]> Shamusworld >> Repos - architektonas/blob - src/geometry.cpp
11e633f380aef100a282cda4eeb5bf52410f34e7
[architektonas] / src / geometry.cpp
1 // geometry.cpp: Algebraic geometry helper functions
2 //
3 // Part of the Architektonas Project
4 // (C) 2011 Underground Software
5 // See the README and GPLv3 files for licensing and warranty information
6 //
7 // JLH = James Hammons <jlhamm@acm.org>
8 //
9 // WHO  WHEN        WHAT
10 // ---  ----------  ------------------------------------------------------------
11 // JLH  08/31/2011  Created this file
12 //
13 // NOTE: All methods in this class are static.
14 //
15
16 #include "geometry.h"
17 #include <math.h>
18 #include <stdio.h>
19 #include "mathconstants.h"
20
21
22 // This is unused
23 #if 0
24 Point Geometry::IntersectionOfLineAndLine(Point p1, Point p2, Point p3, Point p4)
25 {
26         // Find the intersection of the lines by formula:
27         // px = (x1y2 - y1x2)(x3 - x4) - (x1 - x2)(x3y4 - y3x4)
28         // py = (x1y2 - y1x2)(y3 - y4) - (y1 - y2)(x3y4 - y3x4)
29         // d = (x1 - x2)(y3 - y4) - (y1 - y2)(x3 - x4) = 0 if lines are parallel
30         // Intersection is (px / d, py / d)
31
32         double d = ((p1.x - p2.x) * (p3.y - p4.y)) - ((p1.y - p2.y) * (p3.x - p4.x));
33
34         // Check for parallel lines, and return sentinel if so
35         if (d == 0)
36                 return Point(0, 0, -1);
37
38         double px = (((p1.x * p2.y) - (p1.y * p2.x)) * (p3.x - p4.x))
39                 - ((p1.x - p2.x) * ((p3.x * p4.y) - (p3.y * p4.x)));
40         double py = (((p1.x * p2.y) - (p1.y * p2.x)) * (p3.y - p4.y))
41                 - ((p1.y - p2.y) * ((p3.x * p4.y) - (p3.y * p4.x)));
42
43         return Point(px / d, py / d, 0);
44 }
45 #endif
46
47
48 // Returns the parameter of a point in space to this vector. If the parameter
49 // is between 0 and 1, the normal of the vector to the point is on the vector.
50 // Note: lp1 is the tail, lp2 is the head of the line (vector).
51 double Geometry::ParameterOfLineAndPoint(Point tail, Point head, Point point)
52 {
53         // Geometric interpretation:
54         // The parameterized point on the vector lineSegment is where the normal of
55         // the lineSegment to the point intersects lineSegment. If the pp < 0, then
56         // the perpendicular lies beyond the 1st endpoint. If pp > 1, then the
57         // perpendicular lies beyond the 2nd endpoint.
58
59         Vector lineSegment = head - tail;
60         double magnitude = lineSegment.Magnitude();
61         Vector pointSegment = point - tail;
62         double t = lineSegment.Dot(pointSegment) / (magnitude * magnitude);
63         return t;
64 }
65
66
67 Point Geometry::MirrorPointAroundLine(Point point, Point tail, Point head)
68 {
69         // Get the vector of the intersection of the line and the normal on the
70         // line to the point in question.
71         double t = ParameterOfLineAndPoint(tail, head, point);
72         Vector v = Vector(tail, head) * t;
73
74         // Get the point normal to point to the line passed in
75         Point normalOnLine = tail + v;
76
77         // Make our mirrored vector (head - tail)
78         Vector mirror = -(point - normalOnLine);
79
80         // Find the mirrored point
81         Point mirroredPoint = normalOnLine + mirror;
82
83         return mirroredPoint;
84 }
85
86
87 //
88 // point: The point we're rotating
89 // rotationPoint: The point we're rotating around
90 //
91 Point Geometry::RotatePointAroundPoint(Point point, Point rotationPoint, double angle)
92 {
93 //      Vector v = Vector(point, rotationPoint);
94         Vector v = Vector(rotationPoint, point);
95         double px = (v.x * cos(angle)) - (v.y * sin(angle));
96         double py = (v.x * sin(angle)) + (v.y * cos(angle));
97
98         return Vector(rotationPoint.x + px, rotationPoint.y + py, 0);
99 }
100
101
102 double Geometry::Determinant(Point p1, Point p2)
103 {
104         return (p1.x * p2.y) - (p2.x * p1.y);
105 }
106
107
108 int Geometry::Intersects(Object * obj1, Object * obj2, double * tp/*= 0*/, double * up/*= 0*/, double * vp/*= 0*/, double * wp/*= 0*/)
109 {
110         if ((obj1->type == OTLine) && (obj2->type == OTLine))
111                 return CheckLineToLineIntersection(obj1, obj2, tp, up);
112
113         return 0;
114 }
115
116
117 /*
118 Intersecting line segments:
119 An easier way:
120 Segment L1 has edges A=(a1,a2), A'=(a1',a2').
121 Segment L2 has edges B=(b1,b2), B'=(b1',b2').
122 Segment L1 is the set of points tA'+(1-t)A, where 0<=t<=1.
123 Segment L2 is the set of points sB'+(1-s)B, where 0<=s<=1.
124 Segment L1 meet segment L2 if and only if for some t and s we have
125 tA'+(1-t)A=sB'+(1-s)B
126 The solution of this with respect to t and s is
127
128 t=((-b?'a?+b?'b?+b?a?+a?b?'-a?b?-b?b?')/(b?'a?'-b?'a?-b?a?'+b?a?-a?'b?'+a?'b?+a?b?'-a?b?))
129
130 s=((-a?b?+a?'b?-a?a?'+b?a?+a?'a?-b?a?')/(b?'a?'-b?'a?-b?a?'+b?a?-a?'b??+a?'b?+a?b?'-a?b?))
131
132 So check if the above two numbers are both >=0 and <=1.
133 */
134
135
136 // Finds the intersection between two lines (if any)
137 int Geometry::CheckLineToLineIntersection(Object * l1, Object * l2, double * tp, double * up)
138 {
139         Vector r(l1->p[0], l1->p[1]);
140         Vector s(l2->p[0], l2->p[1]);
141         Vector v1 = l2->p[0] - l1->p[0];        // q - p
142 #if 0
143         Vector v2 = l1->p[0] - l2->p[0];        // p - q
144 printf("l1: (%lf, %lf) (%lf, %lf), l2: (%lf, %lf) (%lf, %lf)\n", l1->p[0].x, l1->p[0].y, l1->p[1].x, l1->p[1].y, l2->p[0].x, l2->p[0].y, l2->p[1].x, l2->p[1].y);
145 #endif
146         double rxs = (r.x * s.y) - (s.x * r.y);
147         double t, u;
148
149         if (rxs == 0)
150         {
151                 double qpxr = (v1.x * r.y) - (r.x * v1.y);
152
153 #if 0
154 printf("  --> R x S = 0! (q - p) x r = %lf\n", qpxr);
155 printf("  -->(q - p) . r = %lf, r . r = %lf\n", v1.Dot(r), r.Dot(r));
156 printf("  -->(p - q) . s = %lf, s . s = %lf\n", v2.Dot(s), s.Dot(s));
157 printf("  -->(q - p) . s = %lf, (p - q) . r = %lf\n", v1.Dot(s), v2.Dot(r));
158 #endif
159
160                 // Lines are parallel, so no intersection...
161                 if (qpxr != 0)
162                         return 0;
163
164 #if 0
165 //this works IFF the vectors are pointing in the same direction. everything else
166 //is fucked!
167                 // If (q - p) . r == r . r, t = 1, u = 0
168                 if (v1.Dot(r) == r.Dot(r))
169                         t = 1.0, u = 0;
170                 // If (p - q) . s == s . s, t = 0, u = 1
171                 else if (v2.Dot(s) == s.Dot(s))
172                         t = 0, u = 1.0;
173                 else
174                         return 0;
175 #else
176                 // Check to see which endpoints are connected... Four possibilities:
177                 if (l1->p[0] == l2->p[0])
178                         t = 0, u = 0;
179                 else if (l1->p[0] == l2->p[1])
180                         t = 0, u = 1.0;
181                 else if (l1->p[1] == l2->p[0])
182                         t = 1.0, u = 0;
183                 else if (l1->p[1] == l2->p[1])
184                         t = 1.0, u = 1.0;
185                 else
186                         return 0;
187 #endif
188         }
189         else
190         {
191                 t = ((v1.x * s.y) - (s.x * v1.y)) / rxs;
192                 u = ((v1.x * r.y) - (r.x * v1.y)) / rxs;
193         }
194 /*
195 Now there are five cases (NOTE: only valid if vectors face the same way!):
196
197 1. If r × s = 0 and (q − p) × r = 0, then the two lines are collinear. If in addition, either 0 ≤ (q − p) · r ≤ r · r or 0 ≤ (p − q) · s ≤ s · s, then the two lines are overlapping.
198
199 2. If r × s = 0 and (q − p) × r = 0, but neither 0 ≤ (q − p) · r ≤ r · r nor 0 ≤ (p − q) · s ≤ s · s, then the two lines are collinear but disjoint.
200
201 3. If r × s = 0 and (q − p) × r ≠ 0, then the two lines are parallel and non-intersecting.
202
203 4. If r × s ≠ 0 and 0 ≤ t ≤ 1 and 0 ≤ u ≤ 1, the two line segments meet at the point p + t r = q + u s.
204
205 5. Otherwise, the two line segments are not parallel but do not intersect.
206 */
207         // Return parameter values, if user passed in valid pointers
208         if (tp)
209                 *tp = t;
210
211         if (up)
212                 *up = u;
213
214         // If the parameters are in range, we have overlap!
215         if ((t >= 0) && (t <= 1.0) && (u >= 0) && (u <= 1.0))
216                 return 1;
217
218         return 0;
219 }
220
221
222 #if 0
223 // Finds the intersection between two lines (if any)
224 int Geometry::Intersects(Line * l1, Dimension * d1, double * tp/*= 0*/, double * up/*= 0*/)
225 {
226         Line l2(d1->position, d1->endpoint);
227         return Intersects(l1, &l2, tp, up);
228 }
229
230
231 // Finds the intersection(s) between a line and a circle (if any)
232 int Geometry::Intersects(Line * l, Circle * c, double * tp/*= 0*/, double * up/*= 0*/, double * vp/*= 0*/, double * wp/*= 0*/)
233 {
234 #if 0
235         Vector center = c->position;
236         Vector v1 = l->position - center;
237         Vector v2 = l->endpoint - center;
238         Vector d = v2 - v1;
239         double dr = d.Magnitude();
240         double determinant = (v1.x * v2.y) - (v1.y * v2.x);
241
242         double discriminant = ((c->radius * c->radius) * (dr * dr)) - (determinant * determinant);
243
244         if (discriminant < 0)
245                 return false;
246
247         
248
249         return true;
250 #else
251 /*
252 I'm thinking a better approach to this might be as follows:
253
254 -- Get the distance of the circle's center from the line segment. If it's
255    > the radius, it doesn't intersect.
256 -- If the parameter is off the line segment, check distance to endpoints. (Not sure
257    how to proceed from here, it's different than the following.)
258    [Actually, you can use the following for all of it. You only know if you have
259     an intersection at the last step, which is OK.]
260 -- If the radius == distance, we have a tangent line.
261 -- If radius > distance, use Pythagorus to find the length on either side of the
262    normal to the spots where the hypotenuse (== radius' length) contact the line.
263 -- Use those points to find the parameter on the line segment; if they're not on
264    the line segment, no intersection.
265 */
266         double t = ParameterOfLineAndPoint(l->position, l->endpoint, c->position);
267 //small problem here: it clamps the result to the line segment. NOT what we want
268 //here! !!! FIX !!! [DONE]
269         Vector p = l->GetPointAtParameter(t);
270         double distance = Vector::Magnitude(c->position, p);
271
272         // If the center of the circle is farther from the line than the radius, fail.
273         if (distance > c->radius)
274                 return 0;
275
276         // Now we have to check for intersection points.
277         // Tangent case: (needs to return something)
278         if ((distance == c->radius) && (t >= 0.0) && (t <= 1.0))
279         {
280                 // Need to set tp & up to something... !!! FIX !!!
281                 if (tp)
282                         *tp = t;
283
284                 if (up)
285                         *up = Vector(c->position, p).Angle();
286
287                 return 1;
288         }
289
290         // The line intersects the circle in two points (possibly). Use Pythagorus
291         // to find them for testing.
292         double offset = sqrt((c->radius * c->radius) - (distance * distance));
293 //need to convert distance to paramter value... :-/
294 //t = position on line / length of line segment, so if we divide the offset by length,
295 //that should give us what we want.
296         double length = Vector::Magnitude(l->position, l->endpoint);
297         double t1 = t + (offset / length);
298         double t2 = t - (offset / length);
299
300 //need to find angles for the circle...
301         Vector cp1 = l->position + (Vector(l->position, l->endpoint) * (length * t1));
302         Vector cp2 = l->position + (Vector(l->position, l->endpoint) * (length * t2));
303         double a1 = Vector(c->position, cp1).Angle();
304         double a2 = Vector(c->position, cp2).Angle();
305
306 //instead of this, return a # which is the # of intersections. [DONE]
307         int intersections = 0;
308
309         // Now check for if the parameters are in range
310         if ((t1 >= 0) && (t1 <= 1.0))
311         {
312                 intersections++;
313         }
314
315         if ((t2 >= 0) && (t2 <= 1.0))
316         {
317                 intersections++;
318         }
319
320         return intersections;
321 #endif
322 }
323
324
325 // Finds the intersection(s) between a circle and a circle (if any)
326 // There can be 0, 1, or 2 intersections.
327 // Returns the angles of the points of intersection in tp thru wp, with the
328 // angles returned as c1, c2, c1, c2 (if applicable--in the 1 intersection case,
329 // only the first two angles are returned: c1, c2).
330 int Geometry::Intersects(Circle * c1, Circle * c2, double * tp/*= 0*/, double * up/*= 0*/, double * vp/*= 0*/, double * wp/*= 0*/, Point * p1/*= 0*/, Point * p2/*= 0*/)
331 {
332         // Get the distance between centers. If the distance plus the radius of the
333         // smaller circle is less than the radius of the larger circle, there is no
334         // intersection. If the distance is greater than the sum of the radii,
335         // there is no intersection. If the distance is equal to the sum of the
336         // radii, they are tangent and intersect at one point. Otherwise, they
337         // intersect at two points.
338         Vector centerLine(c1->position, c2->position);
339         double d = centerLine.Magnitude();
340 //printf("Circle #1: pos=<%lf, %lf>, r=%lf\n", c1->position.x, c1->position.y, c1->radius);
341 //printf("Circle #2: pos=<%lf, %lf>, r=%lf\n", c2->position.x, c2->position.y, c2->radius);
342 //printf("Distance between #1 & #2: %lf\n", d);
343
344         // Check to see if we actually have an intersection, and return failure if not
345         if ((fabs(c1->radius - c2->radius) > d) || ((c1->radius + c2->radius) < d))
346                 return 0;
347
348         // There are *two* tangent cases!
349         if (((c1->radius + c2->radius) == d) || (fabs(c1->radius - c2->radius) == d))
350         {
351                 // Need to return something in tp & up!! !!! FIX !!! [DONE]
352                 if (tp)
353                         *tp = centerLine.Angle();
354
355                 if (up)
356                         *up = centerLine.Angle() + PI;
357
358                 return 1;
359         }
360
361         // Find the distance from the center of c1 to the perpendicular chord
362         // (which contains the points of intersection)
363         double x = ((d * d) - (c2->radius * c2->radius) + (c1->radius * c1->radius))
364                 / (2.0 * d);
365         // Find the the length of the perpendicular chord
366 // Not needed...!
367         double a = sqrt((-d + c2->radius - c1->radius) * (-d - c2->radius + c1->radius) * (-d + c2->radius + c1->radius) * (d + c2->radius + c1->radius)) / d;
368
369         // Now, you can use pythagorus to find the length of the hypotenuse, but we
370         // already know that length, it's the radius! :-P
371         // What's needed is the angle of the center line and the radial line. Since
372         // there's two intersection points, there's also four angles (two for each
373         // circle)!
374         // We can use the arccos to find the angle using just the radius and the
375         // distance to the perpendicular chord...!
376         double angleC1 = acos(x / c1->radius);
377         double angleC2 = acos((d - x) / c2->radius);
378
379         if (tp)
380                 *tp = centerLine.Angle() - angleC1;
381
382         if (up)
383                 *up = (centerLine.Angle() + PI) - angleC2;
384
385         if (vp)
386                 *vp =  centerLine.Angle() + angleC1;
387
388         if (wp)
389                 *wp = (centerLine.Angle() + PI) + angleC2;
390
391         if (p1)
392                 *p1 = c1->position + (centerLine.Unit() * x) + (Vector::Normal(Vector(), centerLine) * (a / 2.0));
393
394         if (p2)
395                 *p2 = c1->position + (centerLine.Unit() * x) - (Vector::Normal(Vector(), centerLine) * (a / 2.0));
396
397         return 2;
398 }
399 #endif
400
401 // should we just do common trig solves, like AAS, ASA, SAS, SSA?
402 // Law of Cosines:
403 // c^2 = a^2 + b^2 -2ab*cos(C)
404 // Solving for C:
405 // cos(C) = (c^2 - a^2 - b^2) / -2ab = (a^2 + b^2 - c^2) / 2ab
406 // Law of Sines:
407 // a / sin A = b / sin B = c / sin C
408
409 // Solve the angles of the triangle given the sides. Angles returned are
410 // opposite of the given sides (so a1 consists of sides s2 & s3, and so on).
411 void Geometry::FindAnglesForSides(double s1, double s2, double s3, double * a1, double * a2, double * a3)
412 {
413         // Use law of cosines to find 1st angle
414         double cosine1 = ((s2 * s2) + (s3 * s3) - (s1 * s1)) / (2.0 * s2 * s3);
415
416         // Check for a valid triangle
417         if ((cosine1 < -1.0) || (cosine1 > 1.0))
418                 return;
419
420         double angle1 = acos(cosine1);
421
422         // Use law of sines to find 2nd & 3rd angles
423 // sin A / a = sin B / b
424 // sin B = (sin A / a) * b
425         double angle2 = asin(s2 * (sin(angle1) / s1));
426         double angle3 = asin(s3 * (sin(angle1) / s1));
427
428         if (a1)
429                 *a1 = angle1;
430
431         if (a2)
432                 *a2 = angle2;
433
434         if (a3)
435                 *a3 = angle3;
436 }
437