茂之钳
171 lines
4.6 KiB
C++
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C++
/**
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* @file r_tree.h
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* @brief R 树 (R-Tree) 动态空间索引
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*
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* 高度平衡的树形结构，每个节点存储其子节点的最小包围矩形（MBR）。
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* 适合需要频繁插入和删除的动态数据集。
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*
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* @ingroup spatial
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*/
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#pragma once
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#include "vde/spatial/spatial_index.h"
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#include "vde/core/aabb.h"
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#include <queue>
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#include <limits>
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namespace vde::spatial {
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using core::Point3D;
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using core::Vector3D;
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using core::Ray3Dd;
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using core::Triangle3D;
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/**
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* @brief R 树节点
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*
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* 内部节点存储子节点索引列表；叶节点存储对象索引列表。
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* 每个节点维护其所有子条目的最小包围盒。
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*
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* @tparam T 被索引的空间对象类型
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*/
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template <typename T>
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struct RTreeNode {
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AABB3D bbox; /**< 节点包围盒（子节点/对象 MBR 的并集） */
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bool is_leaf = true; /**< 是否为叶节点 */
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std::vector<size_t> children; /**< 内部节点：子节点索引列表 */
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std::vector<size_t> item_indices; /**< 叶节点：对象索引列表 */
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size_t parent = static_cast<size_t>(-1); /**< 父节点索引 */
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};
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/**
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* @brief R 树动态空间索引
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*
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* R 树是一种高度平衡的树，所有叶节点位于同一层。
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* 插入时选择包围盒扩展最小的子节点；溢出时分裂节点。
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* 支持增量插入和删除，适合数据集频繁变化的场景。
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*
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* 构建: O(n log n)（逐项插入）
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* 范围查询: O(log n + k)
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* KNN 查询: O(log n + k log k)
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* 插入: O(log n)
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* 删除: O(log n)
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*
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* @tparam T 被索引的空间对象类型
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*
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* @note R 树在动态场景（如编辑中的几何体）中比 BVH 更合适。
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* BVH 查询效率更高但构建后不易修改。
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*
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* @code{.cpp}
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* RTree<Point3D> rtree;
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* rtree.build(points);
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* rtree.insert(new_point); // 增量插入
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* auto nearby = rtree.query_range(search_box);
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* @endcode
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*
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* @see SpatialIndex, BVH, RStarTree
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*/
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template <typename T>
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class RTree : public SpatialIndex<T> {
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public:
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/**
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* @brief 批量构建 R 树
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*
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* 清空已有数据，将所有 items 逐个插入。
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* 构建复杂度 O(n log n)。
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*
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* @param items 待索引的对象数组
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*/
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void build(const std::vector<T>& items) override;
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/**
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* @brief 增量插入对象
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*
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* 从根节点出发选择包围盒扩展最小的子节点递归插入。
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* 节点溢出时分裂。复杂度 O(log n)。
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*
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* @param item 待插入的空间对象
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*/
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void insert(const T& item) override;
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/**
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* @brief 删除对象
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*
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* 定位到所在叶节点后移除。
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* 复杂度 O(log n)。
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*
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* @param item 待删除的空间对象
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* @return 删除成功返回 true
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*/
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bool remove(const T& item) override;
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/**
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* @brief 范围查询
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*
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* 从根节点遍历，仅访问与 range 相交的子节点。
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* 复杂度 O(log n + k)。
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*
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* @param range 查询包围盒
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* @return 与 range 相交的对象列表
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*/
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std::vector<T> query_range(const AABB3D& range) const override;
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/**
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* @brief K 近邻查询
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*
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* 使用优先队列按 MBR 最小距离剪枝。
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*
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* @param point 查询点
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* @param k 返回数量
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* @return 最近的 k 个对象
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*/
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std::vector<T> query_knn(const Point3D& point, size_t k) const override;
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/**
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* @brief 射线查询
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*
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|
* 从根节点递归，遍历被射线穿过的子节点。
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*
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* @param ray 查询射线
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* @return 与射线相交的对象列表
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*/
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std::vector<T> query_ray(const Ray3Dd& ray) const override;
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/**
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* @brief 清空 R 树
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*/
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void clear() override;
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/**
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* @brief 对象数量
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*
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* @return 当前索引的对象总数
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*/
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size_t size() const override { return count_; }
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/**
|
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* @brief R 树节点总数
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|
*
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* @return 内部节点 + 叶节点数量
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*/
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size_t node_count() const { return nodes_.size(); }
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private:
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/**
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* @brief 递归范围查询
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*
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* @param node_idx 当前节点索引
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* @param range 查询包围盒
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* @param result 累积结果
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*/
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void query_range_recursive(size_t node_idx, const AABB3D& range,
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std::vector<T>& result) const;
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std::vector<T> items_; /**< 对象数组 */
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std::vector<AABB3D> item_bounds_; /**< 对象包围盒数组 */
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std::vector<RTreeNode<T>> nodes_; /**< R 树节点数组 */
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size_t root_idx_ = 0; /**< 根节点索引 */
|
|
size_t count_ = 0; /**< 对象计数 */
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|
};
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} // namespace vde::spatial
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