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我有两条线段,在它们的起点/终点处用 3D 点表示。
线路:
class Line
{
public string Name { get; set; }
public Point3D Start { get; set; } = new Point3D();
public Point3D End { get; set; } = new Point3D();
}
3D 点只是坐标 X、Y 和 Z 的 3 个 double 值。
3D 点:
class Point3D
{
public double X { get; set; }
public double Y { get; set; }
public double Z { get; set; }
}
问题:
我能找到两条“线”之间的距离和该距离“线”的端点吗? [ 1
我有什么:
目前,我可以使用这段代码成功获取两条线之间的距离(Adapted From Here 使用 Segment To Segment Section):
public double lineNearLine(Line l1, Line l2)
{
Vector3D uS = new Vector3D { X = l1.Start.X, Y = l1.Start.Y, Z = l1.Start.Z };
Vector3D uE = new Vector3D { X = l1.End.X, Y = l1.End.Y, Z = l1.End.Z };
Vector3D vS = new Vector3D { X = l2.Start.X, Y = l2.Start.Y, Z = l2.Start.Z };
Vector3D vE = new Vector3D { X = l2.End.X, Y = l2.End.Y, Z = l2.End.Z };
Vector3D w1 = new Vector3D { X = l1.Start.X, Y = l1.Start.Y, Z = l1.Start.Z };
Vector3D w2 = new Vector3D { X = l2.Start.X, Y = l2.Start.Y, Z = l2.Start.Z };
Vector3D u = uE - uS;
Vector3D v = vE - vS;
Vector3D w = w1 - w2;
double a = Vector3D.DotProduct(u, u);
double b = Vector3D.DotProduct(u, v);
double c = Vector3D.DotProduct(v, v);
double d = Vector3D.DotProduct(u, w);
double e = Vector3D.DotProduct(v, w);
double D = a * c - b * b;
double sc, sN, sD = D;
double tc, tN, tD = D;
if (D < 0.01)
{
sN = 0;
sD = 1;
tN = e;
tD = c;
}
else
{
sN = (b * e - c * d);
tN = (a * e - b * d);
if (sN < 0)
{
sN = 0;
tN = e;
tD = c;
}
else if (sN > sD)
{
sN = sD;
tN = e + b;
tD = c;
}
}
if (tN < 0)
{
tN = 0;
if (-d < 0)
{
sN = 0;
}
else if (-d > a)
{
sN = sD;
}
else
{
sN = -d;
sD = a;
}
}
else if (tN > tD)
{
tN = tD;
if ((-d + b) < 0)
{
sN = 0;
}
else if ((-d + b) > a)
{
sN = sD;
}
else
{
sN = (-d + b);
sD = a;
}
}
if (Math.Abs(sN) < 0.01)
{
sc = 0;
}
else
{
sc = sN / sD;
}
if (Math.Abs(tN) < 0.01)
{
tc = 0;
}
else
{
tc = tN / tD;
}
Vector3D dP = w + (sc * u) - (tc * v);
double distance1 = Math.Sqrt(Vector3D.DotProduct(dP, dP));
return distance1;
}
我需要什么:
有什么方法可以从上面的代码中确定位移矢量“dP”的端点吗?如果没有,谁能建议一种更好的方法来找到最小距离和该距离的端点?
感谢您的阅读,提前感谢您的任何建议!
非常感谢@Isaac van Bakel 提供此解决方案背后的理论
这是我的完整代码:两条线之间的最短距离由以最短距离连接它们的线表示。
类:
Point3D:我的个人 Point3D 类(class)。想用多少就用多少。
class Point3D
{
public double X { get; set; }
public double Y { get; set; }
public double Z { get; set; }
public Vector3D getVector()
{
return new Vector3D { X = this.X, Y = this.Y, Z = this.Z };
}
}
线路:我的个人线路类(class)。想用多少就用多少。
class Line
{
public string Name { get; set; }
public Point3D Start { get; set; } = new Point3D();
public Point3D End { get; set; } = new Point3D();
public double Length
{
get
{
return Math.Sqrt(Math.Pow((End.X - Start.X), 2) + Math.Pow((End.Y - Start.Y), 2));
}
}
}
函数:
ClampPointToLine :我编写的夹紧函数,用于将点夹紧到一条线上。
public Point3D ClampPointToLine(Point3D pointToClamp, Line lineToClampTo)
{
Point3D clampedPoint = new Point3D();
double minX, minY, minZ, maxX, maxY, maxZ;
if(lineToClampTo.Start.X <= lineToClampTo.End.X)
{
minX = lineToClampTo.Start.X;
maxX = lineToClampTo.End.X;
}
else
{
minX = lineToClampTo.End.X;
maxX = lineToClampTo.Start.X;
}
if (lineToClampTo.Start.Y <= lineToClampTo.End.Y)
{
minY = lineToClampTo.Start.Y;
maxY = lineToClampTo.End.Y;
}
else
{
minY = lineToClampTo.End.Y;
maxY = lineToClampTo.Start.Y;
}
if (lineToClampTo.Start.Z <= lineToClampTo.End.Z)
{
minZ = lineToClampTo.Start.Z;
maxZ = lineToClampTo.End.Z;
}
else
{
minZ = lineToClampTo.End.Z;
maxZ = lineToClampTo.Start.Z;
}
clampedPoint.X = (pointToClamp.X < minX) ? minX : (pointToClamp.X > maxX) ? maxX : pointToClamp.X;
clampedPoint.Y = (pointToClamp.Y < minY) ? minY : (pointToClamp.Y > maxY) ? maxY : pointToClamp.Y;
clampedPoint.Z = (pointToClamp.Z < minZ) ? minZ : (pointToClamp.Z > maxZ) ? maxZ : pointToClamp.Z;
return clampedPoint;
}
distanceBetweenLines :返回表示两条线之间最短距离的线的函数。如果无法解决,则返回 null。
public Line distBetweenLines(Line l1, Line l2)
{
Vector3D p1, p2, p3, p4, d1, d2;
p1 = l1.Start.getVector();
p2 = l1.End.getVector();
p3 = l2.Start.getVector();
p4 = l2.End.getVector();
d1 = p2 - p1;
d2 = p4 - p3;
double eq1nCoeff = (d1.X * d2.X) + (d1.Y * d2.Y) + (d1.Z * d2.Z);
double eq1mCoeff = (-(Math.Pow(d1.X, 2)) - (Math.Pow(d1.Y, 2)) - (Math.Pow(d1.Z, 2)));
double eq1Const = ((d1.X * p3.X) - (d1.X * p1.X) + (d1.Y * p3.Y) - (d1.Y * p1.Y) + (d1.Z * p3.Z) - (d1.Z * p1.Z));
double eq2nCoeff = ((Math.Pow(d2.X, 2)) + (Math.Pow(d2.Y, 2)) + (Math.Pow(d2.Z, 2)));
double eq2mCoeff = -(d1.X * d2.X) - (d1.Y * d2.Y) - (d1.Z * d2.Z);
double eq2Const = ((d2.X * p3.X) - (d2.X * p1.X) + (d2.Y * p3.Y) - (d2.Y * p2.Y) + (d2.Z * p3.Z) - (d2.Z * p1.Z));
double[,] M = new double[,] { { eq1nCoeff, eq1mCoeff, -eq1Const }, { eq2nCoeff, eq2mCoeff, -eq2Const } };
int rowCount = M.GetUpperBound(0) + 1;
// pivoting
for (int col = 0; col + 1 < rowCount; col++) if (M[col, col] == 0)
// check for zero coefficients
{
// find non-zero coefficient
int swapRow = col + 1;
for (; swapRow < rowCount; swapRow++) if (M[swapRow, col] != 0) break;
if (M[swapRow, col] != 0) // found a non-zero coefficient?
{
// yes, then swap it with the above
double[] tmp = new double[rowCount + 1];
for (int i = 0; i < rowCount + 1; i++)
{ tmp[i] = M[swapRow, i]; M[swapRow, i] = M[col, i]; M[col, i] = tmp[i]; }
}
else return null; // no, then the matrix has no unique solution
}
// elimination
for (int sourceRow = 0; sourceRow + 1 < rowCount; sourceRow++)
{
for (int destRow = sourceRow + 1; destRow < rowCount; destRow++)
{
double df = M[sourceRow, sourceRow];
double sf = M[destRow, sourceRow];
for (int i = 0; i < rowCount + 1; i++)
M[destRow, i] = M[destRow, i] * df - M[sourceRow, i] * sf;
}
}
// back-insertion
for (int row = rowCount - 1; row >= 0; row--)
{
double f = M[row, row];
if (f == 0) return null;
for (int i = 0; i < rowCount + 1; i++) M[row, i] /= f;
for (int destRow = 0; destRow < row; destRow++)
{ M[destRow, rowCount] -= M[destRow, row] * M[row, rowCount]; M[destRow, row] = 0; }
}
double n = M[0, 2];
double m = M[1, 2];
Point3D i1 = new Point3D { X = p1.X + (m * d1.X), Y = p1.Y + (m * d1.Y), Z = p1.Z + (m * d1.Z) };
Point3D i2 = new Point3D { X = p3.X + (n * d2.X), Y = p3.Y + (n * d2.Y), Z = p3.Z + (n * d2.Z) };
Point3D i1Clamped = ClampPointToLine(i1, l1);
Point3D i2Clamped = ClampPointToLine(i2, l2);
return new Line { Start = i1Clamped, End = i2Clamped };
}
实现:
Line shortestDistanceLine = distBetweenLines(l1, l2);
结果:
到目前为止,这在我的测试中是准确的。如果传递了两条相同的行,则返回 null。感谢任何反馈!
最佳答案
两条斜线(不相交的线)之间的最短距离是与两条斜线垂直的线的距离。
如果我们有一条直线 l1,已知点 p1 和 p2,直线 l2 已知点 p3 和 p4:
The direction vector of l1 is p2-p1, or d1.
The direction vector of l2 is p4-p3, or d2.
因此我们知道我们正在寻找的向量 v 垂直于这两个方向向量:
d1.v = 0 & d2.v = 0
或者,如果您愿意:
d1x*vx + d1y*vy + d1z*vz = 0
对于 d2 也是如此。
让我们取直线 l1、l2 上的点,其中 v 实际上垂直于方向。我们将这两个点分别称为 i1 和 i2。
Since i1 lies on l1, we can say that i1 = p1 + m*d1, where m is some number.
Similarly, i2 = p3 + n*d2, where n is another number.
由于 v 是 i1 和 i2 之间的向量(根据定义),我们得到 v = i2 - i1。
这给出了 v 的 x,y,z 向量的替换:
vx = i2x - i1x = (p3x + n*d2x) - (p1x + m*d1x)
等等。
您现在可以将其代回您的点积方程:
d1x * ( (p3x + n*d2x) - (p1x + m*d1x) ) + ... = 0
这将我们的方程数量减少到 2 个(两个点积方程)和两个未知数(m 和 n),所以您现在可以求解它们了!
一旦有了 m 和 n,就可以通过返回 i1 和 i2 的原始计算来找到坐标。
如果你只想要 p1-p2 和 p3-p4 之间线段上点的最短距离,你可以将 i1 和 i2 夹在这些坐标范围之间,因为最短距离总是尽可能接近垂直线.
关于c# - 找到两个 3D 线段之间的最短距离,我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/38637542/
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