原文: 《泰森多边形(Voronoi图)的matlab绘制》.
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泰森多边形是对空间平面的一种剖分,其特点是多边形内的任何位置离该多边形的样点(如居民点)的距离最近,离相邻多边形内样点的距离远,且每个多边形内含且仅包含一个样点。由于泰森多边形在空间剖分上的等分性特征,因此可用于解决最近点、最小封闭圆等问题,以及许多空间分析问题,如邻接、接近度和可达性分析等。
%采用matlab自带的函数进行绘制
clear
xdot=gallery('uniformdata',[200 2],5);
%delaunay三角形
figure(1)
DT=delaunayTriangulation(xdot);
triplot(DT,'color','k');title('Delaulay三角形');
%voronoi三角形
figure(2)
voronoi(xdot(:,1),xdot(:,2));
xlim([0,1])
ylim([0,1])
title('泰森多边形')
clear;clc;close all;
N=100;
%点随机
xdot=rand(N,2);
%1Delaulay三角形的构建
%整理点,遵循从左到右,从上到下的顺序
xdot=sortrows(xdot,[1 2]);
%画出最大包含的三角形
xmin=min(xdot(:,1));xmax=max(xdot(:,1));
ymin=min(xdot(:,2));ymax=max(xdot(:,2));
bigtri=[(xmin+xmax)/2-(xmax-xmin)*1.5,ymin-(xmax-xmin)*0.5;...
(xmin+xmax)/2,ymax+(ymax-ymin)+(xmax-xmin)*0.5;...
(xmin+xmax)/2+(xmax-xmin)*1.5,ymin-(xmax-xmin)*0.5];
xdot=[bigtri;xdot];%点集
edgemat=[1 2 xdot(1,:) xdot(2,:);...
2 3 xdot(2,:) xdot(3,:);1 3 xdot(1,:) xdot(3,:)];%边集,每个点包含2个点,4个坐标值
trimat=[1 2 3];%三角集,每个三角包含3个点
temp_trimat=[1 2 3];
for j=4:N+3
pointtemp=xdot(j,:);%循环每一个点
deltemp=[];%初始化删除temp_trimat的点
temp_edgemat=[];%初始化临时边
for k=1:size(temp_trimat,1)%循环每一个temp_trimat的三角形
panduan=whereispoint(xdot(temp_trimat(k,1),:),...
xdot(temp_trimat(k,2),:),xdot(temp_trimat(k,3),:),pointtemp);%判断点在圆内0、圆外1、圆右侧2
switch panduan
case 0
%点在圆内
%则该三角形不为Delaunay三角形
temp_edge=maketempedge(temp_trimat(k,1),temp_trimat(k,2),temp_trimat(k,3),j,xdot);%把三条边暂时存放于临时边矩阵
temp_edgemat=[temp_edgemat;temp_edge];
deltemp=[deltemp,k];
;
case 1
%点在圆外,pass
;
case 2
%点在圆右
%则该三角形为Delaunay三角形,保存到triangles
trimat=[trimat;temp_trimat(k,:)];%添加到正式三角形中
deltemp=[deltemp,k];
%并在temp里去除掉
%别忘了把正式的边也添加进去
edgemat=[edgemat;makeedge(temp_trimat(k,1),temp_trimat(k,2),temp_trimat(k,3),xdot)];%遵循12,13,23的顺序
edgemat=unique(edgemat,'stable','rows');
end
%三角循环结束
end
%除去上述步骤中的临时三角形
temp_trimat(deltemp,:)=[];
temp_trimat(~all(temp_trimat,2),:)=[];
%对temp_edgemat去重复
temp_edgemat=unique(temp_edgemat,'stable','rows');
%将edge buffer中的边与当前的点进行组合成若干三角形并保存至temp triangles中
temp_trimat=[temp_trimat;maketemptri(temp_edgemat,xdot,j)];
k=k;
%点循环结束
end
%合并temptri
trimat=[trimat;temp_trimat];
edgemat=[edgemat;temp_edgemat];
%删除大三角形
deltemp=[];
for j=1:size(trimat,1)
if ismember(1,trimat(j,:))||ismember(2,trimat(j,:))||ismember(3,trimat(j,:))
deltemp=[deltemp,j];
end
end
trimat(deltemp,:)=[];
edgemat=[trimat(:,[1,2]);trimat(:,[2,3]);trimat(:,[3,1])];
edgemat=sort(edgemat,2);
edgemat=unique(edgemat,'stable','rows');
temp_edgemat=[];
temp_trimat=[];
% figure(1)
% hold on
% % plot(xdot(:,1),xdot(:,2),'ko')
% for j=1:size(trimat,1)
% plot([xdot(trimat(j,1),1),xdot(trimat(j,2),1)],[xdot(trimat(j,1),2),xdot(trimat(j,2),2)],'k-')
% plot([xdot(trimat(j,1),1),xdot(trimat(j,3),1)],[xdot(trimat(j,1),2),xdot(trimat(j,3),2)],'k-')
% plot([xdot(trimat(j,3),1),xdot(trimat(j,2),1)],[xdot(trimat(j,3),2),xdot(trimat(j,2),2)],'k-')
% end
% hold off
% xlim([0,1]);ylim([0,1]);title('Delaulay三角形');
%凸包监测
%思路是先找出边缘点(三角形只有1个或2个的),顺便整出一个三角形相互关系图,以后用。
%然后顺时针,依次隔一个点连接出一条线段,如果这个和之前的线段相交,则不算;如果不交,则记录出三角形
%更新完了以后,再监测一遍,直到没有新的为止。
t_w=0;
while t_w==0
[~,border_point,~]=makebordertri(trimat);
border_point=[border_point;border_point(1,:)];
temp_edgemat=[];
temp_trimat=[];
for j=1:size(border_point,1)-1
tempboderedge=[border_point(j,1),border_point(j+1,2)];
tempboderdot=border_point(j,2);
%寻找带tempboderdot的所有边
tempdotex=edgemat(logical(sum(edgemat==tempboderdot,2)),:);
%删除相邻边
tempdotex(ismember(tempdotex,[tempboderdot,tempboderedge(1)],'rows'),:)=[];
tempdotex(ismember(tempdotex,[tempboderedge(1),tempboderdot],'rows'),:)=[];
tempdotex(ismember(tempdotex,[tempboderdot,tempboderedge(2)],'rows'),:)=[];
tempdotex(ismember(tempdotex,[tempboderedge(2),tempboderdot],'rows'),:)=[];
%检测tempdotex是否为空,如果是证明不用相连
t_N=size(tempdotex,1);
t_t=0;
if t_N>0
%依次检测是否相交,只要有一个相交就不算;如果都不想交,则相连
for k=1:t_N
if tempdotex(k,1)==tempboderdot
t_xdotno4=tempdotex(k,2);
else
t_xdotno4=tempdotex(k,1);
end
tt_xdotno4=xdot(t_xdotno4,:)-xdot(tempboderdot,:);
xdotno4=xdot(tempboderdot,:)+tt_xdotno4/sqrt(sum(tt_xdotno4.^2))*(sqrt((xmax-xmin)^2+(ymax-ymin)^2));
panduan=crossornot(xdot(tempboderedge(1),:),xdot(tempboderedge(2),:),xdot(tempboderdot,:),xdotno4);
if panduan==1
t_t=t_t+1;
break
end
end
%t_t大于0说明有相交的线,略过
if t_t==0
temp_edgemat=[temp_edgemat;tempboderedge];
temp_trimat=[temp_trimat;[tempboderedge,tempboderdot]];
break
end
end
end
trimat=[trimat;temp_trimat];
edgemat=[edgemat;temp_edgemat];
%删除重复的三角形
trimat=sort(trimat,2);
trimat=unique(trimat,'stable','rows');
if j==size(border_point,1)-1
t_w=1;
end
end
figure(1)
hold on
% plot(xdot(:,1),xdot(:,2),'ko')
for j=1:size(trimat,1)
plot([xdot(trimat(j,1),1),xdot(trimat(j,2),1)],[xdot(trimat(j,1),2),xdot(trimat(j,2),2)],'k-')
plot([xdot(trimat(j,1),1),xdot(trimat(j,3),1)],[xdot(trimat(j,1),2),xdot(trimat(j,3),2)],'k-')
plot([xdot(trimat(j,3),1),xdot(trimat(j,2),1)],[xdot(trimat(j,3),2),xdot(trimat(j,2),2)],'k-')
end
hold off
xlim([0,1]);ylim([0,1]);title('Delaulay三角形');
%2泰森多边形的建立步骤
%求每个三角形的外接圆圆心
trimatcenter=zeros(size(trimat,1),2);
for j=1:size(trimat,1)
[a,b,~]=maketricenter(xdot(trimat(j,1),:),xdot(trimat(j,2),:),xdot(trimat(j,3),:));
trimatcenter(j,:)=[a,b];
end
%求三角形的相邻三角形个数
[border_trimat,border_point,trimat_con]=makebordertri(trimat);
Thi_edge1=[];
for j=1:size(trimat,1)
tempedge=[];
%第一个相邻三角形
if trimat_con(j,1)~=0
tempedge=[tempedge;[j,trimat_con(j,1)]];
end
%第二个相邻三角形
if trimat_con(j,2)~=0
tempedge=[tempedge;[j,trimat_con(j,2)]];
end
%第三个相邻三角形
if trimat_con(j,3)~=0
tempedge=[tempedge;[j,trimat_con(j,3)]];
end
Thi_edge1=[Thi_edge1;tempedge];
end
%绘制非边缘泰勒多边形
figure(2)
Thi_edge1=unique(Thi_edge1,'stable','rows');
xlim([0,1]);ylim([0,1]);
hold on
for j=1:size(Thi_edge1,1)
plot(trimatcenter([Thi_edge1(j,1),Thi_edge1(j,2)],1),trimatcenter([Thi_edge1(j,1),Thi_edge1(j,2)],2),'color',[0,0.4,0])
end
%绘制边缘泰勒多边形
%先逐个边试探,如果中心点在三角内,则做中心-边缘延长线
%如果中心点在三角外,如果在屏幕外,忽略,如果在屏幕内,做边缘-中心延长线
for j=1:size(border_point,1)
%先找到边对应的三角
temp_trimat=border_trimat(sum(border_trimat==border_point(j,1),2)+sum(border_trimat==border_point(j,2),2)==2,:);
%判断中心点是否在三角形内
[t_x1,t_y1,~]=maketricenter(xdot(temp_trimat(1),:),xdot(temp_trimat(2),:),xdot(temp_trimat(3),:));%求中心
panduan=pointintriangle(xdot(temp_trimat(1),:),xdot(temp_trimat(2),:),xdot(temp_trimat(3),:),[t_x1,t_y1]);
%求边的中点
t_x2=(xdot(border_point(j,1),1)+xdot(border_point(j,2),1))/2;
t_y2=(xdot(border_point(j,1),2)+xdot(border_point(j,2),2))/2;
if panduan==1
%做中心-边缘的延长线
%这里用到了边缘在01这个条件
t_xy3=[t_x1,t_y1]+[t_x2-t_x1,t_y2-t_y1]*sqrt(2)/sqrt((t_x2-t_x1)^2+(t_y2-t_y1)^2);
plot([t_x1,t_xy3(1)],[t_y1,t_xy3(2)],'color',[0,0.4,0])
elseif ~(t_x1<0||t_x1>1||t_y1<0||t_y1>1)
%判断点是否在边与边框的三角内,如果在,做中心的延长线
%如果不在,做中心-边缘的延长线
%或者改成判断点是否在多边形内
panduan2=pointinmutiangle(xdot,[border_point(1,1);border_point(:,2)],[t_x1,t_y1]);
if panduan2==1
t_xy3=[t_x1,t_y1]+[t_x2-t_x1,t_y2-t_y1]*sqrt(2)/sqrt((t_x2-t_x1)^2+(t_y2-t_y1)^2);
plot([t_x1,t_xy3(1)],[t_y1,t_xy3(2)],'color',[0,0.4,0])
else
t_xy3=[t_x1,t_y1]+[t_x1-t_x2,t_y1-t_y2]*1/sqrt((t_x2-t_x1)^2+(t_y2-t_y1)^2);
plot([t_x1,t_xy3(1)],[t_y1,t_xy3(2)],'color',[0,0.4,0])
end
end
end
scatter(xdot(:,1),xdot(:,2),5,[0,0.4,0],'filled')
hold off;title('泰森多边形')
%判断点在三角形外接圆的哪个部分
function panduan=whereispoint(xy1,xy2,xy3,xy0)
%判断点在三角形外接圆的哪个部分
[a,b,r2]=maketricenter(xy1,xy2,xy3);
x0=xy0(1);y0=xy0(2);
if a+sqrt(r2)<x0
%x0在圆的右侧
panduan=2;
elseif (x0-a)^2+(y0-b)^2<r2
%x0在圆内
panduan=0;
else
%在圆外
panduan=1;
end
end
%做出三角形三点与内部1点之间的线段
function temp_edge=maketempedge(dot1,dot2,dot3,dot0,xdot)
%做出连接点与三角形之间的线
%每行包含2个点,4个坐标值,共3行
%xy1和xy0组成线段
temp_edge=zeros(3,6);
if xdot(dot1,1)<xdot(dot0,1)
temp_edge(1,:)=[dot1,dot0,xdot(dot1,:),xdot(dot0,:)];
elseif xdot(dot1,1)==xdot(dot0,1)
if xdot(dot1,2)<xdot(dot0,2)
temp_edge(1,:)=[dot1,dot0,xdot(dot1,:),xdot(dot0,:)];
else
temp_edge(1,:)=[dot0,dot1,xdot(dot0,:),xdot(dot1,:)];
end
else
temp_edge(1,:)=[dot0,dot1,xdot(dot0,:),xdot(dot1,:)];
end
%xy2和xy0组成线段
if xdot(dot2,1)<xdot(dot0,1)
temp_edge(2,:)=[dot2,dot0,xdot(dot2,:),xdot(dot0,:)];
elseif xdot(dot2,1)==xdot(dot0,1)
if xdot(dot2,2)<xdot(dot0,2)
temp_edge(2,:)=[dot2,dot0,xdot(dot2,:),xdot(dot0,:)];
else
temp_edge(2,:)=[dot0,dot2,xdot(dot0,:),xdot(dot2,:)];
end
else
temp_edge(2,:)=[dot0,dot2,xdot(dot0,:),xdot(dot2,:)];
end
%xy3和xy0组成线段
if xdot(dot3,1)<xdot(dot0,1)
temp_edge(3,:)=[dot3,dot0,xdot(dot3,:),xdot(dot0,:)];
elseif xdot(dot3,1)==xdot(dot0,1)
if xdot(dot3,2)<xdot(dot0,2)
temp_edge(3,:)=[dot3,dot0,xdot(dot3,:),xdot(dot0,:)];
else
temp_edge(3,:)=[dot0,dot3,xdot(dot0,:),xdot(dot3,:)];
end
else
temp_edge(3,:)=[dot0,dot3,xdot(dot0,:),xdot(dot3,:)];
end
end
%做出一些列固定点发散的线段外点组成的三角形
function temp_trimat=maketemptri(temp_edgemat,xdot,dot0)
%将edge buffer中的边与当前的点进行组合成若干三角形
%temp_edgemat是新边,x是中心点
%思路是计算各个边对应角度,然后排序相连
A=temp_edgemat(:,1:2);
pointline=A(A~=dot0);
N=length(pointline);
pointaxe=xdot(pointline,:);
img_pointaxe=pointaxe(:,1)+1i*pointaxe(:,2);
d_img_pointaxe=img_pointaxe-xdot(dot0,1)-1i*xdot(dot0,2);
angle_d_img_pointaxe=angle(d_img_pointaxe);
[~,index]=sort(angle_d_img_pointaxe);
index=[index;index(1)];%排序,然后依次串起来
temp_trimat=zeros(N,3);
for j=1:N
temp_trimat(j,:)=[pointline(index(j)),pointline(index(j+1)),dot0];
end
end
%将三个点构成3条边
function edgemat=makeedge(dot1,dot2,dot3,xdot)
%将dot1 2 3这三个点构成三条边
%每行包含2个点,4个坐标值,共3行
edgemat=zeros(3,6);
%点12
if xdot(dot1,1)<xdot(dot2,1)
edgemat(1,:)=[dot1,dot2,xdot(dot1,:),xdot(dot2,:)];
elseif xdot(dot1,1)==xdot(dot2,1)
if xdot(dot1,2)<xdot(dot2,2)
edgemat(1,:)=[dot1,dot2,xdot(dot1,:),xdot(dot2,:)];
else
edgemat(1,:)=[dot2,dot1,xdot(dot2,:),xdot(dot1,:)];
end
else
edgemat(1,:)=[dot2,dot1,xdot(dot2,:),xdot(dot1,:)];
end
%点13
if xdot(dot1,1)<xdot(dot3,1)
edgemat(2,:)=[dot1,dot3,xdot(dot1,:),xdot(dot3,:)];
elseif xdot(dot1,1)==xdot(dot3,1)
if xdot(dot1,2)<xdot(dot3,2)
edgemat(2,:)=[dot1,dot3,xdot(dot1,:),xdot(dot3,:)];
else
edgemat(2,:)=[dot3,dot1,xdot(dot3,:),xdot(dot1,:)];
end
else
edgemat(2,:)=[dot3,dot1,xdot(dot3,:),xdot(dot1,:)];
end
%点23
if xdot(dot3,1)<xdot(dot2,1)
edgemat(3,:)=[dot3,dot2,xdot(dot3,:),xdot(dot2,:)];
elseif xdot(dot3,1)==xdot(dot2,1)
if xdot(dot3,2)<xdot(dot2,2)
edgemat(3,:)=[dot3,dot2,xdot(dot3,:),xdot(dot2,:)];
else
edgemat(3,:)=[dot2,dot3,xdot(dot2,:),xdot(dot3,:)];
end
else
edgemat(3,:)=[dot2,dot3,xdot(dot2,:),xdot(dot3,:)];
end
% edgemat
end
%求三角形外接圆圆心
function [a,b,r2]=maketricenter(xy1,xy2,xy3)
x1=xy1(1);y1=xy1(2);
x2=xy2(1);y2=xy2(2);
x3=xy3(1);y3=xy3(2);
a=((y2-y1)*(y3*y3-y1*y1+x3*x3-x1*x1)-(y3-y1)*(y2*y2-y1*y1+x2*x2-x1*x1))/(2.0*((x3-x1)*(y2-y1)-(x2-x1)*(y3-y1)));
b=((x2-x1)*(x3*x3-x1*x1+y3*y3-y1*y1)-(x3-x1)*(x2*x2-x1*x1+y2*y2-y1*y1))/(2.0*((y3-y1)*(x2-x1)-(y2-y1)*(x3-x1)));
r2=(x1-a)*(x1-a)+(y1-b)*(y1-b);
end
%求边缘三角形
function [border_trimat,border_point,trimat_con]=makebordertri(trimat)
N=size(trimat,1);
border_trimat=[];
border_point=[];
trimat_con=zeros(N,3);
for j=1:N
%tempborder_trimat=zeros(3,3);
temptri=trimat(j,:);
%计算temptri中12点边对应的三角形有哪些
edgetrimat=find(sum(trimat==temptri(1),2)+sum(trimat==temptri(2),2)==2);
edgetrimat(edgetrimat==j)=[];
if size(edgetrimat,2)==0
%这个边没有三角形相连,是个临边。
border_point=[border_point;[temptri(1),temptri(2)]];
elseif size(edgetrimat,2)==1
%这个边没有三角形相连,是个临边。
%tempborder_trimat(1,:)=trimat(edgetrimat,:);%记录三角形三点坐标
trimat_con(j,1)=edgetrimat;%trimat_con记录上相邻三角形
end
%计算temptri中23点边对应的三角形有哪些
edgetrimat=find(sum(trimat==temptri(2),2)+sum(trimat==temptri(3),2)==2);
edgetrimat(edgetrimat==j)=[];
if size(edgetrimat,2)==0
border_point=[border_point;[temptri(2),temptri(3)]];
elseif size(edgetrimat,2)==1
%tempborder_trimat(2,:)=trimat(edgetrimat,:);
trimat_con(j,2)=edgetrimat;
end
%计算temptri中31点边对应的三角形有哪些
edgetrimat=find(sum(trimat==temptri(3),2)+sum(trimat==temptri(1),2)==2);
edgetrimat(edgetrimat==j)=[];
if size(edgetrimat,2)==0
border_point=[border_point;[temptri(3),temptri(1)]];
elseif size(edgetrimat,2)==1
%tempborder_trimat(3,:)=trimat(edgetrimat,:);
trimat_con(j,3)=edgetrimat;
end
%tempborder_trimat(all(tempborder_trimat==0, 2),:)=[];%删除0行
if ~all(trimat_con(j,:))
%如果边缘三角少于3个,就添加
border_trimat=[border_trimat;temptri];
end
end
%把边首尾排序一遍,输出border_point
for j=1:size(border_point,1)-1
border_pointtemp=find(sum(border_point==border_point(j,2),2)==1);
border_pointtemp(border_pointtemp==j)=[];
border_point([j+1,border_pointtemp],:)=border_point([border_pointtemp,j+1],:);
if border_point(j,2)==border_point(j+1,2)
border_point(j+1,[1,2])=border_point(j+1,[2,1]);
end
end
end
%判断两个线段是否相交
function panduan=crossornot(l1xy1,l1xy2,l2xy1,l2xy2)
l1x1=l1xy1(1);l1y1=l1xy1(2);
l1x2=l1xy2(1);l1y2=l1xy2(2);
l2x1=l2xy1(1);l2y1=l2xy1(2);
l2x2=l2xy2(1);l2y2=l2xy2(2);
%先快速判断
if (max(l2x1,l2x2)<min(l1x1,l1x2))||(max(l2y1,l2y2)<min(l1y1,l1y2))||...
(max(l1x1,l1x2)<min(l2x1,l2x2))||(max(l1y1,l1y2)<min(l2y1,l2y2))
%如果判断为真,则一定不会相交
panduan=0;
else
%如果判断为假,进一步差积判断
if ((((l1x1-l2x1)*(l2y2-l2y1)-(l1y1-l2y1)*(l2x2-l2x1))*...
((l1x2-l2x1)*(l2y2-l2y1)-(l1y2-l2y1)*(l2x2-l2x1))) > 0 ||...
(((l2x1-l1x1)*(l1y2-l1y1)-(l2y1-l1y1)*(l1x2-l1x1))*...
((l2x2-l1x1)*(l1y2-l1y1)-(l2y2-l1y1)*(l1x2-l1x1))) > 0)
%如果判断为真,则不会相交
panduan=0;
else
panduan=1;
end
end
end
%两个向量做差积
function t=crossdot(xy1,xy2)
x1=xy1(1);y1=xy1(2);
x2=xy2(1);y2=xy2(2);
t=x1*y2-y1*x2;
end
%点是否在三角形内
function panduan=pointintriangle(xy1,xy2,xy3,xy0)
x1=xy1(1);y1=xy1(2);
x2=xy2(1);y2=xy2(2);
x3=xy3(1);y3=xy3(2);
x0=xy0(1);y0=xy0(2);
PA=[x1-x0,y1-y0];PB=[x2-x0,y2-y0];PC=[x3-x0,y3-y0];
%利用差积同正或同负号来判断是否在三角内
t1=crossdot(PA,PB);
t2=crossdot(PB,PC);
t3=crossdot(PC,PA);
if abs(sign(t1)+sign(t2)+sign(t3))==3
panduan=1;
else
panduan=0;
end
end
%点是否在多边形内
function panduan=pointinmutiangle(xdot,d_no,xy0)
%d_no符合12341的格式,收尾相连
Ndot=xdot(d_no,:);
PN=[Ndot(:,1)-xy0(1),Ndot(:,2)-xy0(2)];
tn=zeros(length(d_no)-1,1);
for j=1:length(d_no)-1
tn(j)=crossdot(PN(j,:),PN(j+1,:));
end
%利用差积同正或同负号来判断是否在三角内
if abs(sum(sign(tn)))==length(d_no)-1
panduan=1;
else
panduan=0;
end
end