Graham Scan

Der Graham Scan (nach Ronald Graham 1972) ist ein effizienter Algorithmus zur Berechnung der konvexen Hülle einer endlichen Menge von Punkten in der Ebene. Bei n Punkten liegt seine asymptotische Laufzeit in $\mathcal O(n \cdot \log n)$.

Beschreibung

Vorbereitung

Sortierung einer Punktmenge nach Winkel mit Bezugspunkt P₀. Der Winkel zwischen a und c (α) ist größer als der zwischen b und c (β), wenn T(P₀,P₁,P₂) > 0.

Sei S = {P} eine endliche Punktmenge. Der Algorithmus beginnt mit einem Punkt der Menge, welcher garantiert ein Eckpunkt der konvexen Hülle ist. Man sucht sich dazu den Punkt mit der kleinsten Ordinate. Sind dies mehrere, so sucht man sich aus diesen Punkten den mit der kleinsten Abszisse aus (lexikographische Suche). Diese Suche kann in O(n) Schritten durchgeführt werden. Nachdem der Startpunkt P₀ gefunden wurde, sortiert der Algorithmus die restlichen Punkte P in S nach aufsteigendem Winkel zwischen P₀ → P und der x-Achse gegen den Uhrzeigersinn. Haben dabei zwei Punkte den gleichen Winkel (d. h. liegen mit P₀ auf einer Linie, sind kollinear mit P₀), so wird der Punkt, welcher näher an P₀ liegt, verworfen.

Will man bestimmen, ob ein Punkt links von einem anderen liegt, d. h. ob die Linie eines Punkts mit dem Startpunkt einen größeren Winkel zur x-Achse hat als ein anderer Punkt mit dem Startpunkt, sollte man keine trigonometrischen Funktionen verwenden. Die Funktion T(P₀,P₁,P₂) liefert das gewünschte Ergebnis mit weniger Rechenaufwand (fünf Subtraktionen, zwei Multiplikationen) und genauer. Das Ergebnis bleibt hier im rationalen Zahlenbereich, welcher ohne Verlust von Genauigkeit abgebildet werden kann. T bekommt drei Punkte P₀, P₁ und P₂ übergeben. Das Ergebnis wird über den folgenden Ausdruck berechnet.

$\begin{align} T(P_0, P_1, P_2) &= (x_1 - x_0)(y_2 - y_0) - (x_2 - x_0)(y_1 - y_0) \\ &= \begin{cases} < 0, & \text{wenn }P_2\text{ ist rechts von }\overrightarrow{P_0P_1} \\ = 0, & \text{wenn }P_2\text{ ist auf }\overrightarrow{P_0P_1} \\ > 0, & \text{wenn }P_2\text{ ist links von }\overrightarrow{P_0P_1} \end{cases}\end{align}$

Berechnung

Nach Winkel sortierte Punktmenge – P₀ wird als Startpunkt gewählt, da er den kleinsten Ordinatenwert hat. P₁ fällt heraus, da er mit P₂ und P₀ kollinear ist.

S sei nun die sortierte Punktmenge. Als nächstes läuft man alle Punkte in S durch und prüft, ob diese Eckpunkte der konvexen Hülle sind. Es wird ein Stapelspeicher (Stack) angelegt, auf welchem sich alle Eckpunkte der konvexen Hülle für alle bereits abgearbeiteten Punkte befinden. Zu Beginn liegen P₀ und P₁ auf dem Stapel. Im k-ten Schritt wird P_k zur Betrachtung herangezogen und berechnet, wie er die vorherige konvexe Hülle verändert. Aufgrund der Sortierung liegt P_k immer außerhalb der Hülle der vorherigen Punkte P_i mit i < k.

Durch das Hinzufügen des Punktes kann es vorkommen, dass bereits auf dem Stapel liegende Punkte nicht mehr zur neuen konvexen Hülle gehören. Diese Punkte müssen mittels der „pop“ Operation vom Stapel entfernt werden. Ob ein Punkt noch zur konvexen Hülle gehört oder nicht ermittelt man, indem man berechnet, ob P_k links oder rechts des Vektors PT2→PT1 liegt (PT1 = oberstes Element des Stapels, PT2 = Element direkt unter PT1). Liegt P_k links, so bleibt PT1 weiterhin auf dem Stapel und P_k wird mit „push“ auf dem Stapel abgelegt, liegt P_k rechts, so wird PT1 von der neuen konvexen Hülle verschluckt, vom Stapel entfernt und die nächsten beiden oberen Punkte untersucht.

Dieser Test wird solange durchgeführt, bis P_k links des Vektors PT2→PT1 oder nur noch P₀ und ein weiterer Punkt auf dem Stapel liegt. In beiden Fällen wird dann P_k auf dem Stapel abgelegt und mit dem nächsten Punkt P_{k + 1} weitergerechnet. Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel, in welchem alle Fälle des eben beschriebenen Tests auftreten.

Beispiel – Graham Scan Algorithmus

In nebenstehender Abbildung werden zunächst die Punkte Pt4, Pt3, Pt2 und P_{k − 1} auf den Stack gelegt. Zu jedem Zeitpunkt bilden die Punkte auf dem Stack ein konvexes Polygon (gestrichelte Linien). Erst als P_k hinzukommen soll, fallen P_{k − 1} und Pt2 wieder raus, da sie zusammen mit P_k nicht konvex sind. Die konvexe Hülle dieser Punktmenge besteht aus P₀, Pt4, Pt3 und P_k. P₀ liegt dabei auf dem Stack ganz unten und P_k ganz oben. Die Punkte des gesuchten konvexen Polygons können mit „pop“ im Uhrzeigersinn vom Stapel geholt werden.

Anmerkung

Die Anzahl der „push“ und „pop“ Operationen übersteigt die obere Grenze von 2N (N = Anzahl der Punkte in der Eingabemenge) nicht. Die Berechnung ist also O(N). Die Sortierung der Punkte nach Winkel kann mit jedem beliebigen Sortieralgorithmus durchgeführt werden, z. B. dem Quicksort. Dieser hat im Durchschnitt average case die asympt. Laufzeit von O(Nlog N). Das bedeutet, dass die Laufzeit des Algorithmus durch die Sortierung vorgegeben ist, da O(N) + O(Nlog N) = O(Nlog N).

Pseudocode

Unter Nutzung eines Stacks

Funktion GrahamScan
  Eingabe: Punktemenge S = {P}
  Ausgabe: konvexe Hülle von S
  Beginn Funktion
    Sei S die nach dem Winkel zu P0 sortierte Punktemenge
    PUSH(P0)
    PUSH(P1)
    i := 2
    n := Anzahl der Punkte in S
    
    Solange i < n, führe aus:
      Sei Pt1 der oberste Punkt auf dem Stack
      Sei Pt2 der zweitoberste Punkt auf dem Stack
      Wenn Si links des Vektors Pt2→Pt1 liegt, dann führe aus:
        PUSH(Si)
        i := i + 1
      Ansonsten führe aus:
        POP(Pt1)
      Ende Bedingung
      
    Ende Schleife
    
  Ende Funktion

Ohne Nutzung eines Stacks

Funktion GrahamScan
  Eingabe: Punktemenge S = {P}
  Ausgabe: konvexe Hülle von S
  Beginn Funktion
    Sei S die nach dem Winkel zu P0 sortierte Punktemenge
    i := 1
    
    Solange i+1 < |S|, führe aus:
      Wenn Si rechts des Vektors Si−1→Si+1 liegt, dann führe aus:
        i := i + 1
      Ansonsten führe aus:
        Entferne das Element Si aus S
        i := i - 1
      Ende Bedingung
    
    Ende Schleife
  
  Ende Funktion

Im Code sei punkte ein Array aus Punkten, aus dem man mit punkte[i] das i-te Element erhält und welches schon nach dem Winkel zu punkte[0] sortiert ist. Der Code verändert dieses Array, indem die Elemente gelöscht werden, die nicht zur konvexen Hülle gehören.

Weblinks

• Erklärungen samt Visualisierung des Verfahrens
• Computational Geometry in C (Second Edition)
• Erklärung und Pseudocode