【ゲーム数学】平面に投影した点（垂線の足）の座標を求める

前提条件

3次元空間において、法線ベクトル$\vec{n}$、平面を通る点$A$で表現される平面に、点$P$を投影したときの投影点$H$の座標を求めるとします。

投影点（垂線の足）を求める式

投影点$H$の座標は次式で求められます。

投影点

$$H = P – \frac{\vec{n} \cdot \vec{AP}}{|\vec{n}|^2} \vec{n}$$

ただし、$|\vec{n}| \neq 0$

特に、$|\vec{n}|=1$、すなわち法線ベクトル$\vec{n}$が正規化された場合は、次式のようになります。

投影点(法線ベクトルが正規化された場合)

$$H = P – (\vec{n} \cdot \vec{AP}) \vec{n}$$

投影点（垂線の足）のxyz座標

法線ベクトル$\vec{n}$、点$A$、点$P$をそれぞれ、

$$
\vec{n} = \left( \begin{array}{c} n_x \\ n_y \\ n_z \end{array} \right) ,
A = \left( \begin{array}{c} a_x \\ a_y \\ a_z \end{array} \right) ,
P = \left( \begin{array}{c} p_x \\ p_y \\ p_z \end{array} \right)
$$

とすると、投影点$H$は次式で表現されます。

投影点のxyz座標

$$
H = \left( \begin{array}{c}
p_x – s n_x \\
p_y – s n_y \\
p_z – s n_z
\end{array} \right) \\
$$

$$s = \frac{n_x (p_x – a_x) + n_y (p_y – a_y) + n_z (p_z – a_z)}{n_x^2 + n_y^2 + n_z^2}$$

法線ベクトル$\vec{n}$が正規化された場合は、次式のようになります。

投影点のxyz座標(法線ベクトルが正規化された場合)

$$
H = \left( \begin{array}{c}
p_x – s n_x \\
p_y – s n_y \\
p_z – s n_z
\end{array} \right) \
$$

$$s = n_x (p_x – a_x) + n_y (p_y – a_y) + n_z (p_z – a_z)$$

式の証明

点$APH$からなる三角形に着目します。

点$A$を通る垂線と$AP$とのなす角を$\theta$とすると、

$$\begin{eqnarray*}
|\vec{HP}| &=& ||\vec{AP}| \cos \theta| \\
&=& \frac{|\vec{n}| ||\vec{AP}| \cos \theta|}{|\vec{n}|} \\
&=& \frac{|\vec{n} \cdot \vec{AP}|}{|\vec{n}|}
\end{eqnarray*}$$

$\displaystyle 0 \leq \theta \leq \frac{\pi}{2}$のとき、$\vec{n} \cdot \vec{AP} \geq 0$より、

$$\begin{eqnarray*}
\vec{HP} &=& \frac{|\vec{HP}|}{|\vec{n}|} \vec{n} \\
&=& \frac{\vec{n} \cdot \vec{AP}}{|\vec{n}|^2} \vec{n}
\end{eqnarray*}$$

$\displaystyle \frac{\pi}{2} < \theta \leq \pi$のとき、$\vec{n} \cdot \vec{AP} < 0$より、

$$\begin{eqnarray*}
\vec{HP} &=& -\frac{|\vec{HP}|}{|\vec{n}|} \vec{n} \\
&=& -\frac{-\vec{n} \cdot \vec{AP}}{|\vec{n}|^2} \vec{n} \\
&=& \frac{\vec{n} \cdot \vec{AP}}{|\vec{n}|^2} \vec{n}
\end{eqnarray*}$$

したがって、

$$\begin{eqnarray*}
H &=& P – \vec{HP} \\
&=& P – \frac{\vec{n} \cdot \vec{AP}}{|\vec{n}|^2} \vec{n}
\end{eqnarray*}$$