八叉树的实现

1. //Date : 2008/05/01
2. //Filename : octree.cpp
3. //Platform : VC++ 2005
4. //八叉树的实现
5. //功能：
6. //1、创建八叉树。
7. //此八叉树为满树，即所有节点/叶子全部创建。
8. //用户可以自定义此八叉树的深度和所处的三维场景中的位置。
9. //注a：由于创建树时为满树创建，故层数太大时创建时间可能会比较久，请耐心等待。
10. //注b：创建顺序为(1)上层左前节点-(2)上层右前节点-(3)上层右前节点-(4)上层右后节点
11. //-(5)下层左前节点-(6)下层右前节点-(7)下层右前节点-(8)下层右后节点-(1)-(2)……
12. //2、先序遍历八叉树。
13. //八叉树创建成功后用户可调用此子模块查看此八叉树，会显示每个结点的编号，值和在场景中的坐标。
14. //3、查看八叉树的深度。
15. //4、在场景中查找点。
16. //用户首先输入要查找的坐标。
17. //如果该点位于场景外则提示用户并返回，否则在场景中递归查找该点。
18. //找到后输出该点所处的子结点的坐标和递归次数。
20. #include <iostream>
21. using namespace std;
22. //定义八叉树节点类
23. template<class T>
24. struct OctreeNode
25. {
26.     T data; //节点数据
27.     T xmin,xmax; //节点坐标，即六面体个顶点的坐标
28.     T ymin,ymax;
29.     T zmin,zmax;
30.     OctreeNode <T> *top_left_front,*top_left_back; //该节点的个子结点,即个子六面体
31.     OctreeNode <T> *top_right_front,*top_right_back;
32.     OctreeNode <T> *bottom_left_front,*bottom_left_back;
33.     OctreeNode <T> *bottom_right_front,*bottom_right_back;
34.     OctreeNode //节点类
35.         (T nodeValue = T(),
36.         T xminValue = T(),T xmaxValue = T(),
37.         T yminValue = T(),T ymaxValue = T(),
38.         T zminValue = T(),T zmaxValue = T(),
39.         OctreeNode<T>* top_left_front_Node = NULL,
40.         OctreeNode<T>* top_left_back_Node = NULL,
41.         OctreeNode<T>* top_right_front_Node = NULL,
42.         OctreeNode<T>* top_right_back_Node = NULL,
43.         OctreeNode<T>* bottom_left_front_Node = NULL,
44.         OctreeNode<T>* bottom_left_back_Node = NULL,
45.         OctreeNode<T>* bottom_right_front_Node = NULL,
46.         OctreeNode<T>* bottom_right_back_Node = NULL )
47.         :data(nodeValue),
48.         xmin(xminValue),xmax(xmaxValue),
49.         ymin(yminValue),ymax(ymaxValue),
50.         zmin(zminValue),zmax(zmaxValue),
51.         top_left_front(top_left_front_Node),
52.         top_left_back(top_left_back_Node),
53.         top_right_front(top_right_front_Node),
54.         top_right_back(top_right_back_Node),
55.         bottom_left_front(bottom_left_front_Node),
56.         bottom_left_back(bottom_left_back_Node),
57.         bottom_right_front(bottom_right_front_Node),
58.         bottom_right_back(bottom_right_back_Node){}
59. };
60. //创建八叉树
61. template <class T>
62. void createOctree(OctreeNode<T> * &root,int maxdepth,double xmin,double xmax,double ymin,double ymax,double zmin,double zmax)
63. {
64.     cout<<"处理中，请稍候……"<<endl;
65.     maxdepth=maxdepth-1; //每递归一次就将最大递归深度-1
66.     if(maxdepth>=0)
67.     {
68.         root=new OctreeNode<T>();
69.         root->data = 9; //为节点赋值，可以存储节点信息，如物体可见性。由于是简单实现八叉树功能，简单赋值为。
70.         root->xmin=xmin; //为节点坐标赋值
71.         root->xmax=xmax;
72.         root->ymin=ymin;
73.         root->ymax=ymax;
74.         root->zmin=zmin;
75.         root->zmax=zmax;
76.         double xm=(xmax-xmin)/2;//计算节点个维度上的半边长
77.         double ym=(ymax-ymin)/2;
78.         double zm=(ymax-ymin)/2;
79.         //递归创建子树，根据每一个节点所处（是几号节点）的位置决定其子结点的坐标。
80.         createOctree(root->top_left_front,maxdepth,xmin,xmax-xm,ymax-ym,ymax,zmax-zm,zmax);
81.         createOctree(root->top_left_back,maxdepth,xmin,xmax-xm,ymin,ymax-ym,zmax-zm,zmax);
82.         createOctree(root->top_right_front,maxdepth,xmax-xm,xmax,ymax-ym,ymax,zmax-zm,zmax);
83.         createOctree(root->top_right_back,maxdepth,xmax-xm,xmax,ymin,ymax-ym,zmax-zm,zmax);
84.         createOctree(root->bottom_left_front,maxdepth,xmin,xmax-xm,ymax-ym,ymax,zmin,zmax-zm);
85.         createOctree(root->bottom_left_back,maxdepth,xmin,xmax-xm,ymin,ymax-ym,zmin,zmax-zm);
86.         createOctree(root->bottom_right_front,maxdepth,xmax-xm,xmax,ymax-ym,ymax,zmin,zmax-zm);
87.         createOctree(root->bottom_right_back,maxdepth,xmax-xm,xmax,ymin,ymax-ym,zmin,zmax-zm);
88.     }
89. }
90. int i=1;
91. //先序遍历八叉树
92. template <class T>
93. void preOrder( OctreeNode<T> * & p)
94. {
95.     if(p)
96.     {
97.         cout<<i<<".当前节点的值为："<<p->data<<"/n坐标为：";
98.         cout<<" xmin: "<<p->xmin<<" xmax: "<<p->xmax;
99.         cout<<" ymin: "<<p->ymin<<" ymax: "<<p->ymax;
100.         cout<<" zmin: "<<p->zmin<<" zmax: "<<p->zmax;
101.         i+=1;
102.         cout<<endl;
103.         preOrder(p->top_left_front);
104.         preOrder(p->top_left_back);
105.         preOrder(p->top_right_front);
106.         preOrder(p->top_right_back);
107.         preOrder(p->bottom_left_front);
108.         preOrder(p->bottom_left_back);
109.         preOrder(p->bottom_right_front);
110.         preOrder(p->bottom_right_back);
111.         cout<<endl;
112.     }
113. }
114. //求八叉树的深度
115. template<class T>
116. int depth(OctreeNode<T> *& p)
117. {
118.     if(p == NULL)
119.         return -1;
120.     int h = depth(p->top_left_front);
121.     return h+1;
122. }
123. //计算单位长度，为查找点做准备
124. int cal(int num)
125. {
126.     int result=1;
127.     if(1==num)
128.         result=1;
129.     else
130.     {
131.         for(int i=1;i<num;i++)
132.             result=2*result;
133.     }
134.     return result;
135. }
136. //查找点
137. int maxdepth=0;
138. int times=0;
139. static double xmin=0,xmax=0,ymin=0,ymax=0,zmin=0,zmax=0;
140. int tmaxdepth=0;
141. double txm=1,tym=1,tzm=1;
142. template<class T>
143. void find(OctreeNode<T> *& p,double x,double y,double z)
144. {
145.     double xm=(p->xmax-p->xmin)/2;
146.     double ym=(p->ymax-p->ymin)/2;
147.     double zm=(p->ymax-p->ymin)/2;
148.     times++;
149.     if(x>xmax || x<xmin || y>ymax || y<ymin || z>zmax || z<zmin)
150.     {
151.         cout<<"该点不在场景中！"<<endl;
152.         return;
153.     }
154.     if(x<=p->xmin+txm && x>=p->xmax-txm && y<=p->ymin+tym && y>=p->ymax-tym && z<=p->zmin+tzm && z>=p->zmax-tzm )
155.     {
156.         cout<<endl<<"找到该点！"<<"该点位于"<<endl;
157.         cout<<" xmin: "<<p->xmin<<" xmax: "<<p->xmax;
158.         cout<<" ymin: "<<p->ymin<<" ymax: "<<p->ymax;
159.         cout<<" zmin: "<<p->zmin<<" zmax: "<<p->zmax;
160.         cout<<"节点内！"<<endl;
161.         cout<<"共经过"<<times<<"次递归！"<<endl;
162.     }
163.     else if(x<(p->xmax-xm) && y<(p->ymax-ym) && z<(p->zmax-zm))
164.     {
165.         cout<<"当前经过节点坐标："<<endl;
166.         cout<<" xmin: "<<p->xmin<<" xmax: "<<p->xmax;
167.         cout<<" ymin: "<<p->ymin<<" ymax: "<<p->ymax;
168.         cout<<" zmin: "<<p->zmin<<" zmax: "<<p->zmax;
169.         cout<<endl;
170.         find(p->bottom_left_back,x,y,z);
171.     }
172.     else if(x<(p->xmax-xm) && y<(p->ymax-ym) && z>(p->zmax-zm))
173.     {
174.         cout<<"当前经过节点坐标："<<endl;
175.         cout<<" xmin: "<<p->xmin<<" xmax: "<<p->xmax;
176.         cout<<" ymin: "<<p->ymin<<" ymax: "<<p->ymax;
177.         cout<<" zmin: "<<p->zmin<<" zmax: "<<p->zmax;
178.         cout<<endl;
179.         find(p->top_left_back,x,y,z);
180.     }
181.     else if(x>(p->xmax-xm) && y<(p->ymax-ym) && z<(p->zmax-zm))
182.     {
183.         cout<<"当前经过节点坐标："<<endl;
184.         cout<<" xmin: "<<p->xmin<<" xmax: "<<p->xmax;
185.         cout<<" ymin: "<<p->ymin<<" ymax: "<<p->ymax;
186.         cout<<" zmin: "<<p->zmin<<" zmax: "<<p->zmax;
187.         cout<<endl;
188.         find(p->bottom_right_back,x,y,z);
189.     }
190.     else if(x>(p->xmax-xm) && y<(p->ymax-ym) && z>(p->zmax-zm))
191.     {
192.         cout<<"当前经过节点坐标："<<endl;
193.         cout<<" xmin: "<<p->xmin<<" xmax: "<<p->xmax;
194.         cout<<" ymin: "<<p->ymin<<" ymax: "<<p->ymax;
195.         cout<<" zmin: "<<p->zmin<<" zmax: "<<p->zmax;
196.         cout<<endl;
197.         find(p->top_right_back,x,y,z);
198.     }
199.     else if(x<(p->xmax-xm) && y>(p->ymax-ym) && z<(p->zmax-zm))
200.     {
201.         cout<<"当前经过节点坐标："<<endl;
202.         cout<<" xmin: "<<p->xmin<<" xmax: "<<p->xmax;
203.         cout<<" ymin: "<<p->ymin<<" ymax: "<<p->ymax;
204.         cout<<" zmin: "<<p->zmin<<" zmax: "<<p->zmax;
205.         cout<<endl;
206.         find(p->bottom_left_front,x,y,z);
207.     }
208.     else if(x<(p->xmax-xm) && y>(p->ymax-ym) && z>(p->zmax-zm))
209.     {
210.         cout<<"当前经过节点坐标："<<endl;
211.         cout<<" xmin: "<<p->xmin<<" xmax: "<<p->xmax;
212.         cout<<" ymin: "<<p->ymin<<" ymax: "<<p->ymax;
213.         cout<<" zmin: "<<p->zmin<<" zmax: "<<p->zmax;
214.         cout<<endl;
215.         find(p->top_left_front,x,y,z);
216.     }
217.     else if(x>(p->xmax-xm) && y>(p->ymax-ym) && z<(p->zmax-zm))
218.     {
219.         cout<<"当前经过节点坐标："<<endl;
220.         cout<<" xmin: "<<p->xmin<<" xmax: "<<p->xmax;
221.         cout<<" ymin: "<<p->ymin<<" ymax: "<<p->ymax;
222.         cout<<" zmin: "<<p->zmin<<" zmax: "<<p->zmax;
223.         cout<<endl;
224.         find(p->bottom_right_front,x,y,z);
225.     }
226.     else if(x>(p->xmax-xm) && y>(p->ymax-ym) && z>(p->zmax-zm))
227.     {
228.         cout<<"当前经过节点坐标："<<endl;
229.         cout<<" xmin: "<<p->xmin<<" xmax: "<<p->xmax;
230.         cout<<" ymin: "<<p->ymin<<" ymax: "<<p->ymax;
231.         cout<<" zmin: "<<p->zmin<<" zmax: "<<p->zmax;
232.         cout<<endl;
233.         find(p->top_right_front,x,y,z);
234.     }
235. }
236. //main函数
237. int main ()
238. {
239.     OctreeNode<double> * rootNode = NULL;
240.     int choiced = 0;
241.     while(true)
242.     {
243.         system("cls");
244.         cout<<"请选择操作：/n";
245.         cout<<"1.创建八叉树 2.先序遍历八叉树/n";
246.         cout<<"3.查看树深度 4.查找节点   /n";
247.         cout<<"0.退出/n/n";
248.         cin>>choiced;
249.         if(choiced == 0)
250.             return 0;
251.         else if(choiced == 1)
252.         {
253.             system("cls");
254.             cout<<"请输入最大递归深度："<<endl;
255.             cin>>maxdepth;
256.             cout<<"请输入外包盒坐标，顺序如下：xmin,xmax,ymin,ymax,zmin,zmax"<<endl;
257.             cin>>xmin>>xmax>>ymin>>ymax>>zmin>>zmax;
258.             if(maxdepth>=0 || xmax>xmin || ymax>ymin || zmax>zmin || xmin>0 || ymin>0 ||zmin>0)
259.             {
260.                 tmaxdepth=cal(maxdepth);
261.                 txm=(xmax-xmin)/tmaxdepth;
262.                 tym=(ymax-ymin)/tmaxdepth;
263.                 tzm=(zmax-zmin)/tmaxdepth;
264.                 createOctree(rootNode,maxdepth,xmin,xmax,ymin,ymax,zmin,zmax);
265.             }
266.             else
267.             {
268.                 cout<<"输入错误！";
269.                 return 0;
270.             }
271.         }
272.         else if(choiced == 2)
273.         {
274.             system("cls");
275.             cout<<"先序遍历八叉树结果：/n";
276.             i=1;
277.             preOrder(rootNode);
278.             cout<<endl;
279.             system("pause");
280.         }
281.         else if(choiced == 3)
282.         {
283.             system("cls");
284.             int dep = depth(rootNode);
285.             cout<<"此八叉树的深度为"<<dep+1<<endl;
286.             system("pause");
287.         }
288.         else if(choiced == 4)
289.         {
290.             system("cls");
291.             cout<<"请输入您希望查找的点的坐标，顺序如下：x,y,z/n";
292.             double x,y,z;
293.             cin>>x>>y>>z;
294.             times=0;
295.             cout<<endl<<"开始搜寻该点……"<<endl;
296.             find(rootNode,x,y,z);
297.             system("pause");
298.         }
299.         else
300.         {
301.             system("cls");
302.             cout<<"/n/n错误选择！/n";
303.             system("pause");
304.         }
305.     }
306. }