(五)建筑物多边形化简系列——最小外接矩形的获取

最小外接矩形问题是在给出一个多边形(或一群点),求出面积最小且外接多边形的矩形的问题。这个问题看起来并不难,但是具体实现并不简单。除了调用现有的公开库之外,这里给出一种简单且易理解的方法。

算法的主要思想是:

(1)先实现多边形的简单外接矩形的算法。简单外接矩形是指边平行于x轴或y轴的外接矩形。简单外接矩形很有可能不是最小外接矩形,却是非常容易求得的外接矩形,这为后面做铺垫。

(2)实现平面上某一点绕固定点旋转某一角度的算法。数学基础是,设平面上点(x1,y1)绕另一点(x0,y0)逆时针旋转A角度后的点为(x2,y2),则有

x2 =(x1-x0)*cosA-(y1-y0)*sinA+x0

y2 =(x1-x0)*sinA+(y1-y0)*cosA+y0

顺时针时,A改写成-A即可。

(3)旋转原始多边形(循环,0-90°,间距设为1°),求旋转每个度数后的多边形的简单外接矩形,记录简单外接矩形的面积、顶点坐标以及此时旋转的度数。

(4)比较在旋转过程中多边形求得的所有简单外接矩形,得到面积最小的简单外接矩形,获取该简单外接矩形的顶点坐标和旋转的角度。

(5)旋转外接矩形。将上一步获得面积最小的简单外接矩形反方向(与第3步方向相反)旋转相同的角度,即得最小外接矩形。

实现过程

(1)寻找多边形的中心

多边形的中心就是多边形的重心,各个坐标点之和求平均即可

CPoint* CGeoPolygon::FindCenter(vector<CPoint*> ptsArray)
{
	double tempX,tempY;
	double sumX = 0;
	double sumY = 0;
	int size = ptsArray.size();
	for(int i = 0;i<size;i++)
	{
		sumX = sumX + ptsArray[i]->x;
		sumY = sumY + ptsArray[i]->y;
	}
	tempX = sumX/size;
	tempY = sumY/size;
	CPoint* pt = new CPoint(tempX,tempY);
	return pt;
}

(2)旋转多边形,针对每个点实现绕中心点旋转

旋转的算法见下,注意角度要转换成弧度。

// 某一点pt绕center旋转theta角度,zf,0706
CPoint* CGeoPolygon::rotate(CPoint* pt, CPoint* center, double theta)
{
	double x1 = pt->x;
	double y1 = pt->y;
	double x0 = center->x;
	double y0 = center->y;

	double Q = theta / 180 * 3.1415926;  //角度

	double x2,y2;
	x2 = (x1-x0)*cos(Q)-(y1-y0)*sin(Q)+x0;   //旋转公式
	y2 = (x1-x0)*sin(Q)+(y1-y0)*cos(Q)+y0;

	CPoint* rotatePoint = new CPoint(x2,y2);
	//CPoint* rotatePoint = new CPoint((x1+10,y1+10));
	return rotatePoint;
}

(3)多边形旋转后求简单外接矩形,简单外接矩形算法见下

void CGeoPolygon::FindRectangle(vector<CMyPoint*> pts)
{
	//AfxMessageBox("一般的外接矩形!");
	int size = pts.size();
	if(size == 0)
		AfxMessageBox("该环为空");
	else
	{
		double Xmax = 0;
		double Ymax = 0;
		double Xmin = 60000000;  //最小值不能初始为0,
		double Ymin = 1000000000;  //最小值不能初始为0,
		for(int i = 0;i<size;i++)
		{
			double tempx = pts[i]->Getx();
			double tempy = pts[i]->Gety();
			if(tempx>=Xmax) Xmax = tempx;  //最大x,
			if(tempy>=Ymax) Ymax = tempy;  //最大y,
			if(tempx<=Xmin) Xmin = tempx;  //最小x
			if(tempy<=Ymin) Ymin = tempy;  //最小y
		}
		CPoint *pt1 = new CPoint(Xmax,Ymax);  //左上
		CPoint *pt2 = new CPoint(Xmax,Ymin);
		CPoint *pt3 = new CPoint(Xmin,Ymin);
		CPoint *pt4 = new CPoint(Xmin,Ymax);

		rectangleArray.push_back(pt1);
		rectangleArray.push_back(pt2);
		rectangleArray.push_back(pt3);
		rectangleArray.push_back(pt4);
	}
}

这里的rectangleArray是我自己工程的数组,可以换成自己的。

上述三步为第一大步。


(4)存储每个旋转角度下多边形的外接矩形,记录外接矩形的顶点坐标、面积和此时多边形的旋转角度

            vector<CPoint*> temp = FindRectangle(tempArray); //-----------2---------求旋转后的外接矩形
            if(temp.size() == 0)
                AfxMessageBox("简单外接矩形获取失败!");
            else
            {
                MBR_ZF *tempRect = new MBR_ZF();   //某个旋转角度时的外接矩形指针
                for(int count = 0;count<temp.size();count++)    //将外接矩形顶点转移到circles的变量中
                    tempRect->vertices.push_back(temp[count]);
                double deltaX,deltaY,tempS;                     //求每个外接矩形的面积
                deltaX = tempRect->vertices[0]->x - tempRect->vertices[2]->x;
                deltaY = tempRect->vertices[0]->y - tempRect->vertices[2]->y;
                tempS = deltaY * deltaX;
                tempRect->area = tempS;
                tempRect->ID = angle;
                circles[i]->mbr.push_back(tempRect);  //mbr是用于存储旋转过程中每个外接矩形的数组,单组成元是每个对象的指针
            }

(5)比较每个外接矩形,确定每个环面积最小的外接矩形。

                //------3-----------比较每个外接矩形,确定每个环面积最小的外接矩形
		int finalID;
		double compare = 600000000;
		for(int num = 0;num<circles[i]->mbr.size();num++)
		{
			if(compare >= circles[i]->mbr[num]->area)
			{
				finalID = circles[i]->mbr[num]->ID;
				compare = circles[i]->mbr[num]->area;
			}
		}
		for(int num = 0;num<circles[i]->mbr.size();num++)
		{
			if(circles[i]->mbr[num]->ID == finalID)
			{
				circles[i]->finalMBR.area = circles[i]->mbr[num]->area;
				circles[i]->finalMBR.ID = circles[i]->mbr[num]->ID;
				for(int pointNum = 0; pointNum<circles[i]->mbr[num]->vertices.size();pointNum++)
					circles[i]->finalMBR.vertices.push_back(circles[i]->mbr[num]->vertices[pointNum]);
			}
		}

(6)将外接矩形旋转回来。外接矩形朝相反的方向旋转相同度数。

//----------4-------将外接矩形朝相反的方向旋转相同度数
        int finalAngle = circles[i]->finalMBR.ID;
        for(int final = 0;final<circles[i]->finalMBR.vertices.size();final++)
            rectangleRotate.push_back(rotate(circles[i]->finalMBR.vertices[final],center,-finalAngle));  //!!!此处角度相反

ID就是旋转的角度。

最终效果:

简单外接矩形

最小外接矩形

总结:理解算法的思路很重要,我的代码只是一个例子。这个方法不需要旋转外接矩形,只需要旋转多边形求简单外接矩形,思路上更容易理解。

PS:很感谢我的室友杨某给我的帮助,此方法受他启发。

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