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【光能蜗牛的图形学之旅】求3维度空间异面直线的垂足点

【光能蜗牛的图形学之旅】求3维度空间异面直线的垂足点

作者: 光能蜗牛 | 来源:发表于2018-05-21 00:02 被阅读0次
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    求异面直线一般有定义法和向量法
    通常来说,定义法的解法只适用于解题,而实际使用中,为了减少条件判断,通常使用向量法的方式

    开始:

    题设:假设有两条直线 L1,L2 ,以及两条直线的方向向量V1,V2,求其最短距离连线的连接点。

    首先,最短距离很好求,也即是两异面直线公垂线的长度,选择L1上任意一点P1连接L2上任意一点P2,则线段P1P2在L1,L2的公垂线上的投影即是长度,这个太简单,而且百度搜索一搜一大堆,不解释

    而异面直线的垂足点,则不是那么好求,我找了好一阵网上的代码,坑得要死,无奈只能自己写,

    基本思路如下,
    因为直线的定义可以由如下式子给出
    L(t) = P + t*V

    则在L1和L2上分别选择任意的p1,p2,以及对应的t1,t2,得到的L1(t1),L2(t2)。
    写作如下等式
    L1(t1) = P1 + t1V1--------------------------(1)
    L2(t2) = P2 + t2
    V2--------------------------(2)

    如果L1(t1),L2(t2)刚好是各自直线的垂足点,
    那么可以得出此时| L2(t2)-L1(t1) | 的模长为最小值
    且构成的 L2(t2)-L1(t1) 向量刚好就是公垂线
    因为v1,和 v2都和公垂线垂直,所以,v1和v2各自和公垂线的点乘都为0

    于是我们可以写出如下等式
    ( L2(t2)-L1(t1) ) . V1 = 0 //.表示点乘
    ( L2(t2)-L1(t1) ) . V2 = 0


    (t2V2-t1V1 + P2 - P1 ).V1 = 0
    (t2V2-t1V1 + P2 - P1 ).V2 = 0

    整理

    t2V2.V1 - t1V1.V1 + (P2 - P1).V1 = 0
    t2V2.V2 - t1V1.V2 + (P2 - P1).V2 = 0


    a = V1 .V2 = V2.V1
    b = V1.V1
    c = V2.V2
    d = (P2 - P1) .V1
    e = (P2 - P1).V2

    则上式可化简为

    at2 - bt1 + d = 0
    ct2 - at1 + e = 0

    以下分三种情形讨论

    当a = 0 ,即 V1 .V2 = V2.V1 = 0时,表明原始两条直线互相垂直

    t1 = d / b;
    t2 = -e / c;

    当a != 0时候
    解上述方程
    t1 = (ae -cd)/(aa-bc)
    t2 = b/a * t1 - d/a

    这里发现当(a * a - b * c) = 0时,即(V2.V1) * (V2.V1) = (V1.V1) * (V2.V2) = 0时,也就是两条直线平行或共线,此时无意义,所以只要排除即可

    综上所述
    a = 0 时

    t1 = d / b;
    t2 = -e / c;

    (a * a - b * c) ! = 0 时

    t1 = (ae -cd)/(aa-bc)
    t2 = b/a * t1 - d/a

       class TLine{
            Vector3 source; //射线起点
            Vector3 vDirection;//射线方向
         }
        void MethodByLightSnail(TLine line1,TLine line2,Color color) {
    
            float a = Vector3.Dot(line1.vDirection,line2.vDirection);
            float b = Vector3.Dot(line1.vDirection,line1.vDirection);
            float c = Vector3.Dot(line2.vDirection,line2.vDirection);
    
            float d = Vector3.Dot((line2.source - line1.source),line1.vDirection);
            float e = Vector3.Dot((line2.source - line1.source),line2.vDirection);
    
            float t1 = 0;
            float t2 = 0;
            if (a == 0)
            {
                t1 = d / b;
                t2 = -e / c;
            }
            else if   (Mathf.Abs(a * a - b * c) < 0.0001f)//表明共线或平行,注意理想情况下应该是a * a - b * c == 0,才认为共线或平行,但在计算机世界里,有精度这个东西存在,所以我们近视的认为数值小于某一个值则认为等于0
            {//说明共线或平行
    
            }
            else {
    
                t1 = (a * e - c * d) / (a * a - b * c);
                t2 = b / a * t1 - d / a;
            }
     
        }
    
    
    

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