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四元數與歐拉角(Yaw、Pitch、Roll)的轉換一、四元數的定義二、歐拉角到四元數的轉換三、四元數到歐拉角的轉換四、在其他坐标系下使用 五、示例代碼 六、參考文獻

在3D圖形學中,最常用的旋轉表示方法便是四元數和歐拉角,比起矩陣來具有節省存儲空間和友善插值的優點。本文主要歸納了兩種表達方式的轉換,計算公式采用3D笛卡爾坐标系:

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定義

四元數與歐拉角(Yaw、Pitch、Roll)的轉換一、四元數的定義二、歐拉角到四元數的轉換三、四元數到歐拉角的轉換四、在其他坐标系下使用 五、示例代碼 六、參考文獻

分别為繞Z軸、Y軸、X軸的旋轉角度,如果用Tait-Bryan angle表示,分别為Yaw、Pitch、Roll。

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一、四元數的定義

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通過旋轉軸和繞該軸旋轉的角度可以構造一個四元數:

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其中

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是繞旋轉軸旋轉的角度,

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為旋轉軸在x,y,z方向的分量(由此确定了旋轉軸)。

利用歐拉角也可以實作一個物體在空間的旋轉,它按照既定的順序,如依次繞z,y,x分别旋轉一個固定角度,使用roll,yaw ,pitch分别表示物體繞,x,y,z的旋轉角度,記為

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,可以利用三個四元數依次表示這三次旋轉,即:

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二、歐拉角到四元數的轉換

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三、四元數到歐拉角的轉換

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  arctan和arcsin的結果是

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,這并不能覆寫所有朝向(對于

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的取值範圍已經滿足),是以需要用atan2來代替arctan。

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四、在其他坐标系下使用

在其他坐标系下,需根據坐标軸的定義,調整一下以上公式。如在Direct3D中,笛卡爾坐标系的X軸變為Z軸,Y軸變為X軸,Z軸變為Y軸(無需考慮方向)。

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五、示例代碼

 http://www.cppblog.com/Files/heath/Euler2Quaternion.rar

Demo渲染兩個模型,左邊使用歐拉角,右邊使用四元數,方向鍵Up、Left、Right旋轉模型。

六、參考文獻

https://en.wikipedia.org/wiki/Conversion_between_quaternions_and_Euler_angles

http://baike.baidu.com/link?url=NA09CdOpOe2uHUsSaj3w9Io2YD1MLK3ir4OFD25XxttgyMoMTcyvcfXh8K6pJNfptQYo6hQ2CMWmu-zxAeZnFq

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