判断点在多边形内外的简单算法

 
发信人: RovingCloud (寻找当年的OI感觉), 信区: ACMICPC
标  题: 【原创】惊喜发现判断点在多边形内外的超简单算法
发信站: 逸仙时空 Yat-sen Channel (Wed Mar 28 01:27:19 2007)

     今天学图形学的时候发现了一个求多边形内外的超简单算法,当时觉得非常惊喜,

后来晚上上完选修的时候在走廊遇到bug,bug也是很惊喜地感慨道:居然有甘简单既办法

都捻唔到!遂将其写下,供大家分享,希望不会太火星。

     这个算法是源自《计算机图形学基础教程》(孙家广,清华大学出版社),在该书

的48-49页,名字可称为“改进的弧长法”。该算法只需O(1)的附加空间,时间复杂度为O

(n),但系数很小;最大的优点是具有很高的精度,只需做乘法和减法,若针对整数坐标则

完全没有精度问题。而且实现起来也非常简单,比转角法和射线法都要好写且不易出错。



     首先从该收中摘抄一段弧长法的介绍:“弧长法要求多边形是有向多边形,一般规

定沿多边形的正向,边的左侧为多边形的内侧域。以被测点为圆心作单位圆,将全部有向

边向单位圆作径向投影,并计算其中单位圆上弧长的代数和。若代数和为0,则点在多边形

外部;若代数和为2π则点在多边形内部;若代数和为π,则点在多边形上。”

     按书上的这个介绍,其实弧长法就是转角法。但它的改进方法比较厉害:将坐标原

点平移到被测点P,这个新坐标系将平面划分为4个象限,对每个多边形顶点P ,只考虑

其所在的象限,然后按邻接顺序访问多边形的各个顶点P,分析P和P[i+1],有下列

三种情况:
   (1)P[i+1]在P的下一象限。此时弧长和加π/2;
   (2)P[i+1]在P的上一象限。此时弧长和减π/2;
   (3)P[i+1]在Pi的相对象限。首先计算f=y[i+1]*x-x[i+1]*y(叉积),若f=

0,则点在多边形上;若f<0,弧长和减π;若f>0,弧长和加π。

     最后对算出的代数和和上述的情况一样判断即可。

     实现的时候还有两点要注意,第一个是若P的某个坐标为0时,一律当正号处理;

第二点是若被测点和多边形的顶点重合时要特殊处理。

     以上就是书上讲解的内容,其实还存在一个问题。那就是当多边形的某条边在坐标

轴上而且两个顶点分别在原点的两侧时会出错。如边(3,0)-(-3,0),按以上的处理,象限

分别是第一和第二,这样会使代数和加π/2,有可能导致最后结果是被测点在多边形外。

而实际上被测点是在多边形上(该边穿过该点)。

     对于这点,我的处理办法是:每次算P和P[i+1]时,就计算叉积和点积,判断该

点是否在该边上,是则判断结束,否则继续上述过程。这样牺牲了时间,但保证了正确性



     具体实现的时候,由于只需知道当前点和上一点的象限位置,所以附加空间只需O(

1)。实现的时候可以把上述的“π/2”改成1,“π”改成2,这样便可以完全使用整数进

行计算。不必考虑顶点的顺序,逆时针和顺时针都可以处理,只是最后的代数和符号不同

而已。整个算法编写起来非常容易。

     针对以上算法,我写了一个代码,拿ZOJ 1081 Points Within进行测试,顺利Acce

pted。这证明该算法的正确性还是可以保障的。

   以下附上我的代码:

//  ZOJ 1081 , 改进弧长法判点在形内形外
#include  < stdio.h >
#include 
< math.h >
const   int  MAX  =   101  ;
struct  point {  int  x , y ; } p[MAX] ;

int  main()
{
       
int  n , m , i , sum , t1 , t2 , f , prob  =   0  ;
       point t ;
       
while  ( scanf(  " %d "  ,  & n ) , n )
       {
               
if ( prob  ++  ) printf (  " "  );
               printf ( 
" Problem %d: "  , prob ) ;
               scanf ( 
" %d "  ,  & m ) ;
               
for  ( i  =   0  ; i  <  n ; i  ++  ) scanf (  " %d%d "  ,  & p.x ,  & p.y ) ;
               p[n] 
=  p[ 0 ] ;
               
while  ( m  --  )
               {
                       scanf ( 
" %d%d "  ,  & t.x ,  & t.y );
                       
for  ( i  =   0  ; i  <=  n ; i  ++  ) p.x  -=  t.x , p.y  - =  t.y ;     //  坐标平移
                       t1  =  p[ 0 ].x >= 0   ?  ( p[ 0 ].y >= 0 ? 0 : 3  ) : ( p[ 0 ].y >= 0 ? 1 : 2  );         //  计算象限
                        for  ( sum  =   0  , i  =   1  ; i  <=  n ; i  ++  )
                       {
                               
if  (  ! p.x  &&   ! p.y )  break  ;    //  被测点为多边形顶点
                               f  =  p.y  *  p[i - 1 ].x  -  p.x  *  p[i - 1 ].y ;     //  计算叉积
                                if  (  ! &&  p[i - 1 ].x * p.x  <=   0   &&  p[i - 1 ].y * p[i].y  <=   0  )  break  ;   //  点在边上
                               t2  =  p.x >= 0   ?  ( p.y >= 0 ? 0 : 3  ) : ( p.y > = 0 ? 1 : 2  ) ;    //  计算象限
                                if  ( t2  ==  ( t1  +   1  )  %   4  ) sum  +=   1  ;

            
//  情况1
                                else   if  ( t2  ==  ( t1  +   3  )  %   4  ) sum  -=   1  ;

            
//  情况2
                                else   if  ( t2  ==  ( t1  +   2  )  %   4  )

            
//  情况3
                               {


                                       
if  ( f  >   0  ) sum  +=   2  ;  else  sum  -=   2 ;
                               }
                               t1 
=  t2 ;
                       }
                       
if  ( i <= ||  sum ) printf(  " Within "  ) ;  else  printf( " Outside "  ) ;
                       
for  ( i  =   0  ; i  <=  n ; i  ++  ) p.x  +=  t.x , p.y  + =  t.y ;        //  恢复坐标
               }
       }
       
return   0 ;
}

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