delauney 三角化

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给定平面内三角网格进行最优delauney三角化

如果一个三角网格中任意一对三角形满足空圆性，则该三角网格为delauney三角化网格。

对其中一个三角形作外接圆，如果圆没有第4个点，则满足空圆。否则不满足。如果一对三角形不满足空圆性，则只要调整中间的分隔边即可。
如上图，右边是不满足空圆性的，调整中间的边，变成左边的图就满足了。

可以证明，如果所有局部满足空圆性，则全局也满足空圆性。

按照定义可以对三角形作外接圆进行判断，此种方法比较麻烦。

还有一种简便方法。

可 以 计 算 边 e 的 2 个 对 角 α 1 , α 2 , 如 果 α 1 + α 2 > π , 则 不 满 足 空 圆 性 。 可以计算边e的2个对角alpha_1, alpha_2, 如果alpha_1+alpha_2>pi, 则不满足空圆性。 可以计算边e的2个对角α1​,α2​,如果α1​+α2​>π,则不满足空圆性。

上述只能保证是一外delauney三角网格，但是网格的分布还不是很均匀。
想要得到均匀的网格，需要对顶点位置进行优化。优化公式如下。

代码库：https://github.com/LightningBilly/ACMAlgorithms/tree/master/图形学算法/三角网格算法/MeshWork/src/hw12/

#include "../../PolyMesh/IOManager.h"
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

using namespace acamcad;
using namespace polymesh;

PolyMesh* mesh12;

double get_TriFace_Area(MPolyFace* f)
{
    MHalfedge* he = f->halfEdge();
    MPoint3 v0 = he->fromVertex()->position();
    MPoint3 v1 = he->toVertex()->position();
    MPoint3 v2 = he->next()->toVertex()->position();
    return 0.5 * ((v1 - v0) % (v2 - v0)).norm();
}

MPoint3 get_TriFace_Circumcenter(MPolyFace* f)
{
    MHalfedge* he = f->halfEdge();
    MPoint3 v0 = he->fromVertex()->position();
    MPoint3 v1 = he->toVertex()->position();
    MPoint3 v2 = he->next()->toVertex()->position();

    double x1, y1, x2, y2, x3, y3;
    x1 = v0[0]; y1 = v0[1];
    x2 = v1[0]; y2 = v1[1];
    x3 = v2[0]; y3 = v2[1];

    double a1, b1, c1, a2, b2, c2;
    a1 = 2 * (x2 - x1);	  a2 = 2 * (x3 - x2);	c1 = x2 * x2 + y2 * y2 - x1 * x1 - y1 * y1;
    b1 = 2 * (y2 - y1);	  b2 = 2 * (y3 - y2);	c2 = x3 * x3 + y3 * y3 - x2 * x2 - y2 * y2;

    MPoint3 circumcenter(0.0, 0.0, 0.0);
    circumcenter[0] = (b2 * c1 - b1 * c2) / (a1 * b2 - a2 * b1);
    circumcenter[1] = (a1 * c2 - a2 * c1) / (a1 * b2 - a2 * b1);
    circumcenter[2] = 0;

    return circumcenter;
}

void Optimal_Delaunay_Trianglation(int iter_num)
{
    int k = 0;
    for (int i = 0; i < iter_num; i++)
    {
        // flip
        for (EdgeIter e_it = mesh12->edges_begin(); e_it != mesh12->edges_end(); ++e_it)
        {
            if (mesh12->isBoundary(*e_it) || !mesh12->is_flip_ok_Triangle(*e_it))	continue;
            MHalfedge* he1 = (*e_it)->halfEdge();
            MHalfedge* he2 = (*e_it)->halfEdge()->next();
            MHalfedge* he3 = (*e_it)->halfEdge()->pair()->next();
            MPoint3 v1 = he1->fromVertex()->position();
            MPoint3 v2 = he1->toVertex()->position();
            MPoint3 v3 = he2->toVertex()->position();
            MPoint3 v4 = he3->toVertex()->position();

            double alpha(0.0), alpha1(0.0), alpha2(0.0);
            alpha1 = acos((pow((v1 - v3).norm(), 2) + pow((v2 - v3).norm(), 2)
                           - pow((v1 - v2).norm(), 2)) / (2 * (v1 - v3).norm() * (v2 - v3).norm()));
            alpha2 = acos((pow((v1 - v4).norm(), 2) + pow((v2 - v4).norm(), 2)
                           - pow((v1 - v2).norm(), 2)) / (2 * (v1 - v4).norm() * (v2 - v4).norm()));
            alpha = alpha1 + alpha2;
            if (alpha > M_PI)	mesh12->flipEdgeTriangle(*e_it);
        }
        // update vertex position
        for (VertexIter v_it = mesh12->vertices_begin(); v_it != mesh12->vertices_end(); ++v_it)
        {
            if (mesh12->isBoundary(*v_it))	continue;
            MPoint3 tmp(0.0, 0.0, 0.0);
            double area(0.0), sum_area(0.0);
            for (VertexFaceIter vf_it = mesh12->vf_iter(*v_it); vf_it.isValid(); ++vf_it)
            {
                area = get_TriFace_Area(*vf_it);
                sum_area += area;
                MPoint3 center = get_TriFace_Circumcenter(*vf_it);
                tmp = tmp + area * center;
            }
            (*v_it)->setPosition(tmp / sum_area);
        }
    }
}


void delaunay_trianglation(){

    mesh12 = new PolyMesh();
    char buffer[500];
    getcwd(buffer, 500);
    printf("The current directory is: %s/../n", buffer);
    string mesh_path = buffer;
    mesh_path += "/../src/hw12/leaf.obj";
    loadMesh(mesh_path, mesh12);
    std::string out_path = "leaf-tri.obj";

    //loadMesh("rectangle.obj", mesh);
    int iter_num = 1000;	// iterative number
    Optimal_Delaunay_Trianglation(iter_num);
    writeMesh(out_path, mesh12);
}

优化前

优化后

可以看出随着迭代次数增加三角形越来越均匀。

迭代效果取决于网格初始的质量，以及迭代次数。

本人码农，希望通过自己的分享，让大家更容易学懂计算机知识。