【问题标题】:Angle between 3 points in 3d space3d空间中3点之间的角度
【发布时间】:2020-01-09 00:53:44
【问题描述】:

我有 3 个点包含 X、Y、Z 坐标:

var A = {x: 100, y: 100, z: 80},
    B = {x: 100, y: 175, z: 80},
    C = {x: 100, y: 100, z: 120};

坐标是来自 3d CSS 变换的像素。 如何获得向量 BA 和 BC 之间的角度? 一个数学公式就可以了,JavaScript 代码会更好。 谢谢。

【问题讨论】:

标签: 3d


【解决方案1】:

在伪代码中,向量 BA(称为 v1)是:

v1 = {A.x - B.x, A.y - B.y, A.z - B.z}

类似地,向量 BC(称为 v2)是:

v2 = {C.x - B.x, C.y - B.y, C.z - B.z}

v1v2 的点积是它们之间夹角余弦的函数(由它们的大小乘积缩放)。所以首先规范化v1v2

v1mag = sqrt(v1.x * v1.x + v1.y * v1.y + v1.z * v1.z)
v1norm = {v1.x / v1mag, v1.y / v1mag, v1.z / v1mag}

v2mag = sqrt(v2.x * v2.x + v2.y * v2.y + v2.z * v2.z)
v2norm = {v2.x / v2mag, v2.y / v2mag, v2.z / v2mag}

然后计算点积:

res = v1norm.x * v2norm.x + v1norm.y * v2norm.y + v1norm.z * v2norm.z

最后,恢复角度:

angle = acos(res)

【讨论】:

  • 很好,让我把它放在 Javascript 中
  • 你会有一个结果@Mircea 的 jsfiddle 吗?
  • @y_nk 对不起,没有小提琴,但看看typefolly.com/interaction,因为它应该在那里
  • 伙计,难道没有更有效、更不精确的方法吗?渲染循环中的 acos 和两个 sqrts 可以快速构建缓慢
  • @Roger Rowland:是的,基本上是一样的。在打扰你之前不仔细注意我真是愚蠢! :)
【解决方案2】:
double GetAngleABC( double* a, double* b, double* c )
{
    double ab[3] = { b[0] - a[0], b[1] - a[1], b[2] - a[2] };
    double bc[3] = { c[0] - b[0], c[1] - b[1], c[2] - b[2]  };

    double abVec = sqrt(ab[0] * ab[0] + ab[1] * ab[1] + ab[2] * ab[2]);
    double bcVec = sqrt(bc[0] * bc[0] + bc[1] * bc[1] + bc[2] * bc[2]);

    double abNorm[3] = {ab[0] / abVec, ab[1] / abVec, ab[2] / abVec};
    double bcNorm[3] = {bc[0] / bcVec, bc[1] / bcVec, bc[2] / bcVec};

    double res = abNorm[0] * bcNorm[0] + abNorm[1] * bcNorm[1] + abNorm[2] * bcNorm[2];

    return acos(res)*180.0/ 3.141592653589793;
}


double a[] = {1, 0, 0};

double b[] = {0, 0, 0};

double c[] = {0, 1, 0};

std::cout<< "The angle of ABC is " << GetAngleABC(a,b,c)<< "º " << std::endl;

【讨论】:

  • 这段代码是可行的。我注意到一个危险的情况:您假设 double* 的长度始终为 3 而没有检查这一点。如果用户/编码器传递不同长度的数组,此代码将产生异常,但您没有处理异常。确实,这是一件挑剔的事情,因为代码有效,但是我更喜欢将 try/catch 异常处理与任何数组操作(或类似操作,以包括任何具有长度/大小的集合,例如向量)一起使用,并且我更愿意确认数组/容器的长度/大小是函数所期望的(这里是 3)。投票。
【解决方案3】:

swift中的@Roger算法

func SCNVector3Angle(start: SCNVector3, mid: SCNVector3, end: SCNVector3) -> Double {
    let v1 = (start - mid)
    let v2 = (end - mid)
    let v1norm = v1.normalized()
    let v2norm = v2.normalized()

    let res = v1norm.x * v2norm.x + v1norm.y * v2norm.y + v1norm.z * v2norm.z
    let angle: Double = Double(GLKMathRadiansToDegrees(acos(res)))
    return angle
}

/**
* Subtracts two SCNVector3 vectors and returns the result as a new SCNVector3.
*/
func - (left: SCNVector3, right: SCNVector3) -> SCNVector3 {
    return SCNVector3Make(left.x - right.x, left.y - right.y, left.z - right.z)
}

extension SCNVector3
{
    /**
    * Returns the length (magnitude) of the vector described by the SCNVector3
    */
    func length() -> Float {
        return sqrtf(x*x + y*y + z*z)
    }

    /**
    * Normalizes the vector described by the SCNVector3 to length 1.0 and returns
    * the result as a new SCNVector3.
    */
    func normalized() -> SCNVector3 {
        return self / length()
    }
}

【讨论】:

    【解决方案4】:

    在 python 中也是一样的(输出以度为单位):

    import numpy as np
    import math 
    import time
    
    def angle_2p_3d(a, b, c):       
    
        v1 = np.array([ a[0] - b[0], a[1] - b[1], a[2] - b[2] ])
        v2 = np.array([ c[0] - b[0], c[1] - b[1], c[2] - b[2] ])
    
        v1mag = np.sqrt([ v1[0] * v1[0] + v1[1] * v1[1] + v1[2] * v1[2] ])
        v1norm = np.array([ v1[0] / v1mag, v1[1] / v1mag, v1[2] / v1mag ])
    
        v2mag = np.sqrt(v2[0] * v2[0] + v2[1] * v2[1] + v2[2] * v2[2])
        v2norm = np.array([ v2[0] / v2mag, v2[1] / v2mag, v2[2] / v2mag ])
        res = v1norm[0] * v2norm[0] + v1norm[1] * v2norm[1] + v1norm[2] * v2norm[2]
        angle_rad = np.arccos(res)
    
        return math.degrees(angle_rad)
    
    
    p1 = np.array([1,0,0])
    p2 = np.array([0,0,0])
    p3 = np.array([0,0,1])
    
    start = time.time()
    angle= angle_2p_3d(p1, p2, p3)
    end = time.time()
    
    print("angle: ", angle)
    print("elapsed in: ", end - start)
    

    输出:

    角度:90.0

    经过:8.392333984375e-05

    【讨论】:

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