如何确定一个点是否在二维三角形中?

有没有一种简单的方法来确定一个点是否在三角形内?是2D的，不是3D的。

当前回答

下面是一个python解决方案，它是高效的，文档化的，包含三个单元测试。它具有专业级的质量，并且可以以模块的形式放入您的项目中。

import unittest

###############################################################################
def point_in_triangle(point, triangle):
    """Returns True if the point is inside the triangle
    and returns False if it falls outside.
    - The argument *point* is a tuple with two elements
    containing the X,Y coordinates respectively.
    - The argument *triangle* is a tuple with three elements each
    element consisting of a tuple of X,Y coordinates.

    It works like this:
    Walk clockwise or counterclockwise around the triangle
    and project the point onto the segment we are crossing
    by using the dot product.
    Finally, check that the vector created is on the same side
    for each of the triangle's segments.
    """
    # Unpack arguments
    x, y = point
    ax, ay = triangle[0]
    bx, by = triangle[1]
    cx, cy = triangle[2]
    # Segment A to B
    side_1 = (x - bx) * (ay - by) - (ax - bx) * (y - by)
    # Segment B to C
    side_2 = (x - cx) * (by - cy) - (bx - cx) * (y - cy)
    # Segment C to A
    side_3 = (x - ax) * (cy - ay) - (cx - ax) * (y - ay)
    # All the signs must be positive or all negative
    return (side_1 < 0.0) == (side_2 < 0.0) == (side_3 < 0.0)

###############################################################################
class TestPointInTriangle(unittest.TestCase):

    triangle = ((22 , 8),
                (12 , 55),
                (7 , 19))

    def test_inside(self):
        point = (15, 20)
        self.assertTrue(point_in_triangle(point, self.triangle))

    def test_outside(self):
        point = (1, 7)
        self.assertFalse(point_in_triangle(point, self.triangle))

    def test_border_case(self):
        """If the point is exactly on one of the triangle's edges,
        we consider it is inside."""
        point = (7, 19)
        self.assertTrue(point_in_triangle(point, self.triangle))

###############################################################################
if __name__ == "__main__":
    suite = unittest.defaultTestLoader.loadTestsFromTestCase(TestPointInTriangle)
    unittest.TextTestRunner().run(suite)

上面的算法有一个额外的可选图形测试，以确认其有效性:

import random
from matplotlib import pyplot
from triangle_test import point_in_triangle

###############################################################################
# The area #
size_x = 64
size_y = 64

# The triangle #
triangle = ((22 , 8),
            (12 , 55),
            (7 , 19))

# Number of random points #
count_points = 10000

# Prepare the figure #
figure = pyplot.figure()
axes = figure.add_subplot(111, aspect='equal')
axes.set_title("Test the 'point_in_triangle' function")
axes.set_xlim(0, size_x)
axes.set_ylim(0, size_y)

# Plot the triangle #
from matplotlib.patches import Polygon
axes.add_patch(Polygon(triangle, linewidth=1, edgecolor='k', facecolor='none'))

# Plot the points #
for i in range(count_points):
    x = random.uniform(0, size_x)
    y = random.uniform(0, size_y)
    if point_in_triangle((x,y), triangle): pyplot.plot(x, y, '.g')
    else:                                  pyplot.plot(x, y, '.b')

# Save it #
figure.savefig("point_in_triangle.pdf")

制作以下图表:

2018-07-23 12:57:41

其他回答

这是确定一个点是在三角形的内、外还是在三角形的臂上的最简单的概念。

用行列式确定三角形内的点:

最简单的工作代码:

#-*- coding: utf-8 -*-

import numpy as np

tri_points = [(1,1),(2,3),(3,1)]

def pisinTri(point,tri_points):
    Dx , Dy = point

    A,B,C = tri_points
    Ax, Ay = A
    Bx, By = B
    Cx, Cy = C

    M1 = np.array([ [Dx - Bx, Dy - By, 0],
                    [Ax - Bx, Ay - By, 0],
                    [1      , 1      , 1]
                  ])

    M2 = np.array([ [Dx - Ax, Dy - Ay, 0],
                    [Cx - Ax, Cy - Ay, 0],
                    [1      , 1      , 1]
                  ])

    M3 = np.array([ [Dx - Cx, Dy - Cy, 0],
                    [Bx - Cx, By - Cy, 0],
                    [1      , 1      , 1]
                  ])

    M1 = np.linalg.det(M1)
    M2 = np.linalg.det(M2)
    M3 = np.linalg.det(M3)
    print(M1,M2,M3)

    if(M1 == 0 or M2 == 0 or M3 ==0):
            print("Point: ",point," lies on the arms of Triangle")
    elif((M1 > 0 and M2 > 0 and M3 > 0)or(M1 < 0 and M2 < 0 and M3 < 0)):
            #if products is non 0 check if all of their sign is same
            print("Point: ",point," lies inside the Triangle")
    else:
            print("Point: ",point," lies outside the Triangle")

print("Vertices of Triangle: ",tri_points)
points = [(0,0),(1,1),(2,3),(3,1),(2,2),(4,4),(1,0),(0,4)]
for c in points:
    pisinTri(c,tri_points)

2018-08-08 14:10:14

通过使用重心坐标的解析解(由Andreas Brinck指出)和:

不是把乘法分布在括号里的项上通过存储相同的项来避免多次计算还原比较(如coproc和Thomas Eding所指出的)

可以最小化“昂贵”操作的数量:

function ptInTriangle(p, p0, p1, p2) {
    var dX = p.x-p2.x;
    var dY = p.y-p2.y;
    var dX21 = p2.x-p1.x;
    var dY12 = p1.y-p2.y;
    var D = dY12*(p0.x-p2.x) + dX21*(p0.y-p2.y);
    var s = dY12*dX + dX21*dY;
    var t = (p2.y-p0.y)*dX + (p0.x-p2.x)*dY;
    if (D<0) return s<=0 && t<=0 && s+t>=D;
    return s>=0 && t>=0 && s+t<=D;
}

代码可以粘贴在Perro Azul jsfiddle中，或者通过点击下面的“运行代码片段”来尝试

导致:

变量“召回”:30 可变存储:7 补充:4 减法:8 乘法:6 部门:没有比较:4

这与Kornel Kisielewicz解决方案(25次召回，1次存储，15次减法，6次乘法，5次比较)相比非常好，如果需要顺时针/逆时针检测(它本身需要6次召回，1次加法，2次减法，2次乘法和1次比较，使用解析解行列式，如rhgb所指出的)，可能会更好。

2015-12-04 17:08:58

bool isInside( float x, float y, float x1, float y1, float x2, float y2, float x3, float y3 ) {
  float l1 = (x-x1)*(y3-y1) - (x3-x1)*(y-y1), 
    l2 = (x-x2)*(y1-y2) - (x1-x2)*(y-y2), 
    l3 = (x-x3)*(y2-y3) - (x2-x3)*(y-y3);
  return (l1>0 && l2>0  && l3>0) || (l1<0 && l2<0 && l3<0);
}

没有比这更有效率的了!三角形的每边都可以有独立的位置和方向，因此需要进行l1、l2和l3三个计算，每个计算需要进行2次乘法。一旦l1, l2和l3是已知的，结果只是一些基本的比较和布尔运算。

2017-04-20 19:52:19

如果你正在寻找速度，这里有一个方法可能会帮助你。

对三角形顶点的纵坐标进行排序。这最多需要三次比较。设Y0 Y1 Y2是三个排好序的值。通过画三条水平线，你可以把这个平面分成两个半平面和两块平板。设Y为查询点的纵坐标。

if Y < Y1
    if Y <= Y0 -> the point lies in the upper half plane, outside the triangle; you are done
    else Y > Y0 -> the point lies in the upper slab
else
    if Y >= Y2 -> the point lies in the lower half plane, outside the triangle; you are done
    else Y < Y2 -> the point lies in the lower slab

又花费了两次比较。如你所见，在“边界板”之外的点可以快速拒绝。

可选地，您可以在横坐标上提供一个测试，以便在左侧和右侧快速拒绝(X <= X0'或X >= X2')。这将同时实现一个快速的包围框测试，但您还需要在横坐标上排序。

最终，你需要计算给定点的符号，相对于三角形的两边，划定相关的板(上或下)。该测试形式为:

((X - Xi) * (Y - Yj) > (X - Xi) * (Y - Yj)) == ((X - Xi) * (Y - Yk) > (X - Xi) * (Y - Yk))

关于i, j, k组合的完整讨论(根据排序的结果，有六种组合)超出了这个答案的范围，“留给读者练习”;为了提高效率，它们应该被硬编码。

如果您认为这个解决方案很复杂，请注意，它主要涉及简单的比较(其中一些可以预先计算)，加上6个减法和4个乘法，以防边界盒测试失败。后者的代价是难以克服的，因为在最坏的情况下，你无法避免将测试点与两边进行比较(在其他答案中，没有哪种方法的代价更低，有些方法的代价更低，比如15个减法和6个乘法，有时是除法)。

更新: 用剪切变换更快

如上所述，您可以使用两次比较快速定位由三个顶点纵坐标分隔的四个水平带之一内的点。

您可以选择执行一个或两个额外的X测试来检查边界框(虚线)的内部性。

然后考虑X'= X - m Y, Y' = Y给出的“剪切”变换，其中m是最高边的斜率DX/DY。这个变换会使三角形的这条边是垂直的。因为你知道你在中间水平线的哪一边，所以只用三角形的一条边来测试符号就足够了。

假设你预先计算了斜率m，以及剪切三角形顶点的X'和边方程的系数X = m Y + p，你将需要在最坏的情况下

纵向分类的两个纵坐标比较; 可选的一个或两个横坐标比较用于边界框拒绝; 计算X' = X - m Y; 与剪切三角形的横坐标作一两次比较; 一个符号测试X >< m' Y + p'对剪切三角形的相关边。

2014-02-02 11:27:31

下面是一个高效的Python实现:

def PointInsideTriangle2(pt,tri):
    '''checks if point pt(2) is inside triangle tri(3x2). @Developer'''
    a = 1/(-tri[1,1]*tri[2,0]+tri[0,1]*(-tri[1,0]+tri[2,0])+ \
        tri[0,0]*(tri[1,1]-tri[2,1])+tri[1,0]*tri[2,1])
    s = a*(tri[2,0]*tri[0,1]-tri[0,0]*tri[2,1]+(tri[2,1]-tri[0,1])*pt[0]+ \
        (tri[0,0]-tri[2,0])*pt[1])
    if s<0: return False
    else: t = a*(tri[0,0]*tri[1,1]-tri[1,0]*tri[0,1]+(tri[0,1]-tri[1,1])*pt[0]+ \
              (tri[1,0]-tri[0,0])*pt[1])
    return ((t>0) and (1-s-t>0))

和一个示例输出:

2014-01-06 11:32:43

如何确定一个点是否在二维三角形中?

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