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C++實現常用的平面計算幾何問題求解

編輯:關於C++

通過封裝常用的點、線段類型,並提供點、線間的相互關系運算,為計算幾何工具庫的編寫提供基礎框架。

代碼如下:(代碼正確性仍需測試,謹慎使用)

 

//參考
//www.2cto.com
//www.2cto.com

/*
toolbox: Geometry algorithm toolbox
author: alaclp
email: [email protected]
publish date: 2015-1-16
*/
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

//預定義
#define Min(x, y) ((x) < (y) ? (x) : (y))
#define Max(x, y) ((x) > (y) ? (x) : (y))

//點對象
typedef struct Point {
	double x, y;
	//構造函數
	Point(double x, double y) : x(x), y(y) {}
	//無參數時的構造函數
	Point() : x(0), y(0) {}
	//取得到點pt的距離
	double distance(const Point& pt) {
		return sqrt( (x - pt.x) * (x - pt.x) + (y - pt.y) * (y - pt.y));
	}
	//判斷兩點是否同一個點
	bool equal(const Point& pt) {
		return ((x - pt.x) == 0) && (y - pt.y == 0);
	}
} Point;

//線段對象
typedef struct PartLine {
	Point pa, pb;
	double length;
	
	PartLine() {
		length = 0;
	}
	
	//構造函數
	PartLine(Point pa, Point pb) : pa(pa), pb(pb) {
		length = sqrt((pa.x - pb.x) * (pa.x - pb.x) + (pa.y - pb.y) * (pa.y - pb.y));
	}
	
	void assign(const PartLine& pl) {
		pa = pl.pa;
		pb = pl.pb;
		length = pl.length;
	}
	
	//利用叉積計算點到線段的垂直距離
	//注意:此結果距離有正負之分
	//若pc點在線段的逆時針方向,則距離為正;否則,距離為副值
	double getDistantToPoint(Point pc) {
		double area = crossProd(pc) / 2;
		return area * 2 / length;
		/* 利用海倫公式計算
		PartLine pl1(this->pa, pc), pl2(this->pb, pc);
		double l1 = this->length, l2 = pl1.length, l3 = pl2.length;
		double s = (l1 + l2 + l3) / 2;	 //海倫公式
		double area = sqrt(s * (s - l1) * (s - l2) * (s - l3));
		return area * 2 / l1;
		*/
	}
	
	//向量的叉積 
	/* 計算向量的叉積(ABxAC A(x1,y1) B(x2,y2) C(x3,y3))是計算行列式 
	| x1-x0 y1-y0 | 
	| x2-x0 y2-y0 | 
	的結果(向量的叉積 AB X AC) 
	*/
	//計算AB與AC的叉積---叉積的絕對值是兩向量所構成平行四邊形的面積
	double crossProd(Point& pc) {
		//計算ab X ac
		return (pb.x - pa.x) * (pc.y - pa.y) - (pb.y - pa.y) * (pc.x - pa.x);
	}
	
	//判斷兩線段是否相交
	bool isIntersected(PartLine& pl) {
		double d1, d2, d3, d4, d5, d6;
		d1 = pl.crossProd(pb);
		d2 = pl.crossProd(pa);
		d3 = crossProd(pl.pa);
		d4 = crossProd(pl.pb);
		d5 = crossProd(pl.pa);
		d6 = crossProd(pl.pb);
		//printf(%f %f %f %f %f %f
, d1, d2, d3, d4, d5, d6);
		bool cond1 = d1 * d2 <= 0,	 				//pb和pa在pl的兩側或線段或線段的延長線上
			 cond2 = d3 * d4 <= 0,	 				//pl.pa和pl.pb在this的兩側或線段或線段的延長線上
			 cond3 = d5 != 0,											//pl.pa不在線段和延長線上
			 cond4 = d6 != 0;											//pl.pb不在線段和延長線上
		return cond1 && cond2 && cond3 && cond4;
	}
	
	//判斷兩線段是否平行
	bool isParallel(PartLine& pl) {
		double v1 = crossProd(pl.pa),
				 v2 = crossProd(pl.pb);
		return (v1 == v2) && (v1 != 0);
	}
	
	//沿pa點旋轉theta
	PartLine rotateA(double theta) {
		float nx = pa.x +(pb.x - pa.x) * cos(theta) - (pb.y - pa.y) * sin(theta),
			  ny = pa.y + (pb.x - pa.x) * sin(theta) + (pb.y - pa.y) * cos(theta);
		return PartLine(pa, Point(nx, ny));
	}
	
	//沿pb點旋轉theta
	PartLine rotateB(double theta) {
		float nx = pb.x +(pa.x - pb.x) * cos(theta) - (pa.y - pb.y) * sin(theta),
			  ny = pb.y + (pa.x - pb.x) * sin(theta) + (pa.y - pb.y) * cos(theta);
		return PartLine(Point(nx, ny), pb);
	}
	
	//判斷兩線段是否重疊或共線
	bool inSameLine(PartLine& pl) {
		double v1 = crossProd(pl.pa), v2 = crossProd(pl.pb);
		if (v1 != v2) return false;
		if (v1 != 0) return false;
		return true;
	}
	
	//取得兩線段的相交點---如果不相交返回valid=false
	//如果多個交點,給出警告
	Point getCrossPoint(PartLine& pl, bool& valid) {
		valid = false;
		if (!isIntersected(pl)) {  //不相交
			return Point();
		}
		if ( inSameLine(pl) ) {  //有交點且共線
		  if ( pa.equal(pl.pa) ) { valid = true; return pa; }
  		  if ( pa.equal(pl.pb) ) { valid = true; return pa; }
		  if ( pb.equal(pl.pa) ) { valid = true; return pb; }
  		  if ( pb.equal(pl.pb) ) { valid = true; return pb; }
  		  //多個焦點
  		  cout << 錯誤:計算交點結果數量為無窮 << endl;
  		  valid = false;
  		  return Point();
		}
		//相交
		Point pt1, pt2, pt3, result;
		pt1 = pa;
		pt2 = pb;
		pt3.x = (pt1.x + pt2.x) / 2;
		pt3.y = (pt1.y + pt2.y) / 2;
		double L1 = pl.crossProd(pt1), L2 = pl.crossProd(pt2), L3 = pl.crossProd(pt3);	
		printf(%f %f %f=%f
, L1, L2, L3, L1 + L2);	
		while(fabs(L1) > 1e-7 || fabs(L2) > 1e-7) {
			valid = true;
			if (fabs(L1) < fabs(L2)) 
				pt2 = pt3;
			else 
				pt1 = pt3;
			pt3.x = (pt1.x + pt2.x) / 2;
			pt3.y = (pt1.y + pt2.y) / 2;
			result = pt3;
			L1 = pl.crossProd(pt1), L2 = pl.crossProd(pt2), L3 = pl.crossProd(pt3);
			printf(%f %f %f=%f
, L1, L2, L3, L1 - L2);
		}
		return pt3;
	}
	
	//取得線段上離pt最近的點
	Point getNearestPointToPoint(Point& pt) {
		Point pt1, pt2, pt3, result;
		pt1 = pa;
		pt2 = pb;
		pt3.x = (pt1.x + pt2.x) / 2;
		pt3.y = (pt1.y + pt2.y) / 2;
		double L1 = pt1.distance(pt), L2 = pt2.distance(pt), L3 = pt3.distance(pt); 
		if (L1 == L2) return pt3;
		while(fabs(L1 - L2) > 1e-7) {
			if (L1 < L2) 
				pt2 = pt3;
			else 
				pt1 = pt3;
			pt3.x = (pt1.x + pt2.x) / 2;
			pt3.y = (pt1.y + pt2.y) / 2;
			result = pt3;
			L1 = pt1.distance(pt);
			L2 = pt2.distance(pt);
			L3 = pt3.distance(pt); 
			//printf(%f %f %f=%f
, L1, L2, L3, L1 - L2);
		}
		return result;
	}
	
	//取得一個點在線段上的鏡像點
	Point getMirrorPoint(Point& pc) {
	}
	
} PartLine;

int main(void) 
{ 
	Point p1(0, 0), p2(1, 1), p3(0, 1.1), p4(0.5, 0.5+1e-10), p5(0.5, 0.5-1e-10), np;
	PartLine pl1(p1, p2), pl2(p3, p4), pl3(p3, p5);
	cout << pl1.getDistantToPoint(p3) << endl;
	cout << 線段1和2相交? << pl1.isIntersected(pl2) << endl;
	np = pl1.getNearestPointToPoint(p5);
	cout << 最近點: << np.x << ,  << np.y << endl;
	bool isvalid;
	np = pl1.getCrossPoint(pl3, isvalid);
	cout << 兩線段的相交點: << (isvalid ? 有效:無效) << = << np.x << ,  << np.y << endl;
	PartLine plx = pl1.rotateA(M_PI / 2);
	printf(旋轉90度後:%f %f %f %f
, plx.pa.x, plx.pa.y, plx.pb.x, plx.pb.y);
	return 0; 
}


 

 

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