20 августа 2012 в 22:41

Оптимизация алгоритма проверки условия Делоне через уравнение описанной окружности и его применение

Расскажу секрет о том, как быстро проверить выполнение условия Делоне для двух треугольников.
Собственно сама оптимизация описана немного ниже(см.«Оптимизация алгоритма проверки условия Делоне через уравнение описанной окружности»), но расскажу обо всем по порядку.

В моем случае триангуляция применяется в трассировке изображения, для разбиения плоскости на примитивные сектора (треугольники). Как известно, она делится также на несколько этапов: корректировка, выявление границ, обход границ, заметание контуров. Это в самом общем виде. Я бы хотел остановиться, думаю, на самом сложном этапе: заметание плоскости.

На входе

После обнаружения и обхода границ на выходе я получил множество внешних контуров. Каждые соприкасающиеся контура имеют разные цвета. Внутри каждого такого контура содержится также известное кол-во внутренних контуров.
Таким образом, с точки зрения «заметания плоскости», если рассматривать внешние контура отдельно, имеем множество точек, каждая из которых имеет по одному соседу справа и слева. Т.е. все точки замкнуты в цепи, нет ни одной одиночной «висячей» точки, а так же в каждой из цепей содержится не менее 3-ех точек (Рисунок 1).

Рисунок 1

Что надо сделать

Нужно заметать фигуру треугольниками.

Поиски

Прочитав книгу не нашел ни одного (хотя бы одного) хоть сколько нибудь подходящего к моему случаю способа построения триангуляции Делоне. Искать другие книги не стал. Да и этой хватило, она привела мысли моей головы в порядок. В итоге изобрел свой «велосипед».

Алгоритм

1) Допустим, для начала, что в рассматриваемой фигуре всего одна последовательность. Тогда все сводится к последовательному забиранию треугольников. Берем любую точку и пытаемся построить треугольник с соседними точками. Если треугольник построить не получилось (линия связывающая эти две точки, пересекается с уже построенными или линия проходит в зоне отчуждения (Рисунок 2), двигаемся к соседней точке, допустим вправо. Когда очередной треугольник найден, заносим его в список (Рисунок 3), а точку из которой он строился удаляем (Рисунок 4).

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

Еще одно но: при сохранении очередного треугольника необходимо записывать вершины в обходе по часовой стрелке (в правой системе координат). Это пригодится в дальнейшем для уменьшения вычислительных ресурсов.

2) Повторяем шаг 1 пока не заметаем всю плоскость.

3) Если последовательностей несколько, т.е. одна, а внутри её еще одна или более внутренних контуров (Рисунок 1). Тут необходимо рассмотреть каждую последовательность отдельно. Возьмем очередной внутренний контур. Из одного внешнего и одного внутреннего сделаем два одиночных контура. Для этого нужно найти два «порта» из одного контура в другой. Условие для «портов»: они не должны пересекаться между собой(не должны соприкасаться даже концами), не должны пересекаться с линиями контуров (Рисунок 5).

Рисунок 5

Рисунок 6
4) Далее следует ввести поочередно все внутренние последовательности в уже образованные, отделенные друг от друга (пункт 3) последовательности. Сливать нужно с той, которая содержит новую. По определению ни одна внутренняя последовательность не касается и не пересекается с другими(как одной внешней, так и всеми возможными внутренними), так что все пройдет гладко.
Найдя порты (Рисунок 6) легко построить новые последовательности и обойти их пунктами 1 и 2 текущего алгоритма (Рисунок 7).

Рисунок 7

5) После 4-его этапа имеем список треугольников(Рисунок 8). Как бы с задачей уже справились, но осталось сделать картинку красивой: проверить выполнение условия Делоне (Рисунок 9).

Рисунок 8

Рисунок 9

6) Забегая вперед расскажу про шестой пункт. Он заключается в последовательном прогоне по списку полученных треугольников пунктом №5. Сначала метим все треугольники «грязными». В каждом цикле проверяем для каждого треугольника условие Делоне. Если условие не выполняется, то делаем перестроение и помечаем соседей и текущий треугольник «грязными». Если условие выполняется, то метим его чистым. В моей реализации алгоритма, каждый треугольник имеет ссылку на соседей. В этом случае 6-ой пункт работает наиболее быстро.

Подробнее о пятом этапе

Сейчас, на сколько я знаю, существуют два возможных способа определить удовлетворяют треугольники условию Делоне или нет: 1) Проверить сумму противоположных углов. Она должны быть меньше 180. 2) Вычислить центр описанной окружности и посчитать расстояние до 4-ой точки. Всем известно, условие Делоне выполняется, если точка находится за пределами описанной окружности.

Мощность вычислений №1: 10 операций умножения/деления и 13 операций сложения/вычитания.
Мощность вычислений №2: 29 операций умножения/деления и 24 операций сложения/вычитания.

С точки зрения вычислительной мощности, которая высчитывается к примеру в книге , выгоднее вариант №1. Его и реализовал, если бы не… (Рисунок 10). Как оказалось после постановки данного метода на «конвейер», получилась неопределенность. Это вариант, когда сам угол А больше 180 градусов. Он рассматривается в книге как один из отдельных частных методов. А с этим пропадает вся его элегантность, прозрачность и производительность. А так же в последствии оказалось, что метод №2 можно очень существенно оптимизировать.

Рисунок 10

Оптимизация алгоритма проверки условия Делоне через уравнение описанной окружности

Далее чистая математика.

Итак имеем:
Проверка условия для точки M(X, Y) уравнением окружности, проходящей через точки A(x1, y1), B(x2, y2), C(x3, y3), можно записать в виде:

(a ⋅ (X^2 + Y^ 2) − b ⋅ X + c ⋅ Y − d) ⋅ sign a ≥ 0

Подробности можно взять в великолепной книге . (Нет, не я ее автор)
Итак, sign a - это знак направления обхода, с самого начала я строил треугольники по часовой стрелке, так что его можно опустить (он равен единице).

A(x1 - X, y1 - Y), B(x2 - X, y2 - Y), B(x3 - X, y3 - Y);

D >= 0

Рисунок 11

Просто не правда ли?

Согласно книге, опять же,

(x1^2 + y1^2)*(y2*x3 - x2*y3) + (x2^2 + y2^2)*(x1*y3 - y1*x3) + (x3^2 + y3^2)*(y1*x2 - x1*y2) <= 0

Имеем: 15 операций умножения/деления и 14 операций сложения/вычитания.

Спасибо за внимание. Жду критики.

Список используемой литературы

1. Скворцов А.В. Триангуляция Делоне и её применение. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002. – 128 с. ISBN 5-7511-1501-5

Пространственная триангуляция Делоне

Задача построение сети неперекрывающихся треугольников является одной из базовых в вычислительной геометрии и широко используется в машинной графике и геоинформационных системах для моделирования поверхности и решения пространственных задач.

Впервые задача построения сети неперекрывающихся треуголь­ников была поставлена в 1934 году в работе советского математика Б. Н. Делоне, который сформулировал и соответствующие условия.

В математике задачей построения триангуляции по заданным точкам называют задачу их попарного соединений непересекающимися отрезками так, чтобы образовалась сеть треугольников. Основными ее элементами являются (рис.5.3): узлы (вершины треугольников), ребра (стороны) и грани (собственно треугольники). Построенная три­ан­гуляция может быть выпуклой (если таковым будет минимальный многоугольник, охватывающий область моделирования), невыпуклой (если триангуляция не является выпуклой) и оптимальной (если сумма длин всех ребер минимальна).

Сеть таких треугольников называется триангуляцией Делоне, если она удовлетворяет некоторым условиям:

Внутрь окружности, описанной вокруг любого треугольника, не попадает ни одна из исходных точек (рис. 5.3);

Триангуляция является выпуклой и удовлетворяет сформулиро­ванному выше условию Делоне;

Сумма минимальных углов всех треугольников максимальна из всех возможных триангуляций;

Сумма радиусов окружностей, описанных около треугольников, минимальна среди всех возможных триангуляций .

Первый из названных выше критериев построения триангуляции Делоне, называемый круговым, является одним из основных и проверяется для любой пары треугольников с общими гранями. Математическая интерпретация критерия вытекает из рис. 5.3:

(5.2)

Существует множество способов построения триангуляции Делоне, которая является одним из самых популярных в последнее время способов построения триангуляционной сетки. Она применяется во многих ГИС системах для построения моделей рельефа.

В приложении к двумерному пространству она формулируется следующим образом: система взаимосвязанных неперекрывающихся треугольников имеет наименьший периметр, если ни одна из вершин не попадает внутрь ни одной из окружностей, описанных вокруг образованных треугольников (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Триангуляция Делоне

Это означает, что образовавшиеся треугольники при такой триангуляции максимально приближаются к равносторонним, а каждая из сторон образовавшихся треугольников из противолежащей вершины видна под максимальным углом из всех возможных точек соответствующей полуплоскости. Это именно та оптимальная триангуляция, по ребрам которой делается обычно линейная интерполяция для построения изолиний.

Многие алгоритмы построения триангуляции Делоне используют следующую теорему .

Теорема 1. Триангуляцию Делоне можно получить из любой другой триангуляции по той же си­стеме точек, последовательно перестраивая пары соседних треугольников ABC и BCD, не удовлетво­ряющих условию Делоне, в пары треугольников ABD и ACD (рис. 5.5).

Рис. 5.5.. Перестроение треугольников, не удовлетворяющих условию Делоне

Такую операцию перестроения часто называют флипом. Данная теорема позволяет строить три­ангуляцию Делоне последовательно, вначале строя некоторую триангуляцию, а потом последовательно улучшая ее в смысле условия Делоне. При проверке условия Делоне для пар соседних треугольников можно использовать непосредственно определение, но иногда используются другие способы, основанные на условиях, перечисленных выше.

В данных условиях фигурирует суммарная характеристика всей триангуляции (сумма мини­мальных углов или сумма радиусов), оптимизируя которую можно получить триангуляцию Делоне.

Как было сказано выше одна из важнейших операций, выполняемых при построении три­ангуляции, является проверка условия Делоне для заданных пар треугольников. На основе определения триангуляции Делоне и соответствующих условий на практике обычно используют несколько способов проверки:

– проверка через уравнение описанной окружности;

– проверка с заранее вычисленной описанной окружностью;

– проверка суммы противолежащих углов;

– модифицированная проверка суммы противолежащих углов.

В многих системах выполняется проверка с заранее вычисленной описанной окружностью. Основная идея алгоритма проверки через за­ранее вычисленные окружности заключается в предварительном вычислении для каждого построенного треугольника центра и радиуса описанной вокруг него окружности, после чего проверка условия Делоне будет сводиться к вычислению расстояния до центра этой окружности и сравнению результата с ради­усом. Центр и радиус r окружности, описанной вокруг можно найти как , , , r 2 = (b 2 + с 2 - 4аd)/4а 2 , где значения а, b, с, d определены по формулам (5.3)

(5.3)

Другая запись уравнения этой окружности имеет вид:

(5.5.)

(5.6)

Тогда условие Делоне для будет выполняться только тогда, когда для любой другой точки триангуляции будет:

(x 0 – x C) 2 + (y 0 – y C) 2 ≥ r 2 . (5.7)

В настоящее время существует множество алгоритмов построения триангуляции Делоне. Многие из известных алгоритмов используют определение триангуляции Делоне как вторичный признак триангуляции. Поэтому в таких алгоритмах отмечаются следующие слабости:

– алгоритмы используют постоянно вычисляемые тригонометрические функции, что резко замедляет процесс;

– при исследовании взаимоотношения точек и базового отрезка возникают очень малые углы, и при использовании тригонометрических функций постоянно появляется опасность исчезновения порядка и деления на 0 в связи с ограниченной точностью представлений данных в компьютере, эта ситуация требует постоянной дополнительной обработки .

Наиболее известные программные продукты строят триангуляцию Делоне, используя теорему о пустом шаре как основной, первичный принцип построения треугольников. Алгоритм выглядит так:

– все множество точек делится на треугольники, т.е. создаются комбинации из трех точек;

– для каждой комбинации находится описанная окружность и координаты ее центра;

– если внутри окружности текущей комбинации не находится ни одной точки из оставшихся то эта комбинация есть треугольник – часть триангуляции Делоне.

К достоинствам этого алгоритма можно отнести:

– отсутствие использования тригонометрических функций, что не замедляет процесс построений;

– непосредственное построение триангуляции Делоне, без каких – либо предварительных построений;

– простота всех вычислений и преобразований;

– в итоге триангуляционная сетка представлена множеством треугольников, а не отдельных линий.

Построенная таким образом триангуляция является геометрической основой для построения изолиний.

Алгоритмы построения триан­гу­ляции Делоне можно разделить на ряд групп, различающиеся структурой используемых входных данных, объемом вычис­ли­тель­ных операций, исходными пред­по­сылками и др. Рассмотрим некоторые из них.

Алгоритмы слияния предполагают разбиение множества исход­ных точек на подмножества, построение на каждом из них триан­гуляции и последующее их объединение в единую сеть. Сущ­ность одного из таких алгоритмов сводится к следующему.

Множество исходных точек делится вертикальными линиями на две или более частей, после чего каждая из них разделяются горизонтальными и вертикаль­ными линиями на примерно равные части. В результате вся область исходных точек оказывается разделенной на примитивы по три – четыре точки (рис. 2.4), по которым строятся один – два треугольника.

Слияние этих треугольников в единую сеть выполняется путем построения двух базовых линий (P 0 P 1 и P 2 P 3 , рис. 5,7.а), проведении окружностей переменного радиуса с центром на серединном перпендикуляре к базовой линии (рис. 5.7, б), поиску попадающего на окружность узла (точка A , рис. 5.7. в) и построению нового треугольника (P 0 P 1 A). При этом может возникнуть необходимость удаления уже существующего треугольника (например, P 0 AB) .

Итеративные алгоритмы основаны на идее последовательного добавления точек в частично построенную триангуляцию с одновременным ее улучшением и перестроением в соответствии с критериями Делоне. В общем виде они включают несколько шагов и сводятся к построению треугольника на первых трех исходных точках и исследованию нескольких вариантов размещения очередной точки. В частности, рассматриваются варианты ее попадания за границу области моделирования, на существующий узел или ребро, внутрь построенного треугольника и др. Каждый из этих вариантов предполагает выполнение определенной операции: разбивки ребра на два, грани – на три и т.д.; после чего выполняется проверка полученных треу­голь­ников на соответствие условию Делоне и необходимые перестроения.

Двухпроходные алгоритмы, предусматривают вначале построение некоторой триангуляции, игнорируя условия Делоне, а затем – ее перестроение в соответствии с этими условиями. Пример при­менения алгоритма приведен на рис. 5.8.

Для приближения создаваемой модели рельефа к реальной в нее внедряются дополнительные элементы, обеспечивающие учет и отображение ее линейных и площадных структурных элементов. Такими дополнительными элементами являются широко используе­мые в топографии структурные линии, определяющие «скелет рельефа»: водоразделы, тальвеги, хребты, обрывы, уступы, озера, овраги, береговые линии, границы искусственных сооружений и др., совокупность которых создает как бы каркас триангуляции Делоне. Эти структурные линии внедряются в триангуляцию в качестве ребер треугольников, чем и достигается моделирование реальных элементов рельефа на фоне общих неровностей земной поверхности. Такие ребра называются структурными (фиксированными, неперестраиваемыми), не пересекают ребра других треугольников и в последующем не изменяются.

Задача построения модели поверхности с учетом структурных линий называется триангуляцией Делоне с ограничениями, если условия Делоне выполняются для любой пары смежных треугольников, которые не разделяются структурными линиями. Наиболее эффективно, считают исследователи, выполняется построение такой триангуляции с помощью итеративных алгоритмов.

Фрагмент триангуляции Делоне с включенными в нее дополнительными элементами приведен на рис. 5.9, где справа показаны узлы, ребра, грани и структурные линии, а слева – структурные линии местности (береговые линии, бровки оврага и др.) и точки с известными отметками.

Алгоритмы построения триангуляции Делоне реализуются с вещественным или целочисленным представлением координат узлов, что позволяет существенно повысить скорость и точность обработки, но порождает проблемы поиска и исключения совпадающих узлов.

Модель TIN легко редактируется путем перемещения узлов, вставки новых, удаления имеющихся, изменения положения одного или нескольких ребер, внедрения новых структурных линий и др. Такие изменения всегда затрагивают небольшую группу смежных треугольников, не требуют перестроения всей сети и осуществляются в режиме on-line, по указанию курсором на соответствующий элемент .

О точности:

Располагая пикеты на характерных элементах рельефа (например, водоразделах и тальвегах), мы игнорируем более мелкие элементы в промежутках. При построении горизонталей1 по таким ребрам треугольников возникает ошибка, которая зависит от величины неровности рельефа и угла наклона местности. Например, средняя погрешность съемки рельефа, не должна превышать 1/3 сечения рельефа при углах наклона поверхности от 2 до 10 градусов. Можно рассчитать, что при сечении рельефа 0,5 м предельная величина пропущенной неровности (то есть отклонения поверхности земли от прямой, проходящей через соседние пикеты) не должна превышать (0,5/3)*cos10°=0,16 м.

Для точности определения объема перемещаемого грунта важна также площадь, занимаемая не учитываемой деталью рельефа. Допустим, в квадрате 20х20 м между двумя парами пикетов имеется цилиндрическая выпуклость с максимальной высотой 0,15 м. Нетрудно подсчитать, что ее неучет при представлении данной поверхности только двумя треугольниками приведет к ошибке приблизительно в 40 м3. Не так уж много, но для участка в 1 га, расположенного на холме или верхней (как правило, выпуклой) части склона, получится уже 40*25=1000 м3 лишнего грунта. Если же брать пикеты в два раза чаще (то есть через 10 м), ошибка уменьшится вчетверо и составит 250 м3 на гектар. Этот фактор можно учесть заранее, поскольку положительные формы равнинного рельефа обычно имеют выпуклую форму, а отрицательные – вогнутую. Если на подлежащий съемке участок имеются приближенные данные о рельефе, то радиус кривизны поверхности и необходимую густоту пикетов легко рассчитать по величинам заложения горизонталей или отдельным высотным отметкам.

В целом, все алгоритмы имеют в своей основе очень простую идею последовательного добавления точек в частично построенную триангуляцию Делоне. Формально это выглядит так.

Дано множество из N точек.

1. На первых трех исходных точках строим один треугольник.

2. В цикле по n для всех остальных точек выполняем шаги 3-5.

3. Очередная n-я точка добавляется в уже построенную структуру триангуляции следующим образом. Вначале производится локализация точки, т.е. находится треугольник (построенный ранее), в который попадает очередная точка. Либо, если точка не попадает внутрь триангуляции, находится треугольник на границе триангуляции, ближайший к очередной точке.

4. Если точка попала на ранее вставленный узел триангуляции, то такая точка обычно отбрасывается, иначе точка вставляется в триангуляцию в виде нового узла. При этом если точка попала на некоторое ребро, то оно разбивается на два новых, а оба смежных с ребром треугольника также делятся на два меньших. Если точка попала строго внутрь какого - нибудь треугольника, он разбивается на три новых. Если точка попала вне триангуляции, то строится один или более треугольников.

5. Проводятся локальные проверки вновь полученных треугольников на соответствие условию Делоне и выполняются необходимые перестроения.

Конец алгоритма.

Ниже приводится подробное описание нескольких алгоритмов.

Жадный алгоритм

Одним из первых был предложен следующий алгоритм построения триангуляции.

Жадный метод - это такой метод, при котором никогда не отменяется то, что уже было сделано ранее. В алгоритме последовательно выполняются следующие шаги.

1. Во множество исходных точек помещаются концы всех структурных отрезков.

2. Генерируются отрезки, соединяющие все пары точек, отрезки сортируются по длине.

3. В триангуляцию вставляются все отрезки структурных линий.

4. В триангуляцию последовательно отбираются отрезки из множества отсортированных по длине отрезков (от более коротких к более длинным). Если отрезок пересекается с каким-нибудь из уже вставленных, то он отбрасывается, иначе вставляется в триангуляцию.

Шаг 4 повторяется, пока не кончатся отрезки.

Заметим, что если все возможные отрезки имеют разную длину, то результат работы этого алгоритма однозначен, иначе он зависит от порядка вставки отрезков одинаковой длины.

Триангуляция называется жадной, если она построена жадным алгоритмом.

Алгоритм "Удаляй и строй"

"Удаляй и строй" не выполняется никаких перестроений. Вместо этого при каждой вставке нового узла (а) сразу же удаляются все треугольники, у которых внутрь описанных окружностей попадает новый узел (б). При этом все удаленные треугольники неявно образуют некоторый многоугольник. После этого на месте удаленных треугольников строится заполняющая триангуляция путем соединения нового узла с этим многоугольником (рис. в).

Рис. 4. Алгоритм "Удаляй и строй"

Данный алгоритм строит сразу все необходимые треугольники в отличие от обычного итеративного алгоритма, где при вставке одного узла возможны многократные перестроения одного и того же треугольника. Однако здесь на первый план выходит процедура выделения контура удаленного многоугольника, от эффективности работы которого зависит общая скорость алгоритма. В целом в зависимости от используемой структуры данных этот алгоритм может тратить времени меньше, чем алгоритм с перестроениями, и наоборот.

Алгоритм "Строй, разбивая"

Алгоритм вставки структурных отрезков "Строй, разбивая" является наиболее простым в реализации и устойчивым в работе.

В нем необходимо, последовательно переходя по треугольникам вдоль вставляемого отрезка, находить точки его пересечения с рёбрами триангуляции. В этих точках пересечения нужно поставить но-вые узлы триангуляции, разбив существующие рёбра и треугольники на части. После этого все вновь построенные треугольники долж-ны быть проверены на выполнение условия Делоне и при необходимости перестроены, не затрагивая фиксированных рёбер.

Рис. 5. Алгоритм "Строй, разбивая"

В некоторых случаях недостатком данного алгоритма вставки может быть создание большого числа дополнительных узлов и рёбер триангуляции. В то же время в других случаях этот недостаток становится преимуществом, не позволяя образовываться длинным узким треугольникам, что особенно ценится при моделировании рельефа.

Другое преимущество этого алгоритма вставки по сравнению с последующими проявляется при попытке вставки структурного отрезка в триангуляцию, в которой среди пересекаемых им рёбер есть фиксированные. Такие рёбра, как и все остальные, просто разбиваются на две части.

Алгоритм с индексированием центров треугольников k-D - деревом

В алгоритме триангуляции с индексированием центров треугольников k-D-деревом в k-D-дерево (при k = 2) помещаются только центры треугольников. При удалении старых треугольников необходимо удалять их центры из k-D-дерева, а при построении новых - заносить.

Для выполнения поиска треугольника, в который попадает текущая вставляемая в триангуляцию точка, необходимо выполнить нестандартный точечный запрос к k-D-дереву. Поиск в дереве необходимо начинать с корня и спускаться вниз до листьев. В случае если потомки текущего узла k-D-дерева (охватывающий потомки прямоугольник) не покрывают текущую точку, то необходимо выбрать для дальнейшего спуска по дереву потомка, ближайшего к точке поиска.

В результате будет найден некоторый треугольник, центр которого будет близок к заданной точке. Если в найденный треугольник не попадает заданная точка, то далее необходимо использовать обычный алгоритм поиска треугольника из простого итеративного алгоритма построения триангуляции Делоне.

Триангуляция для конечного набора точек S является задачей триангуляции выпуклой оболочки CH(S), охватывающей все точки набора S. Отрезки прямых линий при триангуляции не могут пересекаться - они могут только встречаться в общих точках, принадлежащих набору S. Поскольку отрезки прямых линий замыкают треугольники, мы будем считать их ребрами. На рис. 1 показаны два различных варианта триангуляции для одного и того же набора точек (временно проигнорируем окружности, проведенные на этих рисунках).

Рис. 1

Для данного набора точек S мы можем видеть, что все точки из набора S могут быть подразделены на граничные точки - те точки, которые лежат на границе выпуклой оболочки CH(S), и внутренние точки - лежащие внутри выпуклой оболочки CH(S). Также можно классифицировать и ребра, полученные в результате триангуляции S, как ребра оболочки и внутренние ребра . К ребрам оболочки относятся ребра, расположенные вдоль границы выпуклой оболочки CH(S), а к внутренним ребрам - все остальные ребра, образующие сеть треугольников внутри выпуклой оболочки. Отметим, что каждое ребро оболочки соединяет две соседние граничные точки, тогда как внутренние ребра могут соединять две точки любого типа. В частности, если внутреннее ребро соединяет две граничные точки, то оно является хордой выпуклой оболочки CH(S). Заметим также, что каждое ребро триангуляции является границей двух областей: каждое внутреннее ребро находится между двумя треугольниками, а каждое ребро оболочки - между треугольником и бесконечной плоскостью.

Любой набор точек, за исключением некоторых тривиальных случаев, допускает более одного способа триангуляции. Но при этом существует замечательное свойство: любой способ триангуляции для данного набора определяет одинаковое число треугольников, что следует из теоремы:

Теорема о триангуляции набора точек. Предположим, что набор точек S содержит n>3 точек и не все из них коллинеарны. Кроме того, i точек из них являются внутренними (т. е. лежащими внутри выпуклой оболочки CH(S). Тогда при любом способе триангуляции набора S будет получено точно n + i - 2 треугольников.

Для доказательства теоремы рассмотрим сначала триангуляцию n-i граничных точек. Поскольку все они являются вершинами выпуклого полигона, то при такой триангуляции будет получено (n - i) - 2 треугольников. (В этом нетрудно удостовериться и, более того, можно показать, что любая триангуляция произвольного m-стороннего полигона - выпуклого или невыпуклого - содержит m - 2 треугольника). Теперь проверим, что будет происходить с триангуляцией при добавлении оставшихся i внутренних точек, каждый раз по одной. Мы утверждаем, что добавление каждой такой точки приводит к увеличению числа треугольников на два. При добавлении внутренней точки могут возникнуть две ситуации, показанные на рис. 2. Во-первых, точка может оказаться внутри некоторого треугольника и тогда такой треугольник заменяется тремя новыми треугольниками. Во-вторых, если точка совпадает с одним из ребер триангуляции, то каждый из двух треугольников, примыкающих к этому ребру, заменяется двумя новыми треугольниками. Из этого следует, что после добавления всех г точек, общее число треугольников составит (n - i - 2) + (2i), или просто n + i - 2.

Рис. 2

В этом разделе мы представим алгоритм формирования специального вида триангуляции, известный как триангуляция Делоне. Эта триангуляция хорошо сбалансирована в том смысле, что формируемые треугольники стремятся к равноугольности. Так например, триангуляцию, изображенную на рис. 1а, можно отнести к типу триангуляции Делоне, а на рис. 1б триангуляция содержит несколько сильно вытянутых треугольников и ее нельзя отнести к типу Делоне. На рис. 3 показан пример триангуляции Делоне для набора большого числа точек.

Рис. 3

Для формирования триангуляции Делоне нам потребуется несколько новых определений. Набор точек считается круговым, если существует некоторая окружность, на которой лежат все точки набора. Такая окружность будет описанной для данного набора точек. Описанная окружность для треугольника проходит через все три ее (не коллинеарные) вершины. Говорят, что окружность будет свободной от точек в отношении к заданному набору гочек S, если внутри окружности нет ни одной точки из набора S. Но, однако, точки из набора S могут располагаться на самой свободной от точек окружности.

Триангуляция набора точек S будет триангуляцией Делоне, если описанная окружность для каждого треугольника будет свободна от точек. На схеме триангуляции рис. 1а показаны две окружности, которые явно не содержат внутри себя других точек (можно провести окружности и для других треугольников, чтобы убедиться, что они также свободны от точек набора). Это правило не соблюдается на схеме рис. 16 - внутрь проведеной окружности попала одна точка другого треугольника, следовательно, эта гриангуляция не относится к типу Делоне.

Можно сделать два предположения относительно точек в наборе S, чтобы упростить алгоритм триангуляции. Во-первых, чтобы вообще существовала триангуляция, мы должны полагать, что набор S содержит по крайней мере три точки и они не коллинеарны. Во-вторых, для уникальности триангуляции Делоне необходимо, чтобы никакие четыре точки из набора S не лежали на одной описанной окружности. Легко видеть, что без такого предположения гриангуляция Делоне не будет уникальной, ибо 4 точки на одной описанной окружности позволяют реализовать две различные триангуляции Делоне.

Наш алгоритм работает путем постоянного наращивания текущей триангуляции по одному треугольнику за один шаг. Вначале текущая триангуляция состоит из единственного ребра оболочки, по окончании работы алгоритма текущая триангуляция становится триангуляцией Делоне. На каждой итерации алгоритм ищет новый треугольник, который подключается к границе текущей триангуляции.

Определение границы зависит от следующей схемы классификации ребер триангуляции Делоне относительно текущей триангуляции. Каждое ребро может быть спящим , живым или мертвым :

• спящие ребра : ребро триангуляции Делоне является спящим, если она еще не было обнаружено алгоритмом;
• живые ребра : ребро живое, если оно обнаружено, но известна только одна примыкающая к нему область;
• мертвые ребра : ребро считается мертвым, если оно обнаружено и известны обе примыкающие к нему области.

Вначале живым является единственное ребро, принадлежащее выпуклой i лочке - к нему примыкает неограниченная плоскость, а все остальные ребра спящие. По мере работы алгоритма ребра из спящих становятся живыми, затем мертвыми. Граница на каждом этапе состоит из набора живых ребер.

На каждой итерации выбирается любое одно из ребер е границы и оно подвергается обработке, заключающейся в поиске неизвестной области, ко торой принадлежит ребро е. Если эта область окажется треугольником f, определяемым концевыми точками ребра е и некоторой третьей вершинов v, то ребро е становится мертвым, поскольку теперь известны обе примыкающие к нему области. Каждое из двух других ребер треугольника t переводятся в следующее состояние: из спящего в живое или из живого в мертвое. Здесь вершина v будет называться сопряженной с ребром е. противном случае, если неизвестная область оказывается бесконечной плоскостью, то ребро е просто умирает. В этом случае ребро е не имеет сопряженной вершины.

На рис. 4 показана работа алгоритма, где действие происходит сверху вниз и слава направо. Граница на каждом этапе выделена толстой линией.

Алгоритм реализован в программе delaunayTriangulate. Программе задается массив s из n точек и она возвращает список треугольников, представляющих триангуляцию Делоне. Реализация использует класс кольцевого списка и классы из раздела структуры геометрических данных . В качестве класса Dictionary можно использовать любой словарь, поддерживающий требуемые операции. Например, можно переопределить #define Dictionary RandomizedSearchTree .

List * (Point s, int n) { Point p; List *triangles = new List; Dictionary frontier(edgeCmp); Edge *e = hullEdge(s, n); frontier.insert(e); while (!frontier.isEmpty()) { e = frontier.removeMin(); if (mate(*e, s, n, p)) { updateFrontier(frontier, p, e->org); updateFrontier(frontier, e->dest, p); triangles->insert(triangle(e->org, e->dest, p)); } delete e; } return triangles; }

Рис. 4

Треугольники, образующие триангуляцию, записываются в список triangles. Граница представлена словарем frontier живых ребер. Каждое ребро направлено, так что неизвестная область для него (подлежащая определению) лежит справа от ребра. Функция сравнения edgeCmp используется для просмотра словаря. В ней сравниваются начальные точки двух ребер, если они оказываются равными, то потом сравниваются их концевые точки:

Int edgeCmp (Edge *a, Edge *b) { if (a->org < b->org) return 1; if (a->org > b->org) return 1; if (a->dest < b->dest) return -1; if (a->dest > b->dest) return 1; return 0; }

Как же изменяется граница от одного шага к другому и как функция updateFrontier изменяет словарь ребер границы для отражения этих изменений? При подсоединении к границе нового треугольника t изменяются состояния трех ребер треугольника. Ребро треугольника t, примыкающее к границе, из живого становится мертвым. Функция updateFrontier может игнорировать это ребро, поскольку оно уже должно быть удалено из словаря при обращении к функции removeMin. Каждое из двух оставшихся ребер треугольника t изменяют свое состояние из спящего на живое, если они уже ранее не были записаны в словарь, или из живого в мертвое, если ребро уже находится в словаре. На рис. 5 показаны оба случая. В соответствии с рисунком мы обрабатываем живое ребро af и, после обнаружения, что точка b является сопряженной ему, добавляем треугольник afb к текущей триангуляции. Затем ищем ребро fb в словаре и, поскольку его там еще нет и оно обнаружено впервые, его состояние изменяется от спящего к живому. Для редактирования словаря мы повернем ребро fb так, чтобы примыкающая к нему неизвестная область лежала справа от него и запишем это ребро в словарь. Затем отыщем в словаре ребро ba - поскольку оно есть в нем, то оно уже живое (известная примыкающая к нему область - треугольник abc). Так как неизвестная для него область, треугольник afb, только что была обнаружена, это ребро удаляется из словаря.

Функция updateFrontier редактирует словарь frontier, в котором изменяется состояние ребра из точки а в точку b:

Рис. 5

Void updateFrontier (Dictionary &frontier, Point &a, Point &b) { Edge *e = new Edge (a, b); if (frontier.find (e)) frontier.remove(e); else { e->flip(); frontier.insert(e); } }

Функция hullEdge обнаруживает ребро оболочки среди п точек массива s. В этой функции фактически применяется этап инициализации и первой итерации метода заворачивания подарка:

Edge *hullEdge (Point s, int n) { int m = 0; for (int i = 1; i < n; i++) if (s[i] < s[m]) m = i; swap(s, s[m]); for (m = 1, i = 2; i < n; i++) { int с = s[i].classify (s, s[m]); if ((c == LEFT) || (C == BETWEEN)) m = i; } return new Edge(s, s[m]); }

Функция triangle просто формирует и возвращает полигон для трех точек, передаваемых ей в качестве параметров:

Polygon *triangle (Point &а, Point &b, Point &c) { Polygon *t = new Polygon; t->insert (a); t->insert (b); t->insert (c); return t; }

Структура лекции Определения Определения Области применения Области применения Свойства триангуляции Делоне Свойства триангуляции Делоне Методы построения триангуляции Делоне Методы построения триангуляции Делоне Методы пошагового ввода Методы пошагового ввода Методы пошаговой выборки Методы пошаговой выборки Методы декомпозиции Методы декомпозиции Методы сканирования Методы сканирования Двухпроходные методы Двухпроходные методы

Триангуляция Триангуляция – планарный граф все внутренние области которого являются треугольниками. Триангуляция – планарный граф все внутренние области которого являются треугольниками. Термин «Триангуляция» - это Термин «Триангуляция» - это граф; граф; процесс построения графа. процесс построения графа. Задача триангуляции набора точек S – задача соединения всех точек набора S непересекающимися отрезками для получения графа триангуляции. Задача триангуляции набора точек S – задача соединения всех точек набора S непересекающимися отрезками для получения графа триангуляции. Определение триангуляции Набор точек S

Оптимальная триангуляция – триангуляция с минимальной суммой длин всех ребер графа. Оптимальная триангуляция – триангуляция с минимальной суммой длин всех ребер графа. ! Востребованная, но очень трудоемкая задача O(2 n) ! На практике используют аппроксимации (приближения к) оптимальной триангуляции: «Жадная» триангуляция O(N 2 *logN) «Жадная» триангуляция O(N 2 *logN) Триангуляция Делоне O(N*logN) Триангуляция Делоне O(N*logN) Определение оптимальной триангуляции

Триангуляция Делоне (DT(S)) – выпуклая триангуляция удовлетворяющая условию Делоне: Триангуляция Делоне (DT(S)) – выпуклая триангуляция удовлетворяющая условию Делоне: внутрь окружности описанной вокруг любого ее треугольника недолжна попадать ни одна из вершин графа. внутрь окружности описанной вокруг любого ее треугольника недолжна попадать ни одна из вершин графа. Определение триангуляции Делоне У словие Делоне выполняется У словие Делоне не выполняется Б.Н. Делоне ()

Применение триангуляции Делоне В других задачах ВГ В других задачах ВГ Минимальный остов набора точек Минимальный остов набора точек Построение буферных зон Построение буферных зон Построение диаграммы Вороного (зон близости) Построение диаграммы Вороного (зон близости) Нахождение максимальной пустой окружности Нахождение максимальной пустой окружности и др. и др. В приложениях в КГ, ГИС, ГМ в САПР В приложениях в КГ, ГИС, ГМ в САПР Полигональные модели поверхностей Полигональные модели поверхностей Рельефы в ГИС, скульптуры, пром.модели, модели в играх, Рельефы в ГИС, скульптуры, пром.модели, модели в играх, Численный анализ моделей Численный анализ моделей Изолинии, Изоклины, МКЭ. Изолинии, Изоклины, МКЭ.

Свойства любой выпуклой триангуляции 1. Для набора n точек из которых m - внутренние Количество треугольников триангуляции = n + m – 2 Количество треугольников триангуляции = n + m – 2 Количество ребер триангуляции 3n – 6 Количество ребер триангуляции 3n – 6Пример: Точек (n) – 13 Точек (n) – 13 Внутренних (m) – 4 Внутренних (m) – 4 Треугольников – 15 = Треугольников – 15 = Ребер – 26 3*13-6 = 33 Ребер – 26 3*13-6 = 33

Свойства триангуляции Делоне 2. Триангуляция Делоне обладает максимальной суммой минимальных углов всех треугольников среди всех возможных триангуляций. 3. Триангуляция Делоне обладает минимальной суммой радиусов окружностей, описанных около треугольников, среди всех возможных триангуляций. Триангуляция Делоне НЕ триангуляция Делоне

Методы построения триангуляции Делоне Методы пошагового ввода Методы пошагового ввода Итеративные алгоритмы () Итеративные алгоритмы () Методы пошаговой выборки Методы пошаговой выборки Алгоритмы прямого (пошагового) построения (3) Алгоритмы прямого (пошагового) построения (3) Методы декомпозиции Методы декомпозиции Алгоритмы слияния (2) Алгоритмы слияния (2) Методы сканирования Методы сканирования Итеративные алгоритмы с измененным порядком добавления точек (1.4) Итеративные алгоритмы с измененным порядком добавления точек (1.4) Двухпроходные алгоритмы (4) Двухпроходные алгоритмы (4)

Методы пошагового ввода Итеративные алгоритмы () Общая схема итеративных алгоритмов построения триангуляции Делоне 1. На первых трех точках построить один треугольник 2. Цикл по всем оставшимся точкам p i набора S 3. Найти ближайший к точке p i треугольник t j текущей триангуляции 4. Если точка p i снаружи треугольника t j, то построить треугольники к ближайшему ребру. 5. Если точка p i внутри треугольника t j, то разбить треугольник на три. 6. Если точка p i на ребре, то разбить прилегающие треугольники на пары. 7. Если условие Делоне для соседей нарушилось, то перестроить соседние треугольники. Варианты ускорения поиска треугольников: Индексирование треугольников (деревья) – O(log n) Индексирование треугольников (деревья) – O(log n) Кэширование треугольников (сетки) – O(с) Кэширование треугольников (сетки) – O(с)

Методы пошаговой выборки Алгоритмы прямого (пошагового) построения (3) Строить сразу нужные треугольники, не перестраивая что уже построено. Общая схема алгоритмов прямого построения триангуляции Делоне Удобно использовать стек еще необработанных ребер. 1. Найти любое ребро q выпуклой оболочки набора точек S. 2. Занести ребро q в стек необработанных ребер. 3. Цикл пока стек необработанных ребер не пуст. 4. Извлечь ребро v из стека. 5. Для ребра v найти точку p, удовлетворяющую условию Делоне (соседа Делоне) 6. Если сосед Делоне p найден, то 7. Построить треугольник от ребра v к точке p. 8. Занести новые ребра нового треугольника в стек необработанных ребер. Варианты ускорения поиска соседа Делоне: Индексирование точек k-D-деревом – O(log n) Индексирование точек k-D-деревом – O(log n) Клеточное индексирование точек – O(с) Клеточное индексирование точек – O(с)

Процесс работы жадного алгоритма триангуляции Делоне

Методы декомпозиции Алгоритмы слияния (2) Разбиение на подмножества, независимая обработка, слияние результатов. Общая схема алгоритмов слияния 0. Если точек в наборе S не более 3 шт, построить непосредственно иначе 1. Разбить набор точек S на примерно равные подмножества. 1. Разбить набор точек S на примерно равные подмножества. 2. Построение триангуляции для подмножеств. 2. Построение триангуляции для подмножеств. 3. Слияние полученных триангуляций в одну. 3. Слияние полученных триангуляций в одну. Способы разделения на подмножества Ортогональными прямыми Ортогональными прямыми По диаметру выпуклой оболочки По диаметру выпуклой оболочки Полосами Полосами

Алгоритмы слияния (2) Способы слияния триангуляций «Удаляй и строй» (проверка до построения) «Удаляй и строй» (проверка до построения) «Строи и перестраивай» (проверка после построения) «Строи и перестраивай» (проверка после построения) «Строй, перестраивая» (проверка во время построения) «Строй, перестраивая» (проверка во время построения)

Общая схема итеративных методов с измененным порядком добавления точек 1. Упорядочить точки (построить перечень точек событий) 2. Цикл сканирования по всем точкам-событиям 3. Для каждой точки p i построить треугольники к предыдущему треугольнику. 4. Если условие Делоне для соседей нарушилось, то перестроить соседние треугольники. Методы сканирования Итеративные алгоритмы с измененным порядком добавления точек (1.4)

Методы сканирования Способы упорядочивания точек событий Прямолинейное Прямолинейное Полярное (круговое, веерообразное) Полярное (круговое, веерообразное) Полосовое Полосовое Квадратное Квадратное По кривой Гильберта По кривой Гильберта По Z-коду По Z-коду Цели: Сразу строить максимум хороших треугольников Сразу строить максимум хороших треугольников Минимизировать число перестроений Минимизировать число перестроений

Сводные характеристики методов триангуляции Делоне Метод триангуляции Время в среднем Время в худшем Время сек / т Простотареализац. Методы пошагового ввода Методы пошагового ввода Итеративные алгоритмы () Итеративные алгоритмы ()O(n)- O(n 3/2) O(n 2) 1,5-9,2 2-5 Методы пошаговой выборки Методы пошаговой выборки Метод прямого построения (3) Метод прямого построения (3) O(n)- O(n 2) O(n 2) -2 Методы декомпозиции Методы декомпозиции Методы слияния (2) Методы слияния (2) O(n)- O(nlogn) O(nlogn)- O(n 2) 2,5-4,52-3 Методы сканирования Методы сканирования Итеративные с измененным порядком добавления точек (1.4) Итеративные с измененным порядком добавления точек (1.4)O(n) O(n 2) 1,9-5,34-5 Двухпроходные методы (4) Двухпроходные методы (4) O(n)- O(n 2) O(nlogn)- O(n 2) 2,2-15,41-5 Скворцов рекомендует: итеративный алгоритм с динамическим кэшированием

А сегодня о чем? О триангуляции Делоне! Определение Определение Области применения Области применения Свойства триангуляции Делоне Свойства триангуляции Делоне Методы построения триангуляции Делоне Методы построения триангуляции Делоне Методы пошагового ввода Методы пошагового ввода Методы пошаговой выборки Методы пошаговой выборки Методы декомпозиции Методы декомпозиции Методы сканирования Методы сканирования Двухпроходные методы Двухпроходные методы