Реализация KDTree на Java


Я ищу реализацию KDTree в Java.
Я сделал поиск в google, и результаты кажутся довольно случайными. На самом деле есть много результатов, но они в основном просто небольшие одноразовые реализации, и я бы предпочел найти что-то с немного большей "производственной ценностью". Что-то вроде коллекций apache или отличной библиотеки коллекций C5 для .NET. Something, где я могу увидеть общедоступный трекер ошибок и проверить, когда произошла последняя фиксация SVN. Кроме того, в идеале мир, я бы нашел хороший хорошо разработанный API для пространственных структур данных, и KDTree будет всего лишь одним классом в этой библиотеке.

для этого проекта я буду работать только в двух или трех измерениях, и меня в основном интересует хорошая реализация ближайших соседей.

9   51  

9 ответов:

в книге алгоритмы в двух словах существует реализация дерева kd в java вместе с несколькими вариантами. Весь код находится на oreilly.com и сама книга также проведет вас через алгоритм, чтобы вы могли построить его самостоятельно.

для будущих искателей. Библиотека Java-ml имеет реализацию KD-дерева, которая отлично работает. http://java-ml.sourceforge.net/

У меня был успех с реализацией профессора Леви найдено здесь. Я понимаю, что вы ищете более сертифицированную реализацию, поэтому это, вероятно, не очень хорошо подходит.

однако обратите внимание на всех прохожих, я использую его в течение некоторого времени в моем фотомозаическом проекте без проблем. Нет гарантии, но лучше, чем ничего:)

Я создал реализацию KD-дерева как часть автономной библиотеки обратного геокодирования

https://github.com/AReallyGoodName/OfflineReverseGeocode

может быть Поиск Ближайших Соседей и KD-деревьев из репозитория алгоритма Stony-Brook может помочь.

вы правы, есть не так много сайтов с реализацией kd для java! в любом случае, дерево kd-это в основном двоичное дерево поиска, в котором медианное значение обычно вычисляется каждый раз для этого измерения. Вот простой KDNode и с точки зрения метода ближайшего соседа или полной реализации взгляните на это github. Это было лучшее, что я смог найти для вас. Надеюсь, это поможет вам.

private class KDNode {
    KDNode left;
    KDNode right;
    E val;
    int depth;
    private KDNode(E e, int depth){
    this.left = null;
    this.right = null;
    this.val = e;
    this.depth = depth;
}

есть еще JTS Topology Suite

реализация KdTree обеспечивает только поиск диапазона (без ближайших соседей).

Если ближайший сосед-это ваша вещь, посмотрите на STRtree

Это полная реализация для KD-дерева, я использовал некоторые библиотеки для хранения точки и прямоугольника. Эти библиотеки находятся в свободном доступе. Можно сделать с этими классами мои собственные классы для хранения точки и прямоугольника. Пожалуйста, поделитесь своими отзывами.

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import edu.princeton.cs.algs4.In;
import edu.princeton.cs.algs4.Point2D;
import edu.princeton.cs.algs4.RectHV;
import edu.princeton.cs.algs4.StdDraw;
public class KdTree {
    private static class Node {
        public Point2D point; // the point
        public RectHV rect; // the axis-aligned rectangle corresponding to this
        public Node lb; // the left/bottom subtree
        public Node rt; // the right/top subtree
        public int size;
        public double x = 0;
        public double y = 0;
        public Node(Point2D p, RectHV rect, Node lb, Node rt) {
            super();
            this.point = p;
            this.rect = rect;
            this.lb = lb;
            this.rt = rt;
            x = p.x();
            y = p.y();
        }

    }
    private Node root = null;;

    public KdTree() {
    }

    public boolean isEmpty() {
        return root == null;
    }

    public int size() {
        return rechnenSize(root);
    }

    private int rechnenSize(Node node) {
        if (node == null) {
            return 0;
        } else {
            return node.size;
        }
    }

    public void insert(Point2D p) {
        if (p == null) {
            throw new NullPointerException();
        }
        if (isEmpty()) {
            root = insertInternal(p, root, 0);
            root.rect = new RectHV(0, 0, 1, 1);
        } else {
            root = insertInternal(p, root, 1);
        }
    }

    // at odd level we will compare x coordinate, and at even level we will
    // compare y coordinate
    private Node insertInternal(Point2D pointToInsert, Node node, int level) {
        if (node == null) {
            Node newNode = new Node(pointToInsert, null, null, null);
            newNode.size = 1;
            return newNode;
        }
        if (level % 2 == 0) {//Horizontal partition line
            if (pointToInsert.y() < node.y) {//Traverse in bottom area of partition
                node.lb = insertInternal(pointToInsert, node.lb, level + 1);
                if(node.lb.rect == null){
                    node.lb.rect = new RectHV(node.rect.xmin(), node.rect.ymin(),
                            node.rect.xmax(), node.y);
                }
            } else {//Traverse in top area of partition
                if (!node.point.equals(pointToInsert)) {
                    node.rt = insertInternal(pointToInsert, node.rt, level + 1);
                    if(node.rt.rect == null){
                        node.rt.rect = new RectHV(node.rect.xmin(), node.y,
                                node.rect.xmax(), node.rect.ymax());
                    }
                }
            }

        } else if (level % 2 != 0) {//Vertical partition line
            if (pointToInsert.x() < node.x) {//Traverse in left area of partition
                node.lb = insertInternal(pointToInsert, node.lb, level + 1);
                if(node.lb.rect == null){
                    node.lb.rect = new RectHV(node.rect.xmin(), node.rect.ymin(),
                            node.x, node.rect.ymax());
                }
            } else {//Traverse in right area of partition
                if (!node.point.equals(pointToInsert)) {
                    node.rt = insertInternal(pointToInsert, node.rt, level + 1);
                    if(node.rt.rect == null){
                        node.rt.rect = new RectHV(node.x, node.rect.ymin(),
                                node.rect.xmax(), node.rect.ymax());
                    }
                }
            }
        }
        node.size = 1 + rechnenSize(node.lb) + rechnenSize(node.rt);
        return node;
    }

    public boolean contains(Point2D p) {
        return containsInternal(p, root, 1);
    }

    private boolean containsInternal(Point2D pointToSearch, Node node, int level) {
        if (node == null) {
            return false;
        }
        if (level % 2 == 0) {//Horizontal partition line
            if (pointToSearch.y() < node.y) {
                return containsInternal(pointToSearch, node.lb, level + 1);
            } else {
                if (node.point.equals(pointToSearch)) {
                    return true;
                }
                return containsInternal(pointToSearch, node.rt, level + 1);
            }
        } else {//Vertical partition line
            if (pointToSearch.x() < node.x) {
                return containsInternal(pointToSearch, node.lb, level + 1);
            } else {
                if (node.point.equals(pointToSearch)) {
                    return true;
                }
                return containsInternal(pointToSearch, node.rt, level + 1);
            }
        }

    }

    public void draw() {
        StdDraw.clear();
        drawInternal(root, 1);
    }

    private void drawInternal(Node node, int level) {
        if (node == null) {
            return;
        }
        StdDraw.setPenColor(StdDraw.BLACK);
        StdDraw.setPenRadius(0.02);
        node.point.draw();
        double sx = node.rect.xmin();
        double ex = node.rect.xmax();
        double sy = node.rect.ymin();
        double ey = node.rect.ymax();
        StdDraw.setPenRadius(0.01);
        if (level % 2 == 0) {
            StdDraw.setPenColor(StdDraw.BLUE);
            sy = ey = node.y;
        } else {
            StdDraw.setPenColor(StdDraw.RED);
            sx = ex = node.x;
        }
        StdDraw.line(sx, sy, ex, ey);
        drawInternal(node.lb, level + 1);
        drawInternal(node.rt, level + 1);
    }

    /**
     * Find the points which lies in the rectangle as parameter
     * @param rect
     * @return
     */
    public Iterable<Point2D> range(RectHV rect) {
        List<Point2D> resultList = new ArrayList<Point2D>();
        rangeInternal(root, rect, resultList);
        return resultList;
    }

    private void rangeInternal(Node node, RectHV rect, List<Point2D> resultList) {
        if (node == null) {
            return;
        }
        if (node.rect.intersects(rect)) {
            if (rect.contains(node.point)) {
                resultList.add(node.point);
            }
            rangeInternal(node.lb, rect, resultList);
            rangeInternal(node.rt, rect, resultList);
        }

    }

    public Point2D nearest(Point2D p) {
        if(root == null){
            return null;
        }
        Champion champion = new Champion(root.point,Double.MAX_VALUE);
        return nearestInternal(p, root, champion, 1).champion;
    }

    private Champion nearestInternal(Point2D targetPoint, Node node,
            Champion champion, int level) {
        if (node == null) {
            return champion;
        }
        double dist = targetPoint.distanceSquaredTo(node.point);
        int newLevel = level + 1;
        if (dist < champion.championDist) {
            champion.champion = node.point;
            champion.championDist = dist;
        }
        boolean goLeftOrBottom = false;
        //We will decide which part to be visited first, based upon in which part point lies.
        //If point is towards left or bottom part, we traverse in that area first, and later on decide
        //if we need to search in other part too.
        if(level % 2 == 0){
            if(targetPoint.y() < node.y){
                goLeftOrBottom = true;
            }
        } else {
            if(targetPoint.x() < node.x){
                goLeftOrBottom = true;
            }
        }
        if(goLeftOrBottom){
            nearestInternal(targetPoint, node.lb, champion, newLevel);
            Point2D orientationPoint = createOrientationPoint(node.x,node.y,targetPoint,level);
            double orientationDist = orientationPoint.distanceSquaredTo(targetPoint);
            //We will search on the other part only, if the point is very near to partitioned line
            //and champion point found so far is far away from the partitioned line.
            if(orientationDist < champion.championDist){
                nearestInternal(targetPoint, node.rt, champion, newLevel);
            }
        } else {
            nearestInternal(targetPoint, node.rt, champion, newLevel);
            Point2D orientationPoint = createOrientationPoint(node.x,node.y,targetPoint,level);
            //We will search on the other part only, if the point is very near to partitioned line
            //and champion point found so far is far away from the partitioned line.
            double orientationDist = orientationPoint.distanceSquaredTo(targetPoint);
            if(orientationDist < champion.championDist){
                nearestInternal(targetPoint, node.lb, champion, newLevel);
            }

        }
        return champion;
    }
    /**
     * Returns the point from a partitioned line, which can be directly used to calculate
     * distance between partitioned line and the target point for which neighbours are to be searched.
     * @param linePointX
     * @param linePointY
     * @param targetPoint
     * @param level
     * @return
     */
    private Point2D createOrientationPoint(double linePointX, double linePointY, Point2D targetPoint, int level){
        if(level % 2 == 0){
            return new Point2D(targetPoint.x(),linePointY);
        } else {
            return new Point2D(linePointX,targetPoint.y());
        }
    }

    private static class Champion{
        public Point2D champion;
        public double championDist;
        public Champion(Point2D c, double d){
            champion = c;
            championDist = d;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        String filename = "/home/raman/Downloads/kdtree/circle100.txt";
        In in = new In(filename);
        KdTree kdTree = new KdTree();
        while (!in.isEmpty()) {
            double x = in.readDouble();
            double y = in.readDouble();
            Point2D p = new Point2D(x, y);
            kdTree.insert(p);
        }
        // kdTree.print();
        System.out.println(kdTree.size());
        kdTree.draw();
        System.out.println(kdTree.nearest(new Point2D(0.4, 0.5)));
        System.out.println(new Point2D(0.7, 0.4).distanceSquaredTo(new Point2D(0.9,0.5)));
        System.out.println(new Point2D(0.7, 0.4).distanceSquaredTo(new Point2D(0.9,0.4)));

    }
}
package kdtree;

class KDNode{
    KDNode left;
    KDNode right;
    int []data;

    public KDNode(){
        left=null;
        right=null;
    }

    public KDNode(int []x){
        left=null;
        right=null;
        data = new int[2];
        for (int k = 0; k < 2; k++)
            data[k]=x[k];
    }
}
class KDTreeImpl{
    KDNode root;
    int cd=0;
    int DIM=2;

    public KDTreeImpl() {
        root=null;
    }

    public boolean isEmpty(){
        return root == null;
    }

    public void insert(int []x){
        root = insert(x,root,cd);
    }
    private KDNode insert(int []x,KDNode t,int cd){
        if (t == null)
            t = new KDNode(x);
        else if (x[cd] < t.data[cd])
            t.left = insert(x, t.left, (cd+1)%DIM);
        else
            t.right = insert(x, t.right, (cd+1)%DIM);
        return t;
    }

    public boolean search(int []data){
        return search(data,root,0);
    }

    private boolean search(int []x,KDNode t,int cd){
        boolean found=false;
        if(t==null){
            return false;
        }
        else {
            if(x[cd]==t.data[cd]){
                if(x[0]==t.data[0] && x[1]==t.data[1]) 
                return true;
            }else if(x[cd]<t.data[cd]){
                found = search(x,t.left,(cd+1)%DIM);
            }else if(x[cd]>t.data[cd]){
                found = search(x,t.right,(cd+1)%DIM);
            }
            return found;
        }
    }

    public void inorder(){
        inorder(root);
    }
    private void inorder(KDNode r){
        if (r != null){
            inorder(r.left);
            System.out.print("("+r.data[0]+","+r.data[1] +") ");
            inorder(r.right);
        }
    }
    public void preorder() {
        preorder(root);
    }
    private void preorder(KDNode r){
        if (r != null){
            System.out.print("("+r.data[0]+","+r.data[1] +") ");
            preorder(r.left);             
            preorder(r.right);
        }
    }
    /* Function for postorder traversal */
    public void postorder() {
        postorder(root);
    }
    private void postorder(KDNode r) {
        if (r != null){
            postorder(r.left);             
            postorder(r.right);
            System.out.print("("+r.data[0]+","+r.data[1] +") ");
        }
    }
}
public class KDTree {

    /**
     * @param args the command line arguments
     */
    public static void main(String[] args) {
        // TODO code application logic here
        KDTreeImpl kdt = new KDTreeImpl();
        int x[] = new int[2];
        x[0] = 30;
        x[1] = 40;
        kdt.insert(x);

        x[0] = 5;
        x[1] = 25;
        kdt.insert(x);

        x[0] = 10;
        x[1] = 12;
        kdt.insert(x);

        x[0] = 70;
        x[1] = 70;
        kdt.insert(x);

        x[0] = 50;
        x[1] = 30;
        kdt.insert(x);
        System.out.println("Input Elements");
        System.out.println("(30,40) (5,25) (10,12) (70,70) (50,30)\n\n");
        System.out.println("Printing KD Tree in Inorder");
        kdt.inorder();
        System.out.println("\nPrinting KD Tree in PreOder");
        kdt.preorder();
        System.out.println("\nPrinting KD Tree in PostOrder");
        kdt.postorder();
        System.out.println("\nsearching...............");
        x[0]=40;x[1]=40;
        System.out.println(kdt.search(x));
    }
}