圆线段碰撞检测算法?

2024-02-06

我有一条从 A 到 B 的线和一个位于 C 处、半径为 R 的圆。

有什么好的算法可以用来检查直线是否与圆相交?它发生在沿着圆边缘的什么坐标处?


Taking

  1. E是射线的起点,
  2. L是射线的终点,
  3. C是您要测试的球体中心
  4. r是该球体的半径

Compute:
d= L - E(射线的方向向量,从起点到终点)
f= E - C(从中心球到射线起点的矢量)

Then the intersection is found by..
Plugging:
P = E + t * d
This is a parametric equation:
Px = Ex + tdx
Py = Ey + tdy
into
(x - h)2 + (y - k)2 = r2
(h,k) = center of circle.

注意:我们在这里将问题简化为 2D,我们得到的解决方案也适用于 3D

to get:

  1. Expand x2 - 2xh + h2 + y2 - 2yk + k2 - r2 = 0
  2. Plug x = ex + tdx
    y = ey + tdy
    ( ex + tdx )2 - 2( ex + tdx )h + h2 + ( ey + tdy )2 - 2( ey + tdy )k + k2 - r2 = 0
  3. Explode ex2 + 2extdx + t2dx2 - 2exh - 2tdxh + h2 + ey2 + 2eytdy + t2dy2 - 2eyk - 2tdyk + k2 - r2 = 0
  4. Group t2( dx2 + dy2 ) + 2t( exdx + eydy - dxh - dyk ) + ex2 + ey2 - 2exh - 2eyk + h2 + k2 - r2 = 0
  5. Finally, t2( d · d ) + 2t( e · d - d · c ) + e · e - 2( e · c ) + c · c - r2 = 0
    Where d is the vector d and · is the dot product.
  6. And then, t2( d · d ) + 2t( d · ( e - c ) ) + ( e - c ) · ( e - c ) - r2 = 0
  7. Letting f = e - c t2( d · d ) + 2t( d · f ) + f · f - r2 = 0

So we get:
t2 * (d · d) + 2t*( f · d ) + ( f · f - r2 ) = 0

因此求解二次方程:

float a = d.Dot( d ) ;
float b = 2*f.Dot( d ) ;
float c = f.Dot( f ) - r*r ;

float discriminant = b*b-4*a*c;
if( discriminant < 0 )
{
  // no intersection
}
else
{
  // ray didn't totally miss sphere,
  // so there is a solution to
  // the equation.
  
  discriminant = sqrt( discriminant );

  // either solution may be on or off the ray so need to test both
  // t1 is always the smaller value, because BOTH discriminant and
  // a are nonnegative.
  float t1 = (-b - discriminant)/(2*a);
  float t2 = (-b + discriminant)/(2*a);

  // 3x HIT cases:
  //          -o->             --|-->  |            |  --|->
  // Impale(t1 hit,t2 hit), Poke(t1 hit,t2>1), ExitWound(t1<0, t2 hit), 

  // 3x MISS cases:
  //       ->  o                     o ->              | -> |
  // FallShort (t1>1,t2>1), Past (t1<0,t2<0), CompletelyInside(t1<0, t2>1)
  
  if( t1 >= 0 && t1 <= 1 )
  {
    // t1 is the intersection, and it's closer than t2
    // (since t1 uses -b - discriminant)
    // Impale, Poke
    return true ;
  }

  // here t1 didn't intersect so we are either started
  // inside the sphere or completely past it
  if( t2 >= 0 && t2 <= 1 )
  {
    // ExitWound
    return true ;
  }
  
  // no intn: FallShort, Past, CompletelyInside
  return false ;
}
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