Наименьшее расстояние между двумя отрезками - PullRequest
15 голосов
/ 13 мая 2010

Мне нужна функция, чтобы найти кратчайшее расстояние между двумя отрезками. Сегмент линии определяется двумя конечными точками. Так, например, один из моих отрезков (AB) будет определен двумя точками A (x1, y1) и B (x2, y2), а другой (CD) будет определен двумя точками C (x1, y1) и D (x2, y2).

Не стесняйтесь писать решение на любом языке, который вы хотите, и я могу перевести его на javascript. Пожалуйста, имейте в виду, что мои навыки геометрии довольно ржавые. Я уже видел здесь , и я не уверен, как перевести это в функцию. Большое спасибо за помощь.

Ответы [ 8 ]

19 голосов
/ 25 сентября 2013

Это моё решение в python. Работает с 3D точками, и вы можете упростить для 2d.

[РЕДАКТИРОВАТЬ 1] Я добавил опцию зажима, если вы хотите ограничить результаты для отрезков

[ПРАВКА 2] Как Д.А. указал, потому что две линии параллельны, не означает, что они не могут иметь расстояние между ними. Поэтому я отредактировал код, чтобы справиться с этой ситуацией. Я также сделал условия зажима более общими, чтобы каждый сегмент можно было зажимать с любой стороны.

[РЕДАКТИРОВАТЬ 3] Исправлена ​​ошибка, на которую указал Джутар, которая может возникнуть, когда обе линии имеют фиксированные условия и прогнозируемые результаты выходят за пределы отрезков.

import numpy as np

def closestDistanceBetweenLines(a0,a1,b0,b1,clampAll=False,clampA0=False,clampA1=False,clampB0=False,clampB1=False):

    ''' Given two lines defined by numpy.array pairs (a0,a1,b0,b1)
        Return the closest points on each segment and their distance
    '''

    # If clampAll=True, set all clamps to True
    if clampAll:
        clampA0=True
        clampA1=True
        clampB0=True
        clampB1=True


    # Calculate denomitator
    A = a1 - a0
    B = b1 - b0
    magA = np.linalg.norm(A)
    magB = np.linalg.norm(B)

    _A = A / magA
    _B = B / magB

    cross = np.cross(_A, _B);
    denom = np.linalg.norm(cross)**2


    # If lines are parallel (denom=0) test if lines overlap.
    # If they don't overlap then there is a closest point solution.
    # If they do overlap, there are infinite closest positions, but there is a closest distance
    if not denom:
        d0 = np.dot(_A,(b0-a0))

        # Overlap only possible with clamping
        if clampA0 or clampA1 or clampB0 or clampB1:
            d1 = np.dot(_A,(b1-a0))

            # Is segment B before A?
            if d0 <= 0 >= d1:
                if clampA0 and clampB1:
                    if np.absolute(d0) < np.absolute(d1):
                        return a0,b0,np.linalg.norm(a0-b0)
                    return a0,b1,np.linalg.norm(a0-b1)


            # Is segment B after A?
            elif d0 >= magA <= d1:
                if clampA1 and clampB0:
                    if np.absolute(d0) < np.absolute(d1):
                        return a1,b0,np.linalg.norm(a1-b0)
                    return a1,b1,np.linalg.norm(a1-b1)


        # Segments overlap, return distance between parallel segments
        return None,None,np.linalg.norm(((d0*_A)+a0)-b0)



    # Lines criss-cross: Calculate the projected closest points
    t = (b0 - a0);
    detA = np.linalg.det([t, _B, cross])
    detB = np.linalg.det([t, _A, cross])

    t0 = detA/denom;
    t1 = detB/denom;

    pA = a0 + (_A * t0) # Projected closest point on segment A
    pB = b0 + (_B * t1) # Projected closest point on segment B


    # Clamp projections
    if clampA0 or clampA1 or clampB0 or clampB1:
        if clampA0 and t0 < 0:
            pA = a0
        elif clampA1 and t0 > magA:
            pA = a1

        if clampB0 and t1 < 0:
            pB = b0
        elif clampB1 and t1 > magB:
            pB = b1

        # Clamp projection A
        if (clampA0 and t0 < 0) or (clampA1 and t0 > magA):
            dot = np.dot(_B,(pA-b0))
            if clampB0 and dot < 0:
                dot = 0
            elif clampB1 and dot > magB:
                dot = magB
            pB = b0 + (_B * dot)

        # Clamp projection B
        if (clampB0 and t1 < 0) or (clampB1 and t1 > magB):
            dot = np.dot(_A,(pB-a0))
            if clampA0 and dot < 0:
                dot = 0
            elif clampA1 and dot > magA:
                dot = magA
            pA = a0 + (_A * dot)


    return pA,pB,np.linalg.norm(pA-pB)

Тестовый пример с картинками для визуализации:)

a1=np.array([13.43, 21.77, 46.81])
a0=np.array([27.83, 31.74, -26.60])
b0=np.array([77.54, 7.53, 6.22])
b1=np.array([26.99, 12.39, 11.18])

closestDistanceBetweenLines(a0,a1,b0,b1,clampAll=True)
# Result: (15.826771412132246, array([ 19.85163563,  26.21609078,  14.07303667]), array([ 26.99,  12.39,  11.18])) # 
closestDistanceBetweenLines(a0,a1,b0,b1,clampAll=False)
# Result: (13.240709703623203, array([ 19.85163563,  26.21609078,  14.07303667]), array([ 18.40058604,  13.21580716,  12.02279907])) # 

Closest point between two lines Closest point between two lines segments

9 голосов
/ 13 мая 2010

Взято из этого примера , который также содержит простое объяснение того, почему он работает так же, как и код VB (который делает больше, чем вам нужно, поэтому я упростил, когда перевел на Python - примечание: я перевел, но не проверял, поэтому опечатка могла проскользнуть мимо ...):

def segments_distance(x11, y11, x12, y12, x21, y21, x22, y22):
  """ distance between two segments in the plane:
      one segment is (x11, y11) to (x12, y12)
      the other is   (x21, y21) to (x22, y22)
  """
  if segments_intersect(x11, y11, x12, y12, x21, y21, x22, y22): return 0
  # try each of the 4 vertices w/the other segment
  distances = []
  distances.append(point_segment_distance(x11, y11, x21, y21, x22, y22))
  distances.append(point_segment_distance(x12, y12, x21, y21, x22, y22))
  distances.append(point_segment_distance(x21, y21, x11, y11, x12, y12))
  distances.append(point_segment_distance(x22, y22, x11, y11, x12, y12))
  return min(distances)

def segments_intersect(x11, y11, x12, y12, x21, y21, x22, y22):
  """ whether two segments in the plane intersect:
      one segment is (x11, y11) to (x12, y12)
      the other is   (x21, y21) to (x22, y22)
  """
  dx1 = x12 - x11
  dy1 = y12 - y11
  dx2 = x22 - x21
  dy2 = y22 - y21
  delta = dx2 * dy1 - dy2 * dx1
  if delta == 0: return False  # parallel segments
  s = (dx1 * (y21 - y11) + dy1 * (x11 - x21)) / delta
  t = (dx2 * (y11 - y21) + dy2 * (x21 - x11)) / (-delta)
  return (0 <= s <= 1) and (0 <= t <= 1)

import math
def point_segment_distance(px, py, x1, y1, x2, y2):
  dx = x2 - x1
  dy = y2 - y1
  if dx == dy == 0:  # the segment's just a point
    return math.hypot(px - x1, py - y1)

  # Calculate the t that minimizes the distance.
  t = ((px - x1) * dx + (py - y1) * dy) / (dx * dx + dy * dy)

  # See if this represents one of the segment's
  # end points or a point in the middle.
  if t < 0:
    dx = px - x1
    dy = py - y1
  elif t > 1:
    dx = px - x2
    dy = py - y2
  else:
    near_x = x1 + t * dx
    near_y = y1 + t * dy
    dx = px - near_x
    dy = py - near_y

  return math.hypot(dx, dy)
7 голосов
/ 13 мая 2010

Это в 2-х измерениях? Если это так, то ответ будет просто кратчайшим из расстояния между точкой A и отрезком CD, B и CD, C и AB или D и AB. Так что это довольно простой расчет «расстояния между точкой и линией» (если расстояния все одинаковые, то линии параллельны).

Этот сайт довольно хорошо объясняет алгоритм расстояния между точкой и линией.

Это немного сложнее в 3 измерениях, потому что линии не обязательно находятся в одной плоскости, но это не так?

1 голос
/ 24 февраля 2015

Мое решение - перевод решения Fnord. Я делаю в JavaScript и C.

В Javascript. Вам нужно включить mathjs .

var closestDistanceBetweenLines = function(a0, a1, b0, b1, clampAll, clampA0, clampA1, clampB0, clampB1){
    //Given two lines defined by numpy.array pairs (a0,a1,b0,b1)
    //Return distance, the two closest points, and their average

    clampA0 = clampA0 || false;
    clampA1 = clampA1 || false;
    clampB0 = clampB0 || false;
    clampB1 = clampB1 || false;
    clampAll = clampAll || false;

    if(clampAll){
        clampA0 = true;
        clampA1 = true;
        clampB0 = true;
        clampB1 = true;
    }

    //Calculate denomitator
    var A = math.subtract(a1, a0);
    var B = math.subtract(b1, b0);
    var _A = math.divide(A, math.norm(A))
    var _B = math.divide(B, math.norm(B))
    var cross = math.cross(_A, _B);
    var denom = math.pow(math.norm(cross), 2);

    //If denominator is 0, lines are parallel: Calculate distance with a projection and evaluate clamp edge cases
    if (denom == 0){
        var d0 = math.dot(_A, math.subtract(b0, a0));
        var d = math.norm(math.subtract(math.add(math.multiply(d0, _A), a0), b0));

        //If clamping: the only time we'll get closest points will be when lines don't overlap at all. Find if segments overlap using dot products.
        if(clampA0 || clampA1 || clampB0 || clampB1){
            var d1 = math.dot(_A, math.subtract(b1, a0));

            //Is segment B before A?
            if(d0 <= 0 && 0 >= d1){
                if(clampA0 == true && clampB1 == true){
                    if(math.absolute(d0) < math.absolute(d1)){
                        return [b0, a0, math.norm(math.subtract(b0, a0))];                       
                    }
                    return [b1, a0, math.norm(math.subtract(b1, a0))];
                }
            }
            //Is segment B after A?
            else if(d0 >= math.norm(A) && math.norm(A) <= d1){
                if(clampA1 == true && clampB0 == true){
                    if(math.absolute(d0) < math.absolute(d1)){
                        return [b0, a1, math.norm(math.subtract(b0, a1))];
                    }
                    return [b1, a1, math.norm(math.subtract(b1,a1))];
                }
            }

        }

        //If clamping is off, or segments overlapped, we have infinite results, just return position.
        return [null, null, d];
    }

    //Lines criss-cross: Calculate the dereminent and return points
    var t = math.subtract(b0, a0);
    var det0 = math.det([t, _B, cross]);
    var det1 = math.det([t, _A, cross]);

    var t0 = math.divide(det0, denom);
    var t1 = math.divide(det1, denom);

    var pA = math.add(a0, math.multiply(_A, t0));
    var pB = math.add(b0, math.multiply(_B, t1));

    //Clamp results to line segments if needed
    if(clampA0 || clampA1 || clampB0 || clampB1){

        if(t0 < 0 && clampA0)
            pA = a0;
        else if(t0 > math.norm(A) && clampA1)
            pA = a1;

        if(t1 < 0 && clampB0)
            pB = b0;
        else if(t1 > math.norm(B) && clampB1)
            pB = b1;

    }

    var d = math.norm(math.subtract(pA, pB))

    return [pA, pB, d];
}
//example
var a1=[13.43, 21.77, 46.81];
var a0=[27.83, 31.74, -26.60];
var b0=[77.54, 7.53, 6.22];
var b1=[26.99, 12.39, 11.18];
closestDistanceBetweenLines(a0,a1,b0,b1,true);

В чистом виде C

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>

double determinante3(double* a, double* v1, double* v2){
    return a[0] * (v1[1] * v2[2] - v1[2] * v2[1]) + a[1] * (v1[2] * v2[0] - v1[0] * v2[2]) + a[2] * (v1[0] * v2[1] - v1[1] * v2[0]);
}

double* cross3(double* v1, double* v2){
    double* v = (double*)malloc(3 * sizeof(double));
    v[0] = v1[1] * v2[2] - v1[2] * v2[1];
    v[1] = v1[2] * v2[0] - v1[0] * v2[2];
    v[2] = v1[0] * v2[1] - v1[1] * v2[0];
    return v;
}

double dot3(double* v1, double* v2){
    return v1[0] * v2[0] + v1[1] * v2[1] + v1[2] * v2[2];
}

double norma3(double* v1){
    double soma = 0;
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        soma += pow(v1[i], 2);
    }
    return sqrt(soma);
}

double* multiplica3(double* v1, double v){
    double* v2 = (double*)malloc(3 * sizeof(double));
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        v2[i] = v1[i] * v;
    }
    return v2;
}

double* soma3(double* v1, double* v2, int sinal){
    double* v = (double*)malloc(3 * sizeof(double));
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        v[i] = v1[i] + sinal * v2[i];
    }
    return v;
}

Result_distance* closestDistanceBetweenLines(double* a0, double* a1, double* b0, double* b1, int clampAll, int clampA0, int clampA1, int clampB0, int clampB1){
    double denom, det0, det1, t0, t1, d;
    double *A, *B, *_A, *_B, *cross, *t, *pA, *pB;
    Result_distance *rd = (Result_distance *)malloc(sizeof(Result_distance));

    if (clampAll){
        clampA0 = 1;
        clampA1 = 1;
        clampB0 = 1;
        clampB1 = 1;
    }

    A = soma3(a1, a0, -1);
    B = soma3(b1, b0, -1);
    _A = multiplica3(A, 1 / norma3(A));
    _B = multiplica3(B, 1 / norma3(B));
    cross = cross3(_A, _B);
    denom = pow(norma3(cross), 2);

    if (denom == 0){
        double d0 = dot3(_A, soma3(b0, a0, -1));
        d = norma3(soma3(soma3(multiplica3(_A, d0), a0, 1), b0, -1));
        if (clampA0 || clampA1 || clampB0 || clampB1){
            double d1 = dot3(_A, soma3(b1, a0, -1));
            if (d0 <= 0 && 0 >= d1){
                if (clampA0 && clampB1){
                    if (abs(d0) < abs(d1)){
                        rd->pA = b0;
                        rd->pB = a0;
                        rd->d = norma3(soma3(b0, a0, -1));
                    }
                    else{
                        rd->pA = b1;
                        rd->pB = a0;
                        rd->d = norma3(soma3(b1, a0, -1));
                    }
                }
            }
            else if (d0 >= norma3(A) && norma3(A) <= d1){
                if (clampA1 && clampB0){
                    if (abs(d0) <abs(d1)){
                        rd->pA = b0;
                        rd->pB = a1;
                        rd->d = norma3(soma3(b0, a1, -1));
                    }
                    else{
                        rd->pA = b1;
                        rd->pB = a1;
                        rd->d = norma3(soma3(b1, a1, -1));
                    }
                }
            }
        }
        else{
            rd->pA = NULL;
            rd->pB = NULL;
            rd->d = d;
        }
    }
    else{
        t = soma3(b0, a0, -1);
        det0 = determinante3(t, _B, cross);
        det1 = determinante3(t, _A, cross);
        t0 = det0 / denom;
        t1 = det1 / denom;
        pA = soma3(a0, multiplica3(_A, t0), 1);
        pB = soma3(b0, multiplica3(_B, t1), 1);

        if (clampA0 || clampA1 || clampB0 || clampB1){
            if (t0 < 0 && clampA0)
                pA = a0;
            else if (t0 > norma3(A) && clampA1)
                pA = a1;
            if (t1 < 0 && clampB0)
                pB = b0;
            else if (t1 > norma3(B) && clampB1)
                pB = b1;
        }

        d = norma3(soma3(pA, pB, -1));

        rd->pA = pA;
        rd->pB = pB;
        rd->d = d;
    }

    free(A);
    free(B);
    free(cross);
    free(t);
    return rd;
}

int main(void){
    //example
    double a1[] = { 13.43, 21.77, 46.81 };
    double a0[] = { 27.83, 31.74, -26.60 };
    double b0[] = { 77.54, 7.53, 6.22 };
    double b1[] = { 26.99, 12.39, 11.18 };

    Result_distance* rd = closestDistanceBetweenLines(a0, a1, b0, b1, 1, 0, 0, 0, 0);
    printf("pA = [%f, %f, %f]\n", rd->pA[0], rd->pA[1], rd->pA[2]);
    printf("pB = [%f, %f, %f]\n", rd->pB[0], rd->pB[1], rd->pB[2]);
    printf("d = %f\n", rd->d);
    return 0;
}
1 голос
/ 16 апреля 2014

Обратите внимание, что приведенные выше решения верны, если предположить, что отрезки не пересекаются! Если отрезки отрезков пересекаются, ясно, что их расстояние должно быть 0. Поэтому необходимо провести одну заключительную проверку, которая: Предположим, что расстояние между точкой A и CD, d (A, CD), было наименьшим из 4 упомянутых проверок Дином Затем сделайте небольшой шаг вдоль отрезка AB от точки A. Обозначим эту точку E. Если d (E, CD)

1 голос
/ 29 октября 2010

Для расчета минимального расстояния между 2-мя отрезками 2D-линии верно, что вы должны последовательно выполнить 4 перпендикулярных расстояния от конечной точки до другой линии, используя каждую из 4 конечных точек. Однако, если вы обнаружите, что нарисованная перпендикулярная линия не пересекает отрезок линии ни в одном из 4 случаев, вам придется выполнить 4 дополнительных проверки расстояния от конечной точки до конечной точки, чтобы найти кратчайшее расстояние.

Есть ли более изящное решение этого вопроса, я не знаю.

0 голосов
/ 08 августа 2014

По сути, это решение от Алекса Мартелли, но я добавил класс Point и LineSegment, чтобы облегчить чтение. Я также скорректировал форматирование и добавил несколько тестов.

Неверное пересечение отрезков, но, похоже, это не имеет значения для расчета расстояния отрезков. Если вы заинтересованы в правильном пересечении сегмента линии, посмотрите здесь: Как определить, пересекаются ли два отрезка линии?

#!/usr/bin/env python

"""Calculate the distance between line segments."""

import math


class Point(object):
    """A two dimensional point."""
    def __init__(self, x, y):
        self.x = float(x)
        self.y = float(y)


class LineSegment(object):
    """A line segment in a two dimensional space."""
    def __init__(self, p1, p2):
        assert isinstance(p1, Point), \
            "p1 is not of type Point, but of %r" % type(p1)
        assert isinstance(p2, Point), \
            "p2 is not of type Point, but of %r" % type(p2)
        self.p1 = p1
        self.p2 = p2


def segments_distance(segment1, segment2):
    """Calculate the distance between two line segments in the plane.

    >>> a = LineSegment(Point(1,0), Point(2,0))
    >>> b = LineSegment(Point(0,1), Point(0,2))
    >>> "%0.2f" % segments_distance(a, b)
    '1.41'
    >>> c = LineSegment(Point(0,0), Point(5,5))
    >>> d = LineSegment(Point(2,2), Point(4,4))
    >>> e = LineSegment(Point(2,2), Point(7,7))
    >>> "%0.2f" % segments_distance(c, d)
    '0.00'
    >>> "%0.2f" % segments_distance(c, e)
    '0.00'
    """
    if segments_intersect(segment1, segment2):
        return 0
    # try each of the 4 vertices w/the other segment
    distances = []
    distances.append(point_segment_distance(segment1.p1, segment2))
    distances.append(point_segment_distance(segment1.p2, segment2))
    distances.append(point_segment_distance(segment2.p1, segment1))
    distances.append(point_segment_distance(segment2.p2, segment1))
    return min(distances)


def segments_intersect(segment1, segment2):
    """Check if two line segments in the plane intersect.
    >>> segments_intersect(LineSegment(Point(0,0), Point(1,0)), \
                           LineSegment(Point(0,0), Point(1,0)))
    True
    """
    dx1 = segment1.p2.x - segment1.p1.x
    dy1 = segment1.p2.y - segment1.p2.y
    dx2 = segment2.p2.x - segment2.p1.x
    dy2 = segment2.p2.y - segment2.p1.y
    delta = dx2 * dy1 - dy2 * dx1
    if delta == 0:  # parallel segments
        # TODO: Could be (partially) identical!
        return False
    s = (dx1 * (segment2.p1.y - segment1.p1.y) +
         dy1 * (segment1.p1.x - segment2.p1.x)) / delta
    t = (dx2 * (segment1.p1.y - segment2.p1.y) +
         dy2 * (segment2.p1.x - segment1.p1.x)) / (-delta)
    return (0 <= s <= 1) and (0 <= t <= 1)


def point_segment_distance(point, segment):
    """
    >>> a = LineSegment(Point(1,0), Point(2,0))
    >>> b = LineSegment(Point(2,0), Point(0,2))
    >>> point_segment_distance(Point(0,0), a)
    1.0
    >>> "%0.2f" % point_segment_distance(Point(0,0), b)
    '1.41'
    """
    assert isinstance(point, Point), \
        "point is not of type Point, but of %r" % type(point)
    dx = segment.p2.x - segment.p1.x
    dy = segment.p2.y - segment.p1.y
    if dx == dy == 0:  # the segment's just a point
        return math.hypot(point.x - segment.p1.x, point.y - segment.p1.y)

    if dx == 0:
        if (point.y <= segment.p1.y or point.y <= segment.p2.y) and \
           (point.y >= segment.p2.y or point.y >= segment.p2.y):
            return abs(point.x - segment.p1.x)

    if dy == 0:
        if (point.x <= segment.p1.x or point.x <= segment.p2.x) and \
           (point.x >= segment.p2.x or point.x >= segment.p2.x):
            return abs(point.y - segment.p1.y)

    # Calculate the t that minimizes the distance.
    t = ((point.x - segment.p1.x) * dx + (point.y - segment.p1.y) * dy) / \
        (dx * dx + dy * dy)

    # See if this represents one of the segment's
    # end points or a point in the middle.
    if t < 0:
        dx = point.x - segment.p1.x
        dy = point.y - segment.p1.y
    elif t > 1:
        dx = point.x - segment.p2.x
        dy = point.y - segment.p2.y
    else:
        near_x = segment.p1.x + t * dx
        near_y = segment.p1.y + t * dy
        dx = point.x - near_x
        dy = point.y - near_y

    return math.hypot(dx, dy)

if __name__ == '__main__':
    import doctest
    doctest.testmod()
Добро пожаловать на сайт PullRequest, где вы можете задавать вопросы и получать ответы от других членов сообщества.
...