計算幾何之凸包

2021-08-20 19:35:32 字數 1957 閱讀 9680

今天我們要涉及計算幾何中的凸包。凸包(convex hull)是乙個計算幾何(圖形學)中的概念。

凸包這個東西,我們其實並不陌生,因為在斜率優化的時候我們就需要用到凸包來進行輔助。但是今天講的是怎麼求出凸包。

在乙個實數向量空間v中,對於給定集合x,所有包含x的凸集的交集s被稱為x的凸包。x的凸包可以用x內所有點(x1…xn)的凸組合來構造.

在二維歐幾里得空間中,凸包可想象為一條剛好包著所有點的橡皮圈。

那麼首先給出凸包的正式定義:

對於乙個集合d,所有包含d的凸集之交稱為d的凸包。
用不嚴謹的話來講,給定二維平面上的點集,凸包就是將最外層的點連線起來構成的凸多邊形,它能包含點集中所有的點。

那麼我們怎麼求凸包呢?首先有的就是暴力窮舉的想法。我們今天介紹的是一種更為優秀的方法:graham掃瞄法。

在知道這種方法前,我們需要知道乙個概念:向量的叉積。

向量的叉積

向量(向量)的叉積在數學,物理(又名叉乘),資訊學中都有重要的應用。比如物理裡面的力矩,就等於f向量叉乘上r向量。向量叉積的表示式為a⃗ 

∗b⃗ ∗

cos(

φ)a →∗

b→∗c

os(φ

),方向用右手螺旋定則判定。而如果我們將兩個向量對應到平面極座標上,那麼若向量a為點(a,b),向量b為點(c,d),那麼a和b的叉積為(a

∗d−b

∗c) (a∗

d−b∗

c)。我們發現當向量叉積為正時,向量a的幅角小於向量b的幅角。於是我們可以用向量的叉積判斷兩個向量的角度關係。

關於精度問題

由於double型別精度上還是存在一點問題,所以我們在a==b時要寫成fabs(a-b)

<

,>

,<=

,>=

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,<=

,>=

同理。graham掃瞄法

首先我們可以立即發現凸包乙個性質:所有點中最左下角的點一定是凸包上的點。那麼我們就按所有點與最左下角的點(後文稱為p0

p

0)構成的向量的幅角的角度排序,如下圖:

然後按照排序順序根據相鄰兩邊的拐向開始貪心。由於凸包的性質,每次拐都不能使叉積小於0。

具體實現可以利用乙個棧存下當前的凸包上的點,每次取棧頂兩個點和新的點進行拐向判斷就行了。

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