定义为起点和长度+方向的线与定义为起点和终点的线不同-方向计算错误
Line defined as start and lenght + orientation differs from start and end point definition - wrong orientation calculation?
我正在尝试为我的小&简单的三维空间计算库。但是我被下面的问题卡住了。
我将3d线存储为start
和end
点。然而,应该可以将其存储为start
点和线的length
+ orientation
(这只是一个很好的例子来测试方向计算是否有效)。
这里的orientation
是指从初始的"0"方向旋转(将end
置于start + [0,legth,0]
)。所以我首先旋转[0,length,0]
的方向,然后添加start
,得到end
点。
问题是,我的方向计算在某处失败了。在计算方向之后,我得到了不同的终点。
我使用左手坐标系, y轴向上指向,但我认为这在这里不重要。
下面是代码(我试图以您可以检查步骤是否正确的方式命名方法;这里是完整的源代码,如果你想自己编译的话):
Point3D start = { 5.0f, 4.0f, 7.0f };
Point3D end = { 15.0f, 6.0f, 14.0f };
Point3D direction = (end - start);
std::wcout << L"Direction: "; direction.output();
float angle = Point3D(0.0f, 1.0f, 0.0f).getAngleToAnotherVectorInRadians(direction);
Point3D axis = direction.getCrossProduct(Point3D(0.0f, 1.0f, 0.0f)).getNormalized();
Quaternion o = Quaternion(AxisAngle(axis, angle));
std::wcout << L"nAxisAngle: "; AxisAngle(axis, angle).output();
std::wcout << L"nOrientation: "; o.output();
//test - end2 should be equal to end
Point3D offset(0.0f, (end - start).getLengthAsVector(), 0.0f);
offset = o.rotatePoint(offset);
std::wcout << L"nOffset: "; offset.output();
Point3D end2 = start + offset;
std::wcout << L"nEnd2: "; end2.output();
代码产生这样的输出(当然没有注释):
Direction: {10, 2, 7} //looks ok
AxisAngle: {{-0.573462, 0, 0.819232}, 1.40839}
Orientation: {-0.371272, 0, 0.530388, 0.762132}
Offset: {-10, 2, -7} //Almost! It should be {10, 2, 7}
End2: {-5, 6, -9.53674e-07} //Wrong! It should be { 15, 6, 14 }
如果所有步骤都是好的,但是在方法的实现中有一些错误,我在这里发布了类的重要代码(所以你可以重现问题):Point3D, AxisAngle, Quaternion
.
我高度相信问题存在于我的主要步骤或AxisAngle
计算中。我认为AxisAngle
到Quaternion
转换是可以的(但我将错误的AxisAngle
传递给Quaternion
构造函数)。
Point3D
:
struct Point3D {
protected:
float x, y, z;
public:
Point3D() : x(0.0f), y(0.0f), z(0.0f) {}
Point3D(float x, float y, float z) : x(x), y(y), z(z) {}
void output() { std::wcout << L"{" << x << L", " << y << L", " << z << L"}"; }
Point3D operator-(const Point3D &point) const {
Point3D temp;
temp.setX(getX() - point.getX());
temp.setY(getY() - point.getY());
temp.setZ(getZ() - point.getZ());
return temp;
}
Point3D operator+ (const Point3D &value) const {
Point3D temp;
temp.setX(getX() + value.getX());
temp.setY(getY() + value.getY());
temp.setZ(getZ() + value.getZ());
return temp;
}
inline float getX() const { return x; } inline float getY() const { return y; } inline float getZ() const { return z; }
inline void setX(float x) { this->x = x; } inline void setY(float y) { this->y = y; } inline void setZ(float z) { this->z = z; }
inline float getLengthAsVector() const {
return sqrt(x*x + y*y + z*z);
}
inline Point3D getCrossProduct(const Point3D &anotherVector) const {
//based on: http://www.sciencehq.com/physics/vector-product-multiplying-vectors.html
return Point3D(
y * anotherVector.z - anotherVector.y * z,
z * anotherVector.x - anotherVector.z * x,
x * anotherVector.y - anotherVector.x * y
);
}
inline float getDotProduct(const Point3D &anotherVector) const {
//based on: https://www.ltcconline.net/greenl/courses/107/Vectors/DOTCROS.HTM
return x * anotherVector.x + y * anotherVector.y + z * anotherVector.z;
}
inline float getAngleToAnotherVectorInRadians(const Point3D &anotherVector) const {
//based on: http://math.stackexchange.com/questions/974178/how-to-calculate-the-angle-between-2-vectors-in-3d-space-given-a-preset-function
return acos(getDotProduct(anotherVector) / (getLengthAsVector() * anotherVector.getLengthAsVector()));
}
Point3D getNormalized() const {
float length = std::abs(sqrt(x*x + y*y + z*z));
Point3D result(x / length, y / length, z / length);
return result;
}
};
AxisAngle
:
class AxisAngle {
protected:
Point3D axis;
float angleInRadians;
public:
AxisAngle(const AxisAngle &other) { axis = other.axis; angleInRadians = other.angleInRadians; }
AxisAngle::AxisAngle(float x, float y, float z, float angleInRadians) {
this->axis = Point3D(x, y, z);
this->angleInRadians = angleInRadians;
}
AxisAngle::AxisAngle(const Point3D &axis, float angleInRadians) {
this->axis = axis;
this->angleInRadians = angleInRadians;
}
Point3D getAxis() const { return axis; }
float getAngleInRadians() const { return angleInRadians; }
void output() { std::wcout << L"{"; axis.output(); std::wcout << L", " << angleInRadians << L"}"; }
};
最后但并非最不重要的,Quaternion
:
class Quaternion {
protected:
float x; float y; float z; float w;
public:
Quaternion() { x = 0.0f; y = 0.0f; z = 0.0f; w = 1.0f; }
Quaternion(const Quaternion &other) { x = other.x; y = other.y; z = other.z; w = other.w; }
Quaternion(float x, float y, float z, float w) { this->x = x; this->y = y; this->z = z; this->w = w; }
Quaternion(const AxisAngle &axisAngle) {
Point3D axis = axisAngle.getAxis();
float angleInRadians = axisAngle.getAngleInRadians();
x = sin(angleInRadians / 2) * axis.getX();
y = sin(angleInRadians / 2) * axis.getY();
z = sin(angleInRadians / 2) * axis.getZ();
w = cos(angleInRadians / 2);
normalizeIt();
}
float getLength() const {
return sqrt(x*x + y*y + z*z + w*w);
}
void normalizeIt() {
float length = getLength();
x = x / length;
y = y / length;
z = z / length;
w = w / length;
}
Quaternion getConjugated() const {
return Quaternion(-x, -y, -z, w);
}
Quaternion multiply(Quaternion by) {
//"R" for result
float wR = w * by.getW() - x * by.getX() - y * by.getY() - z * by.getZ();
float xR = x * by.getW() + w * by.getX() + y * by.getZ() - z * by.getY();
float yR = y * by.getW() + w * by.getY() + z * by.getX() - x * by.getZ();
float zR = z * by.getW() + w * by.getZ() + x * by.getY() - y * by.getX();
return Quaternion(xR, yR, zR, wR);
}
//rotate Point3D p around [0,0,0] with this Quaternion
Point3D rotatePoint(Point3D p) const {
Quaternion temp = multiply(p).multiply(getConjugated());
return Point3D(temp.getX(), temp.getY(), temp.getZ());
//G: P' = Q(P-G)Q' + G <- to rotate P around G with Quaternion
}
Quaternion multiply(Point3D r) const {
float wR = -x * r.getX() - y * r.getY() - z * r.getZ();
float xR = w * r.getX() + y * r.getZ() - z * r.getY();
float yR = w * r.getY() + z * r.getX() - x * r.getZ();
float zR = w * r.getZ() + x * r.getY() - y * r.getX();
return Quaternion(xR, yR, zR, wR);
}
inline float getX() const { return x; } inline void setX(float x) { this->x = x; }
inline float getY() const { return y; } inline void setY(float y) { this->y = y; }
inline float getZ() const { return z; } inline void setZ(float z) { this->z = z; }
inline float getW() const { return w; } inline void setW(float w) { this->w = w; }
void output() { std::wcout << L"{" << x << L", " << y << L", " << z << L", " << w << L"}"; }
};
以防有人问:我确实想使用四元数。它们在这里看起来可能不是100%需要,但是将3d对象的方向存储为四元数在更复杂的计算中有很多好处(大多数游戏引擎/3d软件也在"掩模下"使用它)。
您的轴方向错误。应该是:
Point3D axis = Point3D(0.0f, 1.0f, 0.0f).getCrossProduct(direction).getNormalized();
使用左边的两个规则找出正确的顺序
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