unity3d四元数和旋转矩阵
2017-05-22 10:36
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一 四元数
Quaternion中存放了x,y,z,w四个数据成员,可以用下标来进行访问,对应的下标分别是0,1,2,3。主要介绍几个函数
<1> 根据两个向量计算出旋转量,计算出来的旋转量为从fromDirection旋转到toDirection的旋转量
static Quaternion FromToRotation(Vector3 fromDirection,Vector3 toDirection);
<2>
static Quaternion LookRotation(Vector3 forward);
static Quaternion LookRotation(Vector3 forward,Vector3 upwards);
使用指定的向前方向和向上方向来创建四元数
示例
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Vector3 vr = new Vector3(1,0,0);
Quaternion q1 = Quaternion.LookRotation(vr);
Debug.Log(q1);
Vector3 vforwardp = new Vector3(0,0,1);
Quaternion q2 = Quaternion.FromToRotation(vforwardp ,vr);
Debug.Log(q2);
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这里面q1和q2的值是相同的,q2的计算过程是计算向前向量(vforwardp )到当前向量vr的旋转量,而这就是LookRotation的计算方式。
而是LookRotation同时使用forward和upward两个参数的时候,就相当于指定了vz和vy两个向量,根据这两个向量可以直接算出对应的vx,然后再用这三个向量去set对应的3×3旋转矩阵的列向量即可获得一个旋转矩阵,再接着可以将其转换到四元数。
<3>
void SetLookRotation(Vector3 view);
void SetLookRotation(Vector3 view,Vector3 up);
也是根据指定的向前和向上向量创建四元数,本质计算过程和LookRotation一样,只不过LookRotation是Quaternion上的静态函数,而SetLookRotation则是Quaternion的成员函数。
<4>
static Quaternion RotateTowards(Quaternion from,Quaternion to, float maxDegreesDelta);
以maxDegreesDelta作为角度步长计算从from到to之间的旋转量
<5>
static Quaternion AngleAxis(float angle,Vector3 axis);
根据旋转轴和旋转角度算出四元数
<6>Quaternion.eulerAngles
存放四元数对应的三个轴向的欧拉角,分别是绕x轴、y轴、z轴旋转的角度
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Quaternion q3 = new Quaternion();
q3.eulerAngles = new Vector3(10, 30, 20);
Quaternion qx3 = Quaternion.AngleAxis(10,Vector3.right);
Quaternion qy3 = Quaternion.AngleAxis(30,Vector3.up);
Quaternion qz3 = Quaternion.AngleAxis(20,Vector3.forward);
Quaternion qxyz3 = qz3*qy3*qx3;
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上面的代码可以得到q3和qxyz3值一样。从这里可以看出unity中旋转顺序也是按先绕x轴旋转,然后y,最后z。unity中对向量应用旋转量使用的是向量右乘,即如下:
Vector3 newV = qxyz3*v=qz3*qy3*qx3*v;
二 旋转矩阵
unity中仅仅提供了一个4×4的矩阵类Matrix4x4,它可以包含位移T、旋转R和伸缩信息。矩阵中的元素都对应一个mxy的公有成员变量,因而要访问单个元素的话可以直接访问其成员。同时也提供了下标访问,如下[csharp] view
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public float this [int row, int column]
{
get
{
<span style=”white-space:pre”> </span> return this [row + column * 4];
}
set
{
<span style=”white-space:pre”> </span> this [row + column * 4] = value;
}
}
public float this [int index]
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三 四元数和旋转矩阵之间的转换
unity中没有提供直接的四元数到旋转矩阵的转换,但是使用它们的一些成员函数可以实现两者之间的转换。
1 四元数到旋转矩阵
使用Matrix4x4的成员函数SetTRSvoid SetTRS(Vector3 pos,Quaternion q,Vector3 s);
示例
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Quaternion q = Quaternion.LookRotation(new Vector3(0,0.5,1));
Matrix4x4 rot = new Matrix4x4();
rot.SetTRS(new Vector3(0,0,0),q,new Vector3(1,1,1));
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2 旋转矩阵到四元数
使用Quaternion类的LookRotation函数static Quaternion LookRotation(Vector3 forward,Vector3 upwards);
示例(接上面):
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Matrix4x4 rot = new Matrix4x4();
rot.SetTRS(new Vector3(0,0,0),q,new Vector3(1,1,1));
Vector4 vy = rot.GetColumn(1);
Vector4 vz = rot.GetColumn(2);
Quaternion newQ = Quaternion.LookRotation(new Vector3(vz.x,vz.y,vz.z),new Vector3(vy.x,vy.y,vy.z));
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这里的newQ与上面的q等值
四 其他
unity中可以将一个四元数q换算到一个旋转矩阵R,同时将这个q在Ogre中换算到另一个旋转矩阵R1,发现R和R1是相同的。这说明虽然unity和Ogre采用的是不同的坐标系,但是对于四元数和旋转矩阵之间的换算是等价的。同时unity中四元数的计算公式也和《三维旋转基础》中的一样。
by张伟
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