四元数的一些资料和理解

但我的那本3D图形学书上,在没讲四元数是干什么的之前,就列了几张纸的公式,大概因为自己还在上高中,不知道的太多,看了半天没看懂。。。终于,在gameres上看到了某强人翻译的一个“4元数宝典 ”(原文是日本人写的。。。),感觉很好,分享下。

★旋转篇:
 我将说明使用了四元数(si yuan shu, quaternion)的旋转的操作步骤
(1)四元数的虚部,实部和写法
所谓四元数,就是把4个实数组合起来的东西。
4个元素中,一个是实部,其余3个是虚部。
比如,叫做Q的四元数,实部t而虚部是x,y,z构成,则像下面这样写。
Q = (t; x, y, z)
又,使用向量 V=(x,y,z),
Q = (t; V)
也可以这么写。

正规地用虚数单位i,j,k的写法的话,
Q = t + xi + yj + zk
也这样写,不过,我不大使用

(2)四元数之间的乘法
虚数单位之间的乘法
ii = -1, ij = -ji = k (其他的组合也是循环地以下同文)
有这么一种规则。(我总觉得,这就像是向量积(外积),对吧)
用这个规则一点点地计算很麻烦,所以请用像下面这样的公式计算。

A = (a; U)
B = (b; V)
AB = (ab - U·V; aV + bU + U×V)
不过,“U·V”是内积,「U×V」是外积的意思。
注意:一般AB<>BA所以乘法的左右要注意!

(3)3次元的坐标的四元数表示
如要将某坐标(x,y,z)用四元数表示,
P = (0; x, y, z)
则要这么写。

另外,即使实部是零以外的值,下文的结果也一样。用零的话省事所以我推荐。

(4)旋转的四元数表示
以原点为旋转中心,旋转的轴是(α, β, γ)
(但 α^2 + β^2 + γ^2 = 1),
(右手系的坐标定义的话,望向向量(α, β, γ)的前进方向反时针地)
转θ角的旋转,用四元数表示就是,
Q = (cos(θ/2); α sin(θ/2), β sin(θ/2), γ sin(θ/2))
R = (cos(θ/2); -α sin(θ/2), -β sin(θ/2), -γ sin(θ/2))
(另外R 叫 Q 的共轭四元数。)

那么,如要实行旋转,
则 R P Q = (0; 答案)

请像这样三明治式地计算。这个值的虚部就是旋转之后的点的坐标值。
(另外,实部应该为零。请验算看看)

学习笔记—四元数与欧拉角之间的转换
在3D图形学中,最常用的旋转表示方法便是四元数和欧拉角,比起矩阵来具有节省存储空间和方便插值的优点。本文主要归纳了两种表达方式的转换,计算公式采用3D笛卡尔坐标系:

四元数的一些资料和理解_第1张图片
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定义分别为绕Z轴、Y轴、X轴的旋转角度,如果用Tait-Bryan angle表示,分别为Yaw、Pitch、Roll。

四元数的一些资料和理解_第2张图片
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一、四元数的定义

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通过旋转轴和绕该轴旋转的角度可以构造一个四元数:

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   其中是绕旋转轴旋转的角度,为旋转轴在x,y,z方向的分量(由此确定了旋转轴)。

二、欧拉角到四元数的转换

四元数的一些资料和理解_第3张图片
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三、四元数到欧拉角的转换

四元数的一些资料和理解_第4张图片
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   arctan和arcsin的结果是,这并不能覆盖所有朝向(对于角的取值范围已经满足),因此需要用atan2来代替arctan。

四、在其他坐标系下使用
在其他坐标系下,需根据坐标轴的定义,调整一下以上公式。如在Direct3D中,笛卡尔坐标系的X轴变为Z轴,Y轴变为X轴,Z轴变为Y轴(无需考虑方向)。

四元数的一些资料和理解_第5张图片
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