空间直线与球面相交算法
目录
1. 原理推导
1.1. 直线公式
在严格的数学定义中，直线是无线延长，没有端点的线；射线是一端有端点，另外一段没有端点无线延长的线。但在具体的计算机几何实现中，不可能去找到这种无线延长，没有端点的线，所以这里直线的定义更加近于线段，如果线段选的够长，那么这个线段就可以认为是直线或者射线。
空间直线的数学定义是，已知直线L上一点M0(x0,y0,c0)，以及直线L的方向向量s(m,n,p)，那么空间直线L的方程为：
x−x0m=y−y0n=z−z0p
以上是空间直线的标准式方程（点向式方程）。令上面式子的比值为t，那么直线的参数式方程为：
{x=x0+m∗ty=y0+n∗tz=z0+p∗t
这两个方程是无法直接在实际情况中使用的，毕竟很多时候都是直接给出经过直线的两个点。我在《已知线段上某点与起点的距离，求该点的坐标》这篇博文中论述过:
对于知道线段的起点O和终点E，显然方向向量为D=E−O。这时，根据射线的向量方程，线段上某一点P为
P=O+tD
很明显，直线的参数式方程与上篇博文中描述的其实是一个意思，起点O就是M0(x0,y0,c0)，方向向量D就是s(m,n,p)：
{x=Ox+Dx∗ty=Oy+Dy∗tz=Oz+Dz∗t
并且，采取这种公式描述还有个好处，局势t的取值范围为0到1，否则就在直线的两个端点之外，也就很有可能不是你需要的点。
1.2. 求交
根据数学定义，已知球心坐标C(Cx,Cy,Cz)与球的半径R，球面的公式为：
(X−Cx)2+(Y−Cy)2+(Z−Cz)2=R2
联立(1)(2)两式，最终会得到一个关于t的一元二次方程：
(Ox+Dx∗t−Cx)2+(Oy+Dy∗t−Cy)2+(Oz+Dz∗t−Cz)2=R2
一元二次方程组的有无解，单个解，以及双解三种可能，这也符合空间直线与球面相交的直观认识，要么相切有一个交点，要么相交有两个交点，否则的话可能没有交点。
得到t后，将其带入到(1)式中，就得到想要的交点。不过注意t的范围一般是0到1，这是与直线给的起点位置与终点位置有关的。
推到这里就会发现原来全部都是高中数学知识，应该还做过题目来着。
2. 具体实现
具体的C++实现如下：
#include <iostream> #include <string> #include <vector> using namespace std; const double EPSILON = 0.0000000001; // 3D vector struct Vector3d { public: Vector3d() { } ~Vector3d() { } Vector3d(double dx, double dy, double dz) { x = dx; y = dy; z = dz; } // 矢量赋值 void set(double dx, double dy, double dz) { x = dx; y = dy; z = dz; } // 矢量相加 Vector3d operator + (const Vector3d& v) const { return Vector3d(x + v.x, y + v.y, z + v.z); } // 矢量相减 Vector3d operator - (const Vector3d& v) const { return Vector3d(x - v.x, y - v.y, z - v.z); } //矢量数乘 Vector3d Scalar(double c) const { return Vector3d(c*x, c*y, c*z); } // 矢量点积 double Dot(const Vector3d& v) const { return x * v.x + y * v.y + z * v.z; } // 矢量叉积 Vector3d Cross(const Vector3d& v) const { return Vector3d(y * v.z - z * v.y, z * v.x - x * v.z, x * v.y - y * v.x); } bool operator == (const Vector3d& v) const { if (abs(x - v.x) < EPSILON && abs(y - v.y) < EPSILON && abs(z - v.z) < EPSILON) { return true; } return false; } double x, y, z; }; //求解一元二次方程组ax*x + b*x + c = 0 void SolvingQuadratics(double a, double b, double c, vector<double>& t) { double delta = b * b - 4 * a * c; if (delta < 0) { return; } if (abs(delta) < EPSILON) { t.push_back(-b / (2 * a)); } else { t.push_back((-b + sqrt(delta)) / (2 * a)); t.push_back((-b - sqrt(delta)) / (2 * a)); } } void LineIntersectSphere(Vector3d& O, Vector3d& E, Vector3d& Center, double R, vector<Vector3d>& points) { Vector3d D = E - O; //线段方向向量 double a = (D.x * D.x) + (D.y * D.y) + (D.z * D.z); double b = (2 * D.x * (O.x - Center.x) + 2 * D.y * (O.y - Center.y) + 2 * D.z* (O.z - Center.z)); double c = ((O.x - Center.x)*(O.x - Center.x) + (O.y - Center.y) * (O.y - Center.y) + (O.z - Center.z) * (O.z - Center.z)) - R * R; vector<double> t; SolvingQuadratics(a, b, c, t); for (auto it : t) { if (it >= 0 && it <= 1) { points.push_back(O + D.Scalar(it)); } } } int main() { Vector3d O(20, 30, 40); Vector3d E(20, 20, 20); Vector3d Center(20, 20, 20); double R = 15; vector<Vector3d> points; LineIntersectSphere(O, E, Center, R, points); cout<<"该直线(线段)与球面有"<< points.size() <<"个交点"<<endl; for (auto it : points) { printf("%lf\t%lf\t%lf\n", it.x, it.y, it.z); } }
最终运行的结果:
再次注意，我这里是把线段当成直线判断的，如果希望判断整个直线与球面的交点，应该略去最后的关于t是否在0到1之间的判断，此时应该会有两个交点。
3. 参考
分类: 计算几何
