CGAL之d维空间搜索算法介绍

本文介绍了CGAL库中空间搜索算法的实现,涵盖临近查找、区间查找及KD树分割策略。包括最近和最远临近搜索等多种功能,搜索通常分预处理和搜索阶段。临近搜索要考虑子结点访问问题,区间搜索可指定参数,还可按需选择分割策略。

摘要

  本文主要介绍CGAL库中对于空间搜索算法的实现,包括临近查找、区间查找以及KD树分割策略。

在CGAL空间搜索包中包含了精确和近似搜索的算法和实现,主要功能实现如下:

  • 最近和最远临近搜索;

  • 精确和近似搜索;

  • 近似区间搜索;

  • 近似K-最近和K最远临近搜索;

  • 近似增量最近和增量最远搜索功能;

  • 查询点和空间对象。

通常这些问题的给定条件是在d维空间中的点集(可采用笛卡尔坐标或者齐次坐标进行表示)。这些点使用树数据结构进行存储,因此能够确保快速查询。CGAL近似空间搜索用于搜索足够小的点集,以至于点集数据结构能够存储在内存中(与用于数据库中点集的近似搜索有所区别)。

一.临近搜索

空间搜索支持基于它们到查询对象的距离来浏览存储在空间数据结构中的d维空间对象的集合。查询对象可以是一个点也可以是任意的其他空间对象,如d维空间中的球,在空间数据结构中的对象则是d维空间中的点。

       临近对象的数目通常在计算之前是未知的,这是因为数量通常是跟临近对象的属性或者空间距离相关的,比如查询距离巴黎最近的人口数量超过百万的城市。而K-最近搜索算法在搜索之前已经确定了搜索的数目。因此在未知搜索数目的情形下需要对搜索数目进行猜测,如果猜测数目较大,而实际搜索结果较小,则会执行较大的冗余计算,如果猜测数目较小而实际临近对象数量较多,则可能需要重新猜测计算,可以参考增量式临近搜索算法方面的内容。

       空间搜索通常包括两个阶段:预处理和搜索阶段。在预处理阶段创建点集的搜索树结构(通常是KD-树),在搜索阶段引入搜索方法进行查询。

       通过少量的修改,临近搜索算法可以用于离查询对象较远的对象进行查询。如果存在两个对象距离待查询对象的距离近似相等,近似查询中通常会返回这些对象中的一个。

       在查询过程中,对于树结构中每个结点的访问需要考虑两个问题:

  • 哪个子结点应该优先访问;

  • 另外的子结点中是否存在临近对象的可能性。

通常计算距离使用给定的度量,K-临近搜索使用通用的距离类,但对于点的查询,我们可以更新距离,因为查询过程中通常是逐维度的改变,这就是具有正交距离类的正交K-临近搜索。

如上图所示,表示父矩形框,分别表示当前步对应的子孩子,可以假定距离查询坐标点q更近一些,令cd表示当前的维度,cv表示当前维度的值,此时可以得知,并检查是否有可能包含临近对象,由于更接近于q点,因此有,注意到对于每一维度有:,这些坐标不受当前截断值的影响,沿cd方向的距离为的计算表达式为

在CGAL中下面的两个类负责对正交距离(如加权Minkowski距离)标准的搜索策略进行实现。第二个类是针对增量式搜索的特化。

Orthogonal_k_neighbor_search<Traits, OrthogonalDistance, Splitter, SpatialTree>
Orthogonal_incremental_neighbor_search<Traits, OrthogonalDistance, Splitter, SpatialTree>

另外两个类则是针对广义距离概念如Manhattan距离(用于矩形的查询)定义的标准搜索策略,同理第二个类也是为增量式搜索提供的特化类:

K_neighbor_search<Traits, GeneralDistance, Splitter, SpatialTree>
Incremental_neighbor_search<Traits, GeneralDistance, Splitter, SpatialTree>

区间搜索算法

   CGAL的Kd_tree类的search方法实现区间搜索功能,该方法通过模板实现,带有一个输出迭代器指针以及FuzzyQueryItem(可以是Fuzzy_iso_box或者Fuzzy_sphere)概念模型,针对于大数据集的区间搜索,用户可以指定bucket_size为一个较大的值如100,这样进行查询的时间将低于使用默认的bucket_size值,另外不要忘记CGAL定义近似搜索和精确搜索是通过定义误差参数实现的。若误差参数为零,则为精确搜索。

分割策略

用户可以根据数据自身的特点选择适当的分割策略,分割策略用于分割超平面的定义,每一种分割超平面都有最坏的时间复杂度,这可能将数据生成一个线性树或者导致栈溢出,选择适当的分割策略将可以解决这个问题。CGAL提供一下分割策略:

Midpoint_of_rectangle

该策略以矩形最长边中垂线作为分割线

Midpoint_of_max_spread

 

Sliding_midpoint

CGAL默认的分割策略,这是一个Midpoint_of_rectangle的修改版,在分割时,策略与Midpoint_of_rectangle一致,如果分割后两边都有数据点,则继续Midpoint_of_rectangle策略,如果一侧没有点,则不再执行分割。

Median_of_rectangle

沿矩形的最长边进行分割,分割位置通过数据点沿当前维度的中值进行计算。

Median_of_max_spread

沿矩形的最长边进行分割,分割位置通过数据点沿当前维度的中值进行计算。

Fair

该策略是中点法和中值法的一个折中处理。该方法使矩形的分割以最大的长宽比作为上限。这个上限比值在Fair的构造函数中赋值。在满足此范围的分割值中,它选择使点具有最大分布的分割。它以尽可能最均匀的方式分割点,但要保持对所得矩形的长宽比的上限。

Sliding_fair

该策略是Fair策略和Sliding_midpoint策略的折中,该策略认为符合以下两个条件的分割是较好的分割:

  1. 平衡的分割产生较多的“胖矩形”;
  2. 不平衡的分割则产生具有少量点的“胖矩形”。

与Fair策略类似,该策略同样保持一个长宽比例的上限,在可能的分割值中选择使点具有最大分布的分割值。需要计算中值切割以及极限切割(根据长宽比例的极限计算),如果中值分割处于极限分割之间,则选择中值分割,如果不在,则在极限分割中选择最接近中值分割的情形。如果所有的点仅处于分割线的一侧,则滑动分割线至分割线遇到第一个点,该方法有可能打破长宽比例的限制,但是不会产生空格子。

 

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<think>好的,用户想了解或实现三维三角剖分算法。首先,我需要明确三维三角剖分的基本概念和常用方法。三维三角剖分通常指的是将三维空间中的点集生成由三角形面片构成的网格结构,但这里可能指的是四面体剖分,因为三角形是二维的,三维对应的是四面体。不过用户提到的是“三角网格算法”,可能是指表面三角化,比如将三维物体表面分解为三角形网格。 接下来,我需要回忆相关的算法。Delaunay三角剖分在二维中很常见,扩展到三维就是Delaunay四面体剖分。Bowyer-Watson算法在二维中用于Delaunay三角剖分,三维版本应该也是存在的。此外,还有Marching Cubes算法用于从体数据生成表面三角网格,但可能不是用户需要的。可能需要先确认用户的需求是表面三角化还是体剖分。 然后,考虑用户可能的应用场景。三维三角剖分常用于计算机图形学、有限元分析、3D打印等领域。用户可能是在进行3D建模或科学计算时需要此算法。 接下来需要整理实现步骤。如果是表面三角化,可能需要先获取点云数据,然后进行三角化。而如果是体数据的四面体剖分,则需要不同的方法。这里假设用户指的是表面三角化,比如从点云生成三角形网格。 然后,我需要考虑如何解释算法,并给出示例代码。可能需要用Python实现,但三维的Delaunay剖分在Python中可以用scipy库的Delaunay类,不过处理三维点会生成四面体。如果用户需要表面网格,可能需要其他方法,比如使用Alpha Shapes算法或Poisson重建。 另外,引用部分用户提供的参考链接可能与物理引擎或轴参数设置有关,可能与三维几何处理相关,但需要确认是否相关。用户提供的引用[1]关于设置轴参数,可能与三维坐标系有关,但具体如何关联到三角剖分还不清楚。可能需要忽略不相关的引用,专注于三角剖分算法本身。 现在需要组织回答,包括算法原理、实现步骤、示例代码、应用场景和相关问题。确保使用正确的中文术语,数学公式用$...$,独立公式用$$...$$。同时生成相关问题。 需要检查是否有错误,比如混淆了表面三角化和四面体剖分。如果用户问的是三维三角网格,可能是指表面,因此应说明表面三角化的方法,如使用Delaunay三角剖分在三维空间中的投影,或使用其他算法。但三维表面三角化通常需要点云数据并构建流形结构,可能需要更复杂的步骤,如法线估计、网格重建等。 可能需要分情况讨论,或者选择最常见的四面体剖分进行解释,同时指出表面三角化的不同。最后,示例代码部分可能需要使用scipy的Delaunay实现三维四面体剖分,并说明其用途和限制。</think>### 三维三角剖分算法解析与实现 三维三角剖分(3D Triangular Mesh)算法主要用于将三维空间中的离散点集转换为由三角形面片构成的表面网格,或由四面体构成的体网格。以下是两种典型方法的实现原理与步骤: --- #### 一、表面三角剖分(Delaunay 三角剖分扩展) 适用于点云表面重建,需保证点集位于流形表面。 **实现步骤**: 1. **数据预处理**:归一化点云坐标,去除噪声点。 2. **法线估计**:使用PCA或局部平面拟合计算点云法线。 3. **投影与2.5D Delaunay剖分**:将点云投影到主法线方向平面,进行二维Delaunay剖分后映射回三维空间[^2]。 4. **后处理**:移除无效三角形(如边长过大的面片)。 数学表达式: 投影变换可表示为: $$(x,y,z) \rightarrow (u,v) \quad \text{其中} \ u,v \ \text{为投影平面坐标}$$ --- #### 二、四面体剖分(3D Delaunay 算法) 用于生成体网格,满足任意四点不共球条件。 **Bowyer-Watson算法扩展步骤**: 1. 创建包含所有点的超大四面体作为初始结构。 2. 逐点插入,删除所有外接球包含新点的四面体,形成空腔。 3. 用新点与空腔边界面组合生成新四面体。 4. 移除与初始超大四面体相关的单元。 伪代码片段: ```python from scipy.spatial import Delaunay points = np.random.rand(100, 3) # 生成三维随机点 tetra = Delaunay(points) # 执行四面体剖分 print(tetra.simplices) # 输出四面体顶点索引 ``` --- #### 三、关键问题与优化 1. **计算复杂度**:三维Delaunay剖分时间复杂度为$O(n^2)$,需采用空间分区加速。 2. **数值稳定性**:使用精确几何计算库(如CGAL)避免浮点误差[^1]。 3. **表面提取**:通过法线一致性筛选或Alpha Shapes从体网格提取表面。 ---
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