> Возможно, есть другой кусочек дуги на картинке (но не факт, что той же окружности, а не другой из набора концентрических).
Да плевать к какой окружности относится дуга. Главное, чтобы перпендикуляры давали хороший угол. То есть если миликусочки разнесены по разным углам - это уже даёт хороший угол для точности. А когда у нас миликусочки собраны в одном угле, это читай тот же случай что у нас всего один миликусочек на 3-5 пикселей всего. И тут как бы можно заамплифаить по-максимуму, но если данных мало для точности, то хоть прыгай, их больше не станет. А если их достаточно, чтобы с внятной погрешностью вывести кривизну, то дальше круг можно и самому дорисовать.