詳解js實現(xiàn)線段交點的三種算法
本文講的內(nèi)容都很初級, 主要是面向和我一樣的初學者, 所以請各位算法帝們輕拍啊
引用
已知線段1(a,b) 和線段2(c,d) ,其中a b c d為端點, 求線段交點p .(平行或共線視作不相交)
算法一: 求兩條線段所在直線的交點, 再判斷交點是否在兩條線段上.
求直線交點時 我們可通過直線的一般方程 ax+by+c=0 求得(方程中的abc為系數(shù),不是前面提到的端點,另外也可用點斜式方程和斜截式方程,此處暫且不論).
然后根據(jù)交點的與線段端點的位置關系來判斷交點是否在線段上.
公式如下圖:
<code class="hljs avrasm">function segmentsIntr(a, b, c, d){ /** 1 解線性方程組, 求線段交點. **/ // 如果分母為0 則平行或共線, 不相交 var denominator = (b.y - a.y)*(d.x - c.x) - (a.x - b.x)*(c.y - d.y); if (denominator==0) { return false; } // 線段所在直線的交點坐標 (x , y) var x = ( (b.x - a.x) * (d.x - c.x) * (c.y - a.y) + (b.y - a.y) * (d.x - c.x) * a.x - (d.y - c.y) * (b.x - a.x) * c.x ) / denominator ; var y = -( (b.y - a.y) * (d.y - c.y) * (c.x - a.x) + (b.x - a.x) * (d.y - c.y) * a.y - (d.x - c.x) * (b.y - a.y) * c.y ) / denominator; /** 2 判斷交點是否在兩條線段上 **/ if ( // 交點在線段1上 (x - a.x) * (x - b.x) <= 0 && (y - a.y) * (y - b.y) <= 0 // 且交點也在線段2上 && (x - c.x) * (x - d.x) <= 0 && (y - c.y) * (y - d.y) <= 0 ){ // 返回交點p return { x : x, y : y } } //否則不相交 return false } </code>
算法一思路比較清晰易懂, 但是性能并不高. 因為它在不確定交點是否有效(在線段上)之前, 就先去計算了交點, 耗費了較多的時間.
如果最后發(fā)現(xiàn)交點無效, 那么之前的計算就白折騰了. 而且整個計算的過程也很復雜.
那么有沒有一種思路,可以讓我們先判斷是否存在有效交點,然后再去計算它呢?
顯然答案是肯定的. 于是就有了后面的一些算法.
算法二: 判斷每一條線段的兩個端點是否都在另一條線段的兩側(cè), 是則求出兩條線段所在直線的交點, 否則不相交.
第一步判斷兩個點是否在某條線段的兩側(cè), 通??刹捎猛队胺?
求出線段的法線向量, 然后把點投影到法線上, 最后根據(jù)投影的位置來判斷點和線段的關系.
見下圖
點a和點b在線段cd法線上的投影如圖所示, 這時候我們還要做一次線段cd在自己法線上的投影(選擇點c或點d中的一個即可).
主要用來做參考.
圖中點a投影和點b投影在點c投影的兩側(cè), 說明線段ab的端點在線段cd的兩側(cè).
同理, 再判斷一次cd是否在線段ab兩側(cè)即可.
求法線 , 求投影 什么的聽起來很復雜的樣子, 實際上對于我來說也確實挺復雜,在幾個月前我也不會(念書那會兒的幾何知識都忘光了 :'( )'
不過好在學習和實現(xiàn)起來還不算復雜, 皆有公式可循
求線段ab的法線:
var nx=b.y - a.y, ny=a.x - b.x; var normalLine = { x: nx, y: ny };
注意: 其中 normalLine.x
和normalLine.y
的幾何意義表示法線的方向, 而不是坐標.
求點c在法線上的投影位置:
var dist= normalLine.x*c.x + normalLine.y*c.y;
注意: 這里的"投影位置"是一個標量, 表示的是到法線原點的距離, 而不是投影點的坐標.
通常知道這個距離就足夠了.
當我們把圖中 點a投影(distA),點b投影(distB),點c投影(distC) 都求出來之后, 就可以很容易的根據(jù)各自的大小判斷出相對位置.
distA==distB==distC 時, 兩條線段共線
distA==distB!=distC 時, 兩條線段平行
distA 和 distB 在distC 同側(cè)時, 兩條線段不相交.
distA 和 distB 在distC 異側(cè)時, 兩條線段是否相交需要再判斷點c點d與線段ab的關系.
前面的那些步驟, 只是實現(xiàn)了"判斷線段是否相交", 當結(jié)果為true時, 我們還需要進一步求交點.
求交點的過程后面再說, 先看一下該算法的完整實現(xiàn) :
function segmentsIntr(a, b, c, d){ //線段ab的法線N1 var nx1 = (b.y - a.y), ny1 = (a.x - b.x); //線段cd的法線N2 var nx2 = (d.y - c.y), ny2 = (c.x - d.x); //兩條法線做叉乘, 如果結(jié)果為0, 說明線段ab和線段cd平行或共線,不相交 var denominator = nx1*ny2 - ny1*nx2; if (denominator==0) { return false; } //在法線N2上的投影 var distC_N2=nx2 * c.x + ny2 * c.y; var distA_N2=nx2 * a.x + ny2 * a.y-distC_N2; var distB_N2=nx2 * b.x + ny2 * b.y-distC_N2; // 點a投影和點b投影在點c投影同側(cè) (對點在線段上的情況,本例當作不相交處理); if ( distA_N2*distB_N2>=0 ) { return false; } // //判斷點c點d 和線段ab的關系, 原理同上 // //在法線N1上的投影 var distA_N1=nx1 * a.x + ny1 * a.y; var distC_N1=nx1 * c.x + ny1 * c.y-distA_N1; var distD_N1=nx1 * d.x + ny1 * d.y-distA_N1; if ( distC_N1*distD_N1>=0 ) { return false; } //計算交點坐標 var fraction= distA_N2 / denominator; var dx= fraction * ny1, dy= -fraction * nx1; return { x: a.x + dx , y: a.y + dy }; }
最后 求交點坐標的部分 所用的方法看起來有點奇怪, 有種摸不著頭腦的感覺.
其實它和算法一 里面的算法是類似的,只是里面的很多計算項已經(jīng)被提前計算好了.
換句話說, 算法二里求交點坐標的部分 其實也是用的直線的線性方程組來做的.
現(xiàn)在來簡單粗略 很不科學的對比一下算法一和算法二:
1、最好情況下, 兩種算法的復雜度相同
2、最壞情況, 算法一和算法二的計算量差不多
3、但是算法二提供了 更多的”提前結(jié)束條件”,所以平均情況下,應該算法二更優(yōu).
實際測試下來, 實際情況也確實如此.
前面的兩種算法基本上是比較常見的可以應付絕大多數(shù)情況. 但是事實上還有一種更好的算法.
這也是我最近才新學會的(我現(xiàn)學現(xiàn)賣了,大家不要介意啊…)
算法三: 判斷每一條線段的兩個端點是否都在另一條線段的兩側(cè), 是則求出兩條線段所在直線的交點, 否則不相交.
(咦? 怎么感覺和算法二一樣啊? 不要懷疑 確實一樣 … 囧)
所謂算法三, 其實只是對算法二的一個改良, 改良的地方主要就是 :
不通過法線投影來判斷點和線段的位置關系, 而是通過點和線段構(gòu)成的三角形面積來判斷.
先來復習下三角形面積公式: 已知三角形三點a(x,y) b(x,y) c(x,y), 三角形面積為:
<code class="hljs avrasm">var triArea=( (a.x - c.x) * (b.y - c.y) - (a.y - c.y) * (b.x - c.x) ) /2 ; </code>
因為 兩向量叉乘==兩向量構(gòu)成的平行四邊形(以兩向量為鄰邊)的面積 , 所以上面的公式也不難理解.
而且由于向量是有方向的, 所以面積也是有方向的, 通常我們以逆時針為正, 順時針為負數(shù).
改良算法關鍵點就是:
如果”線段ab和點c構(gòu)成的三角形面積”與”線段ab和點d構(gòu)成的三角形面積” 構(gòu)成的三角形面積的正負符號相異,
那么點c和點d位于線段ab兩側(cè).
如下圖所示:
圖中虛線所示的三角形, 纏繞方向(三邊的定義順序)不同, 所以面積的正負符號不同.
下面還是先看代碼:
由于我們只要判斷符號即可, 所以前面的三角形面積公式我們就不需要后面的 除以2 了.
function segmentsIntr(a, b, c, d){ // 三角形abc 面積的2倍 var area_abc = (a.x - c.x) * (b.y - c.y) - (a.y - c.y) * (b.x - c.x); // 三角形abd 面積的2倍 var area_abd = (a.x - d.x) * (b.y - d.y) - (a.y - d.y) * (b.x - d.x); // 面積符號相同則兩點在線段同側(cè),不相交 (對點在線段上的情況,本例當作不相交處理); if ( area_abc*area_abd>=0 ) { return false; } // 三角形cda 面積的2倍 var area_cda = (c.x - a.x) * (d.y - a.y) - (c.y - a.y) * (d.x - a.x); // 三角形cdb 面積的2倍 // 注意: 這里有一個小優(yōu)化.不需要再用公式計算面積,而是通過已知的三個面積加減得出. var area_cdb = area_cda + area_abc - area_abd ; if ( area_cda * area_cdb >= 0 ) { return false; } //計算交點坐標 var t = area_cda / ( area_abd- area_abc ); var dx= t*(b.x - a.x), dy= t*(b.y - a.y); return { x: a.x + dx , y: a.y + dy }; }
最后 計算交點坐標的部分 和算法二同理.
算法三在算法二的基礎上, 大大簡化了計算步驟, 代碼也更精簡. 可以說,是三種算法里, 最好的.實際測試結(jié)果也是如此.
當然必須坦誠的來說, 在Javascript里, 對于普通的計算, 三種算法的時間復雜度其實是差不多的(尤其是V8引擎下).
我的測試用例里也是進行變態(tài)的百萬次級別的線段相交測試 才能拉開三種算法之間的差距.
總結(jié)
不過本著精益求精 以及學習的態(tài)度而言, 追求一個更好的算法, 總是有其積極意義的。以上就是利用js實現(xiàn)線段交點的幾種算法,內(nèi)容不是很深奧,希望對大家學習js有所幫助。
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