忧郁的大能猫
好奇的探索者,理性的思考者,踏实的行动者。
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给定三角形ABC和一点P(x,y,z),判断点P是否在ABC内。这是游戏设计中一个常见的问题。需要注意的是,这里假定点和三角形位于同一个平面内。
本文介绍三种不同的方法,由浅入深
连接点P和三角形的三个顶点得到三条线段PA,PB和PC,求出这三条线段与三角形各边的夹角,如果所有夹角之和为180度,那么点P在三角形内,否则不在,此法直观,但效率低下。

假设点P位于三角形内,会有这样一个规律,当我们沿着ABCA的方向在三条边上行走时,你会发现点P始终位于边AB,BC和CA的右侧。我们就利用这一点,但是如何判断一个点在线段的左侧还是右侧呢?我们可以从另一个角度来思考,当选定线段AB时,点C位于AB的右侧,同理选定BC时,点A位于BC的右侧,最后选定CA时,点B位于CA的右侧,所以当选择某一条边时,我们只需验证点P与该边所对的点在同一侧即可。问题又来了,如何判断两个点在某条线段的同一侧呢?可以通过叉积来实现,连接PA,将PA和AB做叉积,再将CA和AB做叉积,如果两个叉积的结果方向一致,那么两个点在同一测。判断两个向量的是否同向可以用点积实现,如果点积大于0,则两向量夹角是锐角,否则是钝角。

代码如下,为了实现程序功能,添加了一个Vector3类,该类表示三维空间中的一个向量。
// 3D vector
class Vector3
{
public:
Vector3(float fx, float fy, float fz)
:x(fx), y(fy), z(fz)
{
}
// Subtract
Vector3 operator - (const Vector3& v) const
{
return Vector3(x - v.x, y - v.y, z - v.z) ;
}
// Dot product
float Dot(const Vector3& v) const
{
return x * v.x + y * v.y + z * v.z ;
}
// Cross product
Vector3 Cross(const Vector3& v) const
{
return Vector3(
y * v.z - z * v.y,
z * v.x - x * v.z,
x * v.y - y * v.x ) ;
}
public:
float x, y, z ;
};
// Determine whether two vectors v1 and v2 point to the same direction
// v1 = Cross(AB, AC)
// v2 = Cross(AB, AP)
bool SameSide(Vector3 A, Vector3 B, Vector3 C, Vector3 P)
{
Vector3 AB = B - A ;
Vector3 AC = C - A ;
Vector3 AP = P - A ;
Vector3 v1 = AB.Cross(AC) ;
Vector3 v2 = AB.Cross(AP) ;
// v1 and v2 should point to the same direction
return v1.Dot(v2) >= 0 ;
}
// Same side method// Determine whether point P in triangle ABC
bool PointinTriangle1(Vector3 A, Vector3 B, Vector3 C, Vector3 P)
{
return SameSide(A, B, C, P) &&
SameSide(B, C, A, P) &&
SameSide(C, A, B, P) ;
}上面这个方法简单易懂,速度也快,下面这个方法速度更快,只是稍微多了一点数学而已
三角形的三个点在同一个平面上,如果选中其中一个点,其他两个点不过是相对该点的位移而已,比如选择点A作为起点,那么点B相当于在AB方向移动一段距离得到,而点C相当于在AC方向移动一段距离得到。

所以对于平面内任意一点,都可以由如下方程来表示
P = A + u * (C – A) + v * (B - A) // 方程1
如果系数u或v为负值,那么相当于朝相反的方向移动,即BA或CA方向。那么如果想让P位于三角形ABC内部,u和v必须满足什么条件呢?有如下三个条件
u >= 0
v >= 0
u + v <= 1
几个边界情况,当u = 0且v = 0时,就是点A,当u = 0,v = 1时,就是点B,而当u = 1, v = 0时,就是点C
整理方程1得到P – A = u(C - A) + v(B - A)
令v0 = C – A, v1 = B – A, v2 = P – A,则v2 = u * v0 + v * v1,现在是一个方程,两个未知数,无法解出u和v,将等式两边分别点乘v0和v1的到两个等式
(v2) • v0 = (u * v0 + v * v1) • v0
(v2) • v1 = (u * v0 + v * v1) • v1
注意到这里u和v是数,而v0,v1和v2是向量,所以可以将点积展开得到下面的式子。
v2 • v0 = u * (v0 • v0) + v * (v1 • v0) // 式1
v2 • v1 = u * (v0 • v1) + v * (v1• v1) // 式2
解这个方程得到
u = ((v1•v1)(v2•v0)-(v1•v0)(v2•v1)) / ((v0•v0)(v1•v1) - (v0•v1)(v1•v0))
v = ((v0•v0)(v2•v1)-(v0•v1)(v2•v0)) / ((v0•v0)(v1•v1) - (v0•v1)(v1•v0))
是时候上代码了,这段代码同样用到上面的Vector3类
// Determine whether point P in triangle ABC
bool PointinTriangle(Vector3 A, Vector3 B, Vector3 C, Vector3 P)
{
Vector3 v0 = C - A ;
Vector3 v1 = B - A ;
Vector3 v2 = P - A ;
float dot00 = v0.Dot(v0) ;
float dot01 = v0.Dot(v1) ;
float dot02 = v0.Dot(v2) ;
float dot11 = v1.Dot(v1) ;
float dot12 = v1.Dot(v2) ;
float inverDeno = 1 / (dot00 * dot11 - dot01 * dot01) ;
float u = (dot11 * dot02 - dot01 * dot12) * inverDeno ;
if (u < 0 || u > 1) // if u out of range, return directly
{
return false ;
}
float v = (dot00 * dot12 - dot01 * dot02) * inverDeno ;
if (v < 0 || v > 1) // if v out of range, return directly
{
return false ;
}
return u + v <= 1 ;
}intersectRaySphere 算法用于计算射线与球体的交点。以下是该算法的详细解释:
这个算法首先通过向量计算和点积操作,判断射线是否与球体相交,并计算出射线与球体的交点(如果存在)。通过这样的操作,可以在3D场景中实现从屏幕坐标到世界坐标的射线投射,并确定射线与地球模型的交点。
rayOrigin: 射线的起点(世界坐标)。rayDirection: 射线的方向(已归一化)。sphereCenter: 球体的中心(世界坐标)。sphereRadius: 球体的半径。intersectionPoint: 交点(如果存在)。intersectionPoint: 交点坐标(如果有交点)。向量 L:
计算从射线起点到球体中心的向量 L。
glm::vec3 L = sphereCenter - rayOrigin;投影 tca:
计算 L 在射线方向上的投影长度 tca,即 L 在射线方向 rayDirection 上的投影。
float tca = glm::dot(L, rayDirection);tca 小于 0,说明球体在射线的后面,不会有交点。if (tca < 0) return false;距离 d2:
计算 L 的长度平方减去 tca 的平方,得到球体中心到射线的最短距离的平方 d2。
float d2 = glm::dot(L, L) - tca * tca;球体半径平方 radius2:
计算球体半径的平方 radius2。
float radius2 = sphereRadius * sphereRadius;检查 d2 与 radius2:
d2 大于 radius2,说明射线与球体没有相交,因为射线与球体的最短距离大于球体半径。if (d2 > radius2) return false;计算 thc:
计算 thc,即射线与球体相交点到 tca 的距离。
float thc = sqrt(radius2 - d2);计算交点 t0 和 t1:
计算射线与球体相交点的参数 t0 和 t1。
float t0 = tca - thc;
float t1 = tca + thc;调整 t0 和 t1:
t0 大于 t1,交换它们。if (t0 > t1) std::swap(t0, t1);检查 t0 和 t1:
t0 小于 0,说明 t0 在射线起点的后方,使用 t1。t1 也小于 0,说明交点都在射线起点的后方,射线与球体不相交。if (t0 < 0) {
t0 = t1;
if (t0 < 0) return false;
}计算交点:
使用 t0 计算射线与球体的交点 intersectionPoint。
cpp intersectionPoint = rayOrigin + t0 * rayDirection;
#include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>
#include <glm/gtc/type_ptr.hpp>
#include <glm/gtx/intersect.hpp>
#include <glm/gtx/transform.hpp>
#include <iostream>
// 检查射线与球体的交点
bool intersectRaySphere(
const glm::vec3& rayOrigin,
const glm::vec3& rayDirection,
const glm::vec3& sphereCenter,
float sphereRadius,
glm::vec3& intersectionPoint)
{
float t0, t1; // 解
glm::vec3 L = sphereCenter - rayOrigin;
float tca = glm::dot(L, rayDirection);
if (tca < 0) return false;
float d2 = glm::dot(L, L) - tca * tca;
float radius2 = sphereRadius * sphereRadius;
if (d2 > radius2) return false;
float thc = sqrt(radius2 - d2);
t0 = tca - thc;
t1 = tca + thc;
if (t0 > t1) std::swap(t0, t1);
if (t0 < 0) {
t0 = t1; // 如果 t0 是负数,则使用 t1
if (t0 < 0) return false; // 如果 t1 也小于零,则射线在球体之后
}
intersectionPoint = rayOrigin + t0 * rayDirection;
return true;
}
int main() {
// 示例参数
glm::vec3 rayOrigin(0.0f, 0.0f, 5.0f);
glm::vec3 rayDirection(0.0f, 0.0f, -1.0f);
glm::vec3 sphereCenter(0.0f, 0.0f, 0.0f);
float sphereRadius = 1.0f;
// 检查射线与球体的交点
glm::vec3 intersectionPoint;
if (intersectRaySphere(rayOrigin, rayDirection, sphereCenter, sphereRadius, intersectionPoint)) {
std::cout << "Intersection Point: " << glm::to_string(intersectionPoint) << std::endl;
} else {
std::cout << "No intersection" << std::endl;
}
return 0;
}glm中也有射线和球的相交计算,函数名字为intersectRaySphere。