Вороной - Вычислить точные границы каждого региона

Ответ 1

1. Алгоритм

Я предлагаю следующий двухэтапный подход:

1. Сначала создайте выпуклый многоугольник для каждой из областей Вороного. В случае бесконечных областей, сделайте это, разделив точку на бесконечности на две точки, которые достаточно далеко, соединенные ребром. ("Достаточно далеко" означает, что дополнительный край проходит полностью за пределы ограничивающего многоугольника.)

2. Пересечь каждый из многоугольников из шага (1) с ограничивающим многоугольником, используя метод точного intersection.

Преимущество этого подхода перед ответом Офира Ками состоит в том, что он работает с невыпуклыми ограничивающими полигонами, а код немного проще.

2. Пример

Начнем с диаграммы Вороного для точек из ответа Офира Ками. Бесконечные гребни показаны в виде пунктирных линий scipy.spatial.voronoi_plot_2d:

Тогда для каждой области Вороного построим выпуклый многоугольник. Это легко для конечных областей, но мы должны уменьшить масштаб, чтобы увидеть, что происходит с бесконечными областями Вороного. Полигоны, соответствующие этим областям, имеют дополнительный край, расположенный достаточно далеко, чтобы он полностью находился за пределами ограничивающего многоугольника:

Теперь мы можем пересекать многоугольники для каждой области Вороного с помощью ограничивающего многоугольника:

В этом случае все многоугольники Вороного имеют непустое пересечение с ограничивающим многоугольником, но в общем случае некоторые из них могут исчезнуть.

3. Код

Первым шагом является создание полигонов, соответствующих областям Вороного. Как и Офир Ками, я получил это из реализации scipy.spatial.voronoi_plot_2d.

from collections import defaultdict

from shapely.geometry import Polygon

def voronoi_polygons(voronoi, diameter):
    """Generate shapely.geometry.Polygon objects corresponding to the
    regions of a scipy.spatial.Voronoi object, in the order of the
    input points. The polygons for the infinite regions are large
    enough that all points within a distance 'diameter' of a Voronoi
    vertex are contained in one of the infinite polygons.

    """
    centroid = voronoi.points.mean(axis=0)

    # Mapping from (input point index, Voronoi point index) to list of
    # unit vectors in the directions of the infinite ridges starting
    # at the Voronoi point and neighbouring the input point.
    ridge_direction = defaultdict(list)
    for (p, q), rv in zip(voronoi.ridge_points, voronoi.ridge_vertices):
        u, v = sorted(rv)
        if u == -1:
            # Infinite ridge starting at ridge point with index v,
            # equidistant from input points with indexes p and q.
            t = voronoi.points[q] - voronoi.points[p] # tangent
            n = np.array([-t[1], t[0]]) / np.linalg.norm(t) # normal
            midpoint = voronoi.points[[p, q]].mean(axis=0)
            direction = np.sign(np.dot(midpoint - centroid, n)) * n
            ridge_direction[p, v].append(direction)
            ridge_direction[q, v].append(direction)

    for i, r in enumerate(voronoi.point_region):
        region = voronoi.regions[r]
        if -1 not in region:
            # Finite region.
            yield Polygon(voronoi.vertices[region])
            continue
        # Infinite region.
        inf = region.index(-1)              # Index of vertex at infinity.
        j = region[(inf - 1) % len(region)] # Index of previous vertex.
        k = region[(inf + 1) % len(region)] # Index of next vertex.
        if j == k:
            # Region has one Voronoi vertex with two ridges.
            dir_j, dir_k = ridge_direction[i, j]
        else:
            # Region has two Voronoi vertices, each with one ridge.
            dir_j, = ridge_direction[i, j]
            dir_k, = ridge_direction[i, k]

        # Length of ridges needed for the extra edge to lie at least
        # 'diameter' away from all Voronoi vertices.
        length = 2 * diameter / np.linalg.norm(dir_j + dir_k)

        # Polygon consists of finite part plus an extra edge.
        finite_part = voronoi.vertices[region[inf + 1:] + region[:inf]]
        extra_edge = [voronoi.vertices[j] + dir_j * length,
                      voronoi.vertices[k] + dir_k * length]
        yield Polygon(np.concatenate((finite_part, extra_edge)))

Второй шаг - пересечение полигонов Вороного с ограничивающим полигоном. Нам также нужно выбрать подходящий диаметр для перехода к voronoi_polygons.

import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.spatial import Voronoi

points = np.array([[0.1, -0.4], [0, 1.5], [0, 2.25], [1, 0], [1, 1], [1, 2],
                   [2, 0], [2.5, 1], [2, 2], [2.3, 2.3], [-0.5, -1.3], [-1.5, 3]])
boundary = np.array([[-5, -2], [3.4, -2], [4.7, 4], [2.7, 5.7], [-1, 4]])

x, y = boundary.T
plt.xlim(round(x.min() - 1), round(x.max() + 1))
plt.ylim(round(y.min() - 1), round(y.max() + 1))
plt.plot(*points.T, 'b.')

diameter = np.linalg.norm(boundary.ptp(axis=0))
boundary_polygon = Polygon(boundary)
for p in voronoi_polygons(Voronoi(points), diameter):
    x, y = zip(*p.intersection(boundary_polygon).exterior.coords)
    plt.plot(x, y, 'r-')

plt.show()

Это показывает последнюю из фигур в § 2 выше.

Ответ 2

Я взял voronoi_plot_2d и изменил его. см. ниже.

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.spatial import Voronoi
from shapely.geometry import Polygon, Point

# Voronoi - Compute exact boundaries of every region


def angle_between(v0, v1):
    return np.math.atan2(np.linalg.det([v0, v1]), np.dot(v0, v1))


def calc_angle(c0, c1, c2):
    return angle_between(np.array(c1) - np.array(c0), np.array(c2) - np.array(c1))


def is_convex(polygon):
    temp_coords = np.array(polygon.exterior.coords)
    temp_coords = np.vstack([temp_coords, temp_coords[1, :]])

    for i, (c0, c1, c2) in enumerate(zip(temp_coords, temp_coords[1:], temp_coords[2:])):
        if i == 0:
            first_angle_crit = calc_angle(c0, c1, c2) > 0
        elif (calc_angle(c0, c1, c2) > 0) != first_angle_crit:
            return False
    return True


def infinite_segments(vor_):
    line_segments = []
    center = vor_.points.mean(axis=0)
    for pointidx, simplex in zip(vor_.ridge_points, vor_.ridge_vertices):
        simplex = np.asarray(simplex)
        if np.any(simplex < 0):
            i = simplex[simplex >= 0][0]  # finite end Voronoi vertex

            t = vor_.points[pointidx[1]] - vor_.points[pointidx[0]]  # tangent
            t /= np.linalg.norm(t)
            n = np.array([-t[1], t[0]])  # normal

            midpoint = vor_.points[pointidx].mean(axis=0)
            direction = np.sign(np.dot(midpoint - center, n)) * n

            line_segments.append([(vor_.vertices[i, 0], vor_.vertices[i, 1]),
                                  (direction[0], direction[1])])
    return line_segments


class NotConvexException(Exception):
    def __str__(self):
        return 'The Polygon is not Convex!!!'


class NotAllPointsAreInException(Exception):
    def __str__(self):
        return 'Not all points are in the polygon!!!'


def intersect(p0, u, q0, q1):
    v = (q1 - q0)[np.newaxis].T
    A = np.hstack([u, -v])
    b = q0 - p0
    try:
        inv_A = np.linalg.inv(A)
    except np.linalg.LinAlgError:
        return np.nan, np.nan
    return np.dot(inv_A, b)


def _adjust_bounds(ax__, points_):
    ptp_bound = points_.ptp(axis=0)
    ax__.set_xlim(points_[:, 0].min() - 0.1*ptp_bound[0], points_[:, 0].max() + 0.1*ptp_bound[0])
    ax__.set_ylim(points_[:, 1].min() - 0.1*ptp_bound[1], points_[:, 1].max() + 0.1*ptp_bound[1])


def in_polygon(polygon, points_):
    return [polygon.contains(Point(x)) for x in points_]


def voronoi_plot_2d_inside_convex_polygon(vor_, polygon, ax__=None, **kw):
    from matplotlib.collections import LineCollection

    if not all(in_polygon(polygon, vor_.points_)):
        raise NotAllPointsAreInException()

    if not is_convex(polygon):
        raise NotConvexException()

    if vor_.points.shape[1] != 2:
        raise ValueError("Voronoi diagram is not 2-D")

    vor_inside_ind = np.array([i for i, x in enumerate(vor_.vertices) if polygon.contains(Point(x))])
    vor_outside_ind = np.array([i for i, x in enumerate(vor_.vertices) if not polygon.contains(Point(x))])
    ax__.plot(vor_.points[:, 0], vor_.points[:, 1], '.')
    if kw.get('show_vertices', True):
        ax__.plot(vor_.vertices[vor_inside_ind, 0], vor_.vertices[vor_inside_ind, 1], 'o')

    temp_coords = np.array(polygon.exterior.coords)
    line_segments = []
    for t0, t1 in zip(temp_coords, temp_coords[1:]):
        line_segments.append([t0, t1])
    ax__.add_collection(LineCollection(line_segments, colors='b', linestyle='solid'))
    line_segments = []
    for simplex in vor_.ridge_vertices:
        simplex = np.asarray(simplex)
        if np.all(simplex >= 0):
            if not all(in_polygon(polygon, vor_.vertices[simplex])):
                continue
            line_segments.append([(x, y) for x, y in vor_.vertices[simplex]])

    ax__.add_collection(LineCollection(line_segments, colors='k', linestyle='solid'))

    line_segments = infinite_segments(vor_)
    from_inside = np.array([x for x in line_segments if polygon.contains(Point(x[0]))])

    line_segments = []

    for f in from_inside:
        for coord0, coord1 in zip(temp_coords, temp_coords[1:]):
            s, t = intersect(f[0], f[1][np.newaxis].T, coord0, coord1)
            if 0 < t < 1 and s > 0:
                line_segments.append([f[0], f[0] + s * f[1]])
                break

    ax__.add_collection(LineCollection(np.array(line_segments), colors='k', linestyle='dashed'))

    line_segments = []

    for v_o_ind in vor_outside_ind:
        for simplex in vor_.ridge_vertices:
            simplex = np.asarray(simplex)
            if np.any(simplex < 0):
                continue
            if np.any(simplex == v_o_ind):
                i = simplex[simplex != v_o_ind][0]
                for coord0, coord1 in zip(temp_coords, temp_coords[1:]):
                    s, t = intersect(
                        vor_.vertices[i],
                        (vor_.vertices[v_o_ind] - vor_.vertices[i])[np.newaxis].T,
                        coord0,
                        coord1
                    )
                    if 0 < t < 1 and 0 < s < 1:
                        line_segments.append([
                            vor_.vertices[i],
                            vor_.vertices[i] + s * (vor_.vertices[v_o_ind] - vor_.vertices[i])
                        ])
                        break

    ax__.add_collection(LineCollection(np.array(line_segments), colors='r', linestyle='dashed'))

    _adjust_bounds(ax__, temp_coords)

    return ax__.figure

points = np.array([[0.1, -0.4], [0, 1.5], [0, 2.25], [1, 0], [1, 1], [1, 2],
                   [2, 0], [2.5, 1], [2, 2], [2.3, 2.3], [-0.5, -1.3], [-1.5, 3]])

global_boundaries = Polygon([[-5, -2], [3.4, -2], [4.7, 4], [2.7, 5.7], [-1, 4]])
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111)

vor = Voronoi(points)
voronoi_plot_2d_inside_convex_polygon(vor, global_boundaries, ax_=ax)
plt.show()

Примечание. Существуют два простых ограничения:

• Многоугольник должен быть выпуклым.
• Все точки должны находиться внутри многоугольника.

цвета:

• Оригинальные точки синего цвета.
• Верные вершины находятся в зеленом цвете.
• Конечные внутренние гребни Вороного находятся в сплошном черном.
• Конечные внешние гребни Вороного крашеные.
• Бесконечные гребни Вороного в черном черном.