判断点在多边形内算法的C++实现

1. 算法思路

判断平面内点是否在多边形内有多种算法，其中射线法是其中比较好理解的一种，而且能够支持凹多边形的情况。该算法的思路很简单，就是从目标点出发引一条射线，看这条射线和多边形所有边的交点数目。如果有奇数个交点，则说明在内部，如果有偶数个交点，则说明在外部。如下图所示：

算法步骤如下：

1. 已知点point(x,y)和多边形Polygon的点有序集合（x1,y1;x2,y2;….xn,yn;）；
2. 以point为起点，以无穷远为终点作平行于X轴的射线line(x,y; -∞,y)；循环取得多边形的每一条边side(xi,yi;xi+1,yi+1)：
   1). 判断point(x,y)是否在side上，如果是，则返回true。
   2). 判断line与side是否有交点，如果有则count++。
3. 判断交点的总数count，如果为奇数则返回true，偶数则返回false。

2. 具体实现

在具体的实现过程中，其实还有一个极端情况需要注意：当射线line经过的是多边形的顶点时，判断就会出现异常情况。针对这个问题，可以规定线段的两个端点，相对于另一个端点在上面的顶点称为上端点，下面是下端点。如果射线经过上端点，count加1，如果经过下端点，则count不必加1。具体实现如下：

#include<iostream>
#include <cmath>
#include <vector>
#include <algorithm>

#define EPSILON 0.000001

using namespace std;

//二维double矢量
struct  Vec2d
{
    double x, y;

    Vec2d()
    {
        x = 0.0;
        y = 0.0;
    }
    Vec2d(double dx, double dy)
    {
        x = dx;
        y = dy;
    }
    void Set(double dx, double dy)
    {
        x = dx;
        y = dy;
    }
};

//判断点在线段上
bool IsPointOnLine(double px0, double py0, double px1, double py1, double px2, double py2)
{
    bool flag = false;
    double d1 = (px1 - px0) * (py2 - py0) - (px2 - px0) * (py1 - py0);
    if ((abs(d1) < EPSILON) && ((px0 - px1) * (px0 - px2) <= 0) && ((py0 - py1) * (py0 - py2) <= 0))
    {
        flag = true;
    }
    return flag;
}

//判断两线段相交
bool IsIntersect(double px1, double py1, double px2, double py2, double px3, double py3, double px4, double py4)
{
    bool flag = false;
    double d = (px2 - px1) * (py4 - py3) - (py2 - py1) * (px4 - px3);
    if (d != 0)
    {
        double r = ((py1 - py3) * (px4 - px3) - (px1 - px3) * (py4 - py3)) / d;
        double s = ((py1 - py3) * (px2 - px1) - (px1 - px3) * (py2 - py1)) / d;
        if ((r >= 0) && (r <= 1) && (s >= 0) && (s <= 1))
        {
            flag = true;
        }
    }
    return flag;
}

//判断点在多边形内
bool Point_In_Polygon_2D(double x, double y, const vector<Vec2d> &POL)
{   
    bool isInside = false;
    int count = 0;
    
    //
    double minX = DBL_MAX;
    for (int i = 0; i < POL.size(); i++)
    {
        minX = std::min(minX, POL[i].x);
    }

    //
    double px = x;
    double py = y;
    double linePoint1x = x;
    double linePoint1y = y;
    double linePoint2x = minX -10;          //取最小的X值还小的值作为射线的终点
    double linePoint2y = y;

    //遍历每一条边
    for (int i = 0; i < POL.size() - 1; i++)
    {   
        double cx1 = POL[i].x;
        double cy1 = POL[i].y;
        double cx2 = POL[i + 1].x;
        double cy2 = POL[i + 1].y;
                
        if (IsPointOnLine(px, py, cx1, cy1, cx2, cy2))
        {
            return true;
        }

        if (fabs(cy2 - cy1) < EPSILON)   //平行则不相交
        {
            continue;
        }

        if (IsPointOnLine(cx1, cy1, linePoint1x, linePoint1y, linePoint2x, linePoint2y))
        {
            if (cy1 > cy2)          //只保证上端点+1
            {
                count++;
            }
        }
        else if (IsPointOnLine(cx2, cy2, linePoint1x, linePoint1y, linePoint2x, linePoint2y))
        {
            if (cy2 > cy1)          //只保证上端点+1
            {
                count++;
            }
        }
        else if (IsIntersect(cx1, cy1, cx2, cy2, linePoint1x, linePoint1y, linePoint2x, linePoint2y))   //已经排除平行的情况
        {
            count++;
        }
    }
    
    if (count % 2 == 1)
    {
        isInside = true;
    }

    return isInside;
}


int main()
{   
    //定义一个多边形（六边形）
    vector<Vec2d> POL;  
    POL.push_back(Vec2d(268.28, 784.75));
    POL.push_back(Vec2d(153.98, 600.60));
    POL.push_back(Vec2d(274.63, 336.02));
    POL.push_back(Vec2d(623.88, 401.64));
    POL.push_back(Vec2d(676.80, 634.47));
    POL.push_back(Vec2d(530.75, 822.85));
    POL.push_back(Vec2d(268.28, 784.75));               //将起始点放入尾部，方便遍历每一条边
        
    //
    if (Point_In_Polygon_2D(407.98, 579.43, POL))
    {
        cout << "点（407.98, 579.43）在多边形内" << endl;
    }
    else
    {
        cout << "点（407.98, 579.43）在多边形外" << endl;
    }

    //
    if (Point_In_Polygon_2D(678.92, 482.07, POL))
    {
        cout << "点（678.92, 482.07）在多边形内" << endl;
    }
    else
    {
        cout << "点（678.92, 482.07）在多边形外" << endl;
    }

    return 0;
}

运行结果如下：

3. 改进空间

1. 很多情况下在使用该算法之前，需要一个快速检测的功能：当点不在多边形的外包矩形的时候，那么点一定不在多边形内。
2. 判断点在线上函数IsPointOnLine()和判断线段相交函数IsIntersect()这里并不是最优算法，可以改成向量计算，效率应该更高。