🔮 点在四面体内?计算几何中的灵魂拷问与精度之战

"在高维空间的对峙中,任何一个微小的误差,都是背叛。" ------ 几何判定法则的守夜人

🎬 引子:点的身份危机

你站在一块浮空的玻璃平台上,四个奇点漂浮于你周围。他们形成了一个神秘的四面体,而你,站在这四维神庙的边界上,只想知道:

"我,到底是在里面,还是在外面?"

欢迎来到**"点在四面体内判定"**这场计算几何中的永恒哲学问题。


🧱 基础概念:四面体与体积的秘密联结

假设我们有一个四面体,由点 A, B, C, D 构成,我们想判断任意一点 P 是否在这个四面体内部。

🌟 关键点:将四面体拆成四个子四面体,分别包含点 P 和四面体的三角面之一,然后计算它们的有符号体积。

🗣️ 小技巧:体积带符号才有意义,正负符号才是你我之分!


🧮 四个体积的判定逻辑

我们定义如下 4 个体积(每个包含 P 和四面体的一个三角面):

  1. V0 = Volume(P, B, C, D)
  2. V1 = Volume(A, P, C, D)
  3. V2 = Volume(A, B, P, D)
  4. V3 = Volume(A, B, C, P)

若这些体积的符号全部相同(全正或全负) ,则点 P 在四面体内。

否则,P 就像是走错维度的流浪者,被挡在了门外。


⚠️ 共面崩溃的陷阱:浮点地狱中的幽灵

在理想数学世界里,determinant(A, B, C, D) 不会出错。

可在现实世界,JavaScript 的 Number 类型只有 64 位双精度,面对微小的三角形和几乎共面的点时,误差像幽灵一样扰乱真相。

这就可能导致你看到的符号是"错的",从而作出"你其实在里面"的幻觉判断!


🧠 Shewchuk 的魔法:自适应精度几何

Jonathan Shewchuk,是一位几何裁决官。他在 1990s 提出了自适应精度几何谓词(Adaptive Precision Predicates)

"我们不能消除误差,但可以让它服从我们。"

🧙‍♂️ 怎么实现?

  • 使用多重精度表示数值(如扩展浮点或浮点对)
  • 动态判断误差范围,根据需求提升计算精度
  • 最终确保 符号的正确性,即你只需知道 "这是正的" 还是 "负的",而不是体积到底是多少。

Shewchuk 说白了就是:"我不求你算得准,只要你判断得对。"


💻 JS 实现:简单版本(理想状态)

ini 复制代码
function signedVolume(a, b, c, d) {
  const ab = [b.x - a.x, b.y - a.y, b.z - a.z];
  const ac = [c.x - a.x, c.y - a.y, c.z - a.z];
  const ad = [d.x - a.x, d.y - a.y, d.z - a.z];
  return (
    ab[0] * (ac[1] * ad[2] - ac[2] * ad[1]) -
    ab[1] * (ac[0] * ad[2] - ac[2] * ad[0]) +
    ab[2] * (ac[0] * ad[1] - ac[1] * ad[0])
  );
}

function pointInTetrahedron(p, a, b, c, d) {
  const v0 = signedVolume(p, b, c, d);
  const v1 = signedVolume(a, p, c, d);
  const v2 = signedVolume(a, b, p, d);
  const v3 = signedVolume(a, b, c, p);

  return (v0 > 0 && v1 > 0 && v2 > 0 && v3 > 0) ||
         (v0 < 0 && v1 < 0 && v2 < 0 && v3 < 0);
}

🧪 精度加强:接入 Shewchuk 的判定器(用 npm 包)

安装 Shewchuk 的精度神器:robust-orientation

复制代码
npm install robust-orientation

然后在 JS 中使用:

ini 复制代码
import orient3d from 'robust-orientation/3';

function pointInTetrahedron_robust(p, a, b, c, d) {
  const o0 = orient3d(p, b, c, d);
  const o1 = orient3d(a, p, c, d);
  const o2 = orient3d(a, b, p, d);
  const o3 = orient3d(a, b, c, p);

  const allPositive = o0 > 0 && o1 > 0 && o2 > 0 && o3 > 0;
  const allNegative = o0 < 0 && o1 < 0 && o2 < 0 && o3 < 0;

  return allPositive || allNegative;
}

📌 注意:orient3d 返回的是方向(正/负/零),它通过高精度浮点表示,避免因共面、精度抖动导致的误判。


🧙‍♀️ 总结与箴言

  • 判断点是否在四面体内的关键,在于有符号体积
  • 漂亮地计算体积靠行列式 ,而正确判断靠符号
  • 当精度崩坏时,Shewchuk 的自适应精度算法是唯一真理;
  • 在浮点不可靠的世界里,robustness is everything

📚 延伸阅读


"若要在几何世界里站稳脚跟,你必须征服浮点数。"

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