茂之钳
216 lines
6.3 KiB
C++
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6.3 KiB
C++
/**
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* @file ray_intersect.h
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* @brief 射线求交工具集
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*
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* 射线与基本几何图元（三角形、AABB、球体、平面、网格）的求交函数。
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* 包含 Möller-Trumbore 算法、slab 方法、解析求交等。
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*
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* @ingroup collision
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*/
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#pragma once
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#include "vde/core/point.h"
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#include "vde/core/line.h"
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#include "vde/core/triangle.h"
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#include "vde/core/aabb.h"
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#include <optional>
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#include <vector>
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namespace vde::collision {
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using core::Point3D;
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using core::Vector3D;
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using core::Triangle3D;
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using core::Ray3Dd;
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using core::AABB3D;
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/**
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* @brief 射线-三角形求交结果
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*/
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struct RayTriResult {
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double t; /**< 沿射线的参数：hit_point = origin + t * dir */
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double u, v; /**< 三角形重心坐标：hit_point = (1−u−v)*v0 + u*v1 + v*v2 */
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Point3D point; /**< 命中点的世界坐标 */
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};
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/**
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* @brief 射线-三角形求交（Möller-Trumbore 算法）
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*
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* 标准 MT 算法，直接计算重心坐标 u, v 和参数 t。
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* 不预先计算平面方程，一步到位检测。
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*
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* 算法：
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* 1. 计算两个边向量 e1 = v1−v0, e2 = v2−v0
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* 2. 计算 pvec = dir × e2, det = dot(e1, pvec)
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* 3. 若 |det| < ε → 射线平行于三角形（无命中）
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* 4. 计算 tvec = origin−v0, u, v, t
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* 5. 验证 u≥0, v≥0, u+v≤1, t>0 → 命中
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*
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* 复杂度 O(1)。
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*
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* @param origin 射线起点
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* @param dir 射线方向（需归一化以获得正确 t 值）
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* @param tri 三角形
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* @return 命中返回 RayTriResult；未命中返回空
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*
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* @code{.cpp}
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* if (auto hit = ray_triangle_intersect(origin, dir, tri)) {
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* std::cout << "Hit at t=" << hit->t
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* << " barycentric=(" << hit->u << "," << hit->v << ")\n";
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* }
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* @endcode
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*
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* @see ray_mesh_intersect
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*/
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std::optional<RayTriResult> ray_triangle_intersect(
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const Point3D& origin, const Vector3D& dir, const Triangle3D& tri);
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/**
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* @brief 射线-三角形求交（Ray3Dd 重载）
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*
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* @param ray 射线
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* @param tri 三角形
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* @return 命中返回 RayTriResult；未命中返回空
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*
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* @see ray_triangle_intersect(origin, dir, tri)
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||
*/
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inline std::optional<RayTriResult> ray_triangle_intersect(
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const Ray3Dd& ray, const Triangle3D& tri) {
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return ray_triangle_intersect(ray.origin(), ray.direction(), tri);
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}
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/**
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* @brief 射线-AABB 求交（slab 方法）
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*
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* 分别检测射线与三个坐标轴方向 slab（平板块）的交点，
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* 取最大 t_min 和最小 t_max。若 t_min ≤ t_max 且 t_max ≥ 0，则命中。
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*
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* 复杂度 O(1)。
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*
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* @param ray 射线
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* @param box 轴对齐包围盒
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* @param tmin_out [输出] 进入包围盒的参数 t
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* @param tmax_out [输出] 离开包围盒的参数 t
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* @return 命中返回 true
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*
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* @note 常用于 BVH 遍历节点的快速 rejection test
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*
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* @see ray_triangle_intersect
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*/
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bool ray_aabb_intersect(const Ray3Dd& ray, const AABB3D& box,
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double& tmin_out, double& tmax_out);
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/**
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* @brief 射线-球体求交结果
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*/
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struct RaySphereResult {
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double t; /**< 命中参数（通常取较小的 t） */
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Point3D point; /**< 命中点世界坐标 */
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};
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/**
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* @brief 射线-球体求交（解析法）
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*
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* 解二次方程 |origin + t*dir − center|² = r²。
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* 通过判别式 Δ = b² − 4ac 判断：
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* - Δ < 0 → 无交点
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* - Δ = 0 → 切点（一个交点）
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* - Δ > 0 → 两个交点（返回较近的）
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*
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* 复杂度 O(1)。
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*
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* @param origin 射线起点
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* @param dir 射线方向
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* @param center 球心
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* @param radius 球半径
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* @return 命中返回 RaySphereResult（最近交点）；未命中返回空
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||
*
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* @see ray_sphere_intersect(ray, center, radius)
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*/
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std::optional<RaySphereResult> ray_sphere_intersect(
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const Point3D& origin, const Vector3D& dir,
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const Point3D& center, double radius);
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/**
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* @brief 射线-球体求交（Ray3Dd 重载）
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*
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* @param ray 射线
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* @param center 球心
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* @param radius 球半径
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* @return 命中返回 RaySphereResult；未命中返回空
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*/
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inline std::optional<RaySphereResult> ray_sphere_intersect(
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const Ray3Dd& ray, const Point3D& center, double radius) {
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||
return ray_sphere_intersect(ray.origin(), ray.direction(), center, radius);
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||
}
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/**
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* @brief 射线-平面求交
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*
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* 解 t = dot(plane_point − origin, plane_normal) / dot(dir, plane_normal)。
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* 若分母 ≈ 0（射线平行于平面）→ 无交点。
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*
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* @param origin 射线起点
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* @param dir 射线方向
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* @param plane_point 平面上一点
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* @param plane_normal 平面法线（需归一化以获得正确 t）
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* @return 命中返回参数 t；未命中（平行或反向）返回空
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*/
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std::optional<double> ray_plane_intersect(
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const Point3D& origin, const Vector3D& dir,
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const Point3D& plane_point, const Vector3D& plane_normal);
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||
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/**
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* @brief 射线-平面求交（Ray3Dd 重载）
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*
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* @param ray 射线
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* @param plane_point 平面上一点
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||
* @param plane_normal 平面法线
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* @return 命中返回参数 t；未命中返回空
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||
*/
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inline std::optional<double> ray_plane_intersect(
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const Ray3Dd& ray, const Point3D& plane_point,
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||
const Vector3D& plane_normal) {
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return ray_plane_intersect(ray.origin(), ray.direction(),
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||
plane_point, plane_normal);
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}
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/**
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* @brief 射线-网格求交（暴力遍历）
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*
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* 遍历所有三角形，对每个三角形调用 ray_triangle_intersect，
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* 跟踪最小 t 值返回最近命中。
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* 复杂度 O(n)，n 为三角形数量。
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*
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* @param origin 射线起点
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* @param dir 射线方向
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* @param triangles 三角形列表
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* @return 最近命中结果；无命中返回空
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* @note 对于大型网格建议配合 BVH 使用：
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* @code{.cpp}
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* BVH bvh;
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* bvh.build(triangles);
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* auto hit = bvh.query_ray_nearest(ray); // O(log n)
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* @endcode
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*
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* @see ray_tri_intersect.h, query_ray_nearest (BVH)
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*/
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std::optional<RayTriResult> ray_mesh_intersect(
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const Point3D& origin, const Vector3D& dir,
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const std::vector<Triangle3D>& triangles);
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/**
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||
* @brief 射线-网格求交（Ray3Dd 重载）
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||
*
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||
* @param ray 射线
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||
* @param triangles 三角形列表
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||
* @return 最近命中结果；无命中返回空
|
||
*/
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||
inline std::optional<RayTriResult> ray_mesh_intersect(
|
||
const Ray3Dd& ray, const std::vector<Triangle3D>& triangles) {
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||
return ray_mesh_intersect(ray.origin(), ray.direction(), triangles);
|
||
}
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} // namespace vde::collision
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