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Python3 趣味系列题8 ------ 凸包动态绘制

Python3 趣味系列题8 ------ 凸包动态绘制

作者: AiFany | 来源:发表于2019-03-25 14:59 被阅读4次
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本文介绍利用Graham Scan算法获得凸包(平面凸包),并动态展示凸包的形成过程。下面用比较通俗的语言,介绍下凸包:在一个二维坐标平面中,散列着一些点,将最外层的点连接起来构成的凸多边型,它能包含散列的所有的点,这个多边形就是这些点构成的点集的凸包。

下面给出几个示例图:

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其中图1、图2均不是凸包,因为图1中的凸多边形没有包含点集中所有的点;图2的多边形虽然包含了所有的点,但不是凸多边形。只有图3中的多边形是凸包,既是凸的又包含了所有的点。

下面介绍Graham Scan算法:

  • 获得参考点P0:参考点就是所有点中,纵坐标最小的点,如果这样的点有多个,则把这些点中横坐标最小的点作为参考点。可知这个参考点肯定在凸包上。

  • 点逆时针排序

  1. 首先将参考点P0的坐标转换为原点,其他的点也按照上述规则转换到相应的点;
  2. 计算原点与其他的点构成的向量与x轴正向构成的夹角,按照夹角从小到大对点进行排序。对于夹角为0的,按照横坐标的升序排列;其他夹角相同的,按照纵坐标的值降序排列。
  3. 最终获得的点的序列就是按照逆时针排列的;下面给出示意图,点是根据逆时针的排列顺序进行编号的。
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  • 开始构建凸包:
  1. 序列中的参考点P0,以及与其相邻的2个点肯定都在凸包上;
  2. 假设相邻的三个点分别是P0、P1、P2,
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  1. 从序列中的第三个点开始遍历,按照上面的公式计算向量的叉积,如果叉积小于等于0,说明截止到目前这个的点,是凸的,将这个点加入到凸点序列中。如果大于0,说明三个点中间的点是凹进去的。然后将其在凸点序列中删除,然后在计算此时凸点序列最后面三个点的叉积,直到叉积不小于0停止。
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下面给出生成凸包的示意图:

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