Как найти пересечение двух отрезков на прямой

Простой алгоритм определения пересечения двух отрезков

Введение

В былые времена я увлекался компьютерной графикой, как 2х так и 3х мерной, в том числе математическими визуализациями. Что называется just for fun, будучи студентом, написал программу визуализирующую N-мерные фигуры, вращающиеся в любых измерениях, хотя практически меня хватило только на определение точек для 4-D гиперкуба. Но это только присказка. Любовь к геометрии осталась у меня с тех пор и по сей день, и я до сих пор люблю решать интересные задачи интересными способами.
Одна из таких задач попалась мне в 2010 году. Сама задача достаточно тривиальна: необходимо найти, пересекаются ли два 2-D отрезка, и если пересекаются — найти точку их пересечения. Более интересно решение, которое, я считаю, получилось достаточно элегантным, и которое я хочу предложить на суд читателя. На оригинальность алгоритма не претендую (хотя и хотелось бы), но в сети подобных решений я найти не смог.

Задача

Даны два отрезка, каждый из которых задан двумя точками: (v11, v12), (v21, v22). Необходимо определить, пересекаются ли они, и если пересекаются, найти точку их пересечения.

Решение

Для начала необходимо определить, пересекаются ли отрезки. Необходимое и достаточное условие пересечения, которое должно быть соблюдено для обоих отрезков следующее: конечные точки одного из отрезков должны лежать в разных полуплоскостях, если разделить плоскость линией, на которой лежит второй из отрезков. Продемонстрируем это рисунком.

На левом рисунке (1) показаны два отрезка, для обоих из которых условие соблюдено, и отрезки пересекаются. На правом (2) рисунке условие соблюдено для отрезка b, но для отрезка a оно не соблюдается, соответственно отрезки не пересекаются.
Может показаться, что определить, с какой стороны от линии лежит точка — нетривиальная задача, но у страха глаза велики, и всё не так сложно. Мы знаем, что векторное умножение двух векторов даёт нам третий вектор, направление которого зависит от того, положительный или отрицательный угол между первым и вторым вектором, соответственно такая операция антикоммутативна. А так как все вектора лежат на плоскости X-Y, то их векторное произведение (которое обязано быть перпендикулярным перемножаемым векторам) будет иметь ненулевой только компоненту Z, соответственно и отличие произведений векторов будет только в этой компоненте. Причем при изменении порядка перемножения векторов (читай: угла между перемножаемыми векторами) состоять оно будет исключительно в изменении знака этой компоненты.
Поэтому мы можем умножить попарно-векторно вектор разделяющего отрезка на векторы направленные от начала разделяющего отрезка к обеим точкам проверяемого отрезка.

Если компоненты Z обоих произведений будет иметь различный знак, значит один из углов меньше 0 но больше -180, а второй больше 0 и меньше 180, соответственно точки лежат по разные стороны от прямой. Если компоненты Z обоих произведений имеют одинаковый знак, следовательно и лежат они по одну сторону от прямой.
Если один из компонент Z является нулём, значит мы имеем пограничный случай, когда точка лежит аккурат на проверяемой прямой. Оставим пользователю определять, хочет ли он считать это пересечением.
Затем нам необходимо повторить операцию для другого отрезка и прямой, и убедиться в том, что расположение его конечных точек также удовлетворяет условию.
Итак, если всё хорошо и оба отрезка удовлетворяют условию, значит пересечение существует. Давайте найдём его, и в этом нам также поможет векторное произведение.
Так как в векторном произведении мы имеем ненулевой лишь компоненту Z, то его модуль (длина вектора) будет численно равен именно этой компоненте. Давайте посмотрим, как найти точку пересечения.

Длина векторного произведения векторов a и b (как мы выяснили, численно равная его компоненте Z) равна произведению модулей этих векторов на синус угла между ними (|a| |b| sin(ab)). Соответственно, для конфигурации на рисунке мы имеем следующее: |AB x AC| = |AB||AC|sin(α), и |AB x AD| = |AB||AD| sin(β). |AC|sin(α) является перпендикуляром, опущенным из точки C на отрезок AB, а |AD|sin(β) является перпендикуляром, опущенным из точки D на отрезок AB (катетом ADD’). Так как углы γ и δ — вертикальные углы, то они равны, а значит треугольники PCC’ и PDD’ подобны, а соответственно и длины всех их сторон пропорциональны в равном отношении.
Имея Z1 (AB x AC, а значит |AB||AC|sin(α) ) и Z2 (AB x AD, а значит |AB||AD|sin(β) ), мы можем рассчитать CC’/DD’ (которая будет равна Z1/Z2), а также зная что CC’/DD’ = CP/DP легко можно высчитать местоположение точки P. Лично я делаю это следующим образом:

Px = Cx + (Dx-Cx)*|Z1|/|Z2-Z1|;
Py = Cy + (Dy-Cy)*|Z1|/|Z2-Z1|;

Вот и все. Мне кажется что это действительно очень просто, и элегантно. В заключение хочу привести код функции, реализующий данный алгоритм. В функции использован самодельный шаблон vector<typename, int>, который является шаблоном вектора размерностью int с компонентами типа typename. Желающие легко могут подогнать функцию к своим типам векторов.

 1 template<typename T>
 2 bool are_crossing(vector<T, 2> const &v11, vector<T, 2> const &v12, vector<T, 2> const &v21, vector<T, 2> const &v22, vector<T, 2> *crossing)
 3 {
 4   vector<T, 3> cut1(v12-v11), cut2(v22-v21);
 5   vector<T, 3> prod1, prod2;
 6 
 7   prod1 = cross(cut1 * (v21-v11));
 8   prod2 = cross(cut1 * (v22-v11));
 9 
10   if(sign(prod1[Z]) == sign(prod2[Z]) || (prod1[Z] == 0) || (prod2[Z] == 0)) // Отсекаем также и пограничные случаи
11     return false;
12 
13   prod1 = cross(cut2 * (v11-v21));
14   prod2 = cross(cut2 * (v12-v21));
15 
16   if(sign(prod1[Z]) == sign(prod2[Z]) || (prod1[Z] == 0) || (prod2[Z] == 0)) // Отсекаем также и пограничные случаи
17     return false;
18 
19   if(crossing) { // Проверяем, надо ли определять место пересечения
20     (*crossing)[X] = v11[X] + cut1[X]*fabs(prod1[Z])/fabs(prod2[Z]-prod1[Z]);
21     (*crossing)[Y] = v11[Y] + cut1[Y]*fabs(prod1[Z])/fabs(prod2[Z]-prod1[Z]);
22   }
23 
24   return true;
25 }

Finding the correct intersection of two line segments is a non-trivial task with lots of edge cases. Here’s a well documented, working and tested solution in Java.

In essence, there are three things that can happen when finding the intersection of two line segments:

1. The segments do not intersect

2. There is a unique intersection point

3. The intersection is another segment

NOTE: In the code, I assume that a line segment (x1, y1), (x2, y2) with x1 = x2 and y1 = y2 is a valid line segment. Mathematically speaking, a line segment consists of distinct points, but I am allowing segments to be points in this implementation for completeness.

Code is taken from my github repo

/**
 * This snippet finds the intersection of two line segments.
 * The intersection may either be empty, a single point or the
 * intersection is a subsegment there's an overlap.
 */

import static java.lang.Math.abs;
import static java.lang.Math.max;
import static java.lang.Math.min;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class LineSegmentLineSegmentIntersection {

  // Small epsilon used for double value comparison.
  private static final double EPS = 1e-5;

  // 2D Point class.
  public static class Pt {
    double x, y;
    public Pt(double x, double y) {
      this.x = x; 
      this.y = y;
    }
    public boolean equals(Pt pt) {
      return abs(x - pt.x) < EPS && abs(y - pt.y) < EPS;
    }
  }

  // Finds the orientation of point 'c' relative to the line segment (a, b)
  // Returns  0 if all three points are collinear.
  // Returns -1 if 'c' is clockwise to segment (a, b), i.e right of line formed by the segment.
  // Returns +1 if 'c' is counter clockwise to segment (a, b), i.e left of line
  // formed by the segment.
  public static int orientation(Pt a, Pt b, Pt c) {
    double value = (b.y - a.y) * (c.x - b.x) - 
                   (b.x - a.x) * (c.y - b.y);
    if (abs(value) < EPS) return 0;
    return (value > 0) ? -1 : +1;
  }

  // Tests whether point 'c' is on the line segment (a, b).
  // Ensure first that point c is collinear to segment (a, b) and
  // then check whether c is within the rectangle formed by (a, b)
  public static boolean pointOnLine(Pt a, Pt b, Pt c) {
    return orientation(a, b, c) == 0 && 
           min(a.x, b.x) <= c.x && c.x <= max(a.x, b.x) && 
           min(a.y, b.y) <= c.y && c.y <= max(a.y, b.y);
  }

  // Determines whether two segments intersect.
  public static boolean segmentsIntersect(Pt p1, Pt p2, Pt p3, Pt p4) {

    // Get the orientation of points p3 and p4 in relation
    // to the line segment (p1, p2)
    int o1 = orientation(p1, p2, p3);
    int o2 = orientation(p1, p2, p4);
    int o3 = orientation(p3, p4, p1);
    int o4 = orientation(p3, p4, p2);

    // If the points p1, p2 are on opposite sides of the infinite
    // line formed by (p3, p4) and conversly p3, p4 are on opposite
    // sides of the infinite line formed by (p1, p2) then there is
    // an intersection.
    if (o1 != o2 && o3 != o4) return true;

    // Collinear special cases (perhaps these if checks can be simplified?)
    if (o1 == 0 && pointOnLine(p1, p2, p3)) return true;
    if (o2 == 0 && pointOnLine(p1, p2, p4)) return true;
    if (o3 == 0 && pointOnLine(p3, p4, p1)) return true;
    if (o4 == 0 && pointOnLine(p3, p4, p2)) return true;

    return false;
  }

  public static List<Pt> getCommonEndpoints(Pt p1, Pt p2, Pt p3, Pt p4) {

    List<Pt> points = new ArrayList<>();

    if (p1.equals(p3)) {
      points.add(p1);
      if (p2.equals(p4)) points.add(p2);

    } else if (p1.equals(p4)) {
      points.add(p1);
      if (p2.equals(p3)) points.add(p2);

    } else if (p2.equals(p3)) {
      points.add(p2);
      if (p1.equals(p4)) points.add(p1);

    } else if (p2.equals(p4)) {
      points.add(p2);
      if (p1.equals(p3)) points.add(p1);
    }

    return points;
  }

  // Finds the intersection point(s) of two line segments. Unlike regular line 
  // segments, segments which are points (x1 = x2 and y1 = y2) are allowed.
  public static Pt[] lineSegmentLineSegmentIntersection(Pt p1, Pt p2, Pt p3, Pt p4) {

    // No intersection.
    if (!segmentsIntersect(p1, p2, p3, p4)) return new Pt[]{};

    // Both segments are a single point.
    if (p1.equals(p2) && p2.equals(p3) && p3.equals(p4))
      return new Pt[]{p1};

    List<Pt> endpoints = getCommonEndpoints(p1, p2, p3, p4);
    int n = endpoints.size();

    // One of the line segments is an intersecting single point.
    // NOTE: checking only n == 1 is insufficient to return early
    // because the solution might be a sub segment.
    boolean singleton = p1.equals(p2) || p3.equals(p4);
    if (n == 1 && singleton) return new Pt[]{endpoints.get(0)};

    // Segments are equal.
    if (n == 2) return new Pt[]{endpoints.get(0), endpoints.get(1)};

    boolean collinearSegments = (orientation(p1, p2, p3) == 0) && 
                                (orientation(p1, p2, p4) == 0);

    // The intersection will be a sub-segment of the two
    // segments since they overlap each other.
    if (collinearSegments) {

      // Segment #2 is enclosed in segment #1
      if (pointOnLine(p1, p2, p3) && pointOnLine(p1, p2, p4))
        return new Pt[]{p3, p4};

      // Segment #1 is enclosed in segment #2
      if (pointOnLine(p3, p4, p1) && pointOnLine(p3, p4, p2))
        return new Pt[]{p1, p2};

      // The subsegment is part of segment #1 and part of segment #2.
      // Find the middle points which correspond to this segment.
      Pt midPoint1 = pointOnLine(p1, p2, p3) ? p3 : p4;
      Pt midPoint2 = pointOnLine(p3, p4, p1) ? p1 : p2;

      // There is actually only one middle point!
      if (midPoint1.equals(midPoint2)) return new Pt[]{midPoint1};

      return new Pt[]{midPoint1, midPoint2};
    }

    /* Beyond this point there is a unique intersection point. */

    // Segment #1 is a vertical line.
    if (abs(p1.x - p2.x) < EPS) {
      double m = (p4.y - p3.y) / (p4.x - p3.x);
      double b = p3.y - m * p3.x;
      return new Pt[]{new Pt(p1.x, m * p1.x + b)};
    }

    // Segment #2 is a vertical line.
    if (abs(p3.x - p4.x) < EPS) {
      double m = (p2.y - p1.y) / (p2.x - p1.x);
      double b = p1.y - m * p1.x;
      return new Pt[]{new Pt(p3.x, m * p3.x + b)};
    }

    double m1 = (p2.y - p1.y) / (p2.x - p1.x);
    double m2 = (p4.y - p3.y) / (p4.x - p3.x);
    double b1 = p1.y - m1 * p1.x;
    double b2 = p3.y - m2 * p3.x;
    double x = (b2 - b1) / (m1 - m2);
    double y = (m1 * b2 - m2 * b1) / (m1 - m2);

    return new Pt[]{new Pt(x, y)};
  }

}

Here is a simple usage example:

  public static void main(String[] args) {

    // Segment #1 is (p1, p2), segment #2 is (p3, p4)
    Pt p1, p2, p3, p4;

    p1 = new Pt(-2, 4); p2 = new Pt(3, 3);
    p3 = new Pt(0, 0);  p4 = new Pt(2, 4);
    Pt[] points = lineSegmentLineSegmentIntersection(p1, p2, p3, p4);
    Pt point = points[0];

    // Prints: (1.636, 3.273)
    System.out.printf("(%.3f, %.3f)n", point.x, point.y);

    p1 = new Pt(-10, 0); p2 = new Pt(+10, 0);
    p3 = new Pt(-5, 0);  p4 = new Pt(+5, 0);
    points = lineSegmentLineSegmentIntersection(p1, p2, p3, p4);
    Pt point1 = points[0], point2 = points[1];

    // Prints: (-5.000, 0.000) (5.000, 0.000)
    System.out.printf("(%.3f, %.3f) (%.3f, %.3f)n", point1.x, point1.y, point2.x, point2.y);
  }