Intersection between a 2d line and a conic in OpenCASCADE
eryar@163.com
Abstract. OpenCASCADE provides the algorithm to implementation of the analytical intersection between a 2d line and another conic curve. The conic is defined by its implicit quadaratic equation, so the intersection problem is become a polynomial roots finding problem. The paper focus on the 2d line intersection another conic algorithm implementation.
Key Words. 2d line intersection, conic
1.Introduction
高中的時(shí)候?qū)W習(xí)了直線Line、圓Circle、圓錐曲線Conic（橢圓Ellipse、雙曲線Hyperbola和拋物線parabola）等二維曲線的方程及特性，也可以對(duì)他們之間的相交情況進(jìn)行計(jì)算。如何編程實(shí)現(xiàn)直線與任意圓錐曲線相交呢？本文通過(guò)對(duì)OpenCASCADE中二維直線與圓錐曲線相交代碼的分析來(lái)理解其實(shí)現(xiàn)原理。
Figure 1. 直線與圓錐曲線相交
對(duì)于二維曲線知識(shí)的學(xué)習(xí)又把思緒拉回到高中年代，翻開(kāi)泛黃的課本，遙想那個(gè)青澀時(shí)候，對(duì)于《數(shù)學(xué)》的學(xué)習(xí)也是停留在解題上，沒(méi)有理解，更別說(shuō)應(yīng)用了。有人說(shuō)數(shù)學(xué)、英語(yǔ)和代碼是當(dāng)今的世界語(yǔ)言，都可以進(jìn)行思想的交流。數(shù)學(xué)本來(lái)就是描述現(xiàn)實(shí)世界規(guī)律的精妙語(yǔ)言，但我終究是個(gè)俗人，更崇拜能應(yīng)用數(shù)學(xué)創(chuàng)建價(jià)值的人，如OpenCASCADE的開(kāi)發(fā)者們。
2.Conic Implicit Equation
圓錐曲線一般的代數(shù)表示方法為：
OpenCASCADE中使用類IntAna2d_Conic來(lái)表示圓錐曲線的代數(shù)方程。并提供了將二維曲線（直線、圓、橢圓、拋物線、雙曲線）轉(zhuǎn)換成代數(shù)方程的方法，相關(guān)代碼如下所示：
IntAna2d_Conic::IntAna2d_Conic (const gp_Lin2d& L) {
a = 0.0;
b = 0.0;
c = 0.0;
L.Coefficients(d,e,f);
f = 2*f;
}
IntAna2d_Conic::IntAna2d_Conic (const gp_Circ2d& C) {
C.Coefficients(a,b,c,d,e,f);
}
IntAna2d_Conic::IntAna2d_Conic (const gp_Elips2d& E) {
E.Coefficients(a,b,c,d,e,f);
}
IntAna2d_Conic::IntAna2d_Conic (const gp_Parab2d& P) {
P.Coefficients(a,b,c,d,e,f);
}
IntAna2d_Conic::IntAna2d_Conic (const gp_Hypr2d& H) {
H.Coefficients(a,b,c,d,e,f);
}
3.Intersection Implementation
當(dāng)對(duì)直線和圓錐曲線進(jìn)行求交時(shí)，先得到了直線的一般式方程和圓錐曲線的一般式方程，將它們聯(lián)立成方程組如下所示：
是一個(gè)二元二次方程組。通過(guò)直線的參數(shù)表示法，將上述二元二次方程組轉(zhuǎn)換成一元二次方程，再對(duì)這個(gè)方程進(jìn)行求解。設(shè)直線l經(jīng)過(guò)點(diǎn)P0(x0,y0)，v=(a, b)是它的一個(gè)方向向量。P(x,y)是直線上任意一點(diǎn)，則向量P0P與v共線。根據(jù)向量共線的充要條件，存在唯一實(shí)數(shù)t，使：
將直線的一般式化為參數(shù)式為：
將直線的參數(shù)式代入圓錐曲線的一般式得到：
整理上述方程得：
得到各次系數(shù)后，就可以用Newton法來(lái)解這個(gè)一元二次方程了。OpenCASCADE中的實(shí)現(xiàn)代碼如下所示：
void IntAna2d_AnaIntersection::Perform (const gp_Lin2d& L,
const IntAna2d_Conic& Conic)
{
Standard_Real A,B,C,D,E,F;
Standard_Real px0,px1,px2;
Standard_Real DR_A,DR_B,DR_C,X0,Y0;
Standard_Integer i;
Standard_Real tx,ty,S;
done = Standard_False;
nbp = 0;
para = Standard_False;
iden = Standard_False;
Conic.Coefficients(A,B,C,D,E,F);
L.Coefficients(DR_A,DR_B,DR_C);
X0=L.Location().X();
Y0=L.Location().Y();
// Parametre: L
// X = Xo - L DR_B et Y = Yo + L DR_A
px0=F + X0*(D+D + A*X0 + 2.0*C*Y0) + Y0*(E+E + B*Y0);
px1=2.0*(E*DR_A - D*DR_B + X0*(C*DR_A - A*DR_B) + Y0*(B*DR_A - C*DR_B));
px2=DR_A*(B*DR_A - 2.0*C*DR_B) + A*(DR_B*DR_B);
MyDirectPolynomialRoots Sol(px2,px1,px0);
if(!Sol.IsDone()) {
done=Standard_False;
return;
}
else {
if(Sol.InfiniteRoots()) {
iden=Standard_True;
done=Standard_True;
return;
}
nbp=Sol.NbSolutions();
for(i=1;i<=nbp;i++) {
S=Sol.Value(i);
tx=X0 - S*DR_B;
ty=Y0 + S*DR_A;
lpnt[i-1].SetValue(tx,ty,S);
}
Traitement_Points_Confondus(nbp,lpnt);
}
done=Standard_True;
}
從上述源碼可知，OpenCASCADE使用了直線的參數(shù)式來(lái)將直線與圓錐曲線的求交表示成一元二次方程，再使用Newton法來(lái)對(duì)方程進(jìn)行求解。 其中變量px0、px1、px2分別表示一元二次方程的零次、一次和二次項(xiàng)的系數(shù)。
4.Conclusion
通過(guò)圓錐曲線的一般式和直線的參數(shù)式將直線與圓錐曲線相交問(wèn)題變成一個(gè)一元二次方程的求根問(wèn)題，再通過(guò)方程求根的Newton法來(lái)對(duì)一元二次方程進(jìn)行求解。
5.References
1. 人民教育出版社中學(xué)數(shù)學(xué)室. 數(shù)學(xué)第二冊(cè)上. 人民教育出版社. 2000
2. 易大義, 沈云寶, 李有法. 計(jì)算方法. 浙江大學(xué)出版社. 2002
3. 李原, 張開(kāi)富, 余劍峰. 計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)技術(shù)及應(yīng)用. 西北工業(yè)大學(xué)出版社. 2007
4. 丘維聲. 解析幾何. 北京大學(xué)出版社. 1996