计算几何
作者:追风剑情 发布于:2018-1-7 14:16 分类:Algorithms
示例代码
using System; using System.Collections.Generic; namespace Geometry { /// <summary> /// 计算几何类 /// 封装了计算几何的基本算法: /// 点与矩形的关系、点与圆的关系、点与直线的关系、直线与直线的关系、点与多边形的关系 /// </summary> public class ComputationGeometry { public static double Epsilon = 0.00000001;//1E-8精度 // 判断一个点是否在矩形内 public static bool IsPointInRect(Point p, Rect rc) { double xr = (p.x - rc.p1.x) * (p.x - rc.p2.x); double yr = (p.y - rc.p1.y) * (p.y - rc.p2.y); return (xr <= 0.0) && (yr <= 0.0); } // 判断两个矩形是否相交 public static bool IsRectIntersect(Rect rc1, Rect rc2) { return (Math.Max(rc1.p1.x, rc1.p2.x) >= Math.Min(rc2.p1.x, rc2.p2.x)) && (Math.Max(rc2.p1.x, rc2.p2.x) >= Math.Min(rc1.p1.x, rc1.p2.x)) && (Math.Max(rc1.p1.y, rc1.p2.y) >= Math.Min(rc2.p1.y, rc2.p2.y)) && (Math.Max(rc2.p1.y, rc2.p2.y) >= Math.Min(rc1.p1.y, rc1.p2.y)); } // 判断一个点是否在圆内 public static bool IsPointInCircle(Point p, Point o, double r) { double d = PointDistance(p, o); return d <= r; } // 判断一个点是否在线段上 public static bool IsPointOnLineSegment(Point p, LineSegment ls) { Rect rc = GetLineSegmentRect(ls); //如果线段所表示的矢量和点的矢量的叉积是0,就说明点在线段所在的直线上 double cp = CrossProduct(ls.pe.x - ls.ps.x, ls.pe.y - ls.ps.y, p.x - ls.ps.x, p.y - ls.ps.y); return IsPointInRect(p, rc) //排除实验 && IsZeroFloatValue(cp);//1E-8精度 } // 判断两条线段的包围盒是否排斥 true:不相交 private static bool IsLineSegmentExclusive(LineSegment ls1, LineSegment ls2) { Rect rc1 = GetLineSegmentRect(ls1); Rect rc2 = GetLineSegmentRect(ls2); return !IsRectIntersect(rc1, rc2); } // 判断两条线段是否相交 public static bool IsLineSegmentIntersect(LineSegment ls1, LineSegment ls2) { //排斥实验 if (IsLineSegmentExclusive(ls1, ls2)) { return false; } //(P1 - Q1)×(Q2 - Q1) double p1xq = CrossProduct(ls1.ps.x - ls2.ps.x, ls1.ps.y - ls2.ps.y, ls2.pe.x - ls2.ps.x, ls2.pe.y - ls2.ps.y); //(P2 - Q1)×(Q2 - Q1) double p2xq = CrossProduct(ls1.pe.x - ls2.ps.x, ls1.pe.y - ls2.ps.y, ls2.pe.x - ls2.ps.x, ls2.pe.y - ls2.ps.y); //(Q1 - P1)×(P2 - P1) double q1xp = CrossProduct(ls2.ps.x - ls1.ps.x, ls2.ps.y - ls1.ps.y, ls1.pe.x - ls1.ps.x, ls1.pe.y - ls1.ps.y); //(Q2 - P1)×(P2 - P1) double q2xp = CrossProduct(ls2.pe.x - ls1.ps.x, ls2.pe.y - ls1.ps.y, ls1.pe.x - ls1.ps.x, ls1.pe.y - ls1.ps.y); //跨立实验 return (p1xq * p2xq <= 0.0) && (q1xp * q2xp <= 0.0); } // 获取线段的矩形包围盒 public static Rect GetLineSegmentRect(LineSegment ls) { Rect rc = new Rect(); rc.p1 = ls.ps; rc.p2 = ls.pe; return rc; } /// <summary> /// 判断点是否在多边形内 /// </summary> /// <param name="polygon">边数组</param> /// <returns></returns> public static bool IsPointInPolygon(Point p, Polygon polygon) { if (!polygon.IsValid()) throw new ArgumentException("无效多边形"); int count = 0;//记录射线与多边形的交点个数 //创建一条从P点出发向左的最大线段P1P2 LineSegment ll = new LineSegment(); ll.ps = p; ll.pe = new Point(-1000, p.y);//这里的x值应该根据多边形的包围盒计算得到 LineSegment edge; for (int i = 0; i < polygon.edges.Count; i++ ) { edge = polygon.edges[i]; if (IsPointOnLineSegment(p, edge)) { return true; } //如果edge与P1P2平行,则忽略这条边, //如果平行,要么交点为0个,要么有无数个。 if (edge.IsHorizontal()) continue; //当P1P2与多边形的顶点相交时,此时交点会被计算两次 //这种情况的处理原则是: //如果P的y坐标与P1、P2中较小的y坐标相同,则忽略这个交点。 if (IsSameFloatValue(edge.ps.y, p.y) && edge.ps.y > edge.pe.y) { count++; } else if (IsSameFloatValue(edge.pe.y, p.y) && edge.pe.y > edge.ps.y) { count++; } else { if (IsLineSegmentIntersect(edge, ll)) { count++; } } } return (count % 2) == 1;//交点个数为奇数时表示点在多边形内 } // 计算两点间距离 private static double PointDistance(Point p1, Point p2) { return Math.Sqrt((p1.x - p2.x) * (p1.x - p2.x) + (p1.y - p2.y) * (p1.y - p2.y)); } // 计算三角形面积 public static double CalculateTriangleArea(Triangle triangle) { return CalculateTriangleArea(triangle.p0, triangle.p1, triangle.p2); } public static double CalculateTriangleArea(Point p0, Point p1, Point p2) { Vector2 v01 = Vector2.Create(p0, p1); Vector2 v02 = Vector2.Create(p0, p2); double s = CrossProduct(v01.x, v01.y, v02.x, v02.y) / 2; return s; } // 判断一个点是否在三角形内 public static bool IsPointInTriangle(Point p, Triangle triangle) { double s012 = CalculateTriangleArea(triangle); double s01p = CalculateTriangleArea(triangle.p0, triangle.p1, p); double s02p = CalculateTriangleArea(triangle.p0, triangle.p2, p); double s12p = CalculateTriangleArea(triangle.p1, triangle.p2, p); return s01p + s02p + s12p <= s012; } // 是否近似0 private static bool IsZeroFloatValue(double d) { return d > -Epsilon && d < Epsilon; } // 是否相等 private static bool IsSameFloatValue(double d1, double d2) { return Math.Abs(d1 - d2) < Epsilon; } /** * 点积(内积) * (P, Q)表示向量P和Q的夹角。 * * 如果P和Q不共线,则: * P·Q > 0,则P和Q的夹角是钝角(大于90度) * P·Q < 0,则P和Q的夹角是锐角(小于90度) * P·Q = 0,则P和Q的夹角是90度 */ private static double DotProduct(double x1, double y1, double x2, double y2) { return x1 * x2 + y1 * y2; } /** * 叉积(外积) * P×Q = -(Q×P) * * 几何意义: * P×Q为所构成的平行四边行的面积。 * * 方向: * P×Q的方向是垂直于P和Q所在的平面(右手坐标系) * * 性质: * 判断两矢量相互之间的位置关系 * P×Q > 0,则Q在P的逆时针方向 * P×Q < 0,则Q在P的顺时针方向 * P×Q = 0,则Q与P共线 */ private static double CrossProduct(double x1, double y1, double x2, double y2) { return x1 * y2 - x2 * y1; } } public class Point { public double x; public double y; public Point(double x, double y) { this.x = x; this.y = y; } } public class Vector2 { public double x; public double y; public static Vector2 Create(Point p0, Point p1) { Vector2 v = new Vector2(); v.x = p1.x - p0.x; v.y = p1.y - p0.y; return v; } } public class Rect { public Point p1; public Point p2; } public class Triangle { public Point p0; public Point p1; public Point p2; } public class LineSegment { public Point ps; public Point pe; //是否为水平线段 public bool IsHorizontal() { return Math.Abs(pe.y - ps.y) < 0.00000001; } } public class Polygon { public List<LineSegment> edges; // 判断是否为合法的多边形 public bool IsValid() { return true; } } }
标签: Algorithms
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