一、旋转向量

发明目的:希望有一种方式可以紧凑地描述旋转和平移,如用一个三维向量表达旋转,用六维向量表达变换。

任意坐标系的旋转,都可以用一个旋转轴和一个旋转角刻画。可以使用一个向量,其方向与旋转轴一致,而长度等于旋转角,这种向量称为旋转向量(或称轴角)

ps:旋转向量就是下章要介绍的李代数

旋转向量到旋转矩阵,可以由罗德里格斯公式推导

unity欧拉角转向量 旋转向量和欧拉角_逆矩阵

二、欧拉角欧拉角,并不是一个角,而是使用三个分离的转角来描述物体运动,并不唯一

因为旋转运动对人类来说,是并不直观的,人们很难想象出来旋转是什么样的,所以欧拉角提供了一种非常直观的方式来描述旋转—使用三个分离的转角,把一次旋转分解成三次绕不同轴的旋转。当然旋转分解到三个轴的分解方式有多种,欧拉角的定义也有多种,可以先绕x旋转,再绕y轴,最后绕z轴,即xyz旋转方式,同样,也可以有zyx,zxy等方式。

欧拉角中比较常用的一种方法,就是用偏航-俯仰-滚转(yaw-pitch-roll)三个角度来描述一个旋转,即zyx的方式。

假设:刚体前方为x轴,右侧为y轴,上方为z轴

那么zyx转角相当于把任意旋转分解为三个轴上的转角:

1.绕物体的z轴旋转,得到偏航角-yaw;

2.绕旋转之后的y轴旋转,得到俯仰角-pitch;

3.绕旋转之后的x轴旋转,得到滚转角roll

因此

unity欧拉角转向量 旋转向量和欧拉角_逆矩阵_02

不同的欧拉角是按照旋转轴的顺序来称呼的,如rpy 角的旋转顺序是 ZY X,rpy是常用的一种。

三、四元数

数学内容好多,不想看了,,,

四、相似、仿射、射影变换

与欧式变换一样,都是用来描述物体运动的,不同的是,欧式变换是最简单的,它保留了向量的长度和夹角,相当于把一个刚体原封不动地进行了移动或旋转,不改变自身的样子,但相似、仿射、射影变换三种会改变物体外形

1.相似变换

比欧式变换多了一个自由度,允许物体进行均匀缩放,矩阵表示为:

unity欧拉角转向量 旋转向量和欧拉角_逆矩阵_03


s–缩放因子,代表在对向量旋转后,可以在xyz三个坐标上均匀缩放。面积发生改变

2.仿射变换

也叫正交投影,要求A是一个可逆矩阵,而不是正交矩阵。

unity欧拉角转向量 旋转向量和欧拉角_缩放_04


仿射变换后,立方体就不再是方的,但是各个面仍是平行四方形

3.射影变换

最一般的变换

unity欧拉角转向量 旋转向量和欧拉角_仿射变换_05

A-可逆矩阵,右上为平移t,左下为缩放。