定义
⒈对于一个集合D,D中任意有限个点的线性组合的全体称为D的凸包。
⒉对于一个集合D,所有包含D的凸集之交称为D的凸包。
可以证明,上述两种定义是等价的
概念
1 点集Q的凸包(convex hull)是指一个最小凸多边形,满足Q中的点或者在多边形边上或者在其内。右图中由红色 线段表示的多边形就是点集Q={p0,p1,...p12}的凸包。
2 一组平面上的点,求一个包含所有点的最小的 凸多边形,这就是凸包问题了。这可以形象地想成这样:在地上放置一些不可移动的木桩,用一根绳子把他们尽量紧地圈起来,并且为凸边形,这就是凸包了。
2平面求法
常见求法
凸包最常用的凸包算法是Graham扫描法和Jarvis步进法
Graham's Scan法
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
⒈ 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。
⒉ 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。
⒊ 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历完成,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O⑴。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)。
Jarvis步进法。
对于一个有三个或以上点的点集Q,过程如下:
计算点集最右边的点为凸包的顶点的起点,如上图的P3点。
Do
For i = 0 To 总顶点数
计算有向向量P3->Pi
If 其余顶点全部在有向向量P3->Pi的左侧或右侧,则Pi点为凸包的下一顶点
Pi点加入凸包列表
GoTo 1
End If
Next
Exit Do
1:
Loop
此过程执行后,点按极角自动顺时针或逆时针排序,只需要按任意两点的次序就可以了。而左侧或右侧的判断可以用前述的矢量点积性质实现。
中心法
先构造一个中心点,然后将它与各点连接起来,按 斜率递增的方法,求出凸包上部;再按斜率递减的方法,求出凸包下部。
水平法
从最左边的点开始,按 斜率递增的方法,求出凸包上部;再按斜率递减的方法,求出凸包下部。水平法较中心法减少了斜率无限大的可能,减少了代码的 复杂度。
快包法
选择最左、最右、最上、最下的点,它们必组成一个凸 四边形(或三角形)。这个四边形内的点必定不在凸包上。然后将其余的点按最接近的边分成四部分,再进行快包法(QuickHull)。
[1]
code:求最凸包长
#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;
struct point
{
int x;
int y;
} p[30005],res[30005];//p±ê??í??D?ùóDμ?μ?£?res±ê??í1°üé?μ?μ?
int cmp(point p1,point p2)
{
return p1.y < p2.y || (p1.y == p2.y && p1.x < p2.x);
}
bool ral(point p1,point p2,point p3) //ó?2?3??D??μ?μ?????
{
return (p2.x - p1.x)*(p3.y - p1.y) > (p3.x - p1.x)*(p2.y - p1.y);
}
int main()
{
int n,i;
while(scanf("%d",&n) != EOF) //ò?12óDn??μ?
{
for(i = 0; i < n; i++)
scanf("%d%d",&p[i].x,&p[i].y);
if(n == 1)
{
printf("%d %d\n",p[0].x,p[0].y);
continue;
}
if(n == 2)
{
printf("%d %d\n",p[0].x,p[0].y);
printf("%d %d\n",p[1].x,p[1].y);
continue;
}
sort(p,p + n,cmp);
res[0] = p[0];
res[1] = p[1];
int top = 1;
for(i = 2; i < n; i++)
{
while(top && !ral(res[top],res[top - 1],p[i]))
top--;
res[++top] = p[i];
}
int len = top;
res[++top] = p[n - 2];
for(i = n - 3; i >= 0; i--)
{
while(top != len && !ral(res[top],res[top - 1],p[i]))
top--;
res[++top] = p[i];
}
for(i = 0; i < top; i++)
printf("%d %d\n",res[i].x,res[i].y);//ê?3?í1°üé?μ?μ?
}
return 0;
}