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。