184
правки
Изменения
→Ушной метод
'''Триангуляция полигона ''' — декомпозиция многоугольника <tex>P</tex> на множество треугольников, внутренние области которых попарно не пересекаются и объединение которых в совокупности составляет <tex>P</tex>. В строгом смысле слова, вершины этих треугольников должны совпадать с вершинами исходного многоугольника. Триангуляция любого многоугольника не единственна. В этом можно убедиться из примера на рисунке.[[Файл:2_examples_of_tringl.jpg|300px|thumb|right|Два способа триангуляции одной и той же фигуры]]
== Постановка задачи ==
Построение описанной выше приоритетной очереди <tex>Q</tex> происходит за линейное время. Когда заметающая прямая останавливается в вершине: операции с очередью занимают константу по времени, операции с деревом <tex>T</tex> на запросы и обновления требуют <tex>\mathcal{O}(\mathcal \log(n))</tex>. Добавление диагонали в <tex>D</tex> требует <tex>\mathcal{O}(1)</tex>. В итоге обработка каждой вершины требует <tex>\mathcal{O}(\log(n))</tex>, а весь алгоритм соответственно <tex>\mathcal{O}(n \log(n))</tex>. Что касается памяти, она очевидно составляет <tex>\mathcal{O}(n) </tex>. Очередь <tex>Q</tex> и дерево <tex>T</tex> занимают линейную память.
[[Файл:Triangulationg intro.jpg|170px|thumb|right|Зелёным помечена так называемая воронка, которая образуется, когда мы достигнем красной вершины]]
==== Триангуляция монотонного многоугольника ====
===== Идея =====
Будем проходить сверху вниз по вершинам многоугольника проводя диагонали где это возможно.
Отсортируем все вершины многоугольника <tex>P</tex> в порядке убывания их <tex>y</tex>-координаты. Заведём стек вершин <tex>S</tex>. В стеке будем хранить вершины в отсортированном порядке, которые были обработаны, но не были отрезаны от многоугольника, то есть находятся в той части многоугольника, которая ещё не была триангулирована. В момент обработки некоторой вершины, будем пытаться провести из неё как можно больше диагоналей к вершинам, содержащимся в стеке. Эти диагонали отрезают треугольники от <tex>P</tex>. На вершине стека будет храниться вершина, которая будет обрабатываться последней.
Часть многоугольника <tex>P</tex>, лежащая выше последней обработанной вершины <tex>v_i</tex> и которая ещё не была триангулирована имеет форму перевёрнутой воронки (см. рисунки). Одна сторона воронки состоит из одной из сторон <tex>P</tex>, а другая состоит из цепи вершин, которые лежат выше <tex>v_i</tex> и внутренние углы которых не меньше <tex>\pi</tex>. Несложно догадаться, что самая нижняя вершина стека является единственной выпуклой. Несложно также заметить, что при обработке следующей вершины свойство перевёрнутой воронки сохранится, то есть оно является инвариантом алгоритма.
[[Файл:Triang_alg_case1.jpg|200px|thumb|right|Первый случай. Синим помечены стороны воронки, зелёным — диагонали, а жёлтым границы новой ещё не протриангулированной области]]
===== Алгоритм =====
Рассмотрим процесс обработки вершины более подробно. Возможны два случая:
* Текущая вершина <tex>v_j</tex> является нижним концом стороны <tex>e</tex>, ограничивающего воронку. Вершины противоположной цепи уже были положены в стек. В этом случае можно просто построить диагонали, соединяющие <tex>v_j</tex> со всеми вершинами, находящимися в стеке, кроме последней. Последняя вершина в стеке уже соединена с <tex>v_j</tex> стороной <tex>e</tex>. Часть многоугольника <tex>P</tex>, лежащая выше <tex>v_j</tex>, которая не была триангулирована, ограничена диагональю, которая соединяет <tex>v_j</tex> с вершиной <tex>v_{s1}</tex>, которая была первой в стеке. Сторона многоугольника <tex>P</tex>, выходящая из <tex>v_{s1}</tex> направлена вниз. Снова образуется фигура c одним выпуклым углом, похожая на воронку — инвариант сохраняется. Вершины <tex>v_j</tex> и <tex>v_{s1}</tex> кладутся в стек, поскольку они были были обработаны, но по прежнему являются вершинами непротриангулированной части <tex>P</tex>.
* Вершина <tex>v_j</tex> принадлежит последовательной цепи вершин, добавленных в <tex>S</tex>. Вынем из стека верхнюю вершину <tex>v_{s1}</tex> — она уже соединена с <tex>v_{j}</tex> одной из сторон <tex>P</tex>. Затем будем пытаться выстраивать диагонали, соединяющие <tex>v_{j}</tex> c вынимаемыми из стека вершинами пока это возможно. Проверку на возможность построения диагонали <tex>v_{j}v_{k}</tex>, где <tex>v_{k}</tex> — текущая верхняя вершина стека, можно осуществлять посредством изучения взаимного расположения предыдущей вершины, вынутой из <tex>S</tex>, относительно <tex>v_{j}v_{k}</tex>. Когда мы достигнем вершины <tex>v_{k}</tex>, до которой невозможно провести диагональ, положим предыдущую вершину <tex>v_{k-1}</tex> обратно в стек. Вершина <tex>v_{k-1}</tex> является либо последней, до которой было возможно провести диагональ, либо, если ни одной диагонали из <tex>v_{j}</tex> провести не удалось, — соседом <tex>v_{j}</tex>. Далее положим <tex>v_{j}</tex> в стек. Опять же инвариант непротриангулированной части <tex>P</tex> сохраняется: одна сторона воронки ограничена частью стороны многоугольника, а другая цепью невыпуклых вершин.
[[Файл:Triang alg case2.jpg|500px|thumb|center|Второй случай. Синим помечена цепь из вершин, которая содержится в стеке <tex>S</tex> на момент достижения вершины <tex>v_j</tex>, рыжей помечена первая вершина, до которой невозможно провести диагональ, жёлтой помечена новая нетриангулированная область <tex>P</tex> в форме воронки]]
===== Псевдокод =====
S.pop()
===== Корректность =====
* Все построенные диагонали попарно не пересекаются. Это гарантируется тем, что при каждом просмотре определённой вершины рассматривается только та часть <tex>P'</tex> многоугольника <tex>P</tex>, которая не была протриангулирована, следовательно внутри этой области по определению не может лежать ни одной из уже построенных диагоналей. Несложно заметить, что в стеке <tex>S</tex> на каждой итерации главного цикла хранятся вершины, которые принадлежат именно <tex>P'</tex> и лежат выше рассматриваемой вершины.
* Количество построенных диагоналей всегда будет <tex>n-3</tex>, поэтому непротриангулированных частей в многоугольнике не останется.
===== Оценка работы =====
Построение массива вершин занимает требует линейное времяи занимает линейную память. Главный цикл ''for'' выполняется <tex>n-3</tex> раза. Каждая его итерация может потребовать линейное время. Однако заметим, что на каждой итерации главного цикла в стек кладутся максимум две вершины, следовательно общее число выполнения операции ''push'', включая первые две вершины, положенные в начале алгоритма, ограничено <tex>2n-4</tex>. Количество операций ''pop'' за время работы алгоритма не превысит количества операций ''push''. Отсюда общее время работы цикла ''for'' <tex>\mathcal{O}(n)</tex>. В итоге общее время работы <tex>\mathcal{O}(n)</tex>. ==== Общая оценка ====Разбиение многоугольника на монотонные части занимает <tex>\mathcal{O}(n \log n)</tex> времени и <tex>\mathcal{O}(n)</tex> памяти. Триангуляция каждой из частей занимает линейную память и время. Учитывая то, что суммарное количество вершин во всех частях <tex>\mathcal{O}(n)</tex>, триангуляция всех частей займёт <tex>\mathcal{O}(n)</tex> по времени и по памяти. В итоге общая оценка составляет <tex>\mathcal{O}(n \log n)</tex> по времени и <tex>\mathcal{O}(n)</tex> по памяти. ==== Прочие случаи ====[[Файл:Monotone with holes.png|350px|thumb|right|Пример отверстия в форме монотонного многоугольника. У него обязательно будут существовать start и end вершина, если рассматривать его как обычный многоугольник. Однако, когда он станет полигональным отверстием, в силу определения start и end вершины обратятся в split и merge, которые соединятся с какими-то вершинами внешнего контура]]Алгоритм так же работает и для частных случаев, например для многоугольника с полигональным отверстием. Такой многоугольник будет поделен на части без отверстий и будет успешно триангулирован. Это обуславливается тем, что хотя бы две вершины, принадлежащих отверстию будут split и merge (см. рисунок). Диагональ от таких вершин можно провести только до вершин внешнего контура, а поскольку у внутреннего отверстия хотя бы одна split и одна merge вершина весь многоугольник будет разделён как минимум на две части.
=== Ушной метод ===
