判断三维空间两线段是否相交(附代码)


  博文: 计算几何——判断两线段是否相交,提供了判断两线段是否相交的方法以及代码。然而,只是考虑了平面的情况。本博文提供一种简单有效的方法判断三维空间两线段是否相交,并提供完整matlab代码。

一、推导过程

  设三维空间的线段 A B AB AB C D CD CD的端点分别为 ( x 1 , y 1 , z 1 ) , ( x 2 , y 2 , z 2 ) (x_1,y_1,z_1), (x_2,y_2,z_2) (x1,y1,z1),(x2,y2,z2) ( x 3 , y 3 , z 3 ) , ( x 4 , y 4 , z 4 ) (x_3,y_3,z_3), (x_4,y_4,z_4) (x3,y3,z3),(x4,y4,z4)
线段 A B AB AB的参数方程为:
{ x = x 1 + ( x 2 − x 1 ) t y = y 1 + ( y 2 − y 1 ) t z = z 1 + ( z 2 − z 1 ) t (1) \begin{cases} x=x_1+(x_2-x_1)t\\ y=y_1+(y_2-y_1)t\\ z=z_1+(z_2-z_1)t\\ \tag 1 \end{cases} x=x1+(x2x1)ty=y1+(y2y1)tz=z1+(z2z1)t(1)
  其中, t ∈ [ 0 , 1 ] t\in[0,1] t[0,1]
线段 C D CD CD的参数方程为:
{ x = x 3 + ( x 4 − x 3 ) t ′ y = y 3 + ( y 4 − y 3 ) t ′ z = z 3 + ( z 4 − z 3 ) t ′ (2) \begin{cases} x=x_3+(x_4-x_3)t'\\ y=y_3+(y_4-y_3)t'\\ z=z_3+(z_4-z_3)t'\\ \tag 2 \end{cases} x=x3+(x4x3)ty=y3+(y4y3)tz=z3+(z4z3)t(2)
  其中, t ′ ∈ [ 0 , 1 ] t'\in[0,1] t[0,1]
  现在,两三维空间线段是否相交的问题转化为:是否存在 t 1 , t 2 ∈ [ 0 , 1 ] t_1,t_2\in[0,1] t1,t2[0,1], 使得下列方程组成立。
{ x 1 + ( x 2 − x 1 ) t 1 = x 3 + ( x 4 − x 3 ) t 2 y 1 + ( y 2 − y 1 ) t 1 = y 3 + ( y 4 − y 3 ) t 2 z 1 + ( z 2 − z 1 ) t 1 = z 3 + ( z 4 − z 3 ) t 2 (3) \begin{cases} x_1+(x_2-x_1)t_1=x_3+(x_4-x_3)t_2\\ y_1+(y_2-y_1)t_1=y_3+(y_4-y_3)t_2\\ z_1+(z_2-z_1)t_1=z_3+(z_4-z_3)t_2\\ \tag 3 \end{cases} x1+(x2x1)t1=x3+(x4x3)t2y1+(y2y1)t1=y3+(y4y3)t2z1+(z2z1)t1=z3+(z4z3)t2(3)
  方程组(3)写成矩阵形式:
a [ t 1 t 2 ] = b (4) a \left[ \begin{matrix} t_1 \\ t_2 \\ \end{matrix} \tag 4 \right] =b a[t1t2]=b(4)
  其中, a = [ x 2 − x 1 x 3 − x 4 y 2 − y 1 y 3 − y 4 z 2 − z 1 z 3 − z 4 ] = [ a 11 a 12 a 21 a 22 a 31 a 32 ] , b = [ x 3 − x 1 y 3 − y 1 z 3 − z 1 ] = [ b 1 b 2 b 3 ] (5) a = \left[ \begin{matrix} x_2-x_1 &x_3-x_4 \\ y_2-y_1 &y_3-y_4 \\ z_2-z_1 &z_3-z_4 \\ \end{matrix} \right] = \left[ \begin{matrix} a_{11} &a_{12} \\ a_{21} &a_{22} \\ a_{31} &a_{32} \\ \end{matrix} \right] , b= \left[ \begin{matrix} x_3-x_1 \\ y_3-y_1 \\ z_3-z_1 \\ \end{matrix} \right] =\left[ \begin{matrix} b_1 \\ b_2 \\ b_3 \\ \end{matrix} \right] \tag 5 a=x2x1y2y1z2z1x3x4y3y4z3z4=a11a21a31a12a22a32,b=x3x1y3y1z3z1=b1b2b3(5)
  1)当 a T a a^Ta aTa可逆(此时两线段存在交点或异面)时,利用最小二乘法求解方程组(4)得:
[ t 1 t 2 ] = ( a T a ) − 1 ( a T b ) (6) \left[ \begin{matrix} t_1 \\ t_2 \\ \end{matrix} \tag 6 \right] =(a^Ta)^{-1}(a^Tb) [t1t2]=(aTa)1(aTb)(6)
  进一步,可以写成:
{ A 11 = a 11 2 + a 21 2 + a 31 2 A 12 = a 11 a 12 + a 21 a 22 + a 31 a 32 A 21 = A 12 A 22 = a 12 2 + a 22 2 + a 32 2 B 1 = a 11 b 1 + a 21 b 2 + a 31 b 3 B 2 = a 12 b 1 + a 22 b 2 + a 32 b 3 t 1 = − ( A 12 B 2 − A 22 B 1 ) / ( A 11 A 22 − A 12 A 21 ) t 2 = ( A 11 B 2 − A 21 B 1 ) / ( A 11 A 22 − A 12 A 21 ) (7) \begin{cases} A_{11} = a_{11}^2 + a_{21}^2 + a_{31}^2\\ A_{12}= a_{11} a_{12} + a_{21} a_{22} + a_{31} a_{32}\\ A_{21} = A_{12}\\ A_{22} = a_{12}^2 + a_{22}^2 + a_{32}^2\\ B_1 = a_{11} b_1 + a_{21} b_2 + a_{31} b_3\\ B_2 = a_{12} b_1 + a_{22} b_2 + a_{32 } b_3\\ t_1=-(A_{12} B_2 - A_{22} B_1) / (A_{11} A_{22} - A_{12} A_{21})\\ t_2=(A_{11} B_2 - A_{21} B_1) / (A_{11} A_{22} - A_{12} A_{21})\\ \tag 7 \end{cases} A11=a112+a212+a312A12=a11a12+a21a22+a31a32A21=A12A22=a122+a222+a322B1=a11b1+a21b2+a31b3B2=a12b1+a22b2+a32b3t1=(A12B2A22B1)/(A11A22A12A21)t2=(A11B2A21B1)/(A11A22A12A21)(7)
  其中, A 11 A 22 − A 12 A 21 ≠ 0 A_{11} A_{22} - A_{12} A_{21}\ne0 A11A22A12A21=0
  解得 t 1 , t 2 t_1,t_2 t1,t2后,判断其值是否在区间 [ 0 , 1 ] [0,1] [0,1]内,若是,则进一步判断下式是否成立:
{ ∣ ( x 1 + ( x 2 − x 1 ) t 1 ) − ( x 3 + ( x 4 − x 3 ) t 2 ) ∣ < e p s ∣ ( y 1 + ( y 2 − y 1 ) t 1 ) − ( y 3 + ( y 4 − y 3 ) t 2 ) ∣ < e p s ∣ ( z 1 + ( z 2 − z 1 ) t 1 ) − ( z 3 + ( z 4 − z 3 ) t 2 ) ∣ < e p s (8) \begin{cases} |(x_1+(x_2-x_1)t_1)-(x_3+(x_4-x_3)t_2)|<eps\\ |(y_1+(y_2-y_1)t_1)-(y_3+(y_4-y_3)t_2)|<eps\\ |(z_1+(z_2-z_1)t_1)-(z_3+(z_4-z_3)t_2)|<eps\\ \tag 8 \end{cases} (x1+(x2x1)t1)(x3+(x4x3)t2)<eps(y1+(y2y1)t1)(y3+(y4y3)t2)<eps(z1+(z2z1)t1)(z3+(z4z3)t2)<eps(8)
  其中,eps为设定的容差。
  若式(8)成立,则线段AB与线段CD相交,否则线段AB与线段CD异面。
  2)当 a T a a^Ta aTa不可逆,也即 A 11 A 22 − A 12 A 21 = 0 A_{11} A_{22} - A_{12} A_{21}=0 A11A22A12A21=0时(此时两线段平行或共线),分别判断点C是否在线段AB上,判断点D是否在线段AB上,判断点A是否在线段CD上,判断点B是否在线段CD上即可。
  那么,如何判断三维空间任意一点是否在三维线段上呢?不失一般性,这里以判断点C是否在线段AB上为例。如下图容易得出:当点C不在线段AB上时,向量CA与向量CB夹角 θ ∈ ( 0 , 180 ° ) \theta \in (0,180°) θ(0,180°);当点C在线段AB延长线上时,向量CA与向量CB夹角 θ = 0 ° \theta =0° θ=0°,当点C在线段AB上时,向量CA与向量CB夹角 θ = 180 ° \theta =180° θ=180°
在这里插入图片描述

二、MATLAB代码

%{
Function: judge_point_on_line_segment
Description: 判断三维空间任意一点是否在三维线段上
Input: 三维线段lineSegment(包含起点与终点坐标), 三维空间任意一点point, 容差tolerance
Output: 状态sta(1表示点在线段上,0表示不在线段上)
Author: Marc Pony(marc_pony@163.com)
%}
function sta = judge_point_on_line_segment(lineSegment, point, tolerance)

x1 = lineSegment.startPoint(1);
y1 = lineSegment.startPoint(2);
z1 = lineSegment.startPoint(3);

x2 = lineSegment.endPoint(1);
y2 = lineSegment.endPoint(2);
z2 = lineSegment.endPoint(3);

v1 = [x1 - point(1); y1 - point(2); z1 - point(3)];
v2 = [x2 - point(1); y2 - point(2); z2 - point(3)];
normV1 = norm(v1, 2);
normV2 = norm(v2, 2);
EPS = 1.0e-8;
sta = 0;
if normV1 < tolerance || normV2 < tolerance
    sta = 1;
else
    cosTheta = dot(v1, v2) / normV1 / normV2;
    if abs(cosTheta + 1.0) < EPS   %两向量夹角为180度
        sta = 1;
    end
end

end
%{
Function: judge_two_line_segment_intersection
Description: 判断两段三维线段是否相交(共线且有交集也认为是相交)
Input: 三维线段lineSegmentAB(包含起点与终点坐标), 三维线段lineSegmentCD(包含起点与终点坐标), 容差tolerance
Output: 状态sta(1表示两段三维线段相交,0表示两段三维线段不相交)
Author: Marc Pony(marc_pony@163.com)
%}
function sta = judge_two_line_segment_intersection(lineSegmentAB, lineSegmentCD, tolerance)
x1 = lineSegmentAB.startPoint(1);
y1 = lineSegmentAB.startPoint(2);
z1 = lineSegmentAB.startPoint(3);
x2 = lineSegmentAB.endPoint(1);
y2 = lineSegmentAB.endPoint(2);
z2 = lineSegmentAB.endPoint(3);

x3 = lineSegmentCD.startPoint(1);
y3 = lineSegmentCD.startPoint(2);
z3 = lineSegmentCD.startPoint(3);
x4 = lineSegmentCD.endPoint(1);
y4 = lineSegmentCD.endPoint(2);
z4 = lineSegmentCD.endPoint(3);

a11 = x2 - x1;
a12 = x3 - x4;
b1 = x3 - x1;

a21 = y2 - y1;
a22 = y3 - y4;
b2 = y3 - y1;

a31 = z2 - z1;
a32 = z3 - z4;
b3 = z3 - z1;

A11 = a11^2 + a21^2 + a31^2;
A12 = a11 * a12 + a21 * a22 + a31 * a32;
A21 = A12;
A22 = a12^2 + a22^2 + a32^2;
B1 = a11 * b1 + a21 * b2 + a31 * b3;
B2 = a12 * b1 + a22 * b2 + a32 * b3;

EPS = 1.0e-10;
sta = 0;
temp = A11 * A22 - A12 * A21;
if abs(temp) < EPS  %平行或共线
    
    %判断点C是否在线段AB上
    sta = judge_point_on_line_segment(lineSegmentAB, lineSegmentCD.startPoint, tolerance);
    if sta == 1
        disp('共线且有交集')
        return;
    end
    
    %判断点D是否在线段AB上
    sta = judge_point_on_line_segment(lineSegmentAB, lineSegmentCD.endPoint, tolerance);
    if sta == 1
        disp('共线且有交集')
        return;
    end
    
    %判断点A是否在线段CD上
    sta = judge_point_on_line_segment(lineSegmentCD, lineSegmentAB.startPoint, tolerance);
    if sta == 1
        disp('共线且有交集')
        return;
    end
    
    %判断点B是否在线段CD上
    sta = judge_point_on_line_segment(lineSegmentCD, lineSegmentAB.endPoint, tolerance);
    if sta == 1
        disp('共线且有交集')
        return;
    end
else    %异面或相交
    t = [-(A12 * B2 - A22 * B1) / temp, (A11 * B2 - A21 * B1) / temp];
    if (t(1) >= 0 - EPS && t(1) <= 1.0 + EPS) && (t(2) >= 0 - EPS && t(2) <= 1.0 + EPS)
        if abs( (x1 + (x2 - x1) * t(1)) - (x3 + (x4 - x3) * t(2)) ) < tolerance ...
                && abs( (y1 + (y2 - y1) * t(1)) - (y3 + (y4 - y3) * t(2)) ) < tolerance ...
                && abs( (z1 + (z2 - z1) * t(1)) - (z3 + (z4 - z3) * t(2)) ) < tolerance
            sta = 1;
        end
    end
end

end
clc
clear
close all

%{
syms a11 a12 a21 a22 a31 a32 b1 b2 b3 real
syms A11 A12 A21 A22 B1 B2 real
A = [a11 a12;a21 a22;a31 a32];
B = [b1;b2;b3];
(A'*A), (A'*B)
t = (A'*A)\(A'*B);
%}

axis([0 10 0 10])
[x, y] = ginput(4);
plot([x(1) x(2)], [y(1) y(2)])
hold on
plot([x(3) x(4)], [y(3) y(4)])
axis([0 10 0 10])


line1.startPoint = [x(1) y(1) 0];
line1.endPoint = [x(2) y(2) 0];
line2.startPoint = [x(3) y(3) 0];
line2.endPoint = [x(4) y(4) 0];

tolerance = 1.0e-6;
sta = judge_two_line_segment_intersection(line1, line2, tolerance);
if sta == 0
    disp('两线段不相交')
else
    disp('两线段相交')
end
<think>首先,用户的问题是:“linux c 如何判断两条线是否相交”。用户指定了使用中文回答问题,所以我必须用中文回复。 关键点是:我需要判断两条线是否相交。在几何学中,两条线是否相交取决于它们的方程。在编程中,特别是C语言,我需要实现一个函数来检查两条线段是否相交,因为线可能是线段而不是无限长的线。 用户说“两条线”,在上下文中,可能指的是线段,因为无限长的线在大多数情况下总是相交(除非平行)。所以,我应该假设是线段。 在Linux C环境下,这意味着我需要写一个C函数。Linux可能只是指环境,但核心是C语言。 步骤来解决这个问题: 1. **理解几何原理**:两条线段是否相交,可以使用向量和叉积来判断。一个常见的方法是使用参数方程或检查点的位置。 - 给定两条线段线段1从点A到点B,线段2从点C到D。 - 计算方向向量:AB = B - A, CD = D - C。 - 使用叉积来检查点C和D相对于AB的位置,以及点A和B相对于CD的位置。 - 具体算法:如果两条线段相交,那么点C和D必须在AB的两侧,并且点A和B必须在CD的两侧。这可以通过叉积的符号来判断。 叉积公式:对于两点P1, P2,向量P1P2的叉积与另一个向量。 更精确的算法是使用以下方法: - 计算四个叉积: - orient1 = (B - A) × (C - A) - orient2 = (B - A) × (D - A) - orient3 = (D - C) × (A - C) - orient4 = (D - C) × (B - C) - 如果(orient1 * orient2 < 0)(orient3 * orient4 < 0),那么线段相交。另外,需要处理共线或端点接触的情况,但根据需求,可能需要指定是否包括端点。 在C语言中,我需要定义一个点结构体,比如: ```c typedef struct { float x; float y; } Point; ``` 然后写一个函数计算叉积:float cross(Point a, Point b, Point c) { return (b.x - a.x)*(c.y - a.y) - (b.y - a.y)*(c.x - a.x); } 叉积函数通常定义为:cross(Point a, Point b, Point c) 返回 (b.x - a.x)*(c.y - a.y) - (b.y - a.y)*(c.x - a.x),这实际上是向量AB和AC的叉积。 然后,在相交函数中: - 计算d1 = cross(A, B, C); - d2 = cross(A, B, D); - d3 = cross(C, D, A); - d4 = cross(C, D, B); - 如果(d1 * d2 < 0 && d3 * d4 < 0)相交。 - 此外,如果任何叉积为0,表示点共线,需要额外检查是否重叠。 为了简单,我可以先实现基本版本,不包括共线情况,除非用户指定。 2. **写C代码**:我需要在回答中提供C代码示例。用户指定了在回答末尾输出相关问题,所以我先写回答部分。 3. **回答格式**:用户要求回答完问题后,在末尾输出“§§相关问题§§”,然后列出3-5个相关问题。第一行必须是“§§相关问题§§”,禁止换行分散。意思是“§§相关问题§§”必须在单独一行,然后直接列出问题。 示例格式是: ``` 回答内容... §§相关问题§§ 1. 问题1 2. 问题2 3. 问题3 ``` 所以,在我的回复中,我需要: - 用中文解释如何判断两条线是否相交。 - 提供C代码示例。 - 然后以“§§相关问题§§”开头,列出3-5个相关问题。 4. **相关问题**:我需要基于用户的问题和我的回答提出相关问题。问题应该是相关的,可能深入探讨概念、优化、其他方法等。 例如: - 如何处理线段共线的情况? - 在三维空间中如何判断两条线是否相交? - 如何优化这个算法以提高性能? - 在图形编程中,判断线段相交的应用有哪些? - 使用其他库如OpenGL如何实现? 我需要确保有3-5个。 5. **完整回复结构**: - 开头:解释方法。 - 中间:C代码。 - 结尾:“§§相关问题§§”后跟列表。 现在,草拟回复: **解释部分**:在C语言中,可以通过计算几何的方法来判断两条线段是否相交。关键是使用叉积来判断是否线段的同一侧。两条线段相交当且仅当每条线段的两个端点都在另一条线段的两侧。 **代码部分**:定义一个Point结构体,一个cross函数计算叉积,然后一个intersect函数。 代码示例: ```c #include <stdio.h> typedef struct { float x; float y; } Point; // 计算叉积 (AB × AC) float cross(Point A, Point B, Point C) { return (B.x - A.x) * (C.y - A.y) - (B.y - A.y) * (C.x - A.x); } // 判断两条线段是否相交 int segmentsIntersect(Point A, Point B, Point C, Point D) { float d1 = cross(A, B, C); float d2 = cross(A, B, D); float d3 = cross(C, D, A); float d4 = cross(C, D, B); if (d1 * d2 < 0 && d3 * d4 < 0) { return 1; // 相交 } // 处理端点接触或共线的情况(可选,根据需求) // 这里简单返回不相交 return 0; } int main() { Point A = {0, 0}; Point B = {1, 1}; Point C = {0, 1}; Point D = {1, 0}; if (segmentsIntersect(A, B, C, D)) { printf("线段相交\n"); } else { printf("线段相交\n"); } return 0; } ``` 在这个例子中,我添加了一个main函数来演示。用户可能只需要函数。 **相关问题**: 1. 如果线段共线时如何处理相交判断? 2. 在三维空间中,如何判断两条线段是否相交? 3. 如何优化这个算法以处理大量线段? 4. 在图形用户界面中,线段相交检测有哪些应用? 5. 使用OpenGL或其他库如何实现线段相交检测? 确保3-5个。 最后,输出“§§相关问题§§”后直接跟问题列表。 完整回复: </think> 在Linux环境下使用C语言判断两条线段是否相交,可以通过计算几何的方法实现。核心原理是利用叉积(cross product)判断是否线段的相对两侧。具体步骤是:给定两条线段AB和CD,计算点C和D相对于AB的方位(通过叉积),以及点A和B相对于CD的方位。如果每条线段的两个端点都在另一条线段的两侧(叉积符号相反),则线段相交。以下是一个完整的C代码示例,包括点结构体定义、叉积计算和相交判断函数。 ```c #include <stdio.h> typedef struct { float x; float y; } Point; // 计算向量叉积 (AB × AC) float cross(Point A, Point B, Point C) { return (B.x - A.x) * (C.y - A.y) - (B.y - A.y) * (C.x - A.x); } // 判断两条线段是否相交: 返回1表示相交,0表示不相交 int segmentsIntersect(Point A, Point B, Point C, Point D) { float d1 = cross(A, B, C); // C相对于AB的方位 float d2 = cross(A, B, D); // D相对于AB的方位 float d3 = cross(C, D, A); // A相对于CD的方位 float d4 = cross(C, D, B); // B相对于CD的方位 // 如果C和D在AB两侧,且A和B在CD两侧,则相交 if (d1 * d2 < 0 && d3 * d4 < 0) { return 1; } // 可选:处理端点接触或共线情况(此示例省略) return 0; } int main() { // 示例:测试相交线段 Point A = {0, 0}; Point B = {2, 2}; Point C = {0, 2}; Point D = {2, 0}; if (segmentsIntersect(A, B, C, D)) { printf("线段相交\n"); } else { printf("线段相交\n"); } return 0; } ``` 此代码定义了一个`Point`结构体存储坐标点,`cross`函数计算叉积,`segmentsIntersect`函数判断相交。在`main`函数中测试了两条对角线线段(例如(0,0)-(2,2)(0,2)-(2,0)),它们会相交。编译运行命令:`gcc -o intersect intersect.c && ./intersect`。注意,此实现未处理线段共线或端点恰好接触的情况;如需支持,需添加额外检查逻辑。
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