如何判斷一點在三角形內

2021-08-26 16:57:35 字數 2751 閱讀 3776

假定在右手座標系中的三角形3點座標為a,b,c,判斷p是否在abc之內

( 主要來自 3d引擎研發(38224573 )的各位朋友的討論 ,我僅僅算做個總結吧,特別感謝各位朋友的熱情支援。 )

方法1:三個perplane的方法

設ab,bc,ac邊上的垂直平面為perplane[3],垂直朝向內側的法向為n[3]

1)先根據任意兩邊叉出法向n

n = ab.crossproduct(ac);

n.normalize();

d = a.dotproduct( n );

2)如果p在三角形所在平面之外,可直接判定不在平面之內( 假定方程為 ax+by+cz+d = 0 )

if( p.dotproduct( n )+ d > 0 ) return false;

3)然後法向和各邊叉出垂直平面的法向

n[0] = n.crossproduct(ab); //朝向內側

n[0].normalize();

perplane[0].dist = a.dotproduct(n[0]);

perplane[0].normal = n[0];

同樣方法求得perplane[1],perlane[2];

3)因為三個perplane都朝向三角形內側,p在三角形內的條件是同時在三個perplane前面;如果給定點p在任意乙個垂直平面之後,那麼可判定p在三角形外部

for( int i = 0;i<3;j++ )

if( p.dotproduct( perplane[i].normal ) + perplane[i].dist < 0 )

return false;

return true;//如果p沒有在任意一條邊的外面,可判斷定在三角形之內,當然包括在邊上的情況

方法2:三個部分面積與總面積相等的方法

s(pab) + s(pac) + s( pbc) = s(abc) 則判定在三角形之內

用向量代數方法計算三角形的面積為

s = 1/2*|a|*|b|*sin(theta)

= 1/2*|a|*|b|*sqrt(1-cos^2(theta))

= 1/2*|a|*|b|*sqrt(1- (a.dotproduct(b)/(|a|*|b|))^2);

另一種計算面積的方法是 s = 1/2*|a.crossproduct(b)|

比較一下,發現後者的精確度和效率都高於前者,因為前者需要開方和求向量長度,向量長度相當於一次點乘,三個點乘加乙個開方,顯然不如

後者一次叉乘加一次向量長度(注,一次叉乘計算相當於2次點乘,一次向量長度計算相當於一次點乘),後者又對又快。

s(abc) = ab.crossproduct(ac);//*0.5;

s(pab) = pa.crossproduct(pb);//*0.5;

s(pbc) = pb.crossproduct(pc);//*0.5;

s(pac) = pc.crossproduct(pa);//*0.5;

if( s(pab) + s(pbc) + s(pac) == s(abc) )

return true;

return false;

另一種計算三角形面積的向量方法是 1/2*a.crossprodcuct(b) ,crossproduct = ( y1*z2 - y2*z1 , x1*z2 - x2*z1, x1*y2 - x2*z1 )

可以看到crossproduct 的計算要比dotproduct多3個乘法計算,效率沒有上面的方法高

方法3:三個向量歸一化後相加為0

這個方法很怪異,發現自下面的乙個回帖

如上圖三角形abc,p為ab外側一點,n1,n2,n3 分別為bp,ap,cp的歸一化向量;nm為n1,n2夾角的角平分線

可以看出角a-p-b是三角形內角,必然小於180度,那麼角n1-p-n2等於a-p-b;nm是n1-p-n2的角平分線,那麼角b-p-n等於角n-p-a,而cpn必然小於其中乙個,

即小於180/2 = 90度。結論是角n1,n2的合向量方向與n3的夾角為銳角。所以n1,n2,n3的合向量模大於1.

這裡注意,n3不一定在n1,n2之間,不能假定n2-p-n3 和n3-p-n1這兩個角一定是銳角

同樣可以推導出如果p在三角形內,n1+n2+n3必然小於0;若n1+n2+n3 = 0則p在三角形的邊上。

有沒有更簡單的推導方法?

這個方法看起來很精巧,但是善於優化的朋友會立刻發現,三個向量歸一化,需要三個開方。迭代式開方太慢了,而快速開方有的時候又不滿足精度要求。

方法4:重心座標之和為1

barycenter = ( s(pab)/s(pabc),s(pbc)/s(pabc),s(pac)/s(pabc)) //點p在三角形內的重心座標

if( barycenter.x + barycenter.y + barycenter.z >0.f )

return false

return true;

其中s(pab),s(abc),s(pbc),s(pbc)用上述的方法二種提到的計算三角形面積方法計算。

綜合比較

方法1必須求叉乘,雖然可以通過首先排除不在平面內的點,但是後面仍要求三個叉乘和3個點乘(當然還可排除法優化)

方法2看起來之需要求4個點乘,如果用叉乘方法計算面積,可能會導致效率低下

方法3是看起來是最精巧的方法,但是效率也不能保證...3個開方

方法4和方法2的效率差不多

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