平面分割

直线切割平面

n n n 条直线,最多可以把平面分为多少个区域。

推导

f n f_n fn 表示 n n n 条直线将平面分割的最大区域数,如果当前平面中已有 n − 1 n-1 n1 条直线,要加入第 和 n n n 条直线,要使分割出来的区域数量最多,那么第 n n n 条直线就要和之前的每条直线产生一个交点,就产生了 n − 2 n-2 n2 条线段和 2 2 2 条射线。那么,增加的平面数为 n n n,一条线段产生一个,一条射线产生一个。所以,有: f n = f n − 1 + n f_n=f_{n-1}+n fn=fn1+n
可得:
f n = f n − 1 + n = f n − 2 + n − 1 + n = f 1 + 2 + 3 + ⋯ + n = 2 + 2 + 3 + ⋯ + n = ( 1 + n ) n 2 + 1 \begin{aligned} f_n &=f_{n-1}+n\\ &=f_{n-2}+n-1+n\\&=f_1+2+3+\cdots+n\\&=2+2+3+\cdots+n\\&=\frac{(1+n)n}{2}+1 \end{aligned} fn=fn1+n=fn2+n1+n=f1+2+3++n=2+2+3++n=2(1+n)n+1

折线分割平面

根据直线分平面可知,由交点决定了射线和线段的条数,进而决定了新增的区域数
n n n 条折线时,设区域数为 f n f_{n} fn。为了使增加的区域最多,则折线的两边的线段要和 n − 1 n-1 n1 条折线的边,即 2 ( n − 1 ) 2(n-1) 2(n1) 条线段相交。那么新增的线段数为 4 ( n − 1 ) 4(n-1) 4(n1),射线数为 2 2 2 。注意:折线本身相邻的两线段只能增加一个区域。
所以:
f n = f n − 1 + 4 ( n − 1 ) + 1 = f n − 2 + 4 ( n − 2 ) + 1 + 4 ( n − 1 ) + 1 = f 1 + 4 ⋅ 1 + 1 + ⋯ + 4 ( n − 1 ) + 1 = 2 + 4 ( ( 1 + n − 1 ) ( n − 1 ) 2 ) + ( n − 1 ) = 2 + ( n − 1 ) ( 2 n + 1 ) = 2 n 2 − n + 1 \begin{aligned} f_n &=f_{n-1}+4(n-1)+1\\ &= f_{n-2}+4(n-2)+1+4(n-1)+1\\ &= f_1+4·1+1+\cdots+4(n-1)+1\\ &=2+4\left(\frac{(1+n-1)(n-1)}{2}\right)+(n-1)\\ &=2+(n-1)(2n+1)\\ &=2n^2-n+1 \end{aligned} fn=fn1+4(n1)+1=fn2+4(n2)+1+4(n1)+1=f1+41+1++4(n1)+1=2+4(2(1+n1)(n1))+(n1)=2+(n1)(2n+1)=2n2n+1

封闭曲线划分平面

n n n 条封闭曲线画在平面上,而任何两条封闭曲线恰好相交于两点,且任何三条封闭曲线不相交于同一点,问这些封闭曲线把平面分割成的区域个数。

推导

f n f_n fn 表示 n n n 条封闭曲线时的结果。当已有 n − 1 n-1 n1 条封闭曲线,加入第 n n n 条封闭曲线,为了使得答案最大,它要和已有的 n − 1 n-1 n1 条封闭曲线各自产生两个交点,共 2 ( n − 1 ) 2(n-1) 2(n1) 个交点,所以第 n n n 给曲线被分割成 2 ( n − 1 ) 2(n-1) 2(n1) 段,产生了 2 ( n − 1 ) 2(n-1) 2(n1) 个新的区域。
所以:
f n = f n − 1 + 2 ( n − 1 ) = f n − 2 + 2 ( n − 2 + n − 1 ) = f 1 + 2 ( 1 + 2 + ⋯ + n − 1 ) = n 2 − n + 2 \begin{aligned} f_n &=f_{n-1}+2(n-1)\\ &= f_{n-2}+2(n-2+n-1)\\ &=f_1+2(1+2+\cdots+n-1)\\ &=n^2-n+2 \end{aligned} fn=fn1+2(n1)=fn2+2(n2+n1)=f1+2(1+2++n1)=n2n+2

直线和封闭曲线分割平面

n n n 条直线和 m m m 个圆最多可以将平面分割成几个区域。

推导

先考虑只有 m m m 个圆的情况,答案为 m 2 − m + 2 m^2-m+2 m2m+2,在此基础上依次加入直线。

  1. 加入第 1 1 1 条直线,和 m m m 个圆,每个圆有 2 2 2 个交点,新产生了 2 m − 1 2m-1 2m1 条线段, 2 2 2 条射线。 1 1 1 条线段增加 1 1 1 个区域, 2 2 2 个射线共增加 1 1 1 个区域 ,最终增加了 2 m 2m 2m个区域。
  2. 加入第 2 2 2 条直线,和 m m m 个圆产生 2 m 2m 2m 个交点,和直线产生 1 1 1 个交点,共产生 2 m 2m 2m 条线段, 2 2 2 条射线。 2 m 2m 2m 条线段产生 2 m 2m 2m 个区域, 2 2 2 条射线产生 2 2 2 个区域,共增加 2 m + 2 2m+2 2m+2 个区域。
  3. 此后,产生的线段数依次加 1 1 1,产生的射线数始终为 2 2 2,故加入 n n n 条直线产生的区域为 2 m + ( n − 2 ) + 2 2m+(n-2)+2 2m+(n2)+2

所以,最终答案为:
m 2 − m + 2 + 2 m + ( 2 m + 2 ) + ( 2 m + 1 + 2 ) + ⋯ + ( 2 m + ( n − 2 ) + 2 ) = m 2 − m + 2 + 2 ( n − 1 ) + ( 1 + n − 2 ) ( n − 2 ) 2 = m 2 − m + 2 m n + 2 n + ( n − 1 ) ( n − 2 ) 2 \begin{aligned} & m^2-m+2+2m+(2m+2)+(2m+1+2)+\cdots+(2m+(n-2)+2)\\ &=m^2-m+2+2(n-1)+\frac{(1+n-2)(n-2)}{2} \\ &=m^2-m+2mn+2n+\frac{(n-1)(n-2)}{2} \\ \end{aligned} m2m+2+2m+(2m+2)+(2m+1+2)++(2m+(n2)+2)=m2m+2+2(n1)+2(1+n2)(n2)=m2m+2mn+2n+2(n1)(n2)
在这里插入图片描述
代入, n = 20 , m = 20 n=20,m=20 n=20,m=20,答案为 1391 1391 1391

平面分割空间

由二维的分割问题可知,平面分割与线之间的交点有关,即交点决定射线和线段的条数,从而决定新增的区域数。
设有 n n n个平面时,分割的空间数为 f n f_n fn。要有最多的空间数,则第 n n n 个平面要与前 n − 1 n-1 n1个平面相交,且不能有共同的交线。即最多有 n − 1 n-1 n1 条交线。而这 n − 1 n-1 n1 条交线把第 n n n 个平面最多分割成 g n − 1 g_{n-1} gn1个区域。第 n n n 个平面将原有的空间一分为二,则最多增加 g n − 1 g_{n-1} gn1个空间。
所以:
f n = f n − 1 + g n − 1 = f 1 + ∑ i = 1 n − 1 g i = 2 + ∑ i = 1 n − 1 i ( i + 1 ) 2 + 1 = n 3 + 5 n + 6 6 \begin{aligned} f_n &=f_{n-1}+g_{n-1}\\ &=f_1+\sum_{i=1}^{n-1}{g_i}\\ &=2+\sum_{i=1}^{n-1}{\frac{i(i+1)}{2}+1}\\ &=\frac{n^3+5n+6}{6} \end{aligned} fn=fn1+gn1=f1+i=1n1gi=2+i=1n12i(i+1)+1=6n3+5n+6

### 点云平面分割方法概述 点云平面分割是一种常见的三维数据处理技术,用于从点云中提取具有特定几何特征的平面区域。以下是几种常用的点云平面分割算法及其实现方式: #### 1. 基于约束平面切割的方法 一种基于约束平面切割的技术被描述在一篇名为 *Constrained Planar Cuts - Object Partitioning for Point Clouds* 的论文中[^1]。该方法通过定义一系列约束条件来识别并分离点云中的平面部分。这种方法特别适用于复杂场景下的对象分区。 #### 2. 迭代分割策略 另一种常见的方式是在完成一次分割后,继续对剩余未分配到任何平面上的点进行迭代分割,直至无法找到满足设定阈值的大面积平面为止[^2]。这种方式能够有效覆盖整个点云空间内的多个潜在目标表面。 #### 3. 使用RANSAC算法的具体实例 对于实际应用而言,`Open3D`库提供了一个非常方便易用的随机抽样一致性(Random Sample Consensus, RANSAC)算法接口来进行点云平面拟合与分割操作[^3]。下面给出了一段利用Python调用此功能的例子代码: ```python import open3d as o3d def plane_segmentation(pcd, distance_threshold=0.01, ransac_n=3, num_iterations=1000): """ Perform plane segmentation on the input point cloud. Parameters: pcd (open3d.geometry.PointCloud): Input point cloud. distance_threshold (float): Maximum allowed distance from a point to fitted model. ransac_n (int): Number of initial points used for fitting. num_iterations (int): Number of iterations performed by algorithm. Returns: tuple: Indices of inlier points and corresponding model coefficients. """ plane_model, inliers = pcd.segment_plane(distance_threshold, ransac_n, num_iterations) return inliers, plane_model if __name__ == "__main__": # Load your own point cloud data here demo_pcd_data = o3d.data.PCDPointCloud() pcd = o3d.io.read_point_cloud(demo_pcd_data.path) inliers, _ = plane_segmentation(pcd) inlier_cloud = pcd.select_by_index(inliers) outlier_cloud = pcd.select_by_index(inliers, invert=True) inlier_cloud.paint_uniform_color([1.0, 0, 0]) # Red color for planes outlier_cloud.paint_uniform_color([0.6, 0.6, 0.6]) # Gray color otherwise combined = inlier_cloud + outlier_cloud o3d.visualization.draw_geometries([combined]) ``` 上述脚本展示了如何加载一个PCD文件格式的数据集,并执行基本的平面检测过程;最后还包含了可视化步骤以便直观查看效果。 --- ###
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