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判断点是否在三角形内

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

一、内角和法

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。

image.png

二、同向法

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。
image.png

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) ;  
}

三、重心法

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。

image.png

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 ;  
}

相交检测

射线与球体的交点

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:

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。

输入参数

输出参数

算法步骤

  1. 向量 L:
    计算从射线起点到球体中心的向量 L

    glm::vec3 L = sphereCenter - rayOrigin;
  2. 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);
    • 如果 tca 小于 0,说明球体在射线的后面,不会有交点。
    if (tca < 0) return false;
  3. 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;
  4. 球体半径平方 radius2:
    计算球体半径的平方 radius2

    float radius2 = sphereRadius * sphereRadius;
  5. 检查 d2 与 radius2:

    • 如果 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;
  6. 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);
  7. 计算交点 t0 和 t1:
    计算射线与球体相交点的参数 t0t1

    float t0 = tca - thc;
    float t1 = tca + thc;
  8. 调整 t0 和 t1:

    • 如果 t0 大于 t1,交换它们。
    if (t0 > t1) std::swap(t0, t1);
  9. 检查 t0 和 t1:

    • 如果 t0 小于 0,说明 t0 在射线起点的后方,使用 t1
    • 如果 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;
    }
  10. 计算交点:
    使用 t0 计算射线与球体的交点 intersectionPoint
    cpp intersectionPoint = rayOrigin + t0 * rayDirection;

完整代码

#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