У меня есть два двумерных вращающихся прямоугольника, определяемых как (центр x, центр y, высота, ширина) и угол поворота (0-360 °). Как бы я вычислил площадь пересечения этих двух вращающихся прямоугольников.
Вычислить площадь пересечения двух вращающихся прямоугольников в python
Ответ 1
Такие задачи решаются с использованием пакетов вычислительной геометрии, например. Shapely:
import shapely.geometry
import shapely.affinity
class RotatedRect:
def __init__(self, cx, cy, w, h, angle):
self.cx = cx
self.cy = cy
self.w = w
self.h = h
self.angle = angle
def get_contour(self):
w = self.w
h = self.h
c = shapely.geometry.box(-w/2.0, -h/2.0, w/2.0, h/2.0)
rc = shapely.affinity.rotate(c, self.angle)
return shapely.affinity.translate(rc, self.cx, self.cy)
def intersection(self, other):
return self.get_contour().intersection(other.get_contour())
r1 = RotatedRect(10, 15, 15, 10, 30)
r2 = RotatedRect(15, 15, 20, 10, 0)
from matplotlib import pyplot
from descartes import PolygonPatch
fig = pyplot.figure(1, figsize=(10, 4))
ax = fig.add_subplot(121)
ax.set_xlim(0, 30)
ax.set_ylim(0, 30)
ax.add_patch(PolygonPatch(r1.get_contour(), fc='#990000', alpha=0.7))
ax.add_patch(PolygonPatch(r2.get_contour(), fc='#000099', alpha=0.7))
ax.add_patch(PolygonPatch(r1.intersection(r2), fc='#009900', alpha=1))
pyplot.show()
Ответ 2
Вот решение, которое не использует библиотеки вне стандартной библиотеки Python.
Определение области пересечения двух прямоугольников можно разделить на две подзадачи:
- Поиск полигона пересечения, если таковой имеется;
- Определите область многоугольника пересечения.
Обе проблемы относительно просты, когда вы работаете с
вершины (углы) прямоугольников. Поэтому сначала вы должны определить
эти вершины. Предполагая, что начало координат находится в центре
прямоугольника, вершины,
начиная с нижнего левого угла в направлении против часовой стрелки:
(-w/2, -h/2)
, (w/2, -h/2)
, (w/2, h/2)
и (-w/2, h/2)
.
Вращая это на угол a
и переведя их
к правильному расположению центра прямоугольника, они становятся:
(cx + (-w/2)cos(a) - (-h/2)sin(a), cy + (-w/2)sin(a) + (-h/2)cos(a))
и аналогичные для других угловых точек.
Простым способом определения многоугольника пересечения является следующее: вы начинаете с одного прямоугольника как многоугольника пересечения кандидатов. Затем вы применяете процесс последовательной резки (как описано здесь. Короче: вы берете каждый край второго прямоугольника поочередно, и удалить все части из многоугольника пересечения кандидатов, которые находятся на "внешней" полуплоскости, определяемой краем (расширен в обоих направлениях). Выполнение этого для всех краев оставляет многоугольник пересечения кандидатов только части, которые находятся во втором прямоугольнике или на его границе.
Площадь полученного многоугольника (определенного рядом вершин) может быть вычислена из координат вершин. Вы суммируете поперечные произведения вершин каждого ребра (снова в порядке против часовой стрелки), и разделите это на два. См. www.mathopenref.com/coordpolygonarea.html
Достаточно теории и объяснения. Вот код:
from math import pi, cos, sin
class Vector:
def __init__(self, x, y):
self.x = x
self.y = y
def __add__(self, v):
if not isinstance(v, Vector):
return NotImplemented
return Vector(self.x + v.x, self.y + v.y)
def __sub__(self, v):
if not isinstance(v, Vector):
return NotImplemented
return Vector(self.x - v.x, self.y - v.y)
def cross(self, v):
if not isinstance(v, Vector):
return NotImplemented
return self.x*v.y - self.y*v.x
class Line:
# ax + by + c = 0
def __init__(self, v1, v2):
self.a = v2.y - v1.y
self.b = v1.x - v2.x
self.c = v2.cross(v1)
def __call__(self, p):
return self.a*p.x + self.b*p.y + self.c
def intersection(self, other):
# See e.g. https://en.wikipedia.org/wiki/Line%E2%80%93line_intersection#Using_homogeneous_coordinates
if not isinstance(other, Line):
return NotImplemented
w = self.a*other.b - self.b*other.a
return Vector(
(self.b*other.c - self.c*other.b)/w,
(self.c*other.a - self.a*other.c)/w
)
def rectangle_vertices(cx, cy, w, h, r):
angle = pi*r/180
dx = w/2
dy = h/2
dxcos = dx*cos(angle)
dxsin = dx*sin(angle)
dycos = dy*cos(angle)
dysin = dy*sin(angle)
return (
Vector(cx, cy) + Vector(-dxcos - -dysin, -dxsin + -dycos),
Vector(cx, cy) + Vector( dxcos - -dysin, dxsin + -dycos),
Vector(cx, cy) + Vector( dxcos - dysin, dxsin + dycos),
Vector(cx, cy) + Vector(-dxcos - dysin, -dxsin + dycos)
)
def intersection_area(r1, r2):
# r1 and r2 are in (center, width, height, rotation) representation
# First convert these into a sequence of vertices
rect1 = rectangle_vertices(*r1)
rect2 = rectangle_vertices(*r2)
# Use the vertices of the first rectangle as
# starting vertices of the intersection polygon.
intersection = rect1
# Loop over the edges of the second rectangle
for p, q in zip(rect2, rect2[1:] + rect2[:1]):
if len(intersection) <= 2:
break # No intersection
line = Line(p, q)
# Any point p with line(p) <= 0 is on the "inside" (or on the boundary),
# any point p with line(p) > 0 is on the "outside".
# Loop over the edges of the intersection polygon,
# and determine which part is inside and which is outside.
new_intersection = []
line_values = [line(t) for t in intersection]
for s, t, s_value, t_value in zip(
intersection, intersection[1:] + intersection[:1],
line_values, line_values[1:] + line_values[:1]):
if s_value <= 0:
new_intersection.append(s)
if s_value * t_value < 0:
# Points are on opposite sides.
# Add the intersection of the lines to new_intersection.
intersection_point = line.intersection(Line(s, t))
new_intersection.append(intersection_point)
intersection = new_intersection
# Calculate area
if len(intersection) <= 2:
return 0
return 0.5 * sum(p.x*q.y - p.y*q.x for p, q in
zip(intersection, intersection[1:] + intersection[:1]))
if __name__ == '__main__':
r1 = (10, 15, 15, 10, 30)
r2 = (15, 15, 20, 10, 0)
print(intersection_area(r1, r2))
Ответ 3
intersection, pnt = contourIntersection(rect1, rect2)
Посмотрев на возможную дублируемую страницу для этой проблемы, я не смог найти завершенный ответ для python, так что вот мое решение с использованием маскировки. Эта функция будет работать со сложными фигурами под любым углом, а не только с прямоугольниками
Вы передаете 2 контура ваших повернутых прямоугольников в качестве параметров, и он возвращает "Нет", если пересечение не происходит, или изображение пересеченной области, а положение слева/сверху этого изображения относительно исходного изображения контуры взято из
Использует python, cv2 и numpy
import cv2
import math
import numpy as np
def contourIntersection(con1, con2, showContours=False):
# skip if no bounding rect intersection
leftmost1 = tuple(con1[con1[:, :, 0].argmin()][0])
topmost1 = tuple(con1[con1[:, :, 1].argmin()][0])
leftmost2 = tuple(con2[con2[:, :, 0].argmin()][0])
topmost2 = tuple(con2[con2[:, :, 1].argmin()][0])
rightmost1 = tuple(con1[con1[:, :, 0].argmax()][0])
bottommost1 = tuple(con1[con1[:, :, 1].argmax()][0])
rightmost2 = tuple(con2[con2[:, :, 0].argmax()][0])
bottommost2 = tuple(con2[con2[:, :, 1].argmax()][0])
if rightmost1[0] < leftmost2[0] or rightmost2[0] < leftmost1[0] or bottommost1[1] < topmost2[1] or bottommost2[1] < topmost1[1]:
return None, None
# reset top / left to 0
left = leftmost1[0] if leftmost1[0] < leftmost2[0] else leftmost2[0]
top = topmost1[1] if topmost1[1] < topmost2[1] else topmost2[1]
newCon1 = []
for pnt in con1:
newLeft = pnt[0][0] - left
newTop = pnt[0][1] - top
newCon1.append([newLeft, newTop])
# next
con1_new = np.array([newCon1], dtype=np.int32)
newCon2 = []
for pnt in con2:
newLeft = pnt[0][0] - left
newTop = pnt[0][1] - top
newCon2.append([newLeft, newTop])
# next
con2_new = np.array([newCon2], dtype=np.int32)
# width / height
right1 = rightmost1[0] - left
bottom1 = bottommost1[1] - top
right2 = rightmost2[0] - left
bottom2 = bottommost2[1] - top
width = right1 if right1 > right2 else right2
height = bottom1 if bottom1 > bottom2 else bottom2
# create images
img1 = np.zeros([height, width], np.uint8)
cv2.drawContours(img1, con1_new, -1, (255, 255, 255), -1)
img2 = np.zeros([height, width], np.uint8)
cv2.drawContours(img2, con2_new, -1, (255, 255, 255), -1)
# mask images together using AND
imgIntersection = cv2.bitwise_and(img1, img2)
if showContours:
img1[img1 > 254] = 128
img2[img2 > 254] = 100
imgAll = cv2.bitwise_or(img1, img2)
cv2.imshow('Merged Images', imgAll)
# end if
if not imgIntersection.sum():
return None, None
# trim
while not imgIntersection[0].sum():
imgIntersection = np.delete(imgIntersection, (0), axis=0)
top += 1
while not imgIntersection[-1].sum():
imgIntersection = np.delete(imgIntersection, (-1), axis=0)
while not imgIntersection[:, 0].sum():
imgIntersection = np.delete(imgIntersection, (0), axis=1)
left += 1
while not imgIntersection[:, -1].sum():
imgIntersection = np.delete(imgIntersection, (-1), axis=1)
return imgIntersection, (left, top)
# end function
Чтобы завершить ответ, чтобы вы могли использовать вышеуказанную функцию со значениями CenterX, CenterY, Width, Height и Angle из 2 вращающихся прямоугольников, я добавил следующие функции. Просто измените свойства Rect1 и Rect2 в нижней части кода на свой собственный
def pixelsBetweenPoints(xy1, xy2):
X = abs(xy1[0] - xy2[0])
Y = abs(xy1[1] - xy2[1])
return int(math.sqrt((X ** 2) + (Y ** 2)))
# end function
def rotatePoint(angle, centerPoint, dist):
xRatio = math.cos(math.radians(angle))
yRatio = math.sin(math.radians(angle))
xPotted = int(centerPoint[0] + (dist * xRatio))
yPlotted = int(centerPoint[1] + (dist * yRatio))
newPoint = [xPotted, yPlotted]
return newPoint
# end function
def angleBetweenPoints(pnt1, pnt2):
A_B = pixelsBetweenPoints(pnt1, pnt2)
pnt3 = (pnt1[0] + A_B, pnt1[1])
C = pixelsBetweenPoints(pnt2, pnt3)
angle = math.degrees(math.acos((A_B * A_B + A_B * A_B - C * C) / (2.0 * A_B * A_B)))
# reverse if above horizon
if pnt2[1] < pnt1[1]:
angle = angle * -1
# end if
return angle
# end function
def rotateRectContour(xCenter, yCenter, height, width, angle):
# calc positions
top = int(yCenter - (height / 2))
left = int(xCenter - (width / 2))
right = left + width
rightTop = (right, top)
centerPoint = (xCenter, yCenter)
# new right / top point
rectAngle = angleBetweenPoints(centerPoint, rightTop)
angleRightTop = angle + rectAngle
angleRightBottom = angle + 180 - rectAngle
angleLeftBottom = angle + 180 + rectAngle
angleLeftTop = angle - rectAngle
distance = pixelsBetweenPoints(centerPoint, rightTop)
rightTop_new = rotatePoint(angleRightTop, centerPoint, distance)
rightBottom_new = rotatePoint(angleRightBottom, centerPoint, distance)
leftBottom_new = rotatePoint(angleLeftBottom, centerPoint, distance)
leftTop_new = rotatePoint(angleLeftTop, centerPoint, distance)
contourList = [[leftTop_new], [rightTop_new], [rightBottom_new], [leftBottom_new]]
contour = np.array(contourList, dtype=np.int32)
return contour
# end function
# rect1
xCenter_1 = 40
yCenter_1 = 20
height_1 = 200
width_1 = 80
angle_1 = 45
rect1 = rotateRectContour(xCenter_1, yCenter_1, height_1, width_1, angle_1)
# rect2
xCenter_2 = 80
yCenter_2 = 25
height_2 = 180
width_2 = 50
angle_2 = 123
rect2 = rotateRectContour(xCenter_2, yCenter_2, height_2, width_2, angle_2)
intersection, pnt = contourIntersection(rect1, rect2, True)
if intersection is None:
print('No intersection')
else:
print('Area of intersection = ' + str(int(intersection.sum() / 255)))
cv2.imshow('Intersection', intersection)
# end if
cv2.waitKey(0)