碰撞检测之Ray-Cylinder检测
来源:互联网 发布:ubuntu安装xwindow 编辑:程序博客网 时间:2024/05/23 14:09
正交基和标准正交基
首先来看定义
Let S = {v1, v2, ... , vk} be a set of vectors in Rn, then S is called an orthogonal if
vi . vj=0
for all i not equal to j. An orthogonal set of vectors is called orthonormal if all vectors in S are unit vectors.
咳咳,翻译一下
对于 Rn中的一个向量集合 S={v1, v2, ... , vk} , 如果存在
vi . vj = 0 (i != j)
那么它们就是一组正交基,如果它们都是单位向量,则它们还是标准正交基。
定理
1.给定一组正交基S = {v1, v2, ... , vk},那么他们是线性相关的。
2.对于 Rn中的一个正交基 S={v1, v2, ... , vk},则 Rn中的向量 v 的以S为基的第 i 个坐标为
v . vj
例
求向量(5, 10) 在基 S = {(3/5, 4/5), (-4/5, 3/5)}中的坐标。
(5,10).(3/5,4/5) = 11
(5,10).(-4/5, 3/5) = 2
[(5,10)]S = (11,2)
给定一个空间向量,求出以这个向量为轴的正交基
解
假设给定的空间向量为
v = (a,b,c);
则与v垂直的向量必定满足
a*x + b*y + c*z = 0
这个向量可以是u = (0;-c;b) 或者 u = (-c,0,a);
已知两个向量,第三个向量利用向量叉乘就可以得出
w = cross(u,v)
最后将u,v,w单位化,得到新的正交基。
不同正交基下的坐标变换
同一个向量,在不同的基下面的坐标是不同的。因此,可以用正交矩阵来代表坐标系(也可以看作基)从而写出在统一的参考系(全局坐标系)下同一个向量在不同基中的坐标。
已知一个基Q和向量v在它之中的坐标v’,以及另外一个基R,我们可以通过v=Qv’=Rv’’公式来计算v’’。
上面就是求v’’的公式,注意到右边需要计算基R的逆矩阵R^-1,因为基R是正交矩阵,而正交矩阵的一个重要性质就是逆等于转置。因此,我们可以把它写成
这个公式就是坐标转换公式。特别地,如果Q是和参考系相同的坐标系(3D编程中大多数情况下如此),比如世界坐标系,则Q是一个单位矩阵I,则我们可以把它写成
这个坐标转换公式可以解释为:对于世界坐标系中的向量v’,它在坐标系R中的坐标是v’’
我们还可以得到哟个有趣的结论:
假设原始的坐标系为x-(1,0,0), y-(0,1,0), z(0,0,1),这个坐标系经过一个旋转矩阵Matrix旋转之后,新的坐标系就是这个旋转矩阵的转置三个列向量。
圆柱体的射线求交
上面啰嗦到的两个地方这里都会用到。
首先还是定义圆柱体的类
public class Cylinder : NGeometry { public Vector3 p0; public Vector3 p1; public float radius; public Cylinder(Vector3 _p0, Vector3 _p1, float _radius) : base(GeometryType.Cylinder) { p0 = _p0; p1 = _p1; radius = _radius; } public Cylinder() : base(GeometryType.Cylinder) { } public Vector3 ComputeDirection() { return p1 - p0; } }
看检测的代码,有点长
public static bool Raycast(Ray ray, float distance, Cylinder cylinder, out RaycastHitInfo hitInfo) { hitInfo = new RaycastHitInfo(); Vector3 cylinderDir = cylinder.ComputeDirection(); Vector3 kW = cylinderDir; float fWLength = kW.magnitude; kW.Normalize(); //two thin for check if (fWLength <= 1e-6f) { return false; } //generate orthonormal basis //cylinder along the z direction Vector3 kU = Vector3.zero; if (fWLength > 0.0f) { float fInvLength; if (Mathf.Abs(kW.x) >= Mathf.Abs(kW.y)) { fInvLength = 1.0f / Mathf.Sqrt(kW.x * kW.x + kW.z * kW.z); kU.x = -kW.z * fInvLength; kU.y = 0.0f; kU.z = kW.x * fInvLength; } else { // W.y or W.z is the largest magnitude component, swap them fInvLength = 1.0f / Mathf.Sqrt(kW.y * kW.y + kW.z * kW.z); kU.x = 0.0f; kU.y = kW.z * fInvLength; kU.z = -kW.y * fInvLength; } } Vector3 kV = Vector3.Cross(kW, kU); kV.Normalize(); // compute intersection //Transform the ray to the cylinder's local coordinate //new Ray direction Vector3 kD = new Vector3(Vector3.Dot(kU, ray.direction), Vector3.Dot(kV, ray.direction), Vector3.Dot(kW, ray.direction)); float fDLength = kD.magnitude; Debug.Log("fDLength: " + fDLength); kD.Normalize(); float fInvDLength = 1.0f / fDLength; Vector3 kDiff = ray.origin - cylinder.p0; //new Ray origin Vector3 kP = new Vector3(Vector3.Dot(kU, kDiff), Vector3.Dot(kV, kDiff), Vector3.Dot(kW, kDiff)); float fRadiusSqr = cylinder.radius * cylinder.radius; // Is the ray direction parallel to the cylinder direction? (or zero) if (Mathf.Abs(kD.z) >= 1.0f - Mathf.Epsilon || fDLength < Mathf.Epsilon) { float fAxisDir = Vector4.Dot(ray.direction, cylinderDir); float fDiscr = fRadiusSqr - kP.x * kP.x - kP.y * kP.y; // ray direction anti-parallel to the cylinder direction if (fAxisDir < 0 && fDiscr >= 0.0f) { if (kP.z > fWLength) { hitInfo.distance = (kP.z - fWLength) * fInvDLength; } else if (kP.z < 0) { return false; } else if (kP.z > 0 && kP.z < fWLength) { hitInfo.distance = kP.z * fInvDLength; } if (hitInfo.distance > distance) return false; hitInfo.point = hitInfo.distance * ray.direction; return true; } // ray direction parallel to the cylinder direction else if (fAxisDir > 0 && fDiscr >= 0.0f) { if (kP.z > fWLength) { return false; } else if (kP.z < 0) { hitInfo.distance = -kP.z * fInvDLength; } else if (kP.z > 0 && kP.z < fWLength) { hitInfo.distance = (fWLength - kP.z) * fInvDLength; } if (hitInfo.distance > distance) return false; hitInfo.point = hitInfo.distance * ray.direction; return true; } else { //ray origin out of the circle return false; } } // test intersection with infinite cylinder // set up quadratic Q(t) = a*t^2 + 2*b*t + c float fA = kD.x * kD.x + kD.y * kD.y; float fB = kP.x * kD.x + kP.y * kD.y; float fC = kP.x * kP.x + kP.y * kP.y - fRadiusSqr; float delta = fB * fB - fA * fC; // line does not intersect infinite cylinder if (delta < 0.0f) { return false; } // line intersects infinite cylinder in two points if (delta > 0.0f) { float fRoot = Mathf.Sqrt(delta); float fInv = 1.0f / fA; float fT = (-fB - fRoot) * fInv; float fTmp = kP.z + fT * kD.z; float dist0 = 0f, dist1 = 0f; float fT1 = (-fB + fRoot) * fInv; float fTmp1 = kP.z + fT * kD.z; //cast two point //fTmp <= fWLength to check intersect point between slab. if ((0.0f <= fTmp && fTmp <= fWLength) && (0.0f <= fTmp1 && fTmp1 <= fWLength)) { dist0 = fT * fInvDLength; dist1 = fT1 * fInvDLength; hitInfo.distance = Mathf.Min(dist0, dist1); return true; } else if ((0.0f <= fTmp && fTmp <= fWLength)) { dist0 = fT * fInvDLength; hitInfo.distance = dist0; return true; } else if ((0.0f <= fTmp1 && fTmp1 <= fWLength)) { dist1 = fT1 * fInvDLength; hitInfo.distance = dist1; return true; } //If intersect the infinite cylinder but point not between slab, the ray may intersect cylinder's caps. //Test intersection with caps float deltaAngle = Vector4.Dot(ray.direction, cylinderDir); // Ray direction anti-parallel to the capsule direction if (deltaAngle < 0) { if (kP.z > fWLength) { float deltaZ = kP.z - fWLength; float angle = Vector3.Angle(ray.direction, -cylinderDir); hitInfo.distance = (kP.z - fWLength) * fInvDLength / Mathf.Cos(angle * Mathf.Deg2Rad); } else if (kP.z < 0) { Debug.Log("No cap0"); return false; } if (hitInfo.distance > distance) return false; hitInfo.point = ray.origin + hitInfo.distance * ray.direction; if (Vector3.Distance(hitInfo.point, cylinder.p1) > cylinder.radius) { return false; } return true; } // Direction parallel to the cylinder direction else if (deltaAngle > 0) { if (kP.z > fWLength) { Debug.Log("No cap1"); return false; } else if (kP.z < 0) { float angle = Vector3.Angle(ray.direction, cylinderDir); hitInfo.distance = -kP.z * fInvDLength / Mathf.Cos(angle * Mathf.Deg2Rad); } if (hitInfo.distance > distance) return false; hitInfo.point = ray.origin + hitInfo.distance * ray.direction; if (Vector3.Distance(hitInfo.point, cylinder.p0) > cylinder.radius) { return false; } return true; } } // line is tangent to infinite cylinder else { float fT = -fB / fA; float fTmp = kP.z + fT * kD.z; if (0.0f <= fTmp && fTmp <= fWLength) { hitInfo.distance = fT * fInvDLength; return true; } } return false; }
简单梳理一下流程
1.将坐标系转换到了以圆柱体方向为轴的坐标系,用的就是给定一个空间向量,求出以这个向量为轴的正交基中提到的方法;
2.将Ray的origin和Direction都转到新的坐标系下,用的是上面的定理2。新的ray的origin为kP,direction为kD,射线上的点可以表示为kP+t*kD;
3.判断射线方向是否与Z轴方向平行,如果是,判断是否是圆柱体的上下面相交;
4.判断是否是圆柱相交,这里先假设圆柱是无限的,判断的方法是求解二次方程。这里详细说一下,二次函数的形式为
Q(t) = a*t^2 + 2*b*t + c
假设设想和圆柱相交,则必定存在射线上存在t,满足点kP+t*kD到Z轴的距离为圆柱的半径
(kP.x +t*kD.x)^2 +(kP.y +t*kD.y)^2 = R^2
先通过delta判断根的个数,最后求解就可以得到结果。
测试代码
using UnityEngine;using System.Collections;using NPhysX;public class RayCylinderTester : MonoBehaviour { public GameObject cylinder; Cylinder _cylinder; Ray ray; float castDistance = 10f; // Use this for initialization void Start () { _cylinder = new Cylinder(); }// Update is called once per framevoid Update () { ray = new Ray(Vector3.zero, new Vector3(1, 1, 1)); _cylinder.radius = 0.5f * cylinder.transform.localScale.x; _cylinder.p0 = cylinder.transform.position + cylinder.transform.rotation * Vector3.down * cylinder.transform.localScale.y; _cylinder.p1 = cylinder.transform.position + cylinder.transform.rotation * Vector3.up * cylinder.transform.localScale.y; Debug.DrawLine(_cylinder.p0, _cylinder.p1, Color.green); RaycastHitInfo hitinfo = new RaycastHitInfo(); if (NRaycastTests.Raycast(ray, castDistance, _cylinder, out hitinfo)) { Debug.DrawLine(ray.origin, ray.origin + ray.direction * hitinfo.distance, Color.red, 0, true); } else { Debug.DrawLine(ray.origin, ray.origin + ray.direction * castDistance, Color.blue, 0, true); } }}
参考
Orthonormal Bases in Rn - http://ltcconline.net/greenl/courses/203/vectors/orthonormalbases.htm
PhysX 3.3 source code
Create orthonormal basis from a given vector - http://www.mathworks.com/matlabcentral/answers/72631-create-orthonormal-basis-from-a-given-vector
推导相机变换矩阵 - http://blog.csdn.net/popy007/article/details/5120158
- 碰撞检测之Ray-Cylinder检测
- 碰撞检测之Ray-Sphere检测
- 碰撞检测之Ray-Box检测
- 碰撞检测之Ray-Capsule检测
- 碰撞检测之Ray-Plane检测
- Ray Box 碰撞检测
- Ray创建射线,碰撞检测
- 三维拾取Ray-AABB碰撞检测算法
- cocos2d之碰撞检测
- Box2DWeb_04之碰撞检测
- unity之碰撞检测
- U3D Ray射线的创建和碰撞检测
- [Unity]Ray射线物理检测碰撞和LayerMask的使用
- OGRE 碰撞检测之球体检测
- 碰撞检测之Sphere-Sphere检测
- 碰撞检测之Sphere-Box检测
- 碰撞检测之OBB-OBB检测
- unity3d碰撞检测之立方体碰撞算法
- 欢迎使用CSDN-markdown编辑器
- iOS 开发 -- Swift 语法篇 (六) 集合
- PHP之类补充
- 大型数据库设计原则
- android xml点击交互
- 碰撞检测之Ray-Cylinder检测
- uvaoj-12096:the setstack computer
- kidd风的IOS日志之iOS开发多线程篇—多线程简单介绍
- 数据库设计14个技巧
- MyBatis下动态语句使用like进行模糊查询
- 让网页图片变灰色的三种方法
- 大型数据库设计原则
- 安卓开发:数据存储的两种方式【实现自动登录】
- 拼接JS方法参数异常问题