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解析几何:计算两条线段的交点

来源: 责编: 时间:2023-11-08 09:11:00 444观看
导读大家好,我是前端西瓜哥。今天来实现计算两条线段的交点的解析几何算法。我们要实现 getLineSegIntersection 方法:提供两条线段,计算它们的交点。每条线段会用两个点坐标表示。const getLineSegIntersection = (p1, p2,

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大家好,我是前端西瓜哥。pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

今天来实现计算两条线段的交点的解析几何算法。pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

我们要实现 getLineSegIntersection 方法:提供两条线段,计算它们的交点。pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

每条线段会用两个点坐标表示。pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

const getLineSegIntersection = (p1, p2, p3, p4) => {  // 待实现}// 测试用例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

思路很简单,就是解两条直线对应的一个二元一次方程组,求出 x 和 y。pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

如果无解或多解,说明直线平行,交点不存在。pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

如果有解,可拿到唯一交点,但也只能说明直线有交点,还需要判断线段是否有交点。pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

所以我们需要判断交点是否在线段的区间上。如果是,说明两线段有交点,返回交点。pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

克拉姆法则

解方程组需要用到 克拉姆法则。pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

对于:pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

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可转换为矩阵形式表示:pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

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然后计算主矩阵(最左边的矩阵)的行列式,对角相乘然后相减:pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

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如果行列式为 0,说明没有唯一解。pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

如果不为 0,则有唯一解:pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

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回到我们的两条直线,我们用两点式表示直线:pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

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转换成 Ax+By=C 的格式,得到:pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

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于是:pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

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

第二条线段同理:pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

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

算法实现

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;  // 计算分母  const denominator = a * e - b * d;  // 判断分母是否为 0(代表平行)  if (Math.abs(denominator) < 0.000000001) {    // 这里有个特殊的重叠但只有一个交点的情况,可以考虑处理一下    return null;  }  const px = (c * e - f * b) / denominator;  const py = (a * f - c * d) / denominator;  // 判断交点是否在两个线段上  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;};

变体

这个算法可以做一些变体,实现其他的算法。pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

变体1:两线段是否有交点。pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

返回值换成布尔值即可。pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

变体2:计算两直线的交点。pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

把判断直线交点是否在线段上的逻辑去掉,然后直接返回点坐标即可。pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

优化点

重叠但却只有一个交点的情况。pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

如果线段平行,有两种情况:pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

  • 没有重叠(0 个解)
  • 有部分重叠(多解)

如果部分重叠,可能有多个点,多个点的情况下也不知道拿哪个点作为交点好,这种情况下还是返回 null。pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

但有一个特殊的情况:重叠只有一个点(比如线段 a 的末点刚好是线段 b 的起点)。如果你的场景下判断比较严格,你可以选择返回这个点。要实现这部分也是有点点复杂的。pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

误差处理。线段的两个端点的距离非常小,计算出的结果也会非常小,可能会进入了 0 的绝对误差范围了,考虑改成相对误差。pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

溢出风险。数值很大时有溢出风险,可以考虑计算一个缩放值,缩小后计算,计算完再放大回去。pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

结尾

总结一下,求两线段的交点,本质就是解方程,需要用到克莱姆法则,计算出来的交点是直线交点,不一定是线段交点,需要再判断点是否在线段范围内。pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

不复杂,就是有一点点小细节。pF728资讯网——每日最新资讯28at.com

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