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解析幾何:計算兩條線段的交點

來源: 責編: 時間:2023-11-08 09:11:00 301觀看
導讀大家好,我是前端西瓜哥。今天來實現計算兩條線段的交點的解析幾何算法。我們要實現 getLineSegIntersection 方法:提供兩條線段,計算它們的交點。每條線段會用兩個點坐標表示。const getLineSegIntersection = (p1, p2,

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大家好,我是前端西瓜哥。ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

今天來實現計算兩條線段的交點的解析幾何算法。ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

我們要實現 getLineSegIntersection 方法:提供兩條線段,計算它們的交點。ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

每條線段會用兩個點坐標表示。ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

const getLineSegIntersection = (p1, p2, p3, p4) => {  // 待實現}// 測試用例getLineSegIntersection(  { x: 1, y: 1 }, { x: 4, y: 4 },  { x: 1, y: 4 }, { x: 4, y: 1 });// 期望 { x: 2.5, y: 2.5 }

思路

思路很簡單,就是解兩條直線對應的一個二元一次方程組,求出 x 和 y。ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

如果無解或多解,說明直線平行,交點不存在。ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

如果有解,可拿到唯一交點,但也只能說明直線有交點,還需要判斷線段是否有交點。ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

所以我們需要判斷交點是否在線段的區間上。如果是,說明兩線段有交點,返回交點。ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

克拉姆法則

解方程組需要用到 克拉姆法則。ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

對于:ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

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可轉換為矩陣形式表示:ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

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然后計算主矩陣(最左邊的矩陣)的行列式,對角相乘然后相減:ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

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如果行列式為 0,說明沒有唯一解。ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

如果不為 0,則有唯一解:ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

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回到我們的兩條直線,我們用兩點式表示直線:ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

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轉換成 Ax+By=C 的格式,得到:ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

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于是:ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

const a = y2 - y1;const b = x1 - x2;const c = x1 * y2 - x2 * y1;

第二條線段同理:ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

const d = y4 - y3;const e = x3 - x4;const f = x3 * y4 - x4 * y3;

算法實現

interface Point {  x: number;  y: number;}const getLineSegIntersection = (  p1: Point,  p2: Point,  p3: Point,  p4: Point): Point | null => {  const { x: x1, y: y1 } = p1;  const { x: x2, y: y2 } = p2;  const { x: x3, y: y3 } = p3;  const { x: x4, y: y4 } = p4;  const a = y2 - y1;  const b = x1 - x2;  const c = x1 * y2 - x2 * y1;  const d = y4 - y3;  const e = x3 - x4;  const f = x3 * y4 - x4 * y3;  // 計算分母  const denominator = a * e - b * d;  // 判斷分母是否為 0(代表平行)  if (Math.abs(denominator) < 0.000000001) {    // 這里有個特殊的重疊但只有一個交點的情況,可以考慮處理一下    return null;  }  const px = (c * e - f * b) / denominator;  const py = (a * f - c * d) / denominator;  // 判斷交點是否在兩個線段上  if (    px >= Math.min(x1, x2) &&    px <= Math.max(x1, x2) &&    py >= Math.min(y1, y2) &&    py <= Math.max(y1, y2) &&    px >= Math.min(x3, x4) &&    px <= Math.max(x3, x4) &&    py >= Math.min(y3, y4) &&    py <= Math.max(y3, y4)  ) {    return { x: px, y: py };  }  return null;};

變體

這個算法可以做一些變體,實現其他的算法。ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

變體1:兩線段是否有交點。ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

返回值換成布爾值即可。ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

變體2:計算兩直線的交點。ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

把判斷直線交點是否在線段上的邏輯去掉,然后直接返回點坐標即可。ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

優化點

重疊但卻只有一個交點的情況。ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

如果線段平行,有兩種情況:ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

  • 沒有重疊(0 個解)
  • 有部分重疊(多解)

如果部分重疊,可能有多個點,多個點的情況下也不知道拿哪個點作為交點好,這種情況下還是返回 null。ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

但有一個特殊的情況:重疊只有一個點(比如線段 a 的末點剛好是線段 b 的起點)。如果你的場景下判斷比較嚴格,你可以選擇返回這個點。要實現這部分也是有點點復雜的。ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

誤差處理。線段的兩個端點的距離非常小,計算出的結果也會非常小,可能會進入了 0 的絕對誤差范圍了,考慮改成相對誤差。ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

溢出風險。數值很大時有溢出風險,可以考慮計算一個縮放值,縮小后計算,計算完再放大回去。ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

結尾

總結一下,求兩線段的交點,本質就是解方程,需要用到克萊姆法則,計算出來的交點是直線交點,不一定是線段交點,需要再判斷點是否在線段范圍內。ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

不復雜,就是有一點點小細節。ev028資訊網——每日最新資訊28at.com

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