Unity3D C#数学系列之点积

2021年11月28日 0 作者 老王

1 定义

点积的定义
可知,点积得到的是一个标量,这个标量代表什么呢?

2 几何意义

如果\vec{b}为单位向量,则表示向量\vec{a}在向量\vec{b}上的投影长度。
点积的几何意义

3 向量a·向量b = xaxb+yayb+zazb

上面这公式是怎么来的?

向量ab的坐标值
根据余弦定理有
余弦定理
所以
在这里插入图片描述

4 应用案例

4.1 求两向量的夹角

已知向量
向量ab的坐标值
根据点积的定义,则有
求两向量的夹角
当然,这个方法Unity已经帮我封装好了,咱们要求两个向量的夹角,直接用Vector3.Angle这个方法就好。Vector3.Angle的源码如下,可以看到其内部其实就是实现了上面这个公式。

    /// <summary>
    ///   <para>Returns the angle in degrees between from and to.</para>
    /// </summary>
    /// <param name="from">The vector from which the angular difference is measured.</param>
    /// <param name="to">The vector to which the angular difference is measured.</param>
    /// <returns>
    ///   <para>The angle in degrees between the two vectors.</para>
    /// </returns>
    public static float Angle(Vector3 from, Vector3 to)
    {
      float num = (float) Math.Sqrt((double) from.sqrMagnitude * (double) to.sqrMagnitude);
      if ((double) num < 1.00000000362749E-15)
        return 0.0f;
      return (float) Math.Acos((double) Mathf.Clamp(Vector3.Dot(from, to) / num, -1f, 1f)) * 57.29578f;
    }

4.2 判断两向量是否垂直

两向量垂直时,两者夹角为90°,而cos90° = 0,故\vec{a}·\vec{b} =0。
换句话说,只要\vec{a}\vec{b}均不为空向量,只要\vec{a}·\vec{b} =0,就说明两向量垂直。

4.3 判断NPC是否在攻击范围内

假设玩家的攻击范围为左右各60°,最大攻击半径为10。设玩家的位置为A(xa , ya, za),怪兽的位置为B(xb, yb, zb),判断怪兽是否在人的攻击范围内?
很简单,先判断两者的距离是否小于10,若大于则不在攻击范围内。
再判断\vec{AB}与玩家前方的夹角是否小于30°,若大于则不在攻击范围内,若小于等于则在攻击范围内。
代码也很简单,两者的距离可通过Vector3.Distance求得,\vec{AB}与玩家前方的夹角通过Vector3.Angle求得,代码如下。

// 判断targetPos是否在视线范围内
public bool IsInView(Vector3 targetPos)
{
    // 玩家位置
    Vector3 selfPos = m_GameObject.transform.position;

    if (Vector3.Distance(selfPos, targetPos) > 10f)
        return false;

    Vector3 loorDir = targetPos - selfPos;
    if (Vector3.Angle(loorDir, m_GameObject.transform.forward) < 30f)
        return true;

    return false;
}

然后在Unity中测试一下。可以看到,咱们的分析是正确的。
判断怪兽是否在视线范围内

4.4 已知入射光线和表面法线求反射光线

如图,已知入射光线\vec{AO}和表面法线\vec{n}(假定为单位向量),求反射光线\vec{OB}
求反射光线
直接看计算过程。
反射光线计算过程01

反射光线计算过程02
上面这公式怎么来的?还记得点积的几何意义吗?

如果\vec{b}为单位向量,则表示向量\vec{a}在向量\vec{b}上的投影长度。

这里的\vec{OP}的长度不正好是\vec{OA}在单位向量\vec{n}上的投影长度么。\vec{OP}的长度求到后,再乘以它的方向\vec{n},咱们就求到\vec{OP}了。
完整的推导如下。
推导过程
代码如下:

/// <summary>
/// 计算反射光线
/// </summary>
/// <param name="lightDir">入射光线</param>
/// <param name="normalDir">表面法线(单位向量)</param>
/// <returns>反射光线</returns>
private Vector3 CalcReflectDir(Vector3 lightDir, Vector3 normalDir)
{
    return lightDir - 2 * Vector3.Dot(lightDir, normalDir) * normalDir;
}

在Unity中验证一下。
反射光线

5 项目

链接:https://pan.baidu.com/s/1Sv7CCrnh88MEvB6evW-rQg
提取码:t4ix