C++/STL實(shí)現(xiàn)判斷平面內(nèi)兩條線(xiàn)段的位置關(guān)系代碼示例
概念
平面內(nèi)兩條線(xiàn)段位置關(guān)系的判定在很多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用,比如游戲、CAD、圖形處理等,而兩線(xiàn)段交點(diǎn)的求解又是該算法中重要的一環(huán)。本文將盡可能用通俗的語(yǔ)言詳細(xì)的描述一種主流且性能較高的判定算法。
外積,又稱(chēng)叉積,是向量代數(shù)(解析幾何)中的一個(gè)概念。兩個(gè)二維向量v1(x1,y1)和v2(x2,y2)的外積v1×v2=x1y2-y1x2。如果由v1到v2是順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),外積為負(fù),反之為正,為0表示二者方向相同(平行)。此外,文中涉及行例式和方程組的概念,請(qǐng)參閱線(xiàn)性代數(shù)的相關(guān)內(nèi)容。
為方便計(jì)算,對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)的大小比較作如下定義:x坐標(biāo)較大的點(diǎn)為大,x坐標(biāo)相等但y坐標(biāo)較大的為大,x與y都相等的點(diǎn)相等。一條線(xiàn)段中較小的一端為起點(diǎn),較大的一端為終點(diǎn)。
問(wèn)題
給定兩條線(xiàn)段的端點(diǎn)坐標(biāo),求其位置關(guān)系,并求出交點(diǎn)(如果存在)。
分析
兩條線(xiàn)段的位置關(guān)系大體上可以分為三類(lèi):有重合部分、無(wú)重合部分但有交點(diǎn)(相交)、無(wú)交點(diǎn)。為避免精度問(wèn)題,首先要將所有存在重合的情況排除。
重合可分為:完全重合、一端重合、部分重合三種情況。顯然,兩條線(xiàn)段的起止點(diǎn)都相同即為完全重合;只有起點(diǎn)相同或只有終點(diǎn)相同的為一端重合(注意:坐標(biāo)較小的一條線(xiàn)段的終點(diǎn)與坐標(biāo)較大的一條線(xiàn)段的起點(diǎn)相同時(shí)應(yīng)判定為相交)。要判斷是否部分重合,必須先判斷是否平行。設(shè)線(xiàn)段L1(p1->p2)和L2(p3->p4),其中p1(x1,y1)為第一條線(xiàn)段的起點(diǎn),p2(x2,y2)為第一條線(xiàn)段的終點(diǎn),p3(x3,y3)為第二條線(xiàn)段的起點(diǎn),p4(x4,y4)為第二段線(xiàn)段的終點(diǎn),由此可構(gòu)造兩個(gè)向量:
v1(x2-x1,y2-y1),v2(x4-x3,y4-y3)
若v1與v2的外積v1×v2為0,則兩條線(xiàn)段平行,有可能存在部分重合。再判斷兩條平行線(xiàn)段是否共線(xiàn),方法是用L1的一端和L2的一端構(gòu)成向量vs并與v2作外積,如果vs與v2也平行則兩線(xiàn)段共線(xiàn)(三點(diǎn)共線(xiàn))。在共線(xiàn)的前提下,若起點(diǎn)較小的線(xiàn)段終點(diǎn)大于起點(diǎn)較大的線(xiàn)段起點(diǎn),則判定為部分重合。
沒(méi)有重合,就要判定兩條線(xiàn)是否相交,主要的算法還是依靠外積。然而外積的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)比較大,如果不相交的情況比較多,可先做快速排斥實(shí)驗(yàn):將兩條線(xiàn)段視為兩個(gè)矩形的對(duì)角線(xiàn),并構(gòu)造出這兩個(gè)矩形。如果這兩個(gè)矩形沒(méi)有重疊部分(x坐標(biāo)相離或y坐標(biāo)相離)即可判定為不相交。
然后執(zhí)行跨立試驗(yàn)。兩條相交的線(xiàn)段必然相互跨立,簡(jiǎn)單的講就是p1和p2兩點(diǎn)位于L2的兩側(cè)且p3和p4兩點(diǎn)位于L1的兩側(cè),這樣就可利用外積做出判斷了。分別構(gòu)造向量s1(p3,p1),s2(p3,p2),如果s1×v2與s2×v2異號(hào)(s1->v2與s2->v2轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相反),則說(shuō)明p1和p2位于L2的兩側(cè)。同理可判定p3和p4是否跨立L1。如果上述四個(gè)叉積中任何一個(gè)等于0,則說(shuō)明一條線(xiàn)段的端點(diǎn)在另一條線(xiàn)上。
當(dāng)判定兩條線(xiàn)段相交后,就可以進(jìn)行交點(diǎn)的求解了。當(dāng)然,求交點(diǎn)可以用平面幾何方法,列點(diǎn)斜式方程來(lái)完成。但這樣作會(huì)難以處理斜率為0的特殊情況,且運(yùn)算中會(huì)出現(xiàn)多次除法,很難保證精度。這里將使用向量法求解。
設(shè)交點(diǎn)為(x0,y0),則下列方程組必然成立:
x0-x1=k1(x2-x1)
y0-y1=k1(y2-y1)
x0-x3=k2(x4-x3)
y0-y3=k2(y4-y3)
其中k1和k2為任意不為0的常數(shù)(若為0,則說(shuō)明有重合的端點(diǎn),這種情況在上面已經(jīng)被排除了)。1式與2式聯(lián)系,3式與4式聯(lián)立,消去k1和k2可得:
x0(y2-y1)-x1(y2-y1)=y0(x2-x1)-y1(x2-x1)
x0(y4-y3)-x3(y4-y3)=y0(x4-x3)-y3(x4-x3)
將含有未知數(shù)x0和y0的項(xiàng)移到左邊,常數(shù)項(xiàng)移動(dòng)到右邊,得:
(y2-y1)x0+(x1-x2)y0=(y2-y1)x1+(x1-x2)y1
(y4-y3)x0+(x3-x4)y0=(y4-y3)x3+(x3-x4)y3
設(shè)兩個(gè)常數(shù)項(xiàng)分別為b1和b2:
b1=(y2-y1)x1+(x1-x2)y1
b2=(y4-y3)x3+(x3-x4)y3
系數(shù)行列式為D,用b1和b2替換x0的系數(shù)所得系數(shù)行列式為D1,替換y0的系數(shù)所得系數(shù)行列式為D2,則有:
|D|=(x2-x1)(y4-y3)-(x4-x3)(y2-y1)
|D1|=b2(x2-x1)-b1(x4-x3)
|D2|=b2(y2-y1)-b1(y4-y3)
由此,可求得交點(diǎn)坐標(biāo)為:
x0=|D1|/|D|,y0=|D2|/|D|
解畢。
C++/STL實(shí)現(xiàn)
#include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;
struct POINTF {float x; float y;};
bool Equal(float f1, float f2) {
return (abs(f1 - f2) < 1e-4f);
}
//判斷兩點(diǎn)是否相等
bool operator==(const POINTF &p1, const POINTF &p2) {
return (Equal(p1.x, p2.x) && Equal(p1.y, p2.y));
}
//比較兩點(diǎn)坐標(biāo)大小,先比較x坐標(biāo),若相同則比較y坐標(biāo)
bool operator>(const POINTF &p1, const POINTF &p2) {
return (p1.x > p2.x || (Equal(p1.x, p2.x) && p1.y > p2.y));
}
//計(jì)算兩向量外積
float operator^(const POINTF &p1, const POINTF &p2) {
return (p1.x * p2.y - p1.y * p2.x);
}
//判定兩線(xiàn)段位置關(guān)系,并求出交點(diǎn)(如果存在)。返回值列舉如下:
//[有重合] 完全重合(6),1個(gè)端點(diǎn)重合且共線(xiàn)(5),部分重合(4)
//[無(wú)重合] 兩端點(diǎn)相交(3),交于線(xiàn)上(2),正交(1),無(wú)交(0),參數(shù)錯(cuò)誤(-1)
int Intersection(POINTF p1, POINTF p2, POINTF p3, POINTF p4, POINTF &Int) {
//保證參數(shù)p1!=p2,p3!=p4
if (p1 == p2 || p3 == p4) {
return -1; //返回-1代表至少有一條線(xiàn)段首尾重合,不能構(gòu)成線(xiàn)段
}
//為方便運(yùn)算,保證各線(xiàn)段的起點(diǎn)在前,終點(diǎn)在后。
if (p1 > p2) {
swap(p1, p2);
}
if (p3 > p4) {
swap(p3, p4);
}
//判定兩線(xiàn)段是否完全重合
if (p1 == p3 && p2 == p4) {
return 6;
}
//求出兩線(xiàn)段構(gòu)成的向量
POINTF v1 = {p2.x - p1.x, p2.y - p1.y}, v2 = {p4.x - p3.x, p4.y - p3.y};
//求兩向量外積,平行時(shí)外積為0
float Corss = v1 ^ v2;
//如果起點(diǎn)重合
if (p1 == p3) {
Int = p1;
//起點(diǎn)重合且共線(xiàn)(平行)返回5;不平行則交于端點(diǎn),返回3
return (Equal(Corss, 0) ? 5 : 3);
}
//如果終點(diǎn)重合
if (p2 == p4) {
Int = p2;
//終點(diǎn)重合且共線(xiàn)(平行)返回5;不平行則交于端點(diǎn),返回3
return (Equal(Corss, 0) ? 5 : 3);
}
//如果兩線(xiàn)端首尾相連
if (p1 == p4) {
Int = p1;
return 3;
}
if (p2 == p3) {
Int = p2;
return 3;
}//經(jīng)過(guò)以上判斷,首尾點(diǎn)相重的情況都被排除了
//將線(xiàn)段按起點(diǎn)坐標(biāo)排序。若線(xiàn)段1的起點(diǎn)較大,則將兩線(xiàn)段交換
if (p1 > p3) {
swap(p1, p3);
swap(p2, p4);
//更新原先計(jì)算的向量及其外積
swap(v1, v2);
Corss = v1 ^ v2;
}
//處理兩線(xiàn)段平行的情況
if (Equal(Corss, 0)) {
//做向量v1(p1, p2)和vs(p1,p3)的外積,判定是否共線(xiàn)
POINTF vs = {p3.x - p1.x, p3.y - p1.y};
//外積為0則兩平行線(xiàn)段共線(xiàn),下面判定是否有重合部分
if (Equal(v1 ^ vs, 0)) {
//前一條線(xiàn)的終點(diǎn)大于后一條線(xiàn)的起點(diǎn),則判定存在重合
if (p2 > p3) {
Int = p3;
return 4; //返回值4代表線(xiàn)段部分重合
}
}//若三點(diǎn)不共線(xiàn),則這兩條平行線(xiàn)段必不共線(xiàn)。
//不共線(xiàn)或共線(xiàn)但無(wú)重合的平行線(xiàn)均無(wú)交點(diǎn)
return 0;
} //以下為不平行的情況,先進(jìn)行快速排斥試驗(yàn)
//x坐標(biāo)已有序,可直接比較。y坐標(biāo)要先求兩線(xiàn)段的最大和最小值
float ymax1 = p1.y, ymin1 = p2.y, ymax2 = p3.y, ymin2 = p4.y;
if (ymax1 < ymin1) {
swap(ymax1, ymin1);
}
if (ymax2 < ymin2) {
swap(ymax2, ymin2);
}
//如果以?xún)删€(xiàn)段為對(duì)角線(xiàn)的矩形不相交,則無(wú)交點(diǎn)
if (p1.x > p4.x || p2.x < p3.x || ymax1 < ymin2 || ymin1 > ymax2) {
return 0;
}//下面進(jìn)行跨立試驗(yàn)
POINTF vs1 = {p1.x - p3.x, p1.y - p3.y}, vs2 = {p2.x - p3.x, p2.y - p3.y};
POINTF vt1 = {p3.x - p1.x, p3.y - p1.y}, vt2 = {p4.x - p1.x, p4.y - p1.y};
float s1v2, s2v2, t1v1, t2v1;
//根據(jù)外積結(jié)果判定否交于線(xiàn)上
if (Equal(s1v2 = vs1 ^ v2, 0) && p4 > p1 && p1 > p3) {
Int = p1;
return 2;
}
if (Equal(s2v2 = vs2 ^ v2, 0) && p4 > p2 && p2 > p3) {
Int = p2;
return 2;
}
if (Equal(t1v1 = vt1 ^ v1, 0) && p2 > p3 && p3 > p1) {
Int = p3;
return 2;
}
if (Equal(t2v1 = vt2 ^ v1, 0) && p2 > p4 && p4 > p1) {
Int = p4;
return 2;
} //未交于線(xiàn)上,則判定是否相交
if(s1v2 * s2v2 > 0 || t1v1 * t2v1 > 0) {
return 0;
} //以下為相交的情況,算法詳見(jiàn)文檔
//計(jì)算二階行列式的兩個(gè)常數(shù)項(xiàng)
float ConA = p1.x * v1.y - p1.y * v1.x;
float ConB = p3.x * v2.y - p3.y * v2.x;
//計(jì)算行列式D1和D2的值,除以系數(shù)行列式的值,得到交點(diǎn)坐標(biāo)
Int.x = (ConB * v1.x - ConA * v2.x) / Corss;
Int.y = (ConB * v1.y - ConA * v2.y) / Corss;
//正交返回1
return 1;
}
//主函數(shù)
int main(void) {
//隨機(jī)生成100個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)
for (int i = 0; i < 100; ++i) {
POINTF p1, p2, p3, p4, Int;
p1.x = (float)(rand() % 10); p1.y = (float)(rand() % 10);
p2.x = (float)(rand() % 10); p2.y = (float)(rand() % 10);
p3.x = (float)(rand() % 10); p3.y = (float)(rand() % 10);
p4.x = (float)(rand() % 10); p4.y = (float)(rand() % 10);
int nr = Intersection(p1, p2, p3, p4, Int);
cout << "[(";
cout << (int)p1.x << ',' << (int)p1.y << "),(";
cout << (int)p2.x << ',' << (int)p2.y << ")]--[(";
cout << (int)p3.x << ',' << (int)p3.y << "),(";
cout << (int)p4.x << ',' << (int)p4.y << ")]: ";
cout << nr;
if (nr > 0) {
cout << '(' << Int.x << ',' << Int.y << ')';
}
cout << endl;
}
return 0;
}
關(guān)于stl,貌似用的不多了,不是過(guò)時(shí)了,而是有控制的使用,每個(gè)項(xiàng)目都有自己的使用場(chǎng)景,根據(jù)自己的需要選擇合適的技術(shù)。
總結(jié)
以上就是本文關(guān)于C++/STL實(shí)現(xiàn)判斷平面內(nèi)兩條線(xiàn)段的位置關(guān)系代碼示例的全部?jī)?nèi)容,希望對(duì)大家有所幫助。感興趣的朋友可以繼續(xù)參閱本站:
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