写在前面

项目 内容
所属课程 2020春季计算机学院软件工程(罗杰 任健) (北航)
作业要求 [个人项目作业](<https://edu.cnblogs.com/campus/buaa/BUAA_SE_2020_LJ/homework/10429)
课程目标 培养软件开发能力
本作业对实现目标的具体作用 锻炼个人开发项目的能力
教学班级 006
github项目地址 https://github.com/LiuZH-19/SE_IntersectProject

PSP表格记录

PSP2.1 Personal Software Process Stages 预估耗时(分钟) 实际耗时(分钟)
Planning 计划
· Estimate · 估计这个任务需要多少时间 5 10
Development 开发
· Analysis · 需求分析 (包括学习新技术) 180 220
· Design Spec · 生成设计文档 10 20
· Design Review · 设计复审 (和同事审核设计文档) 15 20
· Coding Standard · 代码规范 (为目前的开发制定合适的规范) 5 5
· Design · 具体设计 30 60
· Coding · 具体编码 120 160
· Code Review · 代码复审 20 20
· Test · 测试(自我测试,修改代码,提交修改) 120 120
Reporting 报告
· Test Report · 测试报告 30 30
· Size Measurement · 计算工作量 5 5
· Postmortem & Process Improvement Plan · 事后总结, 并提出过程改进计划 10 30
合计 550 700

解题思路描述

大体思路:

看了题目之后,想到的方法是:

  • 利用数学的方法,解出两直线L1,L2存在交点的条件和其存在的交点的公式。

  • 然后对输入中的任意两条直线,进行判断。若存在交点,则取出放入容器中(避免容器中元素的重复性)

  • 最后输出容器中交点的个数

    但考虑到需对输入中的直线两两求解,复杂度为\(\O(n^2)\)。我打算上网查一查,看看有没有更巧妙的算法。

    查询无果,与小伙伴们讨论了一下,也没有更好的算法。就打算按这个算法,仔细想想细节部分

    为了避免直线的一些特殊情况的分析,我即将直线表示为一般式:Ax+By+C=0

    附加题,也是类似的思路:

    直线两两求解交点,再求解直线之前的交点情况,再求解两圆之间的交点情况。

    在求解交点前,先判断是满足具有交点的条件,避免不必要的计算

细节考量:

直线与直线的交点比较好算,所以自己手算出来了算式关系。

直线与圆的公式也是手算的。

圆与圆之前的交点的公式,解得我头大,也不确定自己算出来的对不对,所以参考了网上的算法。详见

求任意两圆的交点

设计实现过程

代码组织:

期初设想

  • 类的设计:

    • Line 类

      • 直线用 Ax+By+C=0 表示 ,其中A,B,C为x1,y1,x2,y2的 函数
      • 属性为 A,B,C
      • 成员函数为 getA(), getB(), getC()
    • Circle类
      • 圆用\(\(x-X)^{2}+(y-Y)^{2}=R^2\)表示
      • 属性为 X, Y, R
      • 成员函数为 getX(), getY(),getR()
  • 用 vector 存放 所有的直线

  • 交点为Pair类型,用set存放所有的交点

  • 三个函数,分别计算两直线之间,直线与圆之间,两圆之间的交点情况。

    按照上述思路实现后,我发现Line 和 Circle类有点多余。教材中也说,只是封装数据的话,不用class用struct。所以我打算将直线和圆的参数用结构体来存。将原先计算交点情况的三个函数封装成一个Calculator类。又考虑到计算中的精度损失问题,构造了point 类,重写了operator <具体情况如下:

    后来改进:

  • Calculator 类

    重载了三个成员函数

    class Calculator
    {
    public:
    Calculator();
    int haveIntersection(Line l1, Line l2, set<Point>& nodeSet);
    int haveIntersection(Circle c, Line l, set<Point>& nodeSet);
    int haveIntersection(Circle c1, Circle c2, set<Point>& nodeSet);
    };
  • Point类

    自定义了运算符

    bool Point::operator < (const Point& p)const {
    //return x==p.x?y<p.y:x<p.x;
    return dcmp(x - p.x) == 0 ? dcmp(y - p.y) < 0 : dcmp(x - p.x) < 0; } bool Point::operator ==(const Point& p)const {
    if (dcmp(x-p.x)==0&&dcmp(y-p.y)==0)
    return true;
    return false;
    }
  • Line 和Circle的架构体

  • main中的函数 countALLinsect()

    分别计算 直线之间,直线与圆之间,圆与圆之间的交点情况

单元测试设计

  • 测试Calculator类,具体包括以下几个方面:

    • 直线直线的交点情况

      • 平行
      • 三线交于一点
      • 直线平行于x轴
      • 直线 平行于y轴
      • 一般情况
    • 直线与圆的交点情况
      • 直线的特殊情况
      • 线圆关系
        • 相切
        • 相离
        • 相交
    • 圆与圆的交点关系
      • 相离
      • 相交
      • 外切
      • 内切
      • 内含(同心)
    • 复杂情况(两圆与一直线)
      • 有一交点重叠
      • 有两个交点重叠
      • 一般情况
  • 测试point类

    检测 重写的operator < 是否正确
  • 整体测试
    • 大量数据测试 ,检测时间是否符合题意
    • 检测 set 是否去重

测试均通过,且交点为8000000左右时,用时7s,也没有超时。

性能改进相关

图中可以看出,采用set容器后,构建红黑树占用了绝大部分CPU时间。在建树过程中,用到了我在Point类里面 重写的operator <,故其占用时间也较多。除去set的相关操作外,接下来去看了下 Calculator中的函数。

其中 CPU绝大部分的占用时间依然是 set的insert操作。所以在没能想到更优的算法下,性能改进工作可做的很少。我将一些常用的计算式先算出来,避免之后的重复计算。例如下图:

消除 Code Quality Analysis 中的所有警告

采用的是“Microsoft建议”的风格。

关键代码说明

  • 求解所有的交点情况:直线之前、直线与圆、两圆之间

    int countAllinsect(vector<Line> lVec, vector<Circle> cVec, set<Point> &nodeSet){
    Calculator* calc = new Calculator();
    size_t i, j;
    //计算两条直线间的交点
    for (i = 0; i < lVec.size(); i++) {
    for (j = i + 1; j < lVec.size(); j++) {
    calc->haveIntersection(lVec[i], lVec[j], nodeSet);
    }
    }
    //计算直线与圆之间的交点
    for (i = 0; i < cVec.size(); i++) {
    for (j = 0; j < lVec.size(); j++) {
    calc->haveIntersection(cVec[i], lVec[j], nodeSet);
    }
    }
    //计算两圆之间的交点
    for (i = 0; i < cVec.size(); i++) {
    for (j = i + 1; j < cVec.size(); j++) {
    calc->haveIntersection(cVec[i], cVec[j], nodeSet);
    }
    }
    return nodeSet.size();
    }

    方法很暴力,就是循环遍历。

困惑

本次项目涉及到浮点数运算的精度问题。由于公式中存在开方以及除法运算,导致最终算出来的点只是近似值。因此我重写了 比较函数 ,EPS最终取的是0.0000001。虽然这个EPS是经过我多番测试选出来的值,但我任然无法保证他的实用性。所以在判断点是否重合的时候,可能会存在误差。

下面是关于精确度问题的相关代码:

#define EPS  0.0000001

int dcmp(double x) {
if (fabs(x) < EPS) return 0;
return x < 0 ? -1 : 1;
} bool Point::operator < (const Point& p)const {
//return x==p.x?y<p.y:x<p.x;
return dcmp(x - p.x) == 0 ? dcmp(y - p.y) < 0 : dcmp(x - p.x) < 0; }

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