旋轉(zhuǎn)卡殼可以用于求凸包的直徑、寬度，兩個(gè)不相交凸包間的最大距離和最小距離等。雖然算法的思想不難理解，但是實(shí)現(xiàn)起來真的很容易讓人“卡殼”。
拿凸包直徑(也就是凸包上最遠(yuǎn)的兩點(diǎn)的距離）為例，原始的算法是這樣子：
- Compute the polygon's extreme points in the y direction. Call them ymin and ymax.
- Construct two horizontal lines of support through ymin and ymax. Since this is already an anti-podal pair, compute the distance, and keep as maximum.
- Rotate the lines until one is flush with an edge of the polygon.
- A new anti-podal pair is determined. Compute the new distance, compare to old maximum, and update if necessary.
- Repeat steps 3 and 4 until the anti-podal pair considered is (ymin,ymax) again.
- Output the pair(s) determining the maximum as the diameter pair(s).
更具體的可參見http://cgm.cs.mcgill.ca/~orm/rotcal.frame.html
直接按照這個(gè)描述可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)卡殼算法，但是代碼肯定相當(dāng)冗長(zhǎng)。逆向思考，如果qa，qb是凸包上最遠(yuǎn)兩點(diǎn)，必然可以分別過qa，qb畫出一對(duì)平行線。通過旋轉(zhuǎn)這對(duì)平行線，我們可以讓它和凸包上的一條邊重合,如圖中藍(lán)色直線，可以注意到，qa是凸包上離p和qb所在直線最遠(yuǎn)的點(diǎn)。于是我們的思路就是枚舉凸包上的所有邊，對(duì)每一條邊找出凸包上離該邊最遠(yuǎn)的頂點(diǎn)，計(jì)算這個(gè)頂點(diǎn)到該邊兩個(gè)端點(diǎn)的距離，并記錄最大的值。直觀上這是一個(gè)O(n2)的算法，和直接枚舉任意兩個(gè)頂點(diǎn)一樣了。但是注意到當(dāng)我們逆時(shí)針枚舉邊的時(shí)候，最遠(yuǎn)點(diǎn)的變化也是逆時(shí)針的，這樣就可以不用從頭計(jì)算最遠(yuǎn)點(diǎn)，而可以緊接著上一次的最遠(yuǎn)點(diǎn)繼續(xù)計(jì)算(詳細(xì)的證明可以參見上面鏈接中的論文)。于是我們得到了O(n)的算法。
//計(jì)算凸包直徑，輸入凸包c(diǎn)h，頂點(diǎn)個(gè)數(shù)為n，按逆時(shí)針排列，輸出直徑的平方
int rotating_calipers(Point *ch,int n)
{
int q=1,ans=0;
ch[n]=ch[0];
for(int p=0;p<n;p++)
{
while(cross(ch[p+1],ch[q+1],ch[p])>cross(ch[p+1],ch[q],ch[p]))
q=(q+1)%n;
ans=max(ans,max(dist2(ch[p],ch[q]),dist2(ch[p+1],ch[q+1])));
}
return ans;
} 很難想象這個(gè)看起來那么麻煩的算法只有這么幾行代碼吧！其中cross函數(shù)是計(jì)算叉積，可以想成是計(jì)算三角形面積，因?yàn)橥拱暇嚯x一條邊最遠(yuǎn)的點(diǎn)和這條邊的兩個(gè)端點(diǎn)構(gòu)成的三角形面積是最大的。之所以既要更新(ch[p],ch[q])又要更新(ch[p+1],ch[q+1])是為了處理凸包上兩條邊平行的特殊情況。
poj2187要求的是平面點(diǎn)集上的最遠(yuǎn)點(diǎn)對(duì)，實(shí)際上就是該點(diǎn)集的凸包的直徑。可能該題數(shù)據(jù)求得的凸包頂點(diǎn)數(shù)都不多，所以旋轉(zhuǎn)卡殼算法相比普通的枚舉算法并沒有明顯的優(yōu)勢(shì)。完整代碼如下。
poj2187
#include <cmath>
#include <algorithm>
#include <iostream>
using namespace std;
#define MAXN 50005
struct Point
{
int x, y;
bool operator < (const Point& _P) const
{
return y<_P.y||(y==_P.y&&x<_P.x);
};
}pset[MAXN],ch[MAXN];
void convex_hull(Point *p,Point *ch,int n,int &len)
{
sort(p, p+n);
ch[0]=p[0];
ch[1]=p[1];
int top=1;
for(int i=2;i<n;i++)
{
while(top>0&&cross(ch[top],p[i],ch[top-1])<=0)
top--;
ch[++top]=p[i];
}
int tmp=top;
for(int i=n-2;i>=0;i--)
{
while(top>tmp&&cross(ch[top],p[i],ch[top-1])<=0)
top--;
ch[++top]=p[i];
}
len=top;
}
int cross(Point a,Point b,Point o)
{
return (a.x - o.x) * (b.y - o.y) - (b.x - o.x) * (a.y - o.y);
}
int dist2(Point a,Point b)
{
return (a.x - b.x) * (a.x - b.x) + (a.y - b.y) * (a.y - b.y);
}
int rotating_calipers(Point *ch,int n)
{
int q=1,ans=0;
ch[n]=ch[0];
for(int p=0;p<n;p++)
{
while(cross(ch[p+1],ch[q+1],ch[p])>cross(ch[p+1],ch[q],ch[p]))
q=(q+1)%n;
ans=max(ans,max(dist2(ch[p],ch[q]),dist2(ch[p+1],ch[q+1])));
}
return ans;
}
int main()
{
//freopen("in.txt","r",stdin);
int n, len;
while(scanf("%d", &n)!=EOF)
{
for(int i = 0;i < n;i++)
{
scanf("%d %d",&pset[i].x,&pset[i].y);
}
convex_hull(pset,ch,n,len);
printf("%d\n",rotating_calipers(ch,len));
}
return 0;
}
poj3608 要求的是兩個(gè)凸包的最近距離。這比求凸包直徑麻煩了許多。我的基本思想還是分別枚舉兩個(gè)凸包的邊，但是有些細(xì)節(jié)沒能完全證明是正確的。雖然AC了，但目前這還只是一個(gè)看起來正確的算法。這題的中間過程還需要計(jì)算點(diǎn)到線段的距離和兩條平行線段的距離，比起2187麻煩了許多。
poj3608
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <cmath>
using namespace std;
#define MAXN 50000
#define EPS 1e-9
struct Point
{
double x,y;
Point (){}
Point (double _x,double _y){x=_x;y=_y;}
}pm[MAXN],pn[MAXN];
double cross(Point a,Point b,Point o)
{
return (o.x-a.x)*(o.y-b.y)-(o.x-b.x)*(o.y-a.y);
}
double dist(Point a,Point b)
{
return (a.x-b.x)*(a.x-b.x)+(a.y-b.y)*(a.y-b.y);
}
double dot(Point a,Point b)
{
return a.x*b.x+a.y*b.y;
}
void anticolockwise(Point *ch,int len)
{
for(int i=0;i<len-2;i++)
{
double tmp=cross(ch[i],ch[i+1],ch[i+2]);
if(tmp>EPS)
return;
else if(tmp<-EPS)
{
reverse(ch,ch+len);
return;
}
}
}
double dis_point_to_seg(Point c,Point a,Point b)
{
Point ab=Point(b.x-a.x,b.y-a.y);
Point ac=Point(c.x-a.x,c.y-a.y);
double f=dot(ab,ac);
if(f<0) return dist(a,c);
double D=dot(ab,ab);
if(f>D) return dist(b,c);
f=f/D;
Point d=Point(a.x+f*ab.x,a.y+f*ab.y);
return dist(d,c);
}
double dis_pall_seg(Point p1, Point p2, Point p3, Point p4)
{
return min(min(dis_point_to_seg(p1, p3, p4), dis_point_to_seg(p2, p3, p4)),
min(dis_point_to_seg(p3, p1, p2), dis_point_to_seg(p4, p1, p2)));
}
double rc(Point *ch1,Point *ch2,int n,int m)
{
int q=0;
int p=0;
for(int i=0;i<n;i++)
if(ch1[i].y-ch1[p].y<-EPS)
p=i;
for(int i=0;i<m;i++)
if(ch2[i].y-ch2[q].y>EPS)
q=i;
ch1[n]=ch1[0];
ch2[m]=ch2[0];
double tmp,ans=1e99;
for(int i=0;i<n;i++)
{
while((tmp=cross( ch1[p+1],ch2[q+1],ch1[p]) - cross(ch1[p+1],ch2[q],ch1[p]) )>EPS)
q=(q+1)%m;
if(tmp<-EPS)
ans=min(ans,dis_point_to_seg(ch2[q],ch1[p],ch1[p+1]));
else
ans=min(ans,dis_pall_seg(ch1[p],ch1[p+1],ch2[q],ch2[q+1]));
p=(p+1)%n;
}
return ans;
}
int main()
{
//freopen("in.txt","r",stdin);
int n,m;
while(scanf("%d %d",&n,&m))
{
if(n==0&&m==0)
break;
for(int i=0;i<n;i++)
scanf("%lf %lf",&pn[i].x,&pn[i].y);
for(int i=0;i<m;i++)
scanf("%lf %lf",&pm[i].x,&pm[i].y);
anticolockwise(pn,n);
anticolockwise(pm,m);
printf("%.5f\n",sqrt(min(rc(pn,pm,n,m),rc(pm,pn,m,n))));
}
return 0;
}