Как найти точку пересечения двух линий

Нахождение точки пересечения двух прямых (и отрезков)

Введение

Довольно часто при разработке игр возникает необходимость находить точку пересечения прямых, отрезков, лучей и т.д. О том, как реализовать это максимально простым способом, в этой статье.

Популярные способы и их критика

Возможно, многие вспомнят способ из школьной алгебры — составить уравнения двух прямых, приравнять их правые части, найти x, и подставить его в уравнение прямой, чтобы найти y (Подробнее здесь).

Однако данный способ становится достаточно громоздким при написании кода (возможно поэтому вы сейчас читаете эту статью), к тому же, он не является универсальным: если одна из прямых параллельна оси Y, мы получим ошибку деления на ноль при вычислении углового коэффициента, и нам придётся прописать код на этот случай; если две прямые перпендикулярны осям, требуется повозиться с обработкой и этого случая. Такой код становится длинным и некрасивым.

В поисках более элегантного решения данной проблемы я наткнулся на весьма интересные способы, основанные на векторном умножении ( habr.com/ru/post/267037 ) и ray castinging’е ( ru.wikipedia.org/wiki/Ray_casting#Концепция ). Но на мой взгляд, они неоправданно сложные в вычислительном плане. Поэтому представляю вашему вниманию (и критике) мой способ.

Мой способ

Задача

Даны координаты двух отрезков. Нужно узнать, пересекаются ли отрезки, и если да, в какой точке. Для этой цели напишем функцию.

Решение

Условные обозначения для исключения недопониманий: a — вектор a, a(y) — проекция вектора a на ось Y, a{x1,y1} — вектор a, заданный координатами x1,y1.

Представим наши отрезки в виде двух векторов: a{x2-x1; y2-y1} и b{x3-x4; y3-y4}. Обратите, внимание, что вектор b имеет противоположное от ожидаемого направление. Введём вектор c{x3-x1; y3-y1}. Заметим, что a*k+b*n=c, где k,n — некоторые коэффициенты. Таким образом, получаем систему уравнений:

a(x)*k+b(x)*n=c(x)
a(y)*k+b(y)*n=c(y)
Наша задача сводится к нахождению этих коэффициентов (правда сказать, достаточно найти лишь один из них).

Предлагаю домножить обе части нижнего уравнения на q= -a(x)/a(y). Так после сложения двух уравнений, мы сразу избавимся от k. Нахождение n сведётся к решению обыкновенного линейного уравнения. Важно обратить внимание, что у n может не быть решения.

Внимательный читатель заметит, что при a(y)=0, мы получим ошибку. Пропишем ветвление на этапе нахождения a(y). Этот случай ещё проще, ведь мы сразу получаем уравнение с одной неизвестной.

Рекомендую попробовать вывести n самостоятельно, так будет понятнее, что откуда берётся в коде ниже.

Зная n, можно найти точку пересечения, для этого мы отнимем от координаты точки (x3,y3) вектор b*n

Собираем воедино

float dot[2];  // точка пересечения

bool cross(float x1, float y1, float x2, float y2, float x3, float y3, float x4, float y4) {
    float n;
    if (y2 - y1 != 0) {  // a(y)
        float q = (x2 - x1) / (y1 - y2);   
        float sn = (x3 - x4) + (y3 - y4) * q; if (!sn) { return 0; }  // c(x) + c(y)*q
        float fn = (x3 - x1) + (y3 - y1) * q;   // b(x) + b(y)*q
        n = fn / sn;
    }
    else {
        if (!(y3 - y4)) { return 0; }  // b(y)
        n = (y3 - y1) / (y3 - y4);   // c(y)/b(y)
    }
    dot[0] = x3 + (x4 - x3) * n;  // x3 + (-b(x))*n
    dot[1] = y3 + (y4 - y3) * n;  // y3 +(-b(y))*n
    return 1;
}

Данная функция принимает координаты вершин и возвращает значение 1, если прямые отрезков (именно прямые) пересекаются, иначе 0. Если же вам нужны координаты вершин, вы сможете взять их из массива dot[].

Важно: при введении двух совпадающих прямых, алгоритм выводит отсутствие пересечения. Алгоритм находит точку пересечения прямых, на которых лежат отрезки, поэтому точка может оказаться за пределами отрезка (что вам придётся дополнительно проверить в уже своём коде).

Применим функцию:

int main() {
    if (cross(1,1,7,2, 7,3,5,6)) {
        std::cout << dot[0] << " " << dot[1] << std::endl;
    }
    else {
        std::cout<<"Not cross!"<<std::endl;
    }
    return 0;
}

Послесловие

Хоть я и не встретил этот способ в процессе гугления своей проблемы и вывел алгоритм самостоятельно, я не претендую на его полную оригинальность (и правильность). Поэтому добро пожаловать в комментарии!

Не такая тривиальная задача, скажу я вам. Всякий раз, когда возникает необходимость посчитать координату пересечения пары прямых, каждая из которых задана парой точек, снова беру блокнот и вывожу пару формул. И всякий раз – блин, ну это уже когда-то было, опять надо что-то делать с параллельными прямыми, опять появляется пакостная строго вертикальна линия, когда на (x₁-x₂) никак не разделить и т.д.

Поэтому – в подборку теории и практики, пригодится, сэкономим блокнот, спасем дерево.

Коэффициенты А, B, C

Все помним со школы формулу:

Тоже самое, но с претензией на образование (некоторые индивидуумы утверждают, что существует такая, и только такая, и никакая другая, формулировка):

Те же фаберже, только сбоку.

В теории надо составить и решить систему уравнений для первой и второй линии, где переменными будут X и Y точки пересечения.

Загвоздка в том, что мы не знаем коэффициенты для обеих линий.

В нашем случае известны координаты двух точек, по которым проходит линия. Поэтому мне, как последователю геометрического агностицизма, более привлекательная следующая формула:

Путем несложных операций приходим к следующей записи:

Глядя на вариант в исполнении высшего образования, получаем следующие формулы для нахождения коэффициентов:

Пока все идет отлично, нигде вероятного деления на ноль не встретилось.

Итак, мы можем легко найти два набора коэффициентов для первой и второй прямых. Переходим к системе уравнений.

Система уравнений

Как правило, подобная система уравнений решается путем выражения одной переменной через другую, подстановкой во второе уравнение, получая таким образом уравнение одной переменной. Далее переменная находится, подставляется, решается. Или определяется, что система решения не имеет.

Но нас интересует метод Крамера. Потому что с помощью этого метода можно получить сразу значения для обеих переменных, без дополнительных телодвижений.

Сразу же запишем метод под нашу систему.

Имеем следующую систему:

Определители будут такими:

Исходя из метода, решение выглядит так:

Ага! Вот и возможное деление на ноль, скажете вы. И правильно! В этой, в высшей степени непозволительной ситуации, когда знаменатель равен нулю, решения нет, прямые либо параллельны, либо совпадают (что, впрочем, частный случай параллельности).  В коде, естественно, этот момент надо учитывать.

Практика 1

Частные случаи

• Прямые параллельны: ∆_ab = 0
  • (A₁B₂ – B₁A₂ = 0);
• Прямые совпадают:  ∆_ab = ∆_X = ∆_Y = 0 
  • (A₁B₂ – B₁A₂ = 0) И (A₁C₂ — A₂C₁ = 0) И (C₁B₂ -B₁C₂ = 0);
• Прямые перпендикулярны:
  • (A₁ A₂ + B₁ B₂ = 0).

Принадлежность точки отрезку

В общем случае, чтобы определить принадлежность точки отрезку, надо установить две вещи:

1. Точка принадлежит прямой, проходящей через конечные точки отрезка. Для этого достаточно подставить значение X и Y в уравнение прямой и проверить получившееся равенство. В нашем случае, этот пункт уже выполнен, т.к. точка пересечения априори принадлежит обеим прямым.
2. Проверить факт нахождения точки между концами отрезка.

Займемся пунктом 2. Данный факт можно установить двумя способами:

• Логически, т.е. (x₁ <= x <= x₂) ИЛИ (x₁ >= x >= x₂). На случай «вертикальности» линии добавить проверку на Y:
  • (y₁ <= y <= y₂) ИЛИ (y₁ >= y >= y₂).
• Арифметически. Сумма отрезков |x-x₁| + |x-x₂| должна быть равна длине отрезка |x₁-x₂|. Аналогично, на случай «вертикальности» , добавить проверку:
  • |y-y₁| + |y-y₂| = |y₁-y₂|

Практика показывает, что арифметический способ быстрее примерно в 3 раза. Когда-то я считал, что операции сравнения самые быстрые. Это давно уже не так.

Задача нахождения принадлежности точки P(x,y) отрезку, заданного двумя точками с координатами P1(x1, y1) и P2(x2, y2) подробно рассмотрена в отдельной статье.

Угол пересечения прямых

Угол пересечения прямых — это угол пересечения направляющих векторов. Т.е., взяв уже знакомые ранее точки p₁ и p₂, получим направляющий вектор V(p₁,p₂), и аналогично второй вектор M(p₃,p₄). В теории мы должны вычислить достаточно «затратную» функцию, с корнями, квадратами, дробями и арккосинусом.

Давайте не будем останавливаться на ней, она долгая, нудная и в нашем случае ненужная. Рассмотрим вектор:

α — угол наклона вектора к оси X, который можно найти, как:

α = arctan (A₁ / B₁)

Где расстояния:

A₁ = (y₁ — y₂)

B₁ = (x₂ — x₁)

Что-то знакомое? Да это ни что иное, как коэффициенты в уравнении прямой от образованных фанатов. Может они и правы в своем испепеляющем фанатизме…

Одним словом, коэффициенты (расстояния) у нас уже есть по обеим прямым.

Судя по рисунку, угол между векторами, это сумма углов наклона векторов к оси X. Ммм… не совсем так, на самом деле это разность.

По рисунку явно видно, что угол между векторам это γ = (β — α).

В предыдущем примере все правильно, просто знаки углов разные, т.к. находятся по разные стороны от оси X, а формула работает та же.

От теории к практике

Теперь в плане практического применения. Мне нужно точно знать, откуда, куда и в каком направлении этот угол. В теории, углом между прямыми считается наименьший из пары γ и (180-γ). Так вот, нам это не надо. Какой угол получится – такой нам и нужен.

Поэтому, под углом между векторами понимаем угол от вектора V(p1,p2) к вектору M(p3,p4). Если знак угла – отрицательный, понимаем, что он против часовой стрелки, иначе – по часовой стрелке.

Следует заметить, что, зная коэффициенты, для нахождения угла пересечения, координаты уже не нужны. Листинг таков:

Тут ситуация с вертикальной прямой, т.е. когда теоретически происходит деление на ноль, явно не обрабатывается. Она корректно обрабатывается функцией ArcTan2, которая вернет в этом случае и знак, и 90 градусов.  

Практика 2

В дополнение к функции нахождения точки пересечения, напишем «продвинутую» функцию, которая находит эту точку, определяет нахождение на каждом из отрезков, и определяет угол между направляющими векторами. Или же определяет, что прямые параллельны/совпадают.

Исходники

Небольшие комментарии по интерфейсу.

Скачать (219 Кб): Исходники (Delphi XE 7-10)

Скачать (1.14 Мб): Исполняемый файл

При запуске генерируется случайным образом 4 точки, по две на прямую. Точки и отрезки можно перетаскивать мышкой. Также, слева присутствует панель, на которой можно ввести координаты точек или коэффициенты уравнения прямой. При нажатии «Enter» или когда элемент ввода теряет фокус, происходит перерасчет и перерисовка.

Внизу есть 4 кнопки переключения режимов отображения. Начиная со второй, помимо координат точки пересечений в верхнем левом углу будет отображаться текущий угол пересечения между направляющими векторами.

Если точка пересечений попадает в какой-либо из отрезков, соответствующий заголовок линии отрезка станет жирным. На рисунке это зеленая линия 2.

По умолчанию, рабочее поле системы координат имеет размерность [-10..10], которую можно изменить ползунком в нижнем правом углу.

Была ли эта статья полезной?

Точка пересечения двух прямых на плоскости

Графический метод решения. Используя уравнения, начертить графики прямых и с помощью линейки найти координаты точки пересечения.

Точка пересечения двух прямых в пространстве

Замечание. Если уравнения прямых заданы параметрически, и в обоих уравнениях параметр задан одной и той же буквой, то при составлении системы в одном из уравнений необходимо заменить букву отвечающую за параметр.

В евклидовой геометрии пересечение двух прямых может быть пустым множеством, точкой или прямой. Различение этих случаев и поиск точки пересечения используется, например, в компьютерной графике, при планировании движения^[en] и для обнаружения столкновений.

В трёхмерной евклидовой геометрии, если две прямые не лежат в одной плоскости, они называются скрещивающимися и не имеют точек пересечения. Если прямые находятся в одной плоскости, имеется три возможности. Если они совпадают, они имеют бесконечно много общих точек (а именно, все точки на этих прямых). Если прямые различны, но имеют один и тот же наклон, они параллельны и не имеют общих точек. В противном случае они имеют одну точку пересечения.

В неевклидовой геометрии две прямые могут пересекаться в нескольких точках и число непересекающихся с данной прямой других прямых (параллельных) может быть больше единицы.

Пересечение двух прямых[править | править код]

Необходимым условием пересечения двух прямых является принадлежность их одной плоскости, то есть эти прямые не должны быть скрещивающимися. Выполнение этого условия эквивалентно вырожденности тетраэдра, у которого две вершины лежат на одной прямой, а две другие — на другой (т.е. объём этого тетраэдра равен нулю). Алгебраическую форму этого условия можно посмотреть в статье «Проверка скрещенности».

Если заданы по две точки на каждой прямой[править | править код]

Рассмотрим пересечение двух прямых и на плоскости, где прямая определена двумя различными точками и , а прямая — различными точками и ^[1].

Пересечение прямых и можно найти при помощи определителей.

Определители можно переписать в виде:

Заметим, что точка пересечения относится к бесконечным прямым, а не отрезкам между точками, и она может лежать вне отрезков. Если (вместо решения за один шаг) искать решение в терминах кривых Безье первого порядка, то можно проверить параметры этих кривых 0.0 ≤ t ≤ 1.0 и 0.0 ≤ u ≤ 1.0 (t и u — параметры).

Если две прямые параллельны или совпадают, знаменатель обращается в ноль:

Если прямые очень близки к параллельности (почти параллельны), при вычислении на компьютере могут возникнуть числовые проблемы и распознавание такого условия может потребовать подходящего теста на «неопределённость» для приложения. Более устойчивое и общее решение может быть получено при вращении отрезков таким образом, что один из них станет горизонтальным, а тогда параметрическое решение второй прямой легко получить. При решении необходимо внимательное рассмотрение специальных случаев (параллельность/совпадение прямых, наложение отрезков).

Если заданы уравнения прямых[править | править код]

Координаты и точки пересечения двух невертикальных прямых можно легко найти с помощью следующих подстановок и преобразований.

Предположим, что две прямые имеют уравнения и , где и — угловые коэффициенты прямых, а и — пересечения прямых с осью y. В точке пересечения прямых (если они пересекаются), обе координаты будут совпадать, откуда получаем равенство:

.

Мы можем преобразовать это равенство с целью выделения ,

,

а тогда

.

Чтобы найти координату y, всё что нам нужно, это подставить значение x в одну из формул прямых, например, в первую:

.

Отсюда получаем точку пересечения прямых

.

Заметим, что при a = b две прямые параллельны. Если при этом c ≠ d, прямые различны и не имеют пересечений, в противном же случае прямые совпадают ^[2].

Использование однородных координат[править | править код]

При использовании однородных координат точка пересечения двух явно заданных прямых может быть найдена достаточно просто. В 2-мерном пространстве любая точка может быть определена как проекция 3-мерной точки, заданной тройкой . Отображение 3-мерных координат в 2-мерные происходит по формуле . Мы можем преобразовать точки в 2-мерном пространстве в однородные координаты, приравняв третью координату единице — .

Предположим, что мы хотим найти пересечение двух бесконечных прямых в 2-мерном пространстве, которые заданы формулами и . Мы можем представить эти две прямые в линейных координатах^[en] как и ,

Пересечение двух прямых тогда просто задаётся формулами ^[3]

Если , прямые не пересекаются.

Пересечение n прямых[править | править код]

Существование и выражение пересечения[править | править код]

В двухмерном пространстве[править | править код]

В двухмерном пространстве прямые числом больше двух почти достоверно не пересекаются в одной точке. Чтобы определить, пересекаются ли они в одной точке, и, если пересекаются, чтобы найти точку пересечения, запишем i-ое уравнение (i = 1, …,n) как и скомпонуем эти уравнения в матричный вид

где i-ая строка n × 2 матрицы A равна , w является 2 × 1 вектором (x, y)^T, а i-ый элемент вектора-столбца b равен b_i. Если столбцы матрицы A независимы, ранг матрицы равен 2. Тогда и только тогда, когда ранг расширенной матрицы^[en] [A | b ] равен также 2, существует решение матричного уравнения, а тогда существует и точка пересечения n прямых. Точка пересечения, если таковая существует, задаётся формулой

где — псевдообратная матрица матрицы . Альтернативно решение может быть найдено путём решения любых двух независимых уравнений. Но если ранг матрицы A равен 1, а ранг расширенной матрицы равен 2, решений нет. В случае же, когда ранг расширенной матрицы равен 1, все прямые совпадают.

В трёхмерном пространстве[править | править код]

Представленный выше подход без труда распространяется на трёхмерное пространство. В трёхмерном и более высоких пространствах даже две прямые почти наверняка не пересекаются. Пары непараллельных непересекающихся прямых называются скрещивающимися. Но когда пересечение существует, его можно найти следующим образом.

В трёхмерном пространстве прямая представляется пересечением двух плоскостей, каждая из которых задаётся формулой Тогда множество n прямых может быть представлено в виде 2n уравнений от 3-мерного координатного вектора w = (x, y, z)^T:

,

где A — матрица 2n × 3, а b — 2n × 1. Как и ранее, единственная точка пересечения существует тогда и только тогда, когда A имеет полный ранг по столбцам, а расширенная матрица [A | b ] таковой не является. Единственная точка пересечения, если существует, задаётся формулой

Ближайшая точка к непересекающимся прямым[править | править код]

В размерностях два и выше можно найти точку, которая является ближайшей к этим двум (или более) прямым в смысле наименьшей суммы квадратов.

В двухмерном пространстве[править | править код]

В случае двухмерного пространства представим прямую i как точку на прямой и единичную нормаль , перпендикулярную прямой. То есть, если и — точки на прямой 1, то пусть и

,

который является единичным вектором вдоль прямой, повёрнутым на 90º.

Заметим, что расстояние от точки x до прямой задаётся формулой

Следовательно, квадрат расстояния от x до прямой равен

Сумма квадратов расстояний до набора прямых является целевой функцией:

Выражение можно преобразовать:

Чтобы найти минимум, продифференцируем по x и приравняем результат нулю:

Таким образом,

откуда

В трёхмерном пространстве[править | править код]

Хотя в размерностях выше двух нормаль не определить, его можно обобщить на любую размерность, если заметить, что является просто (симметричной) матрицей со всеми собственными значениями, равными единице, кроме нулевого собственного значения в направлении прямой, что задаёт полунорму между точкой и другой точкой. В пространстве любой размерности, если является единичным вектором вдоль i-ой прямой, то

превращается в ,

где E — единичная матрица, а тогда

См. также[править | править код]

• Пересечение отрезков
• Расстояние от точки до прямой на плоскости
• Аксиома параллельности Евклида

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

• Б. Н. Делоне, Д. А. Райков. Аналитическая геометрия. — М., Л.: ОГИЗ, Государственнон издательство технико-теоретической литературы, 1948. — Т. 1.

Ссылки[править | править код]

• Distance between Lines and Segments with their Closest Point of Approach, applicable to two, three, or more dimensions.