用C++画光（二）——矩形

时间 2019-12-05

标签 c++ 矩形栏目 C&C++ 繁體版

原文原文链接

在上篇文章的基础上，作了许多调整，修复了许多BUG。在解决bug的过程当中，我逐渐领悟到一个要领：枯燥地一步步调试太痛苦了，找不到问题的根源！因此我选择将中间结果打到图片上。如：git

（注意，里面的点是我随便点的，有互动了吧）github

调试光线和最近交点法线算法

调试光线和最远交点法线数据结构

这就很是爽了！框架

本文分两个部分，一个是交并差的实现，一个是矩形的实现。ide

基本数据结构

// 点信息
struct Geo2DPoint
{
    Geo2DPoint();
    Geo2DPoint(float distance, const vector2& position, const vector2& normal);

    const Geo2DPoint& operator = (const Geo2DPoint& r);

    float distance{ FLT_MAX }; // 光线起点到交点距离
    vector2 position; // 交点位置
    vector2 normal; // 交点法向量（指向物体外部）
};

// 相交测试
struct Geo2DResult
{
    Geo2DResult();
    Geo2DResult(const Geo2DShape* body, bool inside, Geo2DPoint min_pt, Geo2DPoint max_pt);

    Geo2DResult(const Geo2DResult& r);
    const Geo2DResult& operator = (const Geo2DResult& r);

    const Geo2DShape* body{ nullptr };
    bool inside{ false };
    Geo2DPoint min_pt, max_pt;//交点较小解和较大解的信息
};

每次发出一道光线，须要计算：测试

若是光线与某物体相交，返回该物体指针body
光线起点是否在物体内部inside
光线与物体最近的交点信息，包括交点坐标、光线起点到交点的距离、交点法线，若是此时光线起点位于物体内部，那么交点可能不是最近的（由于这里的最近指的是解二次方程时的较小根）
光线与物体最远的交点信息

说明：优化

即便光线与物体未有交点，仍是要计算出全部交点信息
不仅是最近的交点信息很重要，最远的交点一样重要

缘由：this

上面的数据结构是为了解决图形间交并差的问题！！
如两圆相交，ABAB的光线路径，那么光线与物体相交的两个点不一样时是光线离A、B的最近点，因此最远点的信息是必需要计算的
为何要用inside？一样是与A、B相交，光线起点在物体内部和在物体外部所产生的效果是不同的！由于咱们还要计算法线呢！
……所以促成了如今的数据结构

图形间的交、并、差

上一篇文章中，虽然实现了交并差，可是还不完善：交点信息和法向量没有计算正确，所以作了调整（并集没有调整）：spa

【计算交集】

https://github.com/bajdcc/GameFramework/blob/master/CCGameFramework/base/pe2d/Geometries2D.cpp#L70

if (op == t_intersect)
{
    const auto r1 = obj1->sample(ori, dst);
    if (r1.body)
    {
        const auto r2 = obj2->sample(ori, dst);
        if (r2.body)
        {
            const auto rd = ((r1.inside ? 1 : 0) << 1) | (r2.inside ? 1 : 0);
            switch (rd)
            {
            case 0: // not(A or B)
                if (r1.min_pt.distance < r2.min_pt.distance)
                {
                    if (r2.min_pt.distance > r1.max_pt.distance) // AABB
                        break;
                    if (r2.max_pt.distance < r1.max_pt.distance) // ABBA
                        return r2;
                    auto r(r2); // ABAB
                    r.max_pt = r1.max_pt;
                    return r;

                }
                if (r2.min_pt.distance < r1.min_pt.distance)
                {
                    if (r1.min_pt.distance > r2.max_pt.distance) // BBAA
                        break;
                    if (r1.max_pt.distance < r2.max_pt.distance) // BAAB
                        return r1;
                    auto r(r1); // BABA
                    r.max_pt = r2.max_pt;
                    return r;
                }
                break;
            case 1: // B
                if (r1.min_pt.distance < r2.max_pt.distance)
                {
                    if (r1.max_pt.distance > r2.max_pt.distance) // ABA
                    {
                        auto r(r1);
                        r.max_pt = r2.max_pt;
                        return r;
                    }
                    else // AAB
                    {
                        auto r(r1);
                        r.max_pt = r1.max_pt;
                        return r;
                    }
                }
                break;
            case 2: // A
                if (r2.min_pt.distance < r1.max_pt.distance)
                {
                    if (r2.max_pt.distance > r1.max_pt.distance) // BAB
                    {
                        auto r(r2);
                        r.max_pt = r1.max_pt;
                        return r;
                    }
                    else // BBA
                    {
                        auto r(r2);
                        r.max_pt = r2.max_pt;
                        return r;
                    }
                }
                break;
            case 3: // A and B
                if (r1.min_pt.distance > r2.min_pt.distance)
                {
                    if (r1.max_pt.distance > r2.max_pt.distance) // BA
                    {
                        auto r(r2);
                        r.min_pt = r1.min_pt;
                        return r;
                    }
                    else // AB
                    {
                        return r1;
                    }
                }
                else
                {
                    if (r2.max_pt.distance > r1.max_pt.distance) // AB
                    {
                        auto r(r1);
                        r.min_pt = r2.min_pt;
                        return r;
                    }
                    else // AB
                    {
                        return r2;
                    }
                }
            default:
                break;
            }
        }
    }
}

【计算差集】

这里注意的是某些状况下须要作法向量翻转

https://github.com/bajdcc/GameFramework/blob/master/CCGameFramework/base/pe2d/Geometries2D.cpp#L171

if (op == t_subtract)
{
    const auto r1 = obj1->sample(ori, dst);
    const auto r2 = obj2->sample(ori, dst);
    const auto rd = ((r1.body ? 1 : 0) << 1) | (r2.body ? 1 : 0);
    switch (rd)
    {
    case 0: // not(A or B)
        break;
    case 1: // B
        break;
    case 2: // A
        if (r1.inside) // AA
        {
            if (r2.max_pt.distance == FLT_MAX)
                return r1;
            if (r1.min_pt.distance > r2.max_pt.distance)
                return r1;
            auto r(r1);
            r.min_pt = r2.max_pt;
            r.min_pt.normal = -r.min_pt.normal;
            return r;
        }
        else
            return r1;
    case 3: // A and B
        if (r1.inside && r2.inside)
        {
            if (r2.max_pt.distance < r1.max_pt.distance) // BA
            {
                auto r(r1);
                r.min_pt = r2.max_pt;
                r.min_pt.normal = -r.min_pt.normal;
                r.inside = false;
                return r;
            }
            else // AB
            {
                break;
            }
        }
        else if (r2.inside)
        {
            if (r1.max_pt.distance > r2.max_pt.distance)
            {
                if (r2.max_pt.distance > r1.min_pt.distance) // ABA
                {
                    auto r(r1);
                    r.min_pt = r2.max_pt;
                    r.min_pt.normal = -r.min_pt.normal;
                    r.inside = false;
                    return r;
                }
                else // BAA
                {
                    return r1;
                }
            }
            else // AAB
                break;
        }
        else if (r1.inside) // BAB
        {
            auto r(r1);
            r.max_pt = r2.min_pt;
            return r;
        }
        else
        {
            if (r1.min_pt.distance < r2.min_pt.distance)
            {
                if (r2.min_pt.distance > r1.max_pt.distance) // AABB
                    return r1;
                if (r2.max_pt.distance < r1.max_pt.distance) // ABBA
                    return r1;
                auto r(r1); // ABAB
                r.max_pt = r2.min_pt;
                r.max_pt.normal = -r.max_pt.normal;
                return r;
            }
            else
            {
                if (r1.min_pt.distance > r2.max_pt.distance) // BBAA
                    return r1;
                if (r1.max_pt.distance < r2.max_pt.distance) // BAAB
                    break;
                auto r(r1); // BABA
                r.min_pt = r2.max_pt;
                r.min_pt.normal = -r.min_pt.normal;
                return r;
            }
        }
    default:
        break;
    }
}

想知道代码为何这么写，须要拿张纸比划一下（逃

为何这么多if？？？由于我能够调试啊（最开始两张图），当什么问题都解决完的时候，代码就变这么长了。

矩形的实现

一开始圆的实现很是简单，由于算个距离很快，法向量就更简单，而矩形不一样。

【矩形】

static int SignBit(const float& a)//返回a的符号
{
    if (fabs(a) < EPSILON)
    {
        return 0;//接近0
    }
    return a > 0 ? 1 : -1;
}

static bool IntersectWithLineAB(const vector2& ori, const vector2& dir, const vector2& p1, const vector2& p2, float& t, vector2& p)
{
//利用直线的参数方程计算一直线与另外一直线的交点
    const auto tAB1 = dir.y * (p2.x - p1.x) - dir.x * (p2.y - p1.y);//计算平行
    if (fabs(tAB1) > EPSILON)//不平行必有交点
    {
        t = ((ori.x - p1.x) * (p2.y - p1.y) - (ori.y - p1.y) * (p2.x - p1.x)) / tAB1;//计算距离
        p = ori + dir * t;//计算交点
        return (SignBit(p1.x - p.x) == SignBit(p.x - p2.x)) && (SignBit(p1.y - p.y) == SignBit(p.y - p2.y));//交点是否在p1p2间
    }
    return false;//两直线平行，无交点
}

Geo2DResult Geo2DBox::sample(vector2 ori, vector2 dir) const
{
    const auto _A = vector2(costheta * -s.x + sintheta * -s.y, costheta * -s.y - sintheta * -s.x);
    const auto _B = vector2(costheta * s.x + sintheta * -s.y, costheta * -s.y - sintheta * s.x);
    const auto A = center + _A;
    const auto B = center + _B;
    const auto C = center - _A;
    const auto D = center - _B;
    const vector2 pts[4] = { A,B,C,D };

    static int m[4][2] = { {0,1},{1,2},{2,3},{3,0} };
    float t[2];//保存两交点的距离
    vector2 p[2];//保存两交点的位置
    int ids[2];//保存与矩形哪一条边相交
    int cnt = 0;
    for (int i = 0; i < 4 && cnt < 2; i++)
    {
        if (IntersectWithLineAB(ori, dir, pts[m[i][0]], pts[m[i][1]], t[cnt], p[cnt]))
        {
            ids[cnt++] = i;
        }
    }
    if (cnt == 2)//有两个交点
    {
        const auto td = ((t[0] >= 0 ? 1 : 0) << 1) | (t[1] >= 0 ? 1 : 0);
        switch (td)
        {
        case 0: // 双反，无交点，在外
            break;
        case 1: // t[1]，有交点，在内
//只与t1相交，那么t0确定是另外一交点，p0确定为负
            return Geo2DResult(this, false,
                Geo2DPoint(t[0], p[0], Normalize(pts[m[ids[0]][0]] + pts[m[ids[0]][1]] - center - center)),
                Geo2DPoint(t[1], p[1], Normalize(pts[m[ids[1]][0]] + pts[m[ids[1]][1]] - center - center)));
        case 2: // t[0]，有交点，在内
//只与t0相交，那么t1确定是另外一交点，p1确定为负
            return Geo2DResult(this, false,
                Geo2DPoint(t[1], p[1], Normalize(pts[m[ids[1]][0]] + pts[m[ids[1]][1]] - center - center)),
                Geo2DPoint(t[0], p[0], Normalize(pts[m[ids[0]][0]] + pts[m[ids[0]][1]] - center - center)));
        case 3: // 双正，有交点，在外
            if (t[0] > t[1])//都相交？就看看哪一个交点更近了
            {
                return Geo2DResult(this, false,
                    Geo2DPoint(t[1], p[1], Normalize(pts[m[ids[1]][0]] + pts[m[ids[1]][1]] - center - center)),
                    Geo2DPoint(t[0], p[0], Normalize(pts[m[ids[0]][0]] + pts[m[ids[0]][1]] - center - center)));
            }
            else
            {
                return Geo2DResult(this, false,
                    Geo2DPoint(t[0], p[0], Normalize(pts[m[ids[0]][0]] + pts[m[ids[0]][1]] - center - center)),
                    Geo2DPoint(t[1], p[1], Normalize(pts[m[ids[1]][0]] + pts[m[ids[1]][1]] - center - center)));
            }
        default:
            break;
        }
    }
    return Geo2DResult();
}

其实过程不复杂（我一夜居然能搞定哈哈，这归功于调试方法的先进性），计算法向量很简单，就是两个对角线的叠加方向。。

有几个注意点：

求符号SignBit本身写的，用fsignbit致使gg（算我不会用吧），我相信编译器的优化能力
知矩形中心点、两轴距离、旋转角度后，要计算出四点的坐标，这时有计算顺序，一开始只能将旋转矩阵应用于(sx,sy)轴向量！不能用于四点的真实坐标，至关于先在矩形的本地坐标系中应用旋转，最后才加上矩形自身的位置偏移
为何要用参数方程作，不用y=kx+b作：若是这时的直线是竖直方向的呢？y=kx+b就不能表达了
求出了交点，要判断交点是否在线段AB上，作法是x坐标和y坐标相减判断同符号，不能用y=kx+b算距离求比值在0~1间，这样即不正确也不高效

小结

矩形会作以后，多边形应该都能搞定了，如三角形，只要考虑一下三边的方向即向（即判断是在内仍是在外）。

作完以后，在作反射、折射，这简单了！由于距离呀交点呀法向量所有求出来了。

至于我为何要在框架中实现这个效果：一者，可视化+互动；两者，不同凡响；三者，框架要有例子才能证实好用啊。

由https://zhuanlan.zhihu.com/p/32251040备份。