Podział wielokątów na trójkąty

Kolega rr- rzucił dzisiaj na kanale #warsztat ciekawy problem rysowania dowolnych wielokątów za pomocą samych trójkątów. Jak wiadomo, karty graficzne posługują się właśnie trójkątami, zatem w celu wyświetlenia wielokąta należy go odpowiednio podzielić. Matematycy dowodzą, że jest to zawsze możliwe, i podają prosty sposób dla wielokątów wypukłych: należy po prostu narysować wszystkie przekątne wychodzące z jednego wierzchołka. Nie jest trudno przełożyć ten przepis na kod.

Co jednak z dowolnymi wielokątami? Tu sprawa wydaje się bardziej skomplikowana, chociaż – jak się ukazuje – rysowanie przekątnych można na ten przypadek uogólnić. Wpadłem jednak na inny pomysł, polegający na odpowiednim “chodzeniu” po wierzchołkach naszego wielokąta i “odcinaniu” od niego kolejnych trójkątów brzegowych. Wygląda to mniej więcej tak:

1. Startujemy od dowolnego wierzchołka wielokąta.
2. Mając i-ty wierzchołek sprawdzamy, czy da się go połączyć z (i+2)-im (modulo liczba wierzchołków) tak, aby powstały przy tym odcinek mieścił się w wielokącie:
   • jeśli tak, to z wierzchołków: i-tego, (i+1)-ego i (i+2)-ego tworzymy nowy trójkąt, wierzchołek (i+1)-szy usuwamy z wielokąta i przechodzimy do (i+2)-ego
   • jeśli nie da się tak połączyć wierzchołków, przechodzimy do wierzchołka (i+1)-ego i próbujemy dalej
3. Po wykonaniu pełnego cyklu kontynuujemy przechodzenie po wielokącie, usuwanie wierzchołków i tworzenie trójkątów – aż do momentu, gdy sam nasz wielokąt stanie się trójkątem. Będzie to oczywiście ostatni składający się na niego trójkąt.

Na tym rysunku można prześledzić, jak wyglądają kolejne cykle spaceru po krawędziach wielokąta – oznaczyłem je różnymi kolorami:

Z tym sposobem wiąże się oczywiście problem stwierdzenia, czy dany odcinek należy do wielokąta – co w ogólności nie musi być takie proste ani efektywne (może mieć złożoność liniową). Dodatkowo wielokąt może być “wredny” i niezbyt dobrze poddawać się operacji obcinania trójkątów. Na szczęście można udowodnić, że w każdym cyklu da się przynajmniej jeden taki trójkąt wyodrębnić. Te dwa fakty powodują, że cała operacja może mieć złożoność sięgającą nawet O(n³), chociaż pewnie da się ją zaimplementować lepiej.
Jest naturalnie bardzo możliwe, że algorytm ten jest znany od dawna, a ja po prostu nie przeczesałem Internetu dość dokładnie w poszukiwaniu już istniejącego opisu. Jednak biorąc pod uwagę to, co przed chwilą powiedziałem o jego możliwej “efektywności”, nie jest to znów takie pewne ;-) Istnieje aczkolwiek szansa, że może się on przydać komuś, kto implementuje bibliotekę graficzną 2D w oparciu o API w rodzaju DirectX czy OpenGL.