Извлекаем вектор и угол из матрицы поворота
2K #python,#вектор,#математика,#матрица

В продолжение темы кватерниона…

Итак, есть матрица 4×4, где три оси ортогональны друг другу (по-нашенски, по-деревенски — это означает, что три оси перпендикулярны каждая с каждой, представьте оси прямоугольной системы координат, так вот это оно и есть).

Выглядит матрица вот так:

M=\begin{bmatrix}A&E&I&M\\B&F&J&N\\C&G&K&O\\D&H&L&P\end{bmatrix}

В ней, как я уже рассказывал, «живут» три вектора ABC (ось X), EFG (ось Y), IJK (ось Z). Также есть три смещения вдоль XYZ — это M, N и O соответственно.

Для того, чтобы извлечь вектор и угол из этой матрицы я использую вот такую конструкцию (псевдокод):

def getAngleAxis(m):
    xx = m[A]
    yy = m[F]
    zz = m[K]
 
    # Сумма элементов главной диагонали
    traceR = xx + yy + zz
 
    # Угол поворота
    theta = acos((traceR - 1) * 0.5)
 
    # Упростим вычисление каждого элемента вектора
    omegaPreCalc = 1.0 / (2 * sin(theta))
 
    # Вычисляем вектор
    w.x = omegaPreCalc * (m[J] - m[G])
    w.y = omegaPreCalc * (m[C] - m[I])
    w.z = omegaPreCalc * (m[E] - m[B])
 
    # Получаем угол поворота и ось, 
    # относительно которой был поворот
    return (theta, w)

Мне довелось применять этот метод на матрице, где вектора ABC, EFG и IJK нормализованы. Масштаб хранится отдельно. Если вы храните масштаб внутри матрицы, то перед применением формулы надо нормализовать вектора ABC, EFG и IJK).

Что такое кватернион — объяснение человеческим языком
9K #вектор,#кватернион,#математика

Для закончивших ВУЗ данный вопрос не представляет проблемы, а для нас, учащихся ПТУ и техникумов, это тайна за семью замками. Особенно если вы, как и я, постоянно прогуливали высшую математику.

Цитата из википедии: Кватернио́ны (от лат. quaterni, по четыре) — система гиперкомплексных чисел, предложенная Гамильтоном в 1843 году.. Вы что-нибудь поняли? Значит дальше вам читать не надо, до свидания! Заходите еще..

Кватернион — это ось, относительно которой будем вращать объект и угол, на который мы будем вращать объект относительно этой оси. Всего у кватерниона четыре компоненты: X, Y, Z и W. XYZ — та самая ось поворота (нормализуем и каждый компонент умножаем на синус половины угла), W — угол поворота (который задается через косинус половины угла).

Псевдокод получения кватерниона из угла и оси:

def quatFromAngleAxis(self, a, x, y, z):
    # Длина вектора xyz
    l = sqrt(x * x + y * y + z * z)
    # Нормализуем вектор xyz
    x = x / l
    y = y / l
    z = z / l
    # Синус половины угла (a - угол в радианах)
    hSin = sin(a / 2)
    # Заполняем xyz
    self.x = x * hSin
    self.y = y * hSin
    self.z = z * hSin
    # Косинус половины угла
    hCos = cos(a / 2)
    # Заполняем w
    self.w = hCos

Важно помнить, что кватернион не задает результат, через него выражается действие, которое можно применить к какому-либо объекту в пространстве.

Ещё более простым языком: представьте, что у вас есть некий объект, допустим яблоко, вы протыкаете его спицей и вращаете. Так вот спица — это ось вращения, её направление — наш вектор (x, y, z), а угол вращения — это наш угол a, который означает насколько вы повернули яблоко на спице по часовой стрелке или против.

Если вас приводит в недоумение термин «матрица», рекомендую почитать заметку: Что такое матрица 4×4 в трехмерных играх?

Операции над точками и векторами
146 #вектор,#математика

Операции над точками:

  • расстояние между точками \sqrt{(x_a-x_b)^2+(y_a-y_b)^2+(z_a-z_b)^2}

Операции над векторами:

  • длина \left|\vec{v}\right|=\sqrt{x^2+y^2+z^2}
  • скалярное произведение n=(\vec{a}, \vec{b})=|\vec{a}|* |\vec{b}|*cos\angle(\vec{a},\vec{b}) = x_a x_b + y_a y_b + z_a z_b, где n длина проекции вектора \vec{a} на вектор \vec{b}
  • векторное произведение \vec{c}=(y_a z_b-z_a y_b;z_a x_b-x_a z_b;x_a y_b-y_a x_b), где \vec{c} перпендикуляр к плоскости, которую образуют \vec{a} и \vec{b}
  • сложение векторов \vec{a}+\vec{b}=(x_a+x_b;y_a+y_b;z_a+z_b)
  • вычитание векторов \vec{a}-\vec{b}=(x_a-x_b;y_a-y_b;z_a-z_b)
Блог Евгения Жирнова