三维空间里点到直线的距离

本文介绍了三维欧式空间中计算点到直线距离的两种方法:使用叉积和不使用叉积。通过向量叉积的几何意义,可以得到距离公式。此外,还提到不使用叉积时,可以通过投影矩阵来求解点到直线的距离。
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三维欧式空间点到直线的距离计算方法。

使用叉积的表示方法

直线用固定点 O 对应的向量 o⃗  和直行的方向单位向量 a⃗ 0 表示;任意点 Q 对应的向量 q⃗ 。 则利用向量叉积或外积的几何意义,外积的模等于两个向量为邻边的平行四边形的面积,从而可以得到三维空间点到直线的距离公式。

所用到的叉积或外积,仅在三维空间有定义,所以,适用范围也仅限三维空间。因为点和直线没有在上关系时恰好唯一确定一个平面,所以,图示可以仅用二维图表示。

http://mathworld.wolfram.com/Point-LineDistance3-Dimensional.html

这里写图片描述

叉积的定义方法,

最舒服的应该是:

a×b=[a]×b=0a3a2a30a1a2a10b1b2b3

其中一个关键的反对称矩阵的定义是这样的:

[a]×=def0a3a2a30a1a2a10

这个表示方法在计算机视觉的针孔相机标定中有特殊重要的地位。

我感觉这个表示方法比常见的如下的计算行列式的办法舒服些:

u×v=iu1v1ju2v2ku3v3

要想了解更多,请看维基百科;尽量英文版本,内容丰富准确。

不使用叉积的定义方法

不使用叉积也能轻松表达。当然不是直接代数结果的形式。我说的是使用矩阵。投影矩阵。这个办法实际上在另外一篇博客里面已经使用过。

其几何意义是:
(1)计算直线外的点 P 与直线上固定点X之间的差值向量;
(2)计算沿直线方向 W 的初等平行投影矩阵;
(3)把差值向量PX沿直线方向作投影得到新向量。新向量的模就是点 P 到直线XW的距离。

具体的公式此处就不再写了。

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### Matlab 实现三维空间点到直线距离的计算 在三维空间中, \( P(x_p, y_p, z_p) \) 到直线的距离可以通过向量叉积的方式进行计算。假设直线上有两 \( A(x_a, y_a, z_a) \) 和 \( B(x_b, y_b, z_b) \),可以定义两个向量: \[ \vec{AB} = [x_b - x_a, y_b - y_a, z_b - z_a], \quad \vec{AP} = [x_p - x_a, y_p - y_a, z_p - z_a]. \] 利用这两个向量之间的关系,点到直线距离可表示为: \[ d = \frac{\|\vec{AB} \times \vec{AP}\|}{\|\vec{AB}\|}. \] 以下是基于此公式的 MATLAB 示例代码实现。 ```matlab function d = point_to_line_distance_3d(A, B, P) % 输入参数说明: % A: 直线上的第一个坐标 [xa ya za] % B: 直线上的第二个坐标 [xb yb zb] % P: 待测坐标 [xp yp zp] AB = B - A; % 向量 AB AP = P - A; % 向量 AP cross_product = cross(AB, AP); % 叉乘 |AB × AP| distance_numerator = norm(cross_product); % 分子 ||AB × AP|| distance_denominator = norm(AB); % 分母 ||AB|| d = distance_numerator / distance_denominator; end % 测试数据 A = [0, 0, 0]; % 直线上的 A B = [1, 1, 1]; % 直线上的 B P = [1, 2, 3]; % 空间中的待测 P distance = point_to_line_distance_3d(A, B, P); fprintf('Point to line distance is %.4f\n', distance); ``` #### 结果解释 上述函数 `point_to_line_distance_3d` 接受三个输入参数:\( A \), \( B \), 和 \( P \),分别代表直线上的一、另一以及目标测试。通过调用该函数,可以获得点到直线的实际欧几距离[^1]。 --- ### 关联维数与本问题的关系探讨 虽然引用[3]描述的是 Grassberger-Procaccia 算法用于计算关联维数的过程,但它并未涉及三维空间点到直线的具体几何运算。因此,在解决当前问题时无需引入复杂的时间序列分析方法[^3]。 然而,如果需要扩展至更高维度的空间或者动态系统的轨迹分析,则可能需要用到类似的相空间重构技术来处理更复杂的场景。 ---
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