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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