]> git.mxchange.org Git - simgear.git/blob - simgear/math/SGIntersect.hxx
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[simgear.git] / simgear / math / SGIntersect.hxx
1 // Copyright (C) 2006  Mathias Froehlich - Mathias.Froehlich@web.de
2 //
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8 // This library is distributed in the hope that it will be useful,
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12 //
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14 // along with this program; if not, write to the Free Software
15 // Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301, USA.
16 //
17
18 #ifndef SGIntersect_HXX
19 #define SGIntersect_HXX
20
21 template<typename T>
22 inline bool
23 intersects(const SGSphere<T>& s1, const SGSphere<T>& s2)
24 {
25   if (s1.empty())
26     return false;
27   if (s2.empty())
28     return false;
29
30   T dist = s1.getRadius() + s2.getRadius();
31   return distSqr(s1.getCenter(), s2.getCenter()) <= dist*dist;
32 }
33
34
35 template<typename T1, typename T2>
36 inline bool
37 intersects(const SGBox<T1>& box, const SGSphere<T2>& sphere)
38 {
39   if (sphere.empty())
40     return false;
41   // Is more or less trivially included in the next tests
42   // if (box.empty())
43   //   return false;
44
45   if (sphere.getCenter().x() < box.getMin().x() - sphere.getRadius())
46     return false;
47   if (sphere.getCenter().y() < box.getMin().y() - sphere.getRadius())
48     return false;
49   if (sphere.getCenter().z() < box.getMin().z() - sphere.getRadius())
50     return false;
51
52   if (box.getMax().x() + sphere.getRadius() < sphere.getCenter().x())
53     return false;
54   if (box.getMax().y() + sphere.getRadius() < sphere.getCenter().y())
55     return false;
56   if (box.getMax().z() + sphere.getRadius() < sphere.getCenter().z())
57     return false;
58
59   return true;
60 }
61 // make it symmetric
62 template<typename T1, typename T2>
63 inline bool
64 intersects(const SGSphere<T1>& sphere, const SGBox<T2>& box)
65 { return intersects(box, sphere); }
66
67
68 template<typename T1, typename T2>
69 inline bool
70 intersects(const SGVec3<T1>& v, const SGBox<T2>& box)
71 {
72   if (v[0] < box.getMin()[0])
73     return false;
74   if (box.getMax()[0] < v[0])
75     return false;
76   if (v[1] < box.getMin()[1])
77     return false;
78   if (box.getMax()[1] < v[1])
79     return false;
80   if (v[2] < box.getMin()[2])
81     return false;
82   if (box.getMax()[2] < v[2])
83     return false;
84   return true;
85 }
86 template<typename T1, typename T2>
87 inline bool
88 intersects(const SGBox<T1>& box, const SGVec3<T2>& v)
89 { return intersects(v, box); }
90
91
92 template<typename T>
93 inline bool
94 intersects(const SGRay<T>& ray, const SGPlane<T>& plane)
95 {
96   // We compute the intersection point
97   //   x = origin + \alpha*direction
98   // from the ray origin and non nomalized direction.
99   // For 0 <= \alpha the ray intersects the infinite plane.
100   // The intersection point x can also be written
101   //   x = n*dist + y
102   // where n is the planes normal, dist is the distance of the plane from
103   // the origin in normal direction and y is ana aproriate vector
104   // perpendicular to n.
105   // Equate the x values and take the scalar product with the plane normal n.
106   //   dot(n, origin) + \alpha*dot(n, direction) = dist
107   // We can now compute alpha from the above equation.
108   //   \alpha = (dist - dot(n, origin))/dot(n, direction)
109
110   // The negative numerator for the \alpha expression
111   T num = plane.getPositiveDist();
112   num -= dot(plane.getNormal(), ray.getOrigin());
113   
114   // If the numerator is zero, we have the rays origin included in the plane
115   if (fabs(num) <= SGLimits<T>::min())
116     return true;
117
118   // The denominator for the \alpha expression
119   T den = dot(plane.getNormal(), ray.getDirection());
120
121   // If we get here, we already know that the rays origin is not included
122   // in the plane. Thus if we have a zero denominator we have
123   // a ray paralell to the plane. That is no intersection.
124   if (fabs(den) <= SGLimits<T>::min())
125     return false;
126
127   // We would now compute \alpha = num/den and compare with 0 and 1.
128   // But to avoid that expensive division, check equation multiplied by
129   // the denominator.
130   T alphaDen = copysign(1, den)*num;
131   if (alphaDen < 0)
132     return false;
133
134   return true;
135 }
136 // make it symmetric
137 template<typename T>
138 inline bool
139 intersects(const SGPlane<T>& plane, const SGRay<T>& ray)
140 { return intersects(ray, plane); }
141
142 template<typename T>
143 inline bool
144 intersects(SGVec3<T>& dst, const SGRay<T>& ray, const SGPlane<T>& plane)
145 {
146   // We compute the intersection point
147   //   x = origin + \alpha*direction
148   // from the ray origin and non nomalized direction.
149   // For 0 <= \alpha the ray intersects the infinite plane.
150   // The intersection point x can also be written
151   //   x = n*dist + y
152   // where n is the planes normal, dist is the distance of the plane from
153   // the origin in normal direction and y is ana aproriate vector
154   // perpendicular to n.
155   // Equate the x values and take the scalar product with the plane normal n.
156   //   dot(n, origin) + \alpha*dot(n, direction) = dist
157   // We can now compute alpha from the above equation.
158   //   \alpha = (dist - dot(n, origin))/dot(n, direction)
159
160   // The negative numerator for the \alpha expression
161   T num = plane.getPositiveDist();
162   num -= dot(plane.getNormal(), ray.getOrigin());
163   
164   // If the numerator is zero, we have the rays origin included in the plane
165   if (fabs(num) <= SGLimits<T>::min()) {
166     dst = ray.getOrigin();
167     return true;
168   }
169
170   // The denominator for the \alpha expression
171   T den = dot(plane.getNormal(), ray.getDirection());
172
173   // If we get here, we already know that the rays origin is not included
174   // in the plane. Thus if we have a zero denominator we have
175   // a ray paralell to the plane. That is no intersection.
176   if (fabs(den) <= SGLimits<T>::min())
177     return false;
178
179   // We would now compute \alpha = num/den and compare with 0 and 1.
180   // But to avoid that expensive division, check equation multiplied by
181   // the denominator.
182   T alpha = num/den;
183   if (alpha < 0)
184     return false;
185
186   dst = ray.getOrigin() + alpha*ray.getDirection();
187   return true;
188 }
189 // make it symmetric
190 template<typename T>
191 inline bool
192 intersects(SGVec3<T>& dst, const SGPlane<T>& plane, const SGRay<T>& ray)
193 { return intersects(dst, ray, plane); }
194
195 template<typename T>
196 inline bool
197 intersects(const SGLineSegment<T>& lineSegment, const SGPlane<T>& plane)
198 {
199   // We compute the intersection point
200   //   x = origin + \alpha*direction
201   // from the line segments origin and non nomalized direction.
202   // For 0 <= \alpha <= 1 the line segment intersects the infinite plane.
203   // The intersection point x can also be written
204   //   x = n*dist + y
205   // where n is the planes normal, dist is the distance of the plane from
206   // the origin in normal direction and y is ana aproriate vector
207   // perpendicular to n.
208   // Equate the x values and take the scalar product with the plane normal n.
209   //   dot(n, origin) + \alpha*dot(n, direction) = dist
210   // We can now compute alpha from the above equation.
211   //   \alpha = (dist - dot(n, origin))/dot(n, direction)
212
213   // The negative numerator for the \alpha expression
214   T num = plane.getPositiveDist();
215   num -= dot(plane.getNormal(), lineSegment.getOrigin());
216   
217   // If the numerator is zero, we have the lines origin included in the plane
218   if (fabs(num) <= SGLimits<T>::min())
219     return true;
220
221   // The denominator for the \alpha expression
222   T den = dot(plane.getNormal(), lineSegment.getDirection());
223
224   // If we get here, we already know that the lines origin is not included
225   // in the plane. Thus if we have a zero denominator we have
226   // a line paralell to the plane. That is no intersection.
227   if (fabs(den) <= SGLimits<T>::min())
228     return false;
229
230   // We would now compute \alpha = num/den and compare with 0 and 1.
231   // But to avoid that expensive division, compare equations
232   // multiplied by |den|. Note that copysign is usually a compiler intrinsic
233   // that expands in assembler code that not even stalls the cpus pipes.
234   T alphaDen = copysign(1, den)*num;
235   if (alphaDen < 0)
236     return false;
237   if (den < alphaDen)
238     return false;
239
240   return true;
241 }
242 // make it symmetric
243 template<typename T>
244 inline bool
245 intersects(const SGPlane<T>& plane, const SGLineSegment<T>& lineSegment)
246 { return intersects(lineSegment, plane); }
247
248 template<typename T>
249 inline bool
250 intersects(SGVec3<T>& dst, const SGLineSegment<T>& lineSegment, const SGPlane<T>& plane)
251 {
252   // We compute the intersection point
253   //   x = origin + \alpha*direction
254   // from the line segments origin and non nomalized direction.
255   // For 0 <= \alpha <= 1 the line segment intersects the infinite plane.
256   // The intersection point x can also be written
257   //   x = n*dist + y
258   // where n is the planes normal, dist is the distance of the plane from
259   // the origin in normal direction and y is an aproriate vector
260   // perpendicular to n.
261   // Equate the x values and take the scalar product with the plane normal n.
262   //   dot(n, origin) + \alpha*dot(n, direction) = dist
263   // We can now compute alpha from the above equation.
264   //   \alpha = (dist - dot(n, origin))/dot(n, direction)
265
266   // The negative numerator for the \alpha expression
267   T num = plane.getPositiveDist();
268   num -= dot(plane.getNormal(), lineSegment.getOrigin());
269   
270   // If the numerator is zero, we have the lines origin included in the plane
271   if (fabs(num) <= SGLimits<T>::min()) {
272     dst = lineSegment.getOrigin();
273     return true;
274   }
275
276   // The denominator for the \alpha expression
277   T den = dot(plane.getNormal(), lineSegment.getDirection());
278
279   // If we get here, we already know that the lines origin is not included
280   // in the plane. Thus if we have a zero denominator we have
281   // a line paralell to the plane. That is: no intersection.
282   if (fabs(den) <= SGLimits<T>::min())
283     return false;
284
285   // We would now compute \alpha = num/den and compare with 0 and 1.
286   // But to avoid that expensive division, check equation multiplied by
287   // the denominator. FIXME: shall we do so? or compute like that?
288   T alpha = num/den;
289   if (alpha < 0)
290     return false;
291   if (1 < alpha)
292     return false;
293
294   dst = lineSegment.getOrigin() + alpha*lineSegment.getDirection();
295   return true;
296 }
297 // make it symmetric
298 template<typename T>
299 inline bool
300 intersects(SGVec3<T>& dst, const SGPlane<T>& plane, const SGLineSegment<T>& lineSegment)
301 { return intersects(dst, lineSegment, plane); }
302
303
304 // Distance of a line segment to a point
305 template<typename T>
306 inline T
307 distSqr(const SGLineSegment<T>& lineSeg, const SGVec3<T>& p)
308 {
309   SGVec3<T> ps = p - lineSeg.getStart();
310
311   T psdotdir = dot(ps, lineSeg.getDirection());
312   if (psdotdir <= 0)
313     return dot(ps, ps);
314
315   SGVec3<T> pe = p - lineSeg.getEnd();
316   if (0 <= dot(pe, lineSeg.getDirection()))
317     return dot(pe, pe);
318  
319   return dot(ps, ps) - psdotdir*psdotdir/dot(lineSeg.getDirection(), lineSeg.getDirection());
320 }
321 // make it symmetric
322 template<typename T>
323 inline T
324 distSqr(const SGVec3<T>& p, const SGLineSegment<T>& lineSeg)
325 { return distSqr(lineSeg, p); }
326 // with sqrt
327 template<typename T>
328 inline T
329 dist(const SGVec3<T>& p, const SGLineSegment<T>& lineSeg)
330 { return sqrt(distSqr(lineSeg, p)); }
331 template<typename T>
332 inline T
333 dist(const SGLineSegment<T>& lineSeg, const SGVec3<T>& p)
334 { return sqrt(distSqr(lineSeg, p)); }
335
336 template<typename T>
337 inline bool
338 intersects(const SGRay<T>& ray, const SGSphere<T>& sphere)
339 {
340   // See Tomas Akeniene - Moeller/Eric Haines: Real Time Rendering,
341   // second edition, page 571
342   SGVec3<T> l = sphere.getCenter() - ray.getOrigin();
343   T s = dot(l, ray.getDirection());
344   T l2 = dot(l, l);
345
346   T r2 = sphere.getRadius2();
347   if (s < 0 && l2 > r2)
348     return false;
349
350   T d2 = dot(ray.getDirection(), ray.getDirection());
351   // The original test would read
352   //   T m2 = l2 - s*s/d2;
353   //   if (m2 > r2)
354   //     return false;
355   // but to avoid the expensive division, we multiply by d2
356   T m2 = d2*l2 - s*s;
357   if (m2 > d2*r2)
358     return false;
359
360   return true;
361 }
362 // make it symmetric
363 template<typename T>
364 inline bool
365 intersects(const SGSphere<T>& sphere, const SGRay<T>& ray)
366 { return intersects(ray, sphere); }
367
368 template<typename T>
369 inline bool
370 intersects(const SGLineSegment<T>& lineSegment, const SGSphere<T>& sphere)
371 {
372   // See Tomas Akeniene - Moeller/Eric Haines: Real Time Rendering,
373   // second edition, page 571
374   SGVec3<T> l = sphere.getCenter() - lineSegment.getStart();
375   T ld = length(lineSegment.getDirection());
376   T s = dot(l, lineSegment.getDirection())/ld;
377   T l2 = dot(l, l);
378
379   T r2 = sphere.getRadius2();
380   if (s < 0 && l2 > r2)
381     return false;
382
383   T m2 = l2 - s*s;
384   if (m2 > r2)
385     return false;
386
387   T q = sqrt(r2 - m2);
388   T t = s - q;
389   if (ld < t)
390     return false;
391   
392   return true;
393 }
394 // make it symmetric
395 template<typename T>
396 inline bool
397 intersects(const SGSphere<T>& sphere, const SGLineSegment<T>& lineSegment)
398 { return intersects(lineSegment, sphere); }
399
400
401 template<typename T>
402 inline bool
403 // FIXME do not use that default argument later. Just for development now
404 intersects(SGVec3<T>& x, const SGTriangle<T>& tri, const SGRay<T>& ray, T eps = 0)
405 {
406   // See Tomas Akeniene - Moeller/Eric Haines: Real Time Rendering
407
408   // Method based on the observation that we are looking for a
409   // point x that can be expressed in terms of the triangle points
410   //  x = v_0 + u*(v_1 - v_0) + v*(v_2 - v_0)
411   // with 0 <= u, v and u + v <= 1.
412   // OTOH it could be expressed in terms of the ray
413   //  x = o + t*d
414   // Now we can compute u, v and t.
415   SGVec3<T> p = cross(ray.getDirection(), tri.getEdge(1));
416
417   T denom = dot(p, tri.getEdge(0));
418   T signDenom = copysign(1, denom);
419
420   SGVec3<T> s = ray.getOrigin() - tri.getBaseVertex();
421   SGVec3<T> q = cross(s, tri.getEdge(0));
422   // Now t would read
423   //   t = 1/denom*dot(q, tri.getEdge(1));
424   // To avoid an expensive division we multiply by |denom|
425   T tDenom = signDenom*dot(q, tri.getEdge(1));
426   if (tDenom < 0)
427     return false;
428   // For line segment we would test against
429   // if (1 < t)
430   //   return false;
431   // with the original t. The multiplied test would read
432   // if (absDenom < tDenom)
433   //   return false;
434   
435   T absDenom = fabs(denom);
436   T absDenomEps = absDenom*eps;
437
438   // T u = 1/denom*dot(p, s);
439   T u = signDenom*dot(p, s);
440   if (u < -absDenomEps)
441     return false;
442   // T v = 1/denom*dot(q, d);
443   // if (v < -eps)
444   //   return false;
445   T v = signDenom*dot(q, ray.getDirection());
446   if (v < -absDenomEps)
447     return false;
448   
449   if (u + v > absDenom + absDenomEps)
450     return false;
451   
452   // return if paralell ??? FIXME what if paralell and in plane?
453   // may be we are ok below than anyway??
454   if (absDenom <= SGLimits<T>::min())
455     return false;
456
457   x = ray.getOrigin();
458   // if we have survived here it could only happen with denom == 0
459   // that the point is already in plane. Then return the origin ...
460   if (SGLimitsd::min() < absDenom)
461     x += (tDenom/absDenom)*ray.getDirection();
462   
463   return true;
464 }
465
466 template<typename T>
467 inline bool
468 intersects(const SGTriangle<T>& tri, const SGRay<T>& ray, T eps = 0)
469 {
470   // FIXME: for now just wrap the other method. When that has prooven
471   // well optimized, implement that special case
472   SGVec3<T> dummy;
473   return intersects(dummy, tri, ray, eps);
474 }
475
476 template<typename T>
477 inline bool
478 // FIXME do not use that default argument later. Just for development now
479 intersects(SGVec3<T>& x, const SGTriangle<T>& tri, const SGLineSegment<T>& lineSegment, T eps = 0)
480 {
481   // See Tomas Akeniene - Moeller/Eric Haines: Real Time Rendering
482
483   // Method based on the observation that we are looking for a
484   // point x that can be expressed in terms of the triangle points
485   //  x = v_0 + u*(v_1 - v_0) + v*(v_2 - v_0)
486   // with 0 <= u, v and u + v <= 1.
487   // OTOH it could be expressed in terms of the lineSegment
488   //  x = o + t*d
489   // Now we can compute u, v and t.
490   SGVec3<T> p = cross(lineSegment.getDirection(), tri.getEdge(1));
491
492   T denom = dot(p, tri.getEdge(0));
493   T signDenom = copysign(1, denom);
494
495   SGVec3<T> s = lineSegment.getStart() - tri.getBaseVertex();
496   SGVec3<T> q = cross(s, tri.getEdge(0));
497   // Now t would read
498   //   t = 1/denom*dot(q, tri.getEdge(1));
499   // To avoid an expensive division we multiply by |denom|
500   T tDenom = signDenom*dot(q, tri.getEdge(1));
501   if (tDenom < 0)
502     return false;
503   // For line segment we would test against
504   // if (1 < t)
505   //   return false;
506   // with the original t. The multiplied test reads
507   T absDenom = fabs(denom);
508   if (absDenom < tDenom)
509     return false;
510   
511   // take the CPU accuracy in account
512   T absDenomEps = absDenom*eps;
513
514   // T u = 1/denom*dot(p, s);
515   T u = signDenom*dot(p, s);
516   if (u < -absDenomEps)
517     return false;
518   // T v = 1/denom*dot(q, d);
519   // if (v < -eps)
520   //   return false;
521   T v = signDenom*dot(q, lineSegment.getDirection());
522   if (v < -absDenomEps)
523     return false;
524   
525   if (u + v > absDenom + absDenomEps)
526     return false;
527   
528   // return if paralell ??? FIXME what if paralell and in plane?
529   // may be we are ok below than anyway??
530   if (absDenom <= SGLimits<T>::min())
531     return false;
532
533   x = lineSegment.getStart();
534   // if we have survived here it could only happen with denom == 0
535   // that the point is already in plane. Then return the origin ...
536   if (SGLimitsd::min() < absDenom)
537     x += (tDenom/absDenom)*lineSegment.getDirection();
538   
539   return true;
540 }
541
542 template<typename T>
543 inline bool
544 intersects(const SGTriangle<T>& tri, const SGLineSegment<T>& lineSegment, T eps = 0)
545 {
546   // FIXME: for now just wrap the other method. When that has prooven
547   // well optimized, implement that special case
548   SGVec3<T> dummy;
549   return intersects(dummy, tri, lineSegment, eps);
550 }
551
552
553 template<typename T>
554 inline bool
555 intersects(const SGVec3<T>& v, const SGSphere<T>& sphere)
556 {
557   if (sphere.empty())
558     return false;
559   return distSqr(v, sphere.getCenter()) <= sphere.getRadius2();
560 }
561 template<typename T>
562 inline bool
563 intersects(const SGSphere<T>& sphere, const SGVec3<T>& v)
564 { return intersects(v, sphere); }
565
566
567 template<typename T>
568 inline bool
569 intersects(const SGBox<T>& box, const SGLineSegment<T>& lineSegment)
570 {
571   // See Tomas Akeniene - Moeller/Eric Haines: Real Time Rendering
572
573   SGVec3<T> c = lineSegment.getCenter() - box.getCenter();
574   SGVec3<T> w = T(0.5)*lineSegment.getDirection();
575   SGVec3<T> v(fabs(w.x()), fabs(w.y()), fabs(w.z()));
576   SGVec3<T> h = T(0.5)*box.getSize();
577
578   if (fabs(c[0]) > v[0] + h[0])
579     return false;
580   if (fabs(c[1]) > v[1] + h[1])
581     return false;
582   if (fabs(c[2]) > v[2] + h[2])
583     return false;
584
585   if (fabs(c[1]*w[2] - c[2]*w[1]) > h[1]*v[2] + h[2]*v[1])
586     return false;
587   if (fabs(c[0]*w[2] - c[2]*w[0]) > h[0]*v[2] + h[2]*v[0])
588     return false;
589   if (fabs(c[0]*w[1] - c[1]*w[0]) > h[0]*v[1] + h[1]*v[0])
590     return false;
591
592   return true;
593 }
594 template<typename T>
595 inline bool
596 intersects(const SGLineSegment<T>& lineSegment, const SGBox<T>& box)
597 { return intersects(box, lineSegment); }
598
599 template<typename T>
600 inline bool
601 intersects(const SGBox<T>& box, const SGRay<T>& ray)
602 {
603   // See Tomas Akeniene - Moeller/Eric Haines: Real Time Rendering
604
605   for (unsigned i = 0; i < 3; ++i) {
606     T cMin = box.getMin()[i];
607     T cMax = box.getMax()[i];
608
609     T cOrigin = ray.getOrigin()[i];
610
611     T cDir = ray.getDirection()[i];
612     if (fabs(cDir) <= SGLimits<T>::min()) {
613       if (cOrigin < cMin)
614         return false;
615       if (cMax < cOrigin)
616         return false;
617     }
618
619     T nearr = - SGLimits<T>::max();
620     T farr = SGLimits<T>::max();
621
622     T T1 = (cMin - cOrigin) / cDir;
623     T T2 = (cMax - cOrigin) / cDir;
624     if (T1 > T2) std::swap (T1, T2);/* since T1 intersection with near plane */
625     if (T1 > nearr) nearr = T1; /* want largest Tnear */
626     if (T2 < farr) farr = T2; /* want smallest Tfarr */
627     if (nearr > farr) // farr box is missed
628       return false;
629     if (farr < 0) // box is behind ray
630       return false;
631   }
632
633   return true;
634 }
635 // make it symmetric
636 template<typename T>
637 inline bool
638 intersects(const SGRay<T>& ray, const SGBox<T>& box)
639 { return intersects(box, ray); }
640
641 template<typename T1, typename T2>
642 inline bool
643 intersects(const SGBox<T1>& box1, const SGBox<T2>& box2)
644 {
645   if (box2.getMax()[0] < box1.getMin()[0])
646     return false;
647   if (box1.getMax()[0] < box2.getMin()[0])
648     return false;
649
650   if (box2.getMax()[1] < box1.getMin()[1])
651     return false;
652   if (box1.getMax()[1] < box2.getMin()[1])
653     return false;
654
655   if (box2.getMax()[2] < box1.getMin()[2])
656     return false;
657   if (box1.getMax()[2] < box2.getMin()[2])
658     return false;
659
660   return true;
661 }
662
663 #endif