Наименьшее расстояние между точкой и отрезком

Question

Мне нужна основная функция, чтобы найти кратчайшее расстояние между точкой и отрезком. Не стесняйтесь написать решение на любом языке, который вы хотите; Я могу перевести это в то, что я использую (Javascript).

РЕДАКТИРОВАТЬ: мой сегмент линии определяется двумя конечными точками. Таким образом, мой отрезок AB определяется двумя точками A (x1,y1) и B (x2,y2). Я пытаюсь найти расстояние между этим отрезком и точкой C (x3,y3). Мои навыки геометрии ржавые, поэтому примеры, которые я видел, сбивают с толку, извините, признаюсь.

Answer 1

Вышеуказанная функция не работает на вертикальных линиях. Вот функция, которая работает нормально! Линия с точками p1, p2. и CheckPoint - это p;

public float DistanceOfPointToLine2(PointF p1, PointF p2, PointF p)
{
  //          (y1-y2)x + (x2-x1)y + (x1y2-x2y1)
  //d(P,L) = --------------------------------
  //         sqrt( (x2-x1)pow2 + (y2-y1)pow2 )

  double ch = (p1.Y - p2.Y) * p.X + (p2.X - p1.X) * p.Y + (p1.X * p2.Y - p2.X * p1.Y);
  double del = Math.Sqrt(Math.Pow(p2.X - p1.X, 2) + Math.Pow(p2.Y - p1.Y, 2));
  double d = ch / del;
  return (float)d;
}

Answer 2

Реализация Python Numpy для двумерного координатного массива:

import numpy as np


def dist2d(p1, p2, coords):
    ''' Distance from points to a finite line btwn p1 -> p2 '''
    assert coords.ndim == 2 and coords.shape[1] == 2, 'coords is not 2 dim'
    dp = p2 - p1
    st = dp[0]**2 + dp[1]**2
    u = ((coords[:, 0] - p1[0]) * dp[0] + (coords[:, 1] - p1[1]) * dp[1]) / st

    u[u > 1.] = 1.
    u[u < 0.] = 0.

    dx = (p1[0] + u * dp[0]) - coords[:, 0]
    dy = (p1[1] + u * dp[1]) - coords[:, 1]

    return np.sqrt(dx**2 + dy**2)


# Usage:
p1 = np.array([0., 0.])
p2 = np.array([0., 10.])

# List of coordinates
coords = np.array(
    [[0., 0.],
     [5., 5.],
     [10., 10.],
     [20., 20.]
     ])

d = dist2d(p1, p2, coords)

# Single coordinate
coord = np.array([25., 25.])
d = dist2d(p1, p2, coord[np.newaxis, :])

Answer 3

Это то же самое, что и ответ C ++, но перенесенный на паскаль. Порядок параметра точки изменился в соответствии с моим кодом, но это то же самое.

function Dot(const p1, p2: PointF): double;
begin
  Result := p1.x * p2.x + p1.y * p2.y;
end;
function SubPoint(const p1, p2: PointF): PointF;
begin
  result.x := p1.x - p2.x;
  result.y := p1.y - p2.y;
end;

function ShortestDistance2(const p,v,w : PointF) : double;
var
  l2,t : double;
  projection,tt: PointF;
begin
  // Return minimum distance between line segment vw and point p
  //l2 := length_squared(v, w);  // i.e. |w-v|^2 -  avoid a sqrt
  l2 := Distance(v,w);
  l2 := MPower(l2,2);
  if (l2 = 0.0) then begin
    result:= Distance(p, v);   // v == w case
    exit;
  end;
  // Consider the line extending the segment, parameterized as v + t (w - v).
  // We find projection of point p onto the line.
  // It falls where t = [(p-v) . (w-v)] / |w-v|^2
  t := Dot(SubPoint(p,v),SubPoint(w,v)) / l2;
  if (t < 0.0) then begin
    result := Distance(p, v);       // Beyond the 'v' end of the segment
    exit;
  end
  else if (t > 1.0) then begin
    result := Distance(p, w);  // Beyond the 'w' end of the segment
    exit;
  end;
  //projection := v + t * (w - v);  // Projection falls on the segment
  tt.x := v.x + t * (w.x - v.x);
  tt.y := v.y + t * (w.y - v.y);
  result := Distance(p, tt);
end;

Answer 4

2D и 3D решение

Рассмотрим изменение базиса таким образом, чтобы отрезок линии стал (0, 0, 0)-(d, 0, 0), а точка (u, v, 0). Кратчайшее расстояние происходит в этой плоскости и определяется как

    u ≤ 0 -> d(A, C)
0 ≤ u ≤ d -> |v|
d ≤ u     -> d(B, C)

(расстояние до одной из конечных точек или к опорной линии, в зависимости от проекции на линию. ISO-расстояние локус состоит из двух полукругов и двух отрезков.)

В приведенном выше выражении d - длина отрезка AB, а u, v - соответственно скалярное произведение и (модуль) перекрестное произведение AB / d (единичный вектор в направлении AB) и AC. Следовательно, в векторе,

AB.AC ≤ 0             -> |AC|
    0 ≤ AB.AC ≤ AB²   -> |ABxAC|/|AB|
          AB² ≤ AB.AC -> |BC|

Answer 5

Я сделал интерактивный график Desmos, чтобы продемонстрировать, как этого добиться:

https://www.desmos.com/calculator/kswrm8ddum

Красная точка A, зеленая точка B, а точка C синяя. Вы можете перетащить точки на графике, чтобы увидеть изменение значений. Слева, значение 's' является параметром отрезка (т.е. s = 0 означает точку A, а s = 1 означает точку B). Значение «d» - это расстояние от третьей точки до линии, проходящей через A и B.

EDIT:

Забавное маленькое понимание: координата (s, d) - это координата третьей точки C в системе координат, где AB - это единичная ось x, а ось y - перпендикулярно AB.

Answer 6

Matlab прямая реализация Grumdrig

function ans=distP2S(px,py,vx,vy,wx,wy)
% [px py vx vy wx wy]
  t=( (px-vx)*(wx-vx)+(py-vy)*(wy-vy) )/idist(vx,wx,vy,wy)^2;
  [idist(px,vx,py,vy) idist(px,vx+t*(wx-vx),py,vy+t*(wy-vy)) idist(px,wx,py,wy) ];
  ans(1+(t>0)+(t>1)); % <0 0<=t<=1 t>1     
 end

function d=idist(a,b,c,d)
 d=abs(a-b+1i*(c-d));
end

Answer 7

GLSL версия:

// line (a -> b ) point p[enter image description here][1]
float distanceToLine(vec2 a, vec2 b, vec2 p) {
    float aside = dot((p - a),(b - a));
    if(aside< 0.0) return length(p-a);
    float bside = dot((p - b),(a - b));
    if(bside< 0.0) return length(p-b);
    vec2 pointOnLine = (bside*a + aside*b)/pow(length(a-b),2.0);
    return length(p - pointOnLine);
}

Answer 8

В JavaScript с использованием геометрии:

var a = { x:20, y:20};//start segment    
var b = { x:40, y:30};//end segment   
var c = { x:37, y:14};//point   

// magnitude from a to c    
var ac = Math.sqrt( Math.pow( ( a.x - c.x ), 2 ) + Math.pow( ( a.y - c.y ), 2) );    
// magnitude from b to c   
var bc = Math.sqrt( Math.pow( ( b.x - c.x ), 2 ) + Math.pow( ( b.y - c.y ), 2 ) );    
// magnitude from a to b (base)     
var ab = Math.sqrt( Math.pow( ( a.x - b.x ), 2 ) + Math.pow( ( a.y - b.y ), 2 ) );    
 // perimeter of triangle     
var p = ac + bc + ab;    
 // area of the triangle    
var area = Math.sqrt( p/2 * ( p/2 - ac) * ( p/2 - bc ) * ( p/2 - ab ) );    
 // height of the triangle = distance    
var h = ( area * 2 ) / ab;    
console.log ("height: " + h);

Answer 9

в R

     #distance beetween segment ab and point c in 2D space
getDistance_ort_2 <- function(a, b, c){
  #go to complex numbers
  A<-c(a[1]+1i*a[2],b[1]+1i*b[2])
  q=c[1]+1i*c[2]

  #function to get coefficients of line (ab)
  getAlphaBeta <- function(A)
  { a<-Re(A[2])-Re(A[1])
    b<-Im(A[2])-Im(A[1])
    ab<-as.numeric()
    ab[1] <- -Re(A[1])*b/a+Im(A[1])
    ab[2] <-b/a
    if(Im(A[1])==Im(A[2])) ab<- c(Im(A[1]),0)
    if(Re(A[1])==Re(A[2])) ab <- NA
    return(ab)
  }

  #function to get coefficients of line ortogonal to line (ab) which goes through point q
  getAlphaBeta_ort<-function(A,q)
  { ab <- getAlphaBeta(A) 
  coef<-c(Re(q)/ab[2]+Im(q),-1/ab[2])
  if(Re(A[1])==Re(A[2])) coef<-c(Im(q),0)
  return(coef)
  }

  #function to get coordinates of interception point 
  #between line (ab) and its ortogonal which goes through point q
  getIntersection_ort <- function(A, q){
    A.ab <- getAlphaBeta(A)
    q.ab <- getAlphaBeta_ort(A,q)
    if (!is.na(A.ab[1])&A.ab[2]==0) {
      x<-Re(q)
      y<-Im(A[1])}
    if (is.na(A.ab[1])) {
      x<-Re(A[1])
      y<-Im(q)
    } 
    if (!is.na(A.ab[1])&A.ab[2]!=0) {
      x <- (q.ab[1] - A.ab[1])/(A.ab[2] - q.ab[2])
      y <- q.ab[1] + q.ab[2]*x}
    xy <- x + 1i*y  
    return(xy)
  }

  intersect<-getIntersection_ort(A,q)
  if ((Mod(A[1]-intersect)+Mod(A[2]-intersect))>Mod(A[1]-A[2])) {dist<-min(Mod(A[1]-q),Mod(A[2]-q))
  } else dist<-Mod(q-intersect)
  return(dist)
}

Answer 10

Этот ответ основан на принятом ответе решения JavaScript. В основном это просто отформатированный, с более длинными именами функций и, конечно, более коротким синтаксисом функций, потому что он в ES6 + CoffeeScript.

Версия JavaScript (ES6)

distanceSquared = (v, w)=> Math.pow(v.x - w.x, 2) + Math.pow(v.y - w.y, 2);
distance = (v, w)=> Math.sqrt(distanceSquared(v, w));

distanceToLineSegmentSquared = (p, v, w)=> {
    l2 = distanceSquared(v, w);
    if (l2 === 0) {
        return distanceSquared(p, v);
    }
    t = ((p.x - v.x) * (w.x - v.x) + (p.y - v.y) * (w.y - v.y)) / l2;
    t = Math.max(0, Math.min(1, t));
    return distanceSquared(p, {
        x: v.x + t * (w.x - v.x),
        y: v.y + t * (w.y - v.y)
    });
}
distanceToLineSegment = (p, v, w)=> {
    return Math.sqrt(distanceToLineSegmentSquared(p, v));
}

Версия CoffeeScript

distanceSquared = (v, w)-> (v.x - w.x) ** 2 + (v.y - w.y) ** 2
distance = (v, w)-> Math.sqrt(distanceSquared(v, w))

distanceToLineSegmentSquared = (p, v, w)->
    l2 = distanceSquared(v, w)
    return distanceSquared(p, v) if l2 is 0
    t = ((p.x - v.x) * (w.x - v.x) + (p.y - v.y) * (w.y - v.y)) / l2
    t = Math.max(0, Math.min(1, t))
    distanceSquared(p, {
        x: v.x + t * (w.x - v.x)
        y: v.y + t * (w.y - v.y)
    })

distanceToLineSegment = (p, v, w)->
    Math.sqrt(distanceToLineSegmentSquared(p, v, w))