c++ 知道旋转平移变换前后矩阵向量值 求旋转变换矩阵c++/c#代码 知道两个向量求他们的旋转变换矩阵

 

原文作者:aircraft

原文链接:https://www.cnblogs.com/DOMLX/p/12115244.html

 

知道旋转前后矩阵向量值 如何去求旋转矩阵R 的c++/c#代码???

 

因为需要用到矩阵处理库所以需要先配置

一、Eigen库的配置(VS2017)

      1. Eigen库下载: http://eigen.tuxfamily.org/index.php?title=Main_Page
        下载文件并解压:

 

 

然后在自己的VS工程属性中的这个附加包含进去

 

 

 注意看清楚了 是D:\Dependencies\eigen-eigen\eigen-eigen;      前面部分是你们自己的路径 后面的这个eigen-eigen\eigen-eigen; 代表的意思解压是点击进去选择里面那个名字跟外面一样的

 

二、实现代码

c++代码:

#include <cmath>
#include <iostream>
#include "Eigen/Dense"  
#include "Eigen/LU"  
#include "Eigen/Core"  
#define PI 3.1415926

//计算旋转角
double calculateAngle(const Eigen::Vector3d &vectorBefore, const Eigen::Vector3d &vectorAfter)
{
    double ab, a1, b1, cosr;
    ab = vectorBefore.x()*vectorAfter.x() + vectorBefore.y()*vectorAfter.y() + vectorBefore.z()*vectorAfter.z();
    a1 = sqrt(vectorBefore.x()*vectorBefore.x() + vectorBefore.y()*vectorBefore.y() + vectorBefore.z()*vectorBefore.z());
    b1 = sqrt(vectorAfter.x()*vectorAfter.x() + vectorAfter.y()*vectorAfter.y() + vectorAfter.z()*vectorAfter.z());
    cosr = ab / a1 / b1;
    return (acos(cosr) * 180 / PI);
}
//计算旋转轴
inline Eigen::Vector3d calculateRotAxis(const Eigen::Vector3d &vectorBefore, const Eigen::Vector3d &vectorAfter)
{
    return Eigen::Vector3d(vectorBefore.y()*vectorAfter.z() - vectorBefore.z()*vectorAfter.y(), \
        vectorBefore.z()*vectorAfter.y() - vectorBefore.x()*vectorAfter.z(), \
        vectorBefore.x()*vectorAfter.y() - vectorBefore.y()*vectorAfter.x());
}
//计算旋转矩阵
void rotationMatrix(const Eigen::Vector3d &vectorBefore, const Eigen::Vector3d &vectorAfter, Eigen::Matrix3d &rotMatrix)
{
    Eigen::Vector3d vector = calculateRotAxis(vectorBefore, vectorAfter);
    double angle = calculateAngle(vectorBefore, vectorAfter);
    Eigen::AngleAxisd rotationVector(angle, vector.normalized());
    Eigen::Matrix3d rotationMatrix = Eigen::Matrix3d::Identity();
    rotMatrix =  rotationVector.toRotationMatrix();//所求旋转矩阵
}

int main()
{
    Eigen::Matrix3d rotMatrix;
    

    Eigen::Vector3d vectorBefore(0,0,1);
    Eigen::Vector3d vectorAfter(1,0,0);
    rotationMatrix(vectorBefore, vectorAfter, rotMatrix);
    std::cout << rotMatrix << std::endl;
    system("pause");
    return 0;
}

 

打印结果:

 

 c#代码:

void Calculation(double[] vectorBefore, double[] vectorAfter)
{
    double[] rotationAxis;
    double rotationAngle;
    double[,] rotationMatrix;
    rotationAxis = CrossProduct(vectorBefore, vectorAfter);
    rotationAngle = Math.Acos(DotProduct(vectorBefore, vectorAfter) / Normalize(vectorBefore) / Normalize(vectorAfter));
    rotationMatrix = RotationMatrix(rotationAngle, rotationAxis);
}

double[] CrossProduct(double[] a, double[] b)
{
    double[] c = new double[3];

    c[0] = a[1] * b[2] - a[2] * b[1];
    c[1] = a[2] * b[0] - a[0] * b[2];
    c[2] = a[0] * b[1] - a[1] * b[0];

    return c;
}

double DotProduct(double[] a, double[] b)
{
    double result;
    result = a[0] * b[0] + a[1] * b[1] + a[2] * b[2];

    return result;
}

double Normalize(double[] v)
{
    double result;

    result = Math.Sqrt(v[0] * v[0] + v[1] * v[1] + v[2] * v[2]);

    return result;
}

double[,] RotationMatrix(double angle, double[] u)
{
    double norm = Normalize(u);
    double[,] rotatinMatrix = new double[3,3];
    
    u[0] = u[0] / norm;
    u[1] = u[1] / norm;
    u[2] = u[2] / norm;

    rotatinMatrix[0, 0] = Math.Cos(angle) + u[0] * u[0] * (1 - Math.Cos(angle));
    rotatinMatrix[0, 0] = u[0] * u[1] * (1 - Math.Cos(angle) - u[2] * Math.Sin(angle));
    rotatinMatrix[0, 0] = u[1] * Math.Sin(angle) + u[0] * u[2] * (1 - Math.Cos(angle));

    rotatinMatrix[0, 0] = u[2] * Math.Sin(angle) + u[0] * u[1] * (1 - Math.Cos(angle));
    rotatinMatrix[0, 0] = Math.Cos(angle) + u[1] * u[1] * (1 - Math.Cos(angle));
    rotatinMatrix[0, 0] = -u[0] * Math.Sin(angle) + u[1] * u[2] * (1 - Math.Cos(angle));
      
    rotatinMatrix[0, 0] = -u[1] * Math.Sin(angle) + u[0] * u[2] * (1 - Math.Cos(angle));
    rotatinMatrix[0, 0] = u[0] * Math.Sin(angle) + u[1] * u[2] * (1 - Math.Cos(angle));
    rotatinMatrix[0, 0] = Math.Cos(angle) + u[2] * u[2] * (1 - Math.Cos(angle));

    return rotatinMatrix;
}

 

 

三、实现原理

1.旋转角度

已知旋转前向量为P, 旋转后变为Q。由点积定义可知:

image可推出P,Q之间的夹角为:

image

2. 旋转轴

由1中可知,旋转角所在的平面为有P和Q所构成的平面,那么旋转轴必垂直该平面。

假定旋转前向量为a(a1, a2, a3), 旋转后向量为b(b1, b2, b3)。由叉乘定义得:

image

所以旋转轴c(c1, c2, c3)为:

image

3.  罗德里格旋转公式(Rodrigues' rotation formula)

3.1 公式

已知单位向量Inline3 , 将它旋转θ角。由罗德里格旋转公式,可知对应的旋转矩阵Inline5

image

其中I是3x3的单位矩阵,

omega^~ 是叉乘中的反对称矩阵r:

NumberedEquation1

3.2 公式证明

假设在坐标系(x, y, z)中,向量v=ax+by+cz,v绕z轴逆时针旋转θ角后得到新的向量v’。

img1

根据2维(x,y)面上的旋转公式可得:

image

推出:

image 已知:

image将上式带入v’的公式:

image  将cz替换掉,可得:

image

将上式中的叉乘表示为反对称矩阵得:

image

另外:

image

最终可以推出:

image

上式即为罗德里格旋转公式。

 

 

参考博客:https://www.cnblogs.com/xpvincent/archive/2013/02/15/2912836.html 

参考博客里的是c#的实现代码

我是参考完之后改了一个c++的版本出来

 

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posted @ 2019-12-29 15:53  aircraft  阅读(822)  评论(0编辑  收藏