图解 Andrew 算法求凸包
前言
Andrew 算法可以在 (O(nlog n)) 的时间复杂度通过单调栈分别求出散点的上凸壳和下凸壳,来求出平面上一些点的凸包。
看懂这篇博客,大家需要掌握:
- 基础计算几何知识
- 单调栈
本文中的向量恕不加 (overrightarrow{}) 符号。
凸多边形是指所有内角大小都在 ([0,pi]) (弧度制)范围内的 简单多边形。其他的“凸”请类比理解。
凸包
首先,什么是凸包?
给你平面上的点集,你需要从中选出最少的点,使得这些点所组成的 凸多边形 可以包裹住其他所有点。这些点所组成的凸多边形就是凸包。
譬如下面这个点集:
它的凸包是:
下面我将会告诉大家怎么求。
序曲
Andrew 算法需要先对所有点按照 (x) 坐标为第一关键字、(y) 坐标为第二关键字排序。如上面的点集,经过排序后是:
ABFEDCGJHILMNKO
那么 (A) 和 (O) 一定在凸包上,因为它们无法被其他点所组成的凸多边形覆盖。
按照 Andrew 算法的逻辑,我们需要先求出凸包的一半 “凸壳”。下面将会以上凸壳为例,下凸壳与其类似。
一段上凸壳一定满足顺时针遍历时,每个节点在每条边所组成的向量的右边(下凸壳在左边)(就是凸包的“凸”,下同)。这句话大家可能不能完全理解,不过没有关系,我会给大家慢慢道来。
流程
首先,按照排序后的点集遍历点集,第一个遍历到的是 (B)((A) 不考虑)。我们可以连接 (AB):
然后下一个点是 (F),继续连接 (BF):
下一个点是 (E),继续连接 (FE):
下一个点是 (D),继续连接 (ED):
但是这样子我们遇到了问题,(D) 在 (FE) 左侧,它不凸了,我们的解决办法是:
断掉以前连的边,直到遇到可以连接的点,满足凸壳性质
我们可以断掉 (ED,FE),连接 (FD),发现还是不满足。
我们继续,断掉 (FD,BF),连接 (BD),这回满足了。
下一个点是 (C),继续连接 (DC):
发现又不凸了,我们断掉 (DC,BD) 连接 (BC),就可以满足了:
下一个点是 (G),继续连接 (CG):
发现不凸,我们断掉 (CG,BC),连接 (BG):
下一个点是 (J),继续连接 (GJ):
下一个点是 (H),继续连接 (JH):
发现不凸,我们断掉 (GJ,JH),连接 (GH):
下一个点是 (I),继续连接 (HI):
下一个点是 (L),继续连接 (IL):
发现不凸,我们断掉 (IL,HI),连接 (HL):
发现不凸,我们断掉 (HL,GH),连接 (GL):
发现不凸,我们断掉 (GL,BG),连接 (BL):
下一个点是 (M),继续连接 (LM):
下一个点是 (N),继续连接 (MN):
发现不凸,我们断掉 (MN,LM),连接 (LN):
下一个点是 (K),继续连接 (NK):
发现不凸,我们断掉 (LN,NK),连接 (LK):
最后一个点是 (O),我们连接 (KO):
这样子上凸壳便求出来,下凸壳我们一般从 (O) 遍历到 (A),按照以前的逻辑做即可,最后结果如下:
实现
维护“不凸就断边”我们使用单调栈,如果不满足凸的性质就弹栈,最后入栈即可。注意我们不需要模拟断边操作,只需要将点删除即可。
还有,如何判断是否在左边呢?我们可以使用叉乘的右手定则:
参考代码如下:
int stk[100005];
bool used[100005];
vector<Point> ConvexHull(Point* poly, int n){ // Andrew算法求凸包
int top=0;
sort(poly+1,poly+n+1,[&](Point x,Point y){
return (x.x==y.x)?(x.y<y.y):(x.x<y.x);
});
stk[++top]=1;
for(int i=2;i<=n;i++){
while(top>1&&dcmp((poly[stk[top]]-poly[stk[top-1]])*(poly[i]-poly[stk[top]]))<=0){
used[stk[top--]]=0;
}
used[i]=1;
stk[++top]=i;
}
int tmp=top;
for(int i=n-1;i;i--){
if(used[i]) continue;
while(top>tmp&&dcmp((poly[stk[top]]-poly[stk[top-1]])*(poly[i]-poly[stk[top]]))<=0){
used[stk[top--]]=0;
}
used[i]=1;
stk[++top]=i;
}
vector<Point> a;
for(int i=1;i<=top;i++){
a.push_back(poly[stk[i]]);
}
return a;
}
课后习题
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