四元数和旋转矩阵

Quaternion(四元数)

Quaternion 的定义
四元数一般定义如下：
    q=w+xi+yj+zk
其中 w,x,y,z是实数。同时，有:
    i*i=-1
    j*j=-1
    k*k=-1
四元数也可以表示为：
    q=[w,v]
其中v=(x,y,z)是矢量，w是标量，虽然v是矢量，但不能简单的理解为3D空间的矢量，它是4维空间中的的矢量，也是非常不容易想像的。
通俗的讲，一个四元数（Quaternion）描述了一个旋转轴和一个旋转角度。这个旋转轴和这个角度可以通过 Quaternion::ToAngleAxis转换得到。当然也可以随意指定一个角度一个旋转轴来构造一个Quaternion。这个角度是相对于单位四元数而言的，也可以说是相对于物体的初始方向而言的。
当用一个四元数乘以一个向量时，实际上就是让该向量围绕着这个四元数所描述的旋转轴，转动这个四元数所描述的角度而得到的向量。

四元组的优点
有多种方式可表示旋转，如 axis/angle、欧拉角(Euler angles)、矩阵(matrix)、四元组等。 相对于其它方法，四元组有其本身的优点：
四元数不会有欧拉角存在的 gimbal lock 问题
四元数由4个数组成，旋转矩阵需要9个数
两个四元数之间更容易插值
四元数、矩阵在多次运算后会积攒误差，需要分别对其做规范化(normalize)和正交化(orthogonalize)，对四元数规范化更容易
与旋转矩阵类似，两个四元组相乘可表示两次旋转

Quaternion 的基本运算
Normalizing a quaternion

// normalising a quaternion works similar to a vector. This method will not do anything
// if the quaternion is close enough to being unit-length. define TOLERANCE as something
// small like 0.00001f to get accurate results
void Quaternion::normalise()
{
// Don't normalize if we don't have to
float mag2 = w * w + x * x + y * y + z * z;
if (  mag2!=0.f && (fabs(mag2 - 1.0f) > TOLERANCE)) {
float mag = sqrt(mag2);
w /= mag;
x /= mag;
y /= mag;
z /= mag;
}
}


The complex conjugate of a quaternion


// We need to get the inverse of a quaternion to properly apply a quaternion-rotation to a vector
// The conjugate of a quaternion is the same as the inverse, as long as the quaternion is unit-length
Quaternion Quaternion::getConjugate()
{
return Quaternion(-x, -y, -z, w);
}


Multiplying quaternions


// Multiplying q1 with q2 applies the rotation q2 to q1
Quaternion Quaternion::operator* (const Quaternion &rq) const
{
// the constructor takes its arguments as (x, y, z, w)
return Quaternion(w * rq.x + x * rq.w + y * rq.z - z * rq.y,
                 w * rq.y + y * rq.w + z * rq.x - x * rq.z,
                 w * rq.z + z * rq.w + x * rq.y - y * rq.x,
                 w * rq.w - x * rq.x - y * rq.y - z * rq.z);
}


Rotating vectors


// Multiplying a quaternion q with a vector v applies the q-rotation to v
Vector3 Quaternion::operator* (const Vector3 &vec) const
{
Vector3 vn(vec);
vn.normalise();


Quaternion vecQuat, resQuat;
vecQuat.x = vn.x;
vecQuat.y = vn.y;
vecQuat.z = vn.z;
vecQuat.w = 0.0f;


resQuat = vecQuat * getConjugate();
resQuat = *this * resQuat;


return (Vector3(resQuat.x, resQuat.y, resQuat.z));
}


How to convert to/from quaternions1
Quaternion from axis-angle


// Convert from Axis Angle
void Quaternion::FromAxis(const Vector3 &v, float angle)
{
float sinAngle;
angle *= 0.5f;
Vector3 vn(v);
vn.normalise();


sinAngle = sin(angle);


x = (vn.x * sinAngle);
y = (vn.y * sinAngle);
z = (vn.z * sinAngle);
w = cos(angle);
}


Quaternion from Euler angles


// Convert from Euler Angles
void Quaternion::FromEuler(float pitch, float yaw, float roll)
{
// Basically we create 3 Quaternions, one for pitch, one for yaw, one for roll
// and multiply those together.
// the calculation below does the same, just shorter


float p = pitch * PIOVER180 / 2.0;
float y = yaw * PIOVER180 / 2.0;
float r = roll * PIOVER180 / 2.0;


float sinp = sin(p);
float siny = sin(y);
float sinr = sin(r);
float cosp = cos(p);
float cosy = cos(y);
float cosr = cos(r);


this->x = sinr * cosp * cosy - cosr * sinp * siny;
this->y = cosr * sinp * cosy + sinr * cosp * siny;
this->z = cosr * cosp * siny - sinr * sinp * cosy;
this->w = cosr * cosp * cosy + sinr * sinp * siny;


normalise();
}


Quaternion to Matrix


// Convert to Matrix
Matrix4 Quaternion::getMatrix() const
{
float x2 = x * x;
float y2 = y * y;
float z2 = z * z;
float xy = x * y;
float xz = x * z;
float yz = y * z;
float wx = w * x;
float wy = w * y;
float wz = w * z;


// This calculation would be a lot more complicated for non-unit length quaternions
// Note: The constructor of Matrix4 expects the Matrix in column-major format like expected by
//   OpenGL
return Matrix4( 1.0f - 2.0f * (y2 + z2), 2.0f * (xy - wz), 2.0f * (xz + wy), 0.0f,
2.0f * (xy + wz), 1.0f - 2.0f * (x2 + z2), 2.0f * (yz - wx), 0.0f,
2.0f * (xz - wy), 2.0f * (yz + wx), 1.0f - 2.0f * (x2 + y2), 0.0f,
0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f)
}


Quaternion to axis-angle


// Convert to Axis/Angles
void Quaternion::getAxisAngle(Vector3 *axis, float *angle)
{
float scale = sqrt(x * x + y * y + z * z);
axis->x = x / scale;
axis->y = y / scale;
axis->z = z / scale;
*angle = acos(w) * 2.0f;
}


Quaternion 插值
线性插值
最简单的插值算法就是线性插值，公式如：
    q(t)=(1-t)q1 + t q2
但这个结果是需要规格化的，否则q(t)的单位长度会发生变化，所以


    q(t)=(1-t)q1+t q2 / || (1-t)q1+t q2 ||


球形线性插值
尽管线性插值很有效，但不能以恒定的速率描述q1到q2之间的曲线，这也是其弊端，我们需要找到一种插值方法使得q1->q(t)之间的夹角θ是线性的，即θ(t)=(1-t)θ1+t*θ2，这样我们得到了球形线性插值函数q(t)，如下：


q(t)=q1 * sinθ(1-t)/sinθ + q2 * sinθt/sineθ


如果使用D3D，可以直接使用 D3DXQuaternionSlerp 函数就可以完成这个插值过程。
用 Quaternion 实现 Camera 旋转
总体来讲，Camera 的操作可分为如下几类：
沿直线移动
围绕某轴自转
围绕某轴公转
下面是一个使用了 Quaternion 的 Camera 类：


    class Camera {

    private:
        Quaternion m_orientation;

    public:
        void rotate (const Quaternion& q);
        void rotate(const Vector3& axis, const Radian& angle);
        void roll (const GLfloat angle);
        void yaw (const GLfloat angle);
        void pitch (const GLfloat angle);
    };

    void Camera::rotate(const Quaternion& q)
    {
        // Note the order of the mult, i.e. q comes after
        m_Orientation = q * m_Orientation;
    }

    void Camera::rotate(const Vector3& axis, const Radian& angle)
    {
        Quaternion q;
        q.FromAngleAxis(angle,axis);
        rotate(q);
    }


    void Camera::roll (const GLfloat angle) //in radian
    {
        Vector3 zAxis = m_Orientation * Vector3::UNIT_Z;
        rotate(zAxis, angleInRadian);
    }

    void Camera::yaw (const GLfloat angle)  //in degree
    {
        Vector3 yAxis;
        {
            // Rotate around local Y axis
            yAxis = m_Orientation * Vector3::UNIT_Y;
        }
        rotate(yAxis, angleInRadian);
    }

    void Camera::pitch (const GLfloat angle)  //in radian
    {
        Vector3 xAxis = m_Orientation * Vector3::UNIT_X;
        rotate(xAxis, angleInRadian);
    }

    void Camera::gluLookAt() {
        GLfloat m[4][4];
        identf(&m[0][0]);
        m_Orientation.createMatrix (&m[0][0]);


        glMultMatrixf(&m[0][0]);
        glTranslatef(-m_eyex, -m_eyey, -m_eyez);
    }


用 Quaternion 实现 trackball

用鼠标拖动物体在三维空间里旋转，一般设计一个 trackball，其内部实现也常用四元数。

class TrackBall
{
public:
    TrackBall();

    void push(const QPointF& p);
    void move(const QPointF& p);
    void release(const QPointF& p);

    QQuaternion rotation() const;

private:
    QQuaternion m_rotation;
    QVector3D m_axis;
    float m_angularVelocity;

    QPointF m_lastPos;
};


void TrackBall::move(const QPointF& p)
{
    if (!m_pressed)
        return;

    QVector3D lastPos3D = QVector3D(m_lastPos.x(), m_lastPos.y(), 0.0f);
    float sqrZ = 1 - QVector3D::dotProduct(lastPos3D, lastPos3D);
    if (sqrZ > 0)
        lastPos3D.setZ(sqrt(sqrZ));
    else
        lastPos3D.normalize();

    QVector3D currentPos3D = QVector3D(p.x(), p.y(), 0.0f);
    sqrZ = 1 - QVector3D::dotProduct(currentPos3D, currentPos3D);
    if (sqrZ > 0)
        currentPos3D.setZ(sqrt(sqrZ));
    else
        currentPos3D.normalize();

    m_axis = QVector3D::crossProduct(lastPos3D, currentPos3D);
    float angle = 180 / PI * asin(sqrt(QVector3D::dotProduct(m_axis, m_axis)));

    m_axis.normalize();
    m_rotation = QQuaternion::fromAxisAndAngle(m_axis, angle) * m_rotation;

    m_lastPos = p;
}

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每一个单位四元数都可以对应到一个旋转矩阵

单位四元数q=（s，V）的共轭为q*=（s，-V）

单位四元数的模为||q||=1；

四元数q=(s,V)的逆q^(-1)=q*/(||q||)=q*

一个向量r，沿着向量n旋转a角度之后的向量是哪个（假设为v），这个用四元数可以轻松搞定

构造两个四元数q=（cos(a/2),sin(a/2)*n）,p=(0,r)

p`=q * p * q^(-1) 这个可以保证求出来的p`也是（0，r`）形式的，求出的r`就是r旋转后的向量

另外其实对p做q * p * q^(-1)操作就是相当于对p乘了一个旋转矩阵，这里先假设 q=（cos(a/2),sin(a/2)*n）=（s，（x, y, z））

两个四元数相乘也表示一个旋转
Q1 * Q2 表示先以Q2旋转，再以Q1旋转

则这个矩阵为

同理一个旋转矩阵也可以转换为一个四元数，即给你一个旋转矩阵可以求出（s，x，y，z）这个四元数，

方法是：

给定任意单位轴q(q1,q2,q3)(向量),求向量p(x,y,z)(或点p)饶q旋转theta角度的变换后的新向量p'(或点p')：

1.用四元数工具：
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结论：构造四元数变换p'= q*p*q-1，（p,q是由向量p,q扩展成的四元数）。那么，p'转换至对应的向量(或点)就是变换后的新向量p'(或点p')。

其中，p',q,p,q-1均为四元数。q由向量q扩展,为q=(cos(theta/2),sin(theta/2)*q)，p由向量p扩展,为p=(0,x,y,z),q-1为q的逆，因为q为单位四元数，所以q-1=q*=(cos(theta/2),-sin(theta/2)*q)。

http://www.linuxgraphics.cn/opengl/opengl_quaternion.html
http://blog.csdn.net/qq960885333/article/details/8191448
http://blog.csdn.net/jiexuan357/article/details/7727634