Как найти пересечение двух прямых программа

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!

Given points A and B corresponding to line AB and points P and Q corresponding to line PQ, find the point of intersection of these lines. The points are given in 2D Plane with their X and Y Coordinates. Examples:

Input : A = (1, 1), B = (4, 4)
        C = (1, 8), D = (2, 4)
Output : The intersection of the given lines 
         AB and CD is: (2.4, 2.4)

Input : A = (0, 1), B = (0, 4)
        C = (1, 8), D = (1, 4)
Output : The given lines AB and CD are parallel.

First of all, let us assume that we have two points (x₁, y₁) and (x₂, y₂). Now, we find the equation of line formed by these points. Let the given lines be :

1. a₁x + b₁y = c₁
2. a₂x + b₂y = c₂

We have to now solve these 2 equations to find the point of intersection. To solve, we multiply 1. by b₂ and 2 by b₁ This gives us, a₁b₂x + b₁b₂y = c₁b₂ a₂b₁x + b₂b₁y = c₂b₁ Subtracting these we get, (a₁b₂ – a₂b₁) x = c₁b₂ – c₂b₁ This gives us the value of x. Similarly, we can find the value of y. (x, y) gives us the point of intersection. Note: This gives the point of intersection of two lines, but if we are given line segments instead of lines, we have to also recheck that the point so computed actually lies on both the line segments. If the line segment is specified by points (x₁, y₁) and (x₂, y₂), then to check if (x, y) is on the segment we have to just check that

• min (x₁, x₂) <= x <= max (x₁, x₂)
• min (y₁, y₂) <= y <= max (y₁, y₂)

The pseudo code for the above implementation:

determinant = a1 b2 - a2 b1
if (determinant == 0)
{
    // Lines are parallel
}
else
{
    x = (c1b2 - c2b1)/determinant
    y = (a1c2 - a2c1)/determinant
}

These can be derived by first getting the slope directly and then finding the intercept of the line. 

Output:

The intersection of the given lines AB and 
CD is: (2.4, 2.4)

Time Complexity: O(1) 
Auxiliary Space: O(1)

This article is contributed by Aarti_Rathi and Aanya Jindal. If you like GeeksforGeeks and would like to contribute, you can also write an article using write.geeksforgeeks.org or mail your article to review-team@geeksforgeeks.org. See your article appearing on the GeeksforGeeks main page and help other Geeks. Please write comments if you find anything incorrect, or you want to share more information about the topic discussed above.

Last Updated :
16 Jun, 2022

Like Article

Save Article

Перейти к содержанию