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四元数与欧拉角关系

时间:2023-12-29 13:16:50 阅读:330195 作者:QDLK

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求两个单位向量之间的欧拉角

如图若a为一维向量,则由a变换到b旋转两次即可。

若a为非一维向量,则可以通过转换变成一维向量。

所以说,应该通过两次旋转即可由a变换到b。

而两次旋转可以顺序不同,所以这个不解是唯一的。

【仅供参考】

如何用Matlab实现四元数到欧拉角的转换?(急需转换的代码)

MATLAB 2006b之后的版本提供了航空航天工具箱(Aerospace Toolbox),其中有quat2angle函数,就是用于实现四元数到欧拉角转换的。

基本调用格式:

[r1 r2 r3] = quat2angle(q)

[r1 r2 r3] = quat2angle(q, s)

其中q为四元数,r1-r3为欧拉角,s为欧拉转序(rotation sequence,有的资料译成“顺规”)。

说明几点:

1、输出的欧拉角单位是弧度;

2、欧拉角的定义有很多种,应用在不同的领域(有时用的名字,例如 Tait-Bryan角)。确切点说,一共有12种定义——第一次旋转可以绕任何一个坐标轴进行(3),第二、第三次旋转要绕除上一次旋转之外的另外两个坐标轴(2x2),所以,一共可以有3x2x2=12种定义。quat2angle支持这全部12种定义,并以三次旋转的坐标轴表示,例如'ZYX', 'ZYZ', 'ZXY',等等。默认的转序是ZYX。

3、上面说的转序涉及到坐标系的定义,该函数的坐标系定义为Z轴为竖轴,可能与某些领域的习惯不同,需要特别注意。

示例:

 [yaw, pitch, roll] = quat2angle([1 0 1 0])

yaw =

     0

pitch =

    1.5708

roll =

     0

四元素转欧拉角为什么不可逆

二者可以相互转换。

四元数的性质包括1、满足结合律 2、不满足交换律 3、乘积的模等于模的乘积 4、乘积的逆等于各个四元数的逆以相反的顺序相乘。欧拉角的缺点包括1、 欧拉角的表示方式不唯一。给定某个起始朝向和目标朝向,即使给定yaw、pitch、roll的顺序,也可以通过不同的角度组合来表示所需的旋转。这其实主要是由于万向锁(Gimbal Lock)引起的;2、欧拉角的插值比较难;3、计算旋转变换时,一般需要转换成旋转矩阵,这时候需要计算很多sin, cos,计算量较大。

由以上原因决定。

unity 四元数为什么转欧拉

四元数是一个比较复杂的数学知识。。为了让开发者不需要懂太深奥的数学知识,也能操作角度。所以才有了欧拉角,只需要三个值就确定旋转角度。。但其实旋转的内部计算方式,是通过四元数实现的。。。

但用欧拉角操作旋转角度,会产生一个问题,就是在特定情况下,会出现一种叫做“万向节死锁”的错误。。。为了避免这种错误产生,有时则需要先把欧拉角转换成四元数,来进行旋转。。等旋转完成之后,再转换回欧拉角。。

如果你会使用四元数,那就直接使用四元数就可以了。。。欧拉角是为像我这种数学知识比较差的人准备的。。。。

Unity基础:欧拉角、四元数

在游戏开发中,经常会接触到旋转,常用的旋转方式有使用矩阵旋转,使用欧拉角旋转和使用四元数旋转。在本篇中,主要研究欧拉角和四元数。

在Unity的Transform中,Rotation属性对应的就是欧拉角,一共分为3个轴,x、y和z,而每一个数值对应的是绕对应的轴旋转的度数。

如上图所示,表示按照坐标顺序旋转,X轴旋转30°,Y轴旋转90°,Z轴旋转10°。

但欧拉角会出现一个问题: 万向锁 。

什么是万向锁?这个不好解释,感觉只有真正遇到过的才会有所体会,有兴趣的可以搜下万向锁的相关视频感受下。

为什么要使用四元数?

原因有很多,下面是其中的两个我觉得比较重要的原因:

四元数比较复杂,是一个高级复数,跟二维复数能表示平面上的一个点类似,四元数表示的是思维空间上的一个点,由于是一个四维空间(所以不好想象),表示方式为:

![][1]

[1]:

其中:

![][2]

[2]:   2=j 2=k^2=-1

对一个点 p 的转换公式为,p'为转换后的点(至于具体的解释,可以参考 candycat 前辈的 这篇博客 ):

![][3]

[3]: '=qpq ^{-1}

在四元数中,点 p 的四元数表示方式为

![][5]

[5]: ((x,y,z),0)

其中x,y,z为对应坐标,w量为0方便计算(其他数值也可以,不过转换后结果不会有影响,我们只关注坐标量x,y,z)。

而旋转点所需的四元数 q 的表示方式为:

![][4]

[4]: (cos frac{theta}{2},(x,y,z)sinfrac{theta}{2})

其中 theta 为旋转的角度,x,y,z为旋转轴。

参考资料后,我的几何理解是:一个点p要绕一个轴旋转,如果用四元数进行变换,则要通过一个 辅助轴a ,轴a是原点与旋转过程中的中间点构成的向量,通过两次的四元数变换把点p变换到最终点p’(四维的量,不能单纯地把xsin(theta/2),ysin(theta/2),zsin(theta/2)理解为欧拉角的x,y,z量)。

当然,四元数是可以通过欧拉角进行构建的:

通过轴-角构建:

当然还有其他方式,需要大家自行查询官方文档。

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