定义
两个向量的叉积写作a×b,可以定义为
a×b=absinθn
其中θ表示a和b之间的角度(0°≤θ≤180°)。它位于这两个矢量所定义的平面上。而n是一个与a、b所在平面均垂直的单位矢量。矢量叉积是计算几何算法的核心部分,具有重要的几何意义。
一、计算多边形面积
设多边形有n个顶点V0(X0, Y0), V1(X1, Y1)... Vn-1(Xn-1, Yn-1),从原点O(0,0)与每条边做三角形,计算的面积和就是多边形面积。三角形面积可以用叉积计算,比如OV0V1面积为:
S0=0.5*OV0×OV1=0.5*(X0Y1-X1Y0)
于是多边形面积总和为:
S= 0.5*(X0Y1-X1Y0 + X1Y2-X2Y1 +… + Xn-1Y0-X0Yn-1)
= 0.5*( X0Y1-X1Y0+X0Y0-X1Y1 + X1Y2-X2Y1+X1Y1-X2Y2 +… Xn-1Y0-X0Yn-1+Xn-1Yn-1-X0Y0)
= 0.5*(Yi+Yi+1)(Xi-Xi+1) i=0...n-1
二、判断两线段是否相交
判断线段是否相交一般分两步进行:
1. 快速排斥
设有线段P1P2和Q1Q2,以线段 P1P2 为对角线的矩形为R, 以线段 Q1Q2 为对角线的矩形为T,如果R和T不相交,显然两线段不会相交,否则进入第二步。
2. 跨立实验
如果两线段相交,那么两线段必然相互跨立对方。即
P1, P2分别在Q1Q2两边 :
(P1-Q1)×(Q2-Q1)*(P2-Q1)×(Q2-Q1)<=0
Q1, Q2分别在P1P2两边:
(Q1-P1)×(P2-P1)*(Q2-P1)×(P2-P1) <=0
上面跨立实验需要4次叉积和两次乘法运算,可以这样改进:
如下图,Q1Q2在P1P2左边,
此时(Q1-Q2)×(P2-P1)与(P1-Q1)×(Q1-Q2)异号,
当Q1Q2向右移动后,如图所示,
(Q1-Q2)×(P2-P1)与(P1-Q1)×(Q1-Q2)同号,而且(P1-Q1)×(Q1-Q2)/(Q1-Q2)×(P2-P1),刚好等于|P1O|/|P1P2|,由此关系还可以计算交点的位置。
Q1Q2继续右移,如图所示:
交点超出P2,(P1-Q1)×(Q1-Q2)/(Q1-Q2)×(P2-P1)>1
因此,若P1 , P2跨立在Q1Q2,则有
(P1-Q1)×(Q1-Q2)/(Q1-Q2)×(P2-P1)在[0, 1]范围内。
同理,若Q1, Q2跨立P1P2,则有
(P2-P1)×(P1-Q1)/(Q1-Q2)×(P2-P1)在[0, 1]范围内。
这样只需要3次叉积运算就能算出线段是否相交,而且还可以顺便得到相交点的位置!
参考: