计算多边形(polygon)面积的算法原理和python实现

计算多边形(polygon)的面积其实很简单,假设是n边形,分割为n-2个三角形,积分别计算每个三角形面积后累加得多边形面积。

如下图所示:

那么如何计算三角形的面积呢?

 △ABC的面积是“向量AB”和“向量AC”两个向量叉乘的绝对值的一半。其正负表示三角形顶点是在右手系还是左手系。

代码如下:

import math
import re
VERTICES_FILE = "vertices.txt"

class Point:
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y

    def move(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y

    def reset(self):
        self.x = 0
        self.y = 0

    def calculate_distance(self, other_point):
        """计算两点间距离"""
        distance = math.sqrt((self.x - other_point.x) ** 2 + (self.y - other_point.y) ** 2)
        return distance

    def __str__(self):
        return "({},{})".format(self.x, self.y)


class Polygon:
    def __init__(self):
        self.vertices = []
        self.points2vertices()

    def points2vertices(self):
        """读取坐标文件,并转换为顶点对象"""
        with open(VERTICES_FILE, "r", encoding="utf-8") as fr:
            # 定义一个用于切割字符串的正则
            seq = re.compile(",")
            for d in fr.readlines():
                # 读取出来的数据d为字符串,需切割后拼接为列表
                point = seq.split(d.strip())
                # 将列表转为坐标元组,测绘坐标与绘图坐标x,y互换
                point = (float(point[1]), float(point[0]))
                if isinstance(point, tuple):
                    point = Point(*point)
                    self.vertices.append(point)
    
    def perimeter(self):
        perimeter = 0
        points = self.vertices + [self.vertices[0]]
        for i in range(len(self.vertices)):
            perimeter += points[i].calculate_distance(points[i + 1])
        return perimeter

    def area(self):
        """给出任意一个多边形,其顶点坐标依次为(x0,y0),(x1,y1),(x2,y2),...,(xn,yn)(其中n=2,3,4,…),
        则其面积可表示为:

                     |Xi      Yi     |
        AREA = sigma |               | /2
        (i= 0,...n)  |X(i+1)  Y(i+1) |

        """
        n = len(self.vertices)
        if n < 3:
            return 0
        area = 0
        for i in range(n-2):
            # 以第一个坐标点为原点,将多边形分割为n-2个三角形,分别计算每个三角形面积后累加得多边形面积
            area += self.calculate_triangle_area(self.vertices[0], self.vertices[i+1], self.vertices[i+2])
        return abs(area)

    @staticmethod
    def calculate_triangle_area(point_a, point_b, point_c):
        """向量叉乘法计算三角形面积"""
        triangle_area = 0.5*((point_b.x - point_a.x)*(point_c.y - point_a.y) -
                             (point_b.y - point_a.y)*(point_c.x - point_a.x))
        return triangle_area


if __name__ == "__main__":
    polygon1 = Polygon()
    print("面积:{:.3f},周长:{:.3f}".format(polygon1.area(), polygon1.perimeter()))

测试文件1:

975.750000,82.720001
973.500000,82.080002
973.500000,91.360001
975.750000,91.360001
973.500000,91.360001
973.500000,82.080002

测试文件2:

18453.751,114760.926
18449.551,114777.988
18441.985,114777.334
18442.764,114768.321
18444.064,114766.257
18444.309,114766.273
18445.070,114756.212
18448.973,114758.467

 

扫描线填充算法计算机图形学中的一种经典算法,尤其在图像处理领域应用广泛。通过阅读《Python实现扫描线填充算法详解》一书,你可以深入理解算法实现原理及其在Python中的应用。这里提供一个简化的代码示例,以指导你在实际应用中如何使用Python来填充一个指定的多边形。 参考资源链接:[Python实现扫描线填充算法详解](https://wenku.youkuaiyun.com/doc/645caaa459284630339a48d7?spm=1055.2569.3001.10343) 首先,确保你已经安装了必要的Python库,比如NumPyPIL(Python Imaging Library),它们可以协助进行数组操作图像处理。以下是一个基础的代码框架: ```python import numpy as np from PIL import Image # 定义多边形的顶点坐标,以(x, y)的形式 polygon = [(x1, y1), (x2, y2), ..., (xn, yn)] # 创建一个足够大的空白图像,以确保多边形可以完全显示 width, height = 800, 600 # 图像尺寸可以根据需要调整 image = Image.new('RGB', (width, height), color='white') draw = ImageDraw.Draw(image) # 使用扫描线算法填充多边形 def scanline_fill(polygon, image, draw): # 初始化活性边表(AET)新边表(NET) aet = [] net = [] # 将多边形顶点按y坐标排序 polygon.sort(key=lambda v: v[1]) # 遍历扫描线,从最低的边到最高的边 for y in range(min(polygon, key=lambda v: v[1])[1], max(polygon, key=lambda v: v[1])[1] + 1): # 确定当前扫描线与多边形边的交点 current_event_list = [] for i in range(len(polygon)): edge = (polygon[i], polygon[(i+1) % len(polygon)]) # 当前边下一条边组成的一条线段 if min(edge[0][1], edge[1][1]) <= y <= max(edge[0][1], edge[1][1]): # 计算交点 intersection = calculate_intersection(edge, y) if edge[0][1] == edge[1][1]: # 处理水平边的情况 if y == edge[0][1]: draw.line((edge[0][0], edge[1][0], y, y), fill='black') else: current_event_list.append(intersection) # 将交点按x坐标排序,并添加到AET中 current_event_list.sort() aet = sorted(aet + current_event_list, key=lambda e: e[0]) # 更新AETNET,处理交点并填充 # ...填充逻辑... # 更新边表 # ...更新逻辑... # 绘制多边形边框 draw.polygon(polygon, outline='black') # 调用函数开始填充 scanline_fill(polygon, image, draw) # 显示图像 image.show() ``` 在这个代码中,`calculate_intersection`函数需要根据边的斜率计算当前扫描线与边的交点,并且你需要实现AETNET的更新逻辑以及填充逻辑。请注意,这仅是一个框架,实际算法实现会更加复杂,需要考虑边的排序、交点的正确处理以及如何高效地更新边表等问题。通过参考《Python实现扫描线填充算法详解》中的详细解析完整代码,你可以进一步完善上述代码,实现一个功能齐全的扫描线填充算法。 参考资源链接:[Python实现扫描线填充算法详解](https://wenku.youkuaiyun.com/doc/645caaa459284630339a48d7?spm=1055.2569.3001.10343)
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