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我搜索非迭代、封闭形式的算法,以找到最接近 3d 线集的点的最小二乘解。它类似于 3d 点三角测量(以最小化重新投影)但似乎更简单和更快?
线可以用任何形式描述,2点,点和单位方向或类似的。
最佳答案
设第i条直线由点ai和单位方向向量di给出>。我们需要找到最小化点到线距离平方和的单点。这是梯度为零向量的地方:
扩展梯度,
代数产生一个规范的 3x3 线性系统,
其中矩阵 M 的第 k 行(三元素行向量)是
向量 ek 各自的单位基向量,和
将其转化为代码并不难。我从Rosettacode借用(并修复了一个小错误)一个高斯消去函数来解决这个问题。感谢作者!
#include <stdio.h>
#include <math.h>
typedef double VEC[3];
typedef VEC MAT[3];
void solve(double *a, double *b, double *x, int n); // linear solver
double dot(VEC a, VEC b) { return a[0]*b[0] + a[1]*b[1] + a[2]*b[2]; }
void find_nearest_point(VEC p, VEC a[], VEC d[], int n) {
MAT m = {{0, 0, 0}, {0, 0, 0}, {0, 0, 0}};
VEC b = {0, 0, 0};
for (int i = 0; i < n; ++i) {
double d2 = dot(d[i], d[i]), da = dot(d[i], a[i]);
for (int ii = 0; ii < 3; ++ii) {
for (int jj = 0; jj < 3; ++jj) m[ii][jj] += d[i][ii] * d[i][jj];
m[ii][ii] -= d2;
b[ii] += d[i][ii] * da - a[i][ii] * d2;
}
}
solve(&m[0][0], b, p, 3);
}
// Debug printing.
void pp(VEC v, char *l, char *r) {
printf("%s%.3lf, %.3lf, %.3lf%s", l, v[0], v[1], v[2], r);
}
void pv(VEC v) { pp(v, "(", ")"); }
void pm(MAT m) { for (int i = 0; i < 3; ++i) pp(m[i], "\n[", "]"); }
// A simple verifier.
double dist2(VEC p, VEC a, VEC d) {
VEC pa = { a[0]-p[0], a[1]-p[1], a[2]-p[2] };
double dpa = dot(d, pa);
return dot(d, d) * dot(pa, pa) - dpa * dpa;
}
double sum_dist2(VEC p, VEC a[], VEC d[], int n) {
double sum = 0;
for (int i = 0; i < n; ++i) sum += dist2(p, a[i], d[i]);
return sum;
}
// Check 26 nearby points and verify the provided one is nearest.
int is_nearest(VEC p, VEC a[], VEC d[], int n) {
double min_d2 = 1e100;
int ii = 2, jj = 2, kk = 2;
#define D 0.01
for (int i = -1; i <= 1; ++i)
for (int j = -1; j <= 1; ++j)
for (int k = -1; k <= 1; ++k) {
VEC pp = { p[0] + D * i, p[1] + D * j, p[2] + D * k };
double d2 = sum_dist2(pp, a, d, n);
// Prefer provided point among equals.
if (d2 < min_d2 || i == 0 && j == 0 && k == 0 && d2 == min_d2) {
min_d2 = d2;
ii = i; jj = j; kk = k;
}
}
return ii == 0 && jj == 0 && kk == 0;
}
void normalize(VEC v) {
double len = sqrt(dot(v, v));
v[0] /= len;
v[1] /= len;
v[2] /= len;
}
int main(void) {
VEC a[] = {{-14.2, 17, -1}, {1, 1, 1}, {2.3, 4.1, 9.8}, {1,2,3}};
VEC d[] = {{1.3, 1.3, -10}, {12.1, -17.2, 1.1}, {19.2, 31.8, 3.5}, {4,5,6}};
int n = 4;
for (int i = 0; i < n; ++i) normalize(d[i]);
VEC p;
find_nearest_point(p, a, d, n);
pv(p);
printf("\n");
if (!is_nearest(p, a, d, n)) printf("Woops. Not nearest.\n");
return 0;
}
// A linear solver from rosettacode (with bug fix: added a missing fabs())
#define mat_elem(a, y, x, n) (a + ((y) * (n) + (x)))
void swap_row(double *a, double *b, int r1, int r2, int n)
{
double tmp, *p1, *p2;
int i;
if (r1 == r2) return;
for (i = 0; i < n; i++) {
p1 = mat_elem(a, r1, i, n);
p2 = mat_elem(a, r2, i, n);
tmp = *p1, *p1 = *p2, *p2 = tmp;
}
tmp = b[r1], b[r1] = b[r2], b[r2] = tmp;
}
void solve(double *a, double *b, double *x, int n)
{
#define A(y, x) (*mat_elem(a, y, x, n))
int i, j, col, row, max_row, dia;
double max, tmp;
for (dia = 0; dia < n; dia++) {
max_row = dia, max = fabs(A(dia, dia));
for (row = dia + 1; row < n; row++)
if ((tmp = fabs(A(row, dia))) > max) max_row = row, max = tmp;
swap_row(a, b, dia, max_row, n);
for (row = dia + 1; row < n; row++) {
tmp = A(row, dia) / A(dia, dia);
for (col = dia+1; col < n; col++)
A(row, col) -= tmp * A(dia, col);
A(row, dia) = 0;
b[row] -= tmp * b[dia];
}
}
for (row = n - 1; row >= 0; row--) {
tmp = b[row];
for (j = n - 1; j > row; j--) tmp -= x[j] * A(row, j);
x[row] = tmp / A(row, row);
}
#undef A
}
这没有经过广泛测试,但似乎工作正常。
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