给定一个任意的单位向量,如何计算一个任意正交的单位向量是最好的方法?

3

这个问题在这里也被问到了,但是它是在非编程的背景下提出的。一个建议的解决方案是使用 { y, -x, 0 }。这适用于所有具有x或y分量的向量,但如果向量等于+或-{0, 0, 1}则失败。在这种情况下,我们将得到{0, 0, 0}。

我的当前解决方案(c++):

// floating point comparison utilizing epsilon
bool is_equal(float, float);

// ...

vec3 v = /* some unit length vector */

// ...

// Set as a non-parallel vector which we will use to find the 
//   orthogonal vector. Here we choose either the x or y axis.
vec3 orthog;
if( is_equal(v.x, 1.0f) )
  orthog.set(1.0f, 0.0f, 0.0f);
else
  orthog.set(0.0f, 1.0f, 0.0f);

// Find orthogonal vector
orthog = cross(v, orthog);
orthog.normalize(); 

这种方法可行,但我觉得可能有更好的方法,而我的搜索结果并没有更多信息。


[编辑]

仅供娱乐,我快速编写了每个建议答案的天真实现(c++),并验证它们都有效(尽管有些不总是自然返回一个单位向量,我在需要时添加了normalize()调用)。

我的原始想法:

vec3 orthog_peter(vec3 const& v)
{
  vec3 arbitrary_non_parallel_vec = v.x != 1.0f ? vec3(1.0, 0.0f, 0.0f) : vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f);
  vec3 orthog = cross(v, arbitrary_non_parallel_vec);

  return normalize( orthog );
}

https://dev59.com/JnjZa4cB1Zd3GeqPe4Eb#19650362

vec3 orthog_robert(vec3 const& v)
{
  vec3 orthog;
  if(v.x == 0.0f && v.y == 0.0f)
    orthog = vec3(1.0f, 1.0f, 0.0f);
  else if(v.x == 0.0f)
    orthog = vec3(1.0f, v.z / v.y, 1.0f);
  else if(v.y == 0.0f)
    orthog = vec3(-v.z / v.x, 1.0f, 1.0f);
  else
    orthog = vec3(-(v.z + v.y) / v.x, 1.0f, 1.0f);

  return normalize(orthog);
}

https://dev59.com/JnjZa4cB1Zd3GeqPe4Eb#19651668

// NOTE: u and v variable names are swapped from author's example
vec3 orthog_abhishek(vec3 const& v)
{
  vec3 u(1.0f, 0.0f, 0.0f);
  float u_dot_v = dot(u, v);

  if(abs(u_dot_v) != 1.0f)
    return normalize(u + (v * -u_dot_v));
  else
    return vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f);
}

https://dev59.com/JnjZa4cB1Zd3GeqPe4Eb#19658055

vec3 orthog_dmuir(vec3 const& v)
{
  float length = hypotf( v.x, hypotf(v.y, v.z));
  float dir_scalar = (v.x > 0.0) ? length : -length;
  float xt = v.x + dir_scalar;
  float dot = -v.y / (dir_scalar * xt);

  return vec3(
    dot * xt, 
    1.0f + dot * v.y, 
    dot * v.z);
};
4个回答

3
另一种方法是使用Householder反射器
我们可以找到一个反射器Q,将我们的向量映射到(1,0,0)的倍数。将Q应用于(0,1,0)将给出一个垂直于我们的向量的向量。这种方法的一个优点是适用于任意维度;另一个优点是我们可以获得原始向量和新向量之间的其他垂直向量:将Q应用于(0,0,1)。听起来可能很复杂,但以下是3D的C代码(xp,yp,zp是所需的向量,并且长度为1;作为写入的一切都是double,但您可以改用float并使用hypotf而不是hypot)。
l = hypot( x, hypot(y,z));
s = (x > 0.0) ? l : -l;
xt = x + s;
dot = -y/(s*xt);
xp = dot*xt;
yp = 1.0 + dot*y;
zp = dot*z;

也许可以使用 l = sqrt(x * x + y * y + z * z) 来节省一个平方根、一个乘法以及两个函数调用。 - Mike

1

好的,以下是一种解决方法。给定一个向量(a, b, c),解方程(a, b, c)点乘(aa, bb, cc) = 0以求出aa、bb和cc(同时确保aa、bb和cc不全为零),这样(aa, bb, cc)就与(a, b, c)正交了。我使用Maxima(http://maxima.sf.net)来解决它。

(%i42) solve ([a, b, c] . [aa, bb, cc] = 0, [aa, bb, cc]), a=0, b=0;
(%o42)                 [[aa = %r19, bb = %r20, cc = 0]]
(%i43) solve ([a, b, c] . [aa, bb, cc] = 0, [aa, bb, cc]), a=0;
                                        %r21 c
(%o43)              [[aa = %r22, bb = - ------, cc = %r21]]
                                          b
(%i44) solve ([a, b, c] . [aa, bb, cc] = 0, [aa, bb, cc]), b=0;
                             %r23 c
(%o44)              [[aa = - ------, bb = %r24, cc = %r23]]
                               a
(%i45) solve ([a, b, c] . [aa, bb, cc] = 0, [aa, bb, cc]);
                        %r25 c + %r26 b
(%o45)         [[aa = - ---------------, bb = %r26, cc = %r25]]
                               a

请注意,我先解决了特殊情况(a = 0和b = 0,或a = 0,或b = 0),因为对于某些分量等于零的情况,找到的解并不都有效。出现的%r变量是任意常数。我将它们设置为1以得到一些具体的解。
(%i52) subst ([%r19 = 1, %r20 = 1], %o42);
(%o52)                    [[aa = 1, bb = 1, cc = 0]]
(%i53) subst ([%r21 = 1, %r22 = 1], %o43);
                                          c
(%o53)                   [[aa = 1, bb = - -, cc = 1]]
                                          b
(%i54) subst ([%r23 = 1, %r24 = 1], %o44);
                                  c
(%o54)                   [[aa = - -, bb = 1, cc = 1]]
                                  a
(%i55) subst ([%r25 = 1, %r26 = 1], %o45);
                                c + b
(%o55)                 [[aa = - -----, bb = 1, cc = 1]]
                                  a

希望这可以帮助到你。祝你好运,继续努力。

我不熟悉Maxima,但从输出和您的笔记中了解到,您仍在解决一组非常特定的输入向量(其中a = 0且b = 0)对吗?我不完全确定您所说的“请注意,我首先解决了特殊情况...因为找到的解决方案并不都适用于某些分量等于零的情况”。我需要解决任意任意输入单位向量(标题已更新以说明此点),但这仍然只似乎是解决了一个子集。 - Peter Clark
在这种情况下,如果a = 0,则会发生除以零的情况。例如,如果输入向量为{0,0,1},则会得到{-(1/0),1,1},这不是一个有效的解决方案。也许我误解了。 - Peter Clark
1
@PeterClark 您说得对,给出的解决方案并不适用于所有输入。每个解决方案都涵盖了不同的条件范围,因此它们共同覆盖了所有输入。您会注意到其他回答者也给出了类似的逐个情况的解决方案--例如,“如果点 u 已经位于坐标轴上,则只需选择任何其他坐标轴作为点 v 的坐标系”。我组织了这些解决方案,使它们从最狭窄的特殊情况到最通用的情况。当您到达通用情况时,已排除了通用解决方案无效的特殊情况。 - Robert Dodier
1
@PeterClark 当你需要处理特殊情况时,在这个问题或其他任何问题中,将它们从最具体到最一般进行组织是很有用的。例如,if (特殊情况1) ... else if (特殊情况2) ... else /* 最一般情况 */ .... 当你通过条件逐步排除一个又一个特殊情况时,当你到达结尾时,你已经排除了所有特殊情况,因此你处于最一般情况下。 - Robert Dodier
哦,好的,我没有意识到第二段代码有4个独特的解决方案。现在我明白了,谢谢! - Peter Clark

1
你需要选择一个点v,它不等于零且不在原点和给定单位向量u之间的连线上。
如前所述,你可以选择任何坐标轴上的单位向量,只要该点满足上述条件。如果点u已经位于某个坐标轴上,则只需选择任何其他坐标轴作为点v。
然后你需要解方程(v+tu).u=0。(只需解出t)
当然,你需要将其归一化以获得正交单位向量。

enter image description here


为什么我们要解 **(v + tu)**.u = 0 而不是 **v.u** = 0?当你说我们将 v 视为一个点时,它不等于零,并且不在连接原点和 u 的直线上(这意味着如果我们将 v 视为从原点开始的向量,则它不是 u 的某个倍数)- 难道 v+tu 不只是给出了一条直线的参数方程式,其中 v 是该直线上的一个点,u 是该直线的方向(因此它与 u 平行,而此方程永远不成立)吗? - Peter Clark
1
@PeterClark 请看我的更新答案。我已经上传了图片。 - Abhishek Bansal

1
这是一个使用主轴来提供更确定结果的C版本。
调用者需要对ortho_v3_v3的结果进行归一化。
inline int axis_dominant_v3_single(const float vec[3])
{
    const float x = fabsf(vec[0]);
    const float y = fabsf(vec[1]);
    const float z = fabsf(vec[2]);
    return ((x > y) ?
           ((x > z) ? 0 : 2) :
           ((y > z) ? 1 : 2));
}

/**
 * Calculates \a p - a perpendicular vector to \a v
 *
 * \note return vector won't maintain same length.
 */
void ortho_v3_v3(float p[3], const float v[3])
{
    const int axis = axis_dominant_v3_single(v);

    assert(p != v);

    switch (axis) {
        case 0:
            p[0] = -v[1] - v[2];
            p[1] =  v[0];
            p[2] =  v[0];
            break;
        case 1:
            p[0] =  v[1];
            p[1] = -v[0] - v[2];
            p[2] =  v[1];
            break;
        case 2:
            p[0] =  v[2];
            p[1] =  v[2];
            p[2] = -v[0] - v[1];
            break;
    }
}

网页内容由stack overflow 提供, 点击上面的
可以查看英文原文,
原文链接