确构造出来的，所以计算所得的精度是可以靠得住的（这便是第二种内核，精确构造、精确谓词的意思）

在许多情况中，就浮点数而言，它们是“精确的”，即它们是由某些应用程序计算或从传感器中获得的，是全精度的浮点数。它们不是文本0.1或动态计算"1.0/10.0"所得的（如果是这种方式得到的结果，可能不是精确的）。

精确谓词，但不精确构造的内核

凸包算法仅仅比较坐标的数值和进行方向测试，故在凸包算法中（计算一个点集的凸包），输出的结果即是点集的子集，是原来的坐标值，而并不会重新构造出新的点。此类应用场景，即可使用精确谓词，但不精确构造的内核Exact_predicates_inexact_constructions_kernel。

「案例三」2D凸包算法示例

#include 
#include 
#include 
typedef CGAL::Exact_predicates_inexact_constructions_kernel K; //精确谓词，但不精确构造的内核
typedef K::Point_2 Point_2;
int main()
{
     
	// 5个点
	Point_2 points[5] = {
      Point_2(0,0), Point_2(10,0), Point_2(10,10), Point_2(6,5), Point_2(4,1) };
	Point_2 result[5];
	// 计算2D凸包
	///参数：输入的起点、终点指针、凸包结果的指针数组
	///返回值：The function returns the pointer into the result array just behind the last convex hull point written,
	///so the pointer difference tells us how many points are on the convex hull.
	Point_2 *ptr = CGAL::convex_hull_2(points, points + 5, result);

	//凸包的个数=返回值-结果数组
	std::cout << ptr - result << " points on the convex hull:" << std::endl;

	for(int i = 0; i < ptr - result; i++)
	{
     
		std::cout << result[i] << std::endl;
	}

	return 0;
}

「案例四」说到2D凸包算法，这里展示另一种写法，使用vector存点集，在vector中计算凸包

#include 
#include 
#include 

typedef CGAL::Exact_predicates_inexact_constructions_kernel K; //精确谓词，但不精确构造的内核
typedef K::Point_2 Point_2;
typedef std::vector<Point_2> Points;

int main()
{
     
	Points points, result;
	points.push_back(Point_2(0, 0));
	points.push_back(Point_2(10, 0));
	points.push_back(Point_2(10, 10));
	points.push_back(Point_2(6, 5));
	points.push_back(Point_2(4, 1));

	//2D凸包
	///第一二个参数：两个迭代器，表示输入的点集
	///第三个参数：计算结果所插入的位置
	CGAL::convex_hull_2(points.begin(), points.end(), std::back_inserter(result));

	std::cout << result.size() << " points on the convex hull" << std::endl;

	for(int i = 0, size = result.size(); i < size; ++i)
	{
     
		std::cout << result.at(i) << std::endl;
	}

	return 0;
}

Traits特征类

「引言」convex_hull_2()函数有两种版本

1. 一种即是上面所提到的，使用两个迭代器来规定输入点的范围，并使用一个输出迭代器来将凸包结果写入到结果容器中

template <class ForwardIterator, class OutputIterator>
inline
OutputIterator 
convex_hull_2(ForwardIterator first, ForwardIterator last, 
              OutputIterator  result )

2. 第二个版本具有两个附加参数，一个是模板参数Traits和此此类型的参数ch_traits

template <class InputIterator, class OutputIterator, class Traits>
inline
OutputIterator
convex_hull_2(InputIterator first, InputIterator last,
              OutputIterator  result, const Traits& ch_traits)

第二个版本即是CGAL泛型编程的体现，Traits中定义了用户所使用类型的一些特征，让convex_hull_2()函数支持任意点类型，也可支持多种凸包算法。


「举例」以经典的凸包算法Graham/Andrew Scan为例，该算法先从左到右对点进行排序，然后从排序结果中逐个拿点构造凸包
（1）Traits类型
因此，若要完成凸包计算，必须要知道三个内容：点的类型、这个点类型的排序方式、三点的方向计算。而为了避免参数太多、太长，则将这些参数都定义在一个特征类中，即Traits类型中（CGAL每个Kernel中都有定义好的Traits类型）


（2）验证上面的说法
convex_hull_2()函数中用到了一个核心函数ch_graham_andrew()，具体定义如下：

template <class InputIterator, class OutputIterator, class Point_2, class Less_xy_2, class Left_turn_2, class Equal_2>
OutputIterator
ch_graham_andrew( InputIterator  first,
                  InputIterator  beyond,
                  OutputIterator result);

可以看到，如果要完成convex_hull_2()，必须要提供以下嵌套类型：

• Traits::Point_2：自定义类型
• Traits::Less_xy_2：点排序
• Traits::Left_turn_2：方向测试
• Traits::Equal_2：相等判断

而对于CGAL的每个模型，都有定义好的Traits。我们举个例子，来实现convex_hull_2()算法：

#include 
#include 
#include  
#include  
#include 

typedef CGAL::Exact_predicates_inexact_constructions_kernel K3; //精确谓词、不精确构造的Kernel
typedef CGAL::Projection_traits_yz_3<K3> K; //将3D投影到yz面的Traits
typedef K::Point_2 Point_2; //二维点

int main()
{
     
  std::istream_iterator< Point_2 >  input_begin( std::cin );
  std::istream_iterator< Point_2 >  input_end;
  std::ostream_iterator< Point_2 >  output( std::cout, "\n" );
  CGAL::convex_hull_2( input_begin, input_end, output, K() );
  return 0;
}