(搬运工)四元数(Quaterion)

1843年，William Rowan Hamilton发明了四元数，但直到1985年才有一个叫Ken Shoemake的人将四元数引入计算机图形学处理领域。四元数在3D图形学中主要用于旋转，骨骼动画等。

简单地来说，四元数描述了一次旋转：绕任意一个轴旋转一个角度。四元数的定义形式：(w, x, y, z)。假如，绕轴向量v(_x,_y,_z)正向（右手旋转法则）旋转角度p，则对应得四元数q为：
   q = (cos(p/2), sin(p/2) * _x, sin(p/2) * _y, sin(p/2) * _z)
 
用四元数来表示旋转，不如用欧拉角（偏航/yaw，俯仰/pitch，横滚/ roll）来表示直接，但是用欧拉角来处理旋转有个不可回避的问题：万向节死锁。我们可以通过将欧拉角转换到四元数来避免这个问题。在DirectX中提供了从欧拉角到四元数，从四元数到矩阵（Direct3D用旋转来实现旋转）的变换函数。下面参看：\Microsoft DirectX SDK\Include\d3dx9math.h的函数声明
 
从四元数变换到轴与旋转角
// Compute a quaternin's axis and angle of rotation. Expects unit quaternions.
void WINAPI D3DXQuaternionToAxisAngle
    ( CONST D3DXQUATERNION *pQ, D3DXVECTOR3 *pAxis, FLOAT *pAngle );
 
从旋转矩阵构造一个四元数
// Build a quaternion from a rotation matrix.
D3DXQUATERNION* WINAPI D3DXQuaternionRotationMatrix
    ( D3DXQUATERNION *pOut, CONST D3DXMATRIX *pM);
 
从一个轴与旋转角构造一个四元数
// Rotation about arbitrary axis.
D3DXQUATERNION* WINAPI D3DXQuaternionRotationAxis
    ( D3DXQUATERNION *pOut, CONST D3DXVECTOR3 *pV, FLOAT Angle );
 
从欧拉角构造一个四元数
// Yaw around the Y axis, a pitch around the X axis,
// and a roll around the Z axis.
D3DXQUATERNION* WINAPI D3DXQuaternionRotationYawPitchRoll
    ( D3DXQUATERNION *pOut, FLOAT Yaw, FLOAT Pitch, FLOAT Roll );
 
下面我们来看看如何使用：若某物体要绕Y轴旋转fYaw，绕X轴旋转fPitch，绕Z轴旋转fRoll，那么

对应的旋转矩阵matRot可以这么计算：
 

   D3DXQUATERNION qR;
   D3DXMATRIX matRot;
   D3DXQuaternionRotationYawPitchRoll( & qR, fYaw, fPitch, fRoll);
   D3DXMatrixRotationQuaternion( & matRot,  & qR);

 

有关四元数更详细的数学计算，转换过程可以参考下面的链接：

http://www.euclideanspace.com/maths/algebra/realNormedAlgebra/quaternions/index.htm