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C#教程

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C#通過KD樹進行距離最近點的查找

來源:本站原創(chuàng)|時間:2020-01-10|欄目:C#教程|點擊: 次

本文首先介紹Kd-Tree的構(gòu)造方法,然后介紹Kd-Tree的搜索流程及代碼實現(xiàn),最后給出本人利用C#語言實現(xiàn)的二維KD樹代碼。這也是我自己動手實現(xiàn)的第一個樹形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。理解上難免會有偏差,敬請各位多多斧正。

1. KD樹介紹

Kd-Tree(KD樹),即K-dimensional tree,是一種高維索引樹形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),常用于在大規(guī)模的高維數(shù)據(jù)空間進行最鄰近查找和近似最鄰近查找。我實現(xiàn)的KD樹是二維的Kd - tree。目的是在點集中尋找最近點。參考資料是Kd-Tree的百度百科。并且根據(jù)百度百科的邏輯組織了代碼。

2. KD樹的數(shù)學(xué)解釋

3. KD樹的構(gòu)造方法

這里是用的二維點集進行構(gòu)造Kd-tree。三維的與此類似。
樹中每個節(jié)點的數(shù)據(jù)類型:

public class KDTreeNode
  {
    /// <summary>
    /// 分裂點
    /// </summary>
    public Point DivisionPoint { get; set; }

    /// <summary>
    /// 分裂類型
    /// </summary>
    public EnumDivisionType DivisionType { get; set; }

    /// <summary>
    /// 左子節(jié)點
    /// </summary>
    public KDTreeNode LeftChild { get; set; }

    /// <summary>
    /// 右子節(jié)點
    /// </summary>
    public KDTreeNode RightChild { get; set; }
  }


3.1 KD樹構(gòu)造邏輯流程

  • 將所有的點放入集合a中
  • 對集合所有點的X坐標求得方差xv,Y坐標求得方差yv
  • 如果xv > yv,則對集合a根據(jù)X坐標進行排序。如果 yv > xv,則對集合a根據(jù)y坐標進行排序。
  • 得到排序后a集合的中位數(shù)m。則以m為斷點,將[0,m-2]索引的點放到a1集合中。將[m,a.count]索引的點放到a2的集合中(m點的索引為m-1)。
  • 構(gòu)建節(jié)點,節(jié)點的值為a[m-1],如果操作集合中節(jié)點的個數(shù)大于1,則左節(jié)點對[0,m-2]重復(fù)2-5步,右節(jié)點為對[m,a.count]重復(fù)2-5步;反之,則該節(jié)點為葉子節(jié)點。

3.2 代碼實現(xiàn)

private KDTreeNode CreateTreeNode(List<Point> pointList)
{
  if (pointList.Count > 0)
  {
    // 計算方差
    double xObtainVariance = ObtainVariance(CreateXList(pointList));
    double yObtainVariance = ObtainVariance(CreateYList(pointList));

    // 根據(jù)方差確定分裂維度
    EnumDivisionType divisionType = SortListByXOrYVariances(xObtainVariance,    yObtainVariance, ref pointList);

    // 獲得中位數(shù)
    Point medianPoint = ObtainMedian(pointList);
    int medianIndex = pointList.Count / 2;

    // 構(gòu)建節(jié)點
    KDTreeNode treeNode = new KDTreeNode()
    {
      DivisionPoint = medianPoint,
      DivisionType = divisionType,
      LeftChild = CreateTreeNode(pointList.Take(medianIndex).ToList()),
      RightChild = CreateTreeNode(pointList.Skip(medianIndex + 1).ToList())
    };
    return treeNode;
  }
  else
  {
    return null;
  }
}


4. KD樹搜索方法

Kd-Tree的總體搜索流程先根據(jù)普通的查找找到一個最近的葉子節(jié)點。但是這個葉子節(jié)點不一定是最近的點。再進行回溯的操作找到最近點。

4.1 KD樹搜索邏輯流程

  • 對于根據(jù)點集構(gòu)建的樹t,以及查找點p.將根節(jié)點作為節(jié)點t進行如下的操作
  • 如果t為葉子節(jié)點。則得到最近點n的值為t的分裂點的值,跳到第5步;如果t不是葉子節(jié)點,進行第3步
  • 則確定t的分裂方式,如果是按照x軸進行分裂,則用p的x值與節(jié)點的分裂點的x值進行比較,反之則進行Y坐標的比較
  • 如果p的比較值小于t的比較值,則將t指定為t的左孩子節(jié)點。反之將t指定為t的右孩子節(jié)點,執(zhí)行第2步
  • 定義檢索點m,將m設(shè)置為n
  • 計算m與p的距離d1,n與m的距離d2。
  • 如果d1 >= d2且有父節(jié)點,則將m的父節(jié)點作為m的值執(zhí)行5步,若沒有父節(jié)點,則得到真正的最近點TN; 如果d1 < d2就表示n點不是最近點,執(zhí)行第8步
  • 若n有兄弟節(jié)點,則 n = n的兄弟節(jié)點;若n沒有兄弟節(jié)點,則 n = n的父節(jié)點。刪除原來的n節(jié)點。將m的值設(shè)置為新的n節(jié)點;執(zhí)行第6步。

4.2 代碼實現(xiàn)

public Point FindNearest(Point searchPoint)
{
  // 按照查找方式尋找最近點
  Point nearestPoint = DFSSearch(this.rootNode, searchPoint);
  
  // 進行回溯
  return BacktrcakSearch(searchPoint, nearestPoint);
}


private Point DFSSearch(KDTreeNode node,Point searchPoint,bool pushStack = true)
{
  if(pushStack == true)
  {
    // 利用堆棧記錄查詢的路徑,由于樹節(jié)點中沒有記載父節(jié)點的原因
    backtrackStack.Push(node);
  }
  if (node.DivisionType == EnumDivisionType.X)
  {
    return DFSXsearch(node,searchPoint);
  }
  else
  {
    return DFSYsearch(node, searchPoint);
  }
}

private Point BacktrcakSearch(Point searchPoint,Point nearestPoint)
{
  // 如果記錄路徑的堆棧為空則表示已經(jīng)回溯到根節(jié)點,則查到的最近點就是真正的最近點
  if (backtrackStack.IsEmpty())
  {
    return nearestPoint;
  }
  else
  {
    KDTreeNode trackNode = backtrackStack.Pop();
    
    // 分別求回溯點與最近點距查找點的距離
    double backtrackDistance = ObtainDistanFromTwoPoint(searchPoint,     trackNode.DivisionPoint);
    double nearestPointDistance = ObtainDistanFromTwoPoint(searchPoint, nearestPoint);
    
    if (backtrackDistance < nearestPointDistance)
    {
      // 深拷貝節(jié)點的目的是為了避免損壞樹
      KDTreeNode searchNode = new KDTreeNode()
      {
        DivisionPoint = trackNode.DivisionPoint,
        DivisionType = trackNode.DivisionType,
        LeftChild = trackNode.LeftChild,
        RightChild = trackNode.RightChild
      };
      nearestPoint = DFSBackTrackingSearch(searchNode, searchPoint);
   }
   // 遞歸到根節(jié)點
   return BacktrcakSearch(searchPoint, nearestPoint);
  }
}


5. 源碼交流

https://github.com/CreamMilk/C-Kd-Tree

以上就是本文的全部內(nèi)容,希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助,也希望大家多多支持我們。

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