OpenGL——单位向量点乘和叉乘在几何的应用
一、单位向量点乘的几何应用
二、单位向量叉乘的几何应用
1. 计算平面法向量
若 u 和 v 为不共线的单位向量，则：n=u×v
- 性质：n 是垂直于 u 和 v 所在平面的单位法向量（前提是 u 和 v 正交）。
- 应用：计算平面方程、多边形法向量（如 3D 模型面的朝向）。
2. 求两向量张成的平行四边形面积
若 u 和 v 为单位向量，则：∣u×v∣=sinθ
- 应用：计算面积（如三角形面积为 21∣u×v∣），或判断向量间的正交程度（sinθ 越接近 1，越正交）。
3. 向量旋转
在三维空间中，利用叉乘和点乘可构造旋转矩阵（Rodrigues 旋转公式）：vrot=vcosθ+(k×v)sinθ+k(k⋅v)(1−cosθ)
- 其中 k 为单位旋转轴，θ 为旋转角度。
- 应用：3D 图形中的旋转变换（如相机视角旋转）。
4. 判断向量相对方向（左手 / 右手定则）
叉乘结果 u×v 的方向遵循右手定则：
- 应用：确定坐标系方向、判断点在平面的哪一侧（如背面剔除算法）。
三、综合应用示例
1. 3D 渲染中的光照计算
- 漫反射光照：使用单位法向量 n 和单位光线方向 l 的点乘计算入射角（计算法向量与光照方向的夹角），确定像素亮度：光照强度=max(0,n⋅l)。
- 叉乘应用：由顶点坐标计算面的单位法向量，用于光照和阴影计算。
2. 计算机图形中的坐标系统
- 构造正交基：给定一个单位向量 u，通过叉乘找到与之垂直的另外两个单位向量，构成正交坐标系（如 OpenGL 中的模型矩阵）。
3. 机器人运动学
- 角速度计算：单位旋转轴 k 与线速度 v 的叉乘得到角速度：ω=k×v
四、单位向量运算的优势
- 简化计算：避免模长计算，直接聚焦于方向关系。
- 统一量纲：结果无量纲（如点乘结果直接是余弦值）。
- 几何直观：运算结果直接对应角度、面积等几何量。
五、注意事项
- 叉乘结果不一定是单位向量：仅当 u 和 v 正交时，∣u×v∣=1。若非正交，需归一化：n=∣u×v∣u×v
- 数值稳定性：在计算机实现中，浮点误差可能导致单位向量不精确，需定期归一化。
| 运算 | 几何意义 | 单位向量特性 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 点乘 | 度量向量方向相关性 | 结果为 \(\cos\theta\)，范围 \([-1, 1]\) | 夹角计算、投影、光照模型 |
| 叉乘 | 生成垂直于两向量的新向量 | 模长为 \(\sin\theta\)，方向由右手定则确定 | 法向量计算、面积计算、3D 旋转 |
总结
单位向量的点乘和叉乘是几何计算的基础工具，广泛用于计算角度、法向量、面积、旋转等问题，特别适合需要忽略模长影响、专注方向关系的场景（如 3D 图形、机器人学、物理学）。