《消除隐藏线》解题报告

时间:2022-11-14 19:52:27

【题目来源】

湖南省首届“湘邮科技杯”大学生程序设计大赛,数据范围有改动

【题目描述】

在计算机辅助设计(CAD)中,有一个经典问题:消除隐藏线(被其它图形遮住的线段)。你需要设计一个软件,帮助建筑师绘制城市的侧视轮廓图。为了方便处理,限定所有的建筑物都是矩形的,而且全部建立在同一水平面上。每个建筑物用一个三元组表示(Li,Hi,Ri)其中Li和Ri分别是建筑物的左右边缘坐标,Hi是建筑物i的高度。

下面左图中的建筑物分别用如下三元组表示:

(1,11,5),(2,6,7),(3,13,9),(12,7,16),(14,3,25),(19,18,22),(23,13,29),(24,4,28)

下面右图中的城市侧视轮廓线用如下的序列表示:

(1,11,3,13,9,0,12,7,16,3,19,18,22,3,23,13,29,0)

《消除隐藏线》解题报告

【输入格式】

输入文件中包含一系列的建筑物三元组。建筑物的坐标都是正整数且不大于109。建筑物的数目不会超过10000。每行只有一个三元组。三元组的每个元素之间用一个空格分开。三元组按照Li排序,即左边缘坐标最小的建筑物三元组会出现在输入文件的第一行。

【输出格式】

输出文件中包含一行描述轮廓线的数值序列,其中偶元素代表轮廓线的延伸高度,奇元素代表轮廓线顶点的水平坐标,如上面的图例所示。

【输入样例】

1 11 5

2 6 7

3 13 9

12 7 16

14 3 25

19 18 22

23 13 29

24 4 28

【输出样例】

1 11 3 13 9 0 12 7 16 3 19 18 22 3 23 13 29 0

【题目分析】

本题其实是矩形覆盖问题的特殊情形——固定了矩形的下边界。本题可以使用矩形切割或者离散化加上线段树解决,但是前者的时间复杂度在最坏情况下可能达到O(n3),而后者的编程实现比较复杂。

本文将介绍一种时间复杂度稳定在O(nlogn),且编程比较简单的分治算法。

这种算法的思路是:要求n个矩形的轮廓,先将这n个矩形分成两个大小相等的部分,分别求其轮廓,然后再将这两个轮廓合并。

规模为1的问题可以直接解决。具体来说,如果这个矩形的三元组表示为(L,H,R),那么其轮廓为(L,H,R,0)

对于规模为k的问题,假设得到了两个规模为k/2的轮廓,分别为AB,我们如何得到合并后的轮廓C?首先,容易证明轮廓C的每一个横坐标,都来源于轮廓AB的横坐标,而不会产生新的坐标值。因此,我们只需计算AB中所有涉及到的横坐标在C中的高度。由于轮廓C中的横坐标值要求有序,我们可以仿照归并排序的方法,用两个指针扫描轮廓AB。具体的方法是,设指针i指向轮廓A的当前横坐标,指针j指向轮廓B的当前横坐标。如果指针i指向的横坐标较小,那么将这一横坐标加入到C中,且在C中的高度为A中第i个横坐标对应的高度与B中第j-1个横坐标对应的高度的最大值,然后将指针i向后移一位;指针j指向的横坐标较小的情况则类似处理。如果两个指针指向的横坐标相同,此时只需将这一横坐标加入到C中一次,且高度为两指针指向高度的最大值,然后将两指针同时向后移一位。最后,需要扫描一遍轮廓C,将相邻的高度相同的横坐标合并。

分析时间复杂度,设T(n)表示解决规模为n的问题需要的时间,那么有。解此递归方程,得到T(n)=O(nlogn)。空间方面,由于递归的层数为O(logn),每一层需要保存O(n)的空间,所以总的空间复杂度为O(nlogn)

【性能分析】

时间复杂度:O(nlogn)

空间复杂度:O(nlogn)

编程复杂度:低

【总结】

本题可以采用多种方法解决,本文介绍的分治方法的优势在于:编程简单、时间复杂度低。

【代码】

//代码原创
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <vector>

using namespace std;

struct Node{
int l,h;
Node(int x=0,int y=0):l(x),h(y){}
};

int n,l;
vector<Node>s[10010];
Node s2[10010];

inline int Max(int x,int y){return x>y?x:y;}

void merge(int l,int r,int h){
if(l==r)return;
int mid=(l+r)/2,i=0,j=0,k=0;
merge(l,mid,1);merge(mid+1,r,0);
while(i<s[mid+1].size()&&j<s[mid].size()){
if(s[mid+1][i].l>s[mid][j].l){
s2[++k].l=s[mid][j].l;
if(i==0)s2[k].h=s[mid][j].h;
else s2[k].h=Max(s[mid][j].h,s[mid+1][i-1].h);
j++;
}
else if(s[mid+1][i].l==s[mid][j].l){
s2[++k].l=s[mid][j].l;
s2[k].h=Max(s[mid][j].h,s[mid+1][i].h);
i++;j++;
}
else{
s2[++k].l=s[mid+1][i].l;
if(0==j)s2[k].h=s[mid+1][i].h;
else s2[k].h=Max(s[mid][j-1].h,s[mid+1][i].h);
i++;
}
}
while(i<s[mid+1].size()){
s2[++k].l=s[mid+1][i].l;
s2[k].h=s[mid+1][i].h;
i++;
}
while(j<s[mid].size()){
s2[++k].l=s[mid][j].l;
s2[k].h=s[mid][j].h;
j++;
}
if(h==0){
s[l].clear();
for(int ls=1;ls<=k;ls++)
if(s2[ls-1].h!=s2[ls].h)
s[l].push_back(s2[ls]);
}
else{
s[r].clear();
for(int ls=1;ls<=k;ls++)
if(s2[ls-1].h!=s2[ls].h)
s[r].push_back(s2[ls]);
}
}

int main(){
freopen("cut.in","r",stdin);
freopen("cut.out","w",stdout);
int x,y,z;
while(scanf("%d%d%d",&x,&y,&z)!=EOF){
s[++n].push_back(Node(x,y));
s[n].push_back(Node(z,y));
}
for(int i=1;i<=n;i++)s[i].push_back(Node(s[i][s[i].size()-1].l,0));
merge(1,n,0);
printf("%d %d",s[1][0].l,s[1][0].h);
for(int i=1;i<s[1].size();i++)
printf(" %d %d",s[1][i].l,s[1][i].h);
return 0;
}