四元数法、旋转矩阵法、欧拉角法的比较

本文探讨了3D空间中的旋转表示方法,包括四元数和旋转矩阵,并对比了它们的时间复杂度。同时,详细介绍了如何在等长度的两个向量间进行球面线性插值,并给出了改进方法实现等速插值。

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3D空间中的旋转可用旋转矩阵、欧拉角或四元数等形式来表示,他们不过都是数学工具,其中在绕任意向量的旋转方面,旋转矩阵和四元数两种工具用的较多,欧拉角由于存在万向节死锁等问题,使用存在限制。

(本文假设坐标系为左手坐标系中,旋转方向为顺时针。)

所求问题:

给定任意单位轴q(q1,q2,q3)(向量),求向量p(x,y,z)(或点p)饶q旋转theta角度的变换后的新向量p'(或点p'):

1.用四元数工具:
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结论:构造四元数变换p'= q*p*q-1,(p,q是由向量p,q扩展成的四元数)。那么,p'转换至对应的向量(或点)就是变换后的新向量p'(或点p')。

其中,p',q,p,q-1均为四元数。q由向量q扩展,为q=(cos(theta/2),sin(theta/2)*q),p由向量p扩展,为p=(0,x,y,z),q-1为q的逆,因为q为单位四元数,所以q-1=q*=(cos(theta/2),-sin(theta/2)*q)。
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(这个结论的证明过程可以在网上找到。这里略去。)
下面看其时间复杂度:

首先有个三角函数的计算时间,这个可以预先计算好,花费时间不计。考虑n个四元数相乘需进行4*4*(n-1)=16*(n-1)次乘法,15*(n-1)次加法,因为加法化费时间较少,这里仅考虑乘法。这里涉及到三个四元数的乘法,设一次乘法的时间为T,故花费16*2=32T

2.旋转矩阵工具:
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结论:构造旋转矩阵变换Trot,则变换后的新向量p'(或点p')为p'= p*Trot

其中,p'(x',y',z',1),p(x,y,z,1)为向量p',p的4D齐次坐标表示,Trot =

|t*q1*q1 + c,           t*q1*q2 + s*q3,        t*q1*q3 - s*q2,        0|
|t*xq1*q2 - s*q3,     t*q2*q2 + c,              t*q2*q3 + s*q1,       0|
|t*q1*q3 + s*q2,       t*q2*q3 - s*q1,        t*q3*q3 + c,            0|
|0,                              0,                              0,                                1|

c=cos(theta), s=sin(theta),t=1-c.
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(这个结论的证明过程可以在网上找到。这里略去。)

下面看其时间复杂度:

三角函数的计算时间不计。矩阵本身的元素乘法主要是计算t*x和s*x之类,需进行12+3=15次乘法。两个矩阵相乘的需进行n*n*n次乘法,这里n=4,所以花费4*4*4=64次乘法时间,但这里有个注意的地方就是旋转矩阵的第4维无须考虑,即可简化为3X3的矩阵。故花费3*3*3=27次乘法时间,总共的时间为15+27=42次乘法时间。cost=42T.

比较来看,还是使用四元数的效率要高出一些,这在要变换的点的数目越大时,体现的越明显。实际上,有很多3D引擎为了利用四元数运算的高效率性,一般先将矩阵转换成四元数后进行运算再转回为矩阵后,再传给DirectX或OpenGL库函数。

问题:
3D空间中,在等长度的两个交角为theta的向量v1(x1,y1,z1),v2(x2,y2,z2)之间进行球面线性插值。

实例:
做一个行星在围绕太阳等速旋转的动画,假设只采样到旋转过程中的两个位置p1,p2,现在想要用软件模拟行星是怎么从p1运动到p2的。

思路:
1。一般线性插值:

我们知道一般两个量之间进行线性插值的方法为:
v(t) = v1 + t*(v2-v1)(0<=t<=1)(因为t是一次方的,所以是线性的。)

如上图所示。这里,考虑v,v1,v2是向量,由几何学的知识,v2-v1即为v1,v2组成的三角形的另外一条边。因为|v1| = |v2|,所以v1 + t*(v2-v1)的长度肯定小于|v1|或|v2|,当0<t<1时。得到的插值向量v(t)的端点沿着v2-v1行进。

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一般线性插值由于长度发生变化,不能满足案列的要求,我们需要保持向量长度不变的插值,即球面线性插值。
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2。一般球面线性插值:


如上图所示,将一般线性插值得到的结果乘以放大系数k(t),使其长度放大到|v1|或|v2|,即得保持向量长度不变的插值:
v(t) = k(t)*(v1 + t*(v2-v1))

其中k(t) = |v1|/|v(t)|=|v1|/|v1+t*(v2-v1)|.

这样,插值向量v(t)的端点就会沿着v1,v2端点构成的圆弧行进。因为v1,v2是等长的,这个圆弧实际上是位于v1,v2构成的球面上的一段,所以又叫球面线性插值,

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这个插值解决了3D空间中旋转的插值,在关键帧动画中可以用来计算两个关键帧之间的动画。但是,由于它的插值不是等角速度的,而是变速的。所以如果用来实现案例中的效果的话还需进一步处理。
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注:一般球面线性插值v(t)与v1的夹角theta(t)不是t的线性函数。

证明:由向量点积可得cos(theta(t)) = (v(t)*v1)/|v(t)|*|v1|,
theta(t) = arcos((v(t)*v1)/|v1|^2),由反证法,假设theat(t)为线性函数,则 theat(t) = k*t + b,又theta(0) = 0,故 b = 0,theat(t) = k*t,将t'= 2t代入得,theta(2*t) = arcos((v(2*t)*v1)/|v1|^2)并不等于 2*theta(t),所以theat(t)不可能是t的线性函数。
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3。改进的球面线性插值:

要想进行等速的球面线性插值,有几个方法:

1)。用四元数工具:

变换方法:
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构造单位四元数q(cos(theta),sin(theta)*v1'),r(cos(theta),sin(theta)*v2')(v1'和v2'为单位v1,v2向量),以

及参数t(0<=t<=1),则构造四元数变换:

a.四元数 s(w,v') = r*(q-1)exp(t)*q
即为球面线性插值变换。其中,s的虚部v'即为v1'和v2'间的插值向量,乘以长度sqrt(x1^2+y1^2+z1^2)即得v1,v2间插值向量v。

b.另一种变形形式是对四元数进行插值变换:
s(w,v') = a*q + b*r

其中a = sin(alpha*(1-t))/sin(alpha),b = sin(alpha*t))/sin(alpha), cos(alpha) = x1*y1+y1*y2+z1*z2+w1*w2.
s的虚部v'即为v1'和v2'间的插值向量,乘以长度sqrt(x1^2+y1^2+z1^2)即得v1,v2间插值向量v。

两种变换都可以。
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复杂度:

以b方法为例:时间主要花在三角函数上,四元数乘以实数只需4次乘法。cost = 1*Tat + 3*Tt + 2Td + 3*4Tm


2)。利用旋转矩阵:

变换方法:
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v = v1*Trot

其中,Trot即饶任意轴旋转的矩阵变换矩阵。因为v1到v2间的插值可以看成是v1饶垂直于v1,v2组成的平面的向量的旋转,所以实际上就是个饶轴旋转的问题,不过相应参数变成:theta = t*theta,轴q(q1,q2,q3)变成向量v1Xv2/|v1Xv2| = (y1*z2-z1*y2,z1*x2-x1*z2,x1*y2-y1*x2)/sin(theta)
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复杂度:

基本和饶任意轴旋转矩阵的复杂度一样。主要是多了个向量叉积操作。 cost =2*Tt + 6*Tm + 42*Tm = 2*Tt +48*Tm

<think>好的,我现在要解决的问题是如何使用四元数根据角速度计算欧拉角。用户可能需要算实现或数学推导方面的指导。我需要结合提供的引用内容,特别是引用2、3、4中的信息来构建回答。 首先,我需要回顾四元数的基础知识。根据引用4,四元数由实部和三个虚部组成,可以表示旋转,避免万向锁问题。四元数的更新涉及微分方程,这可能与角速度有关。 接下来,引用2提到使用一阶龙格库塔来更新四元数。这里的关键是四元数的微分由角速度和当前四元数决定。公式应该是通过角速度计算四元数的微分,然后用数值积分方(如龙格库塔)进行迭代更新。 然后,四元数更新后需要转换为欧拉角。根据引用4,四元数可以转换为旋转矩阵,再从旋转矩阵提取欧拉角。这一步需要数学公式,比如旋转矩阵的元素如何对应俯仰、横滚和偏航角。 另外,引用3讨论了欧拉角的微分方程,可能涉及机体角速度到欧拉角速度的转换。但用户的问题是通过四元数来计算,所以重点可能在四元数到欧拉角的转换,而不是直接处理欧拉角的微分方程。 现在需要组织步骤:首先用角速度更新四元数,然后将四元数转换为欧拉角。数学推导部分应包括四元数的微分方程,数值积分方,以及四元数旋转矩阵再到欧拉角的公式。实现部分需要代码示例,可能用Python展示四元数更新和转换过程。 需要注意是否正确处理四元数的归一化,因为数值积分可能导致四元数模长变化,需要归一化保持单位四元数。此外,欧拉角的计算涉及反三角函数,需要注意象限和奇异性问题,但四元数本身可以避免万向锁,所以可能不需要特别处理。 总结步骤: 1. 初始化四元数。 2. 根据陀螺仪测量的角速度,使用龙格库塔更新四元数。 3. 四元数归一化。 4. 将四元数转换为旋转矩阵。 5. 从旋转矩阵提取欧拉角(俯仰、横滚、偏航)。 需要验证每个步骤的公式是否正确,特别是四元数微分方程和旋转矩阵的转换部分。引用2中的公式可能需要详细展开,例如四元数微分与角速度的关系,以及如何应用龙格库塔。 可能遇到的难点:理解四元数微分方程如何由角速度推导而来,以及如何正确实现旋转矩阵到欧拉角的转换。需要确保数学推导正确,例如引用2中的四元数更新公式是否正确应用了一阶龙格库塔。 最后,代码示例需要展示四元数更新的过程,可能简化处理,如假设角速度在时间步长内恒定,并进行离散积分。同时,转换到欧拉角时,需要根据旋转矩阵的元素计算反正弦或反正切,并处理角度范围。</think>### 四元数通过角速度计算欧拉角 #### 一、数学推导 1. **四元数的微分方程** 四元数微分方程由角速度和当前四元数决定。设陀螺仪测量的角速度为$[\omega_x, \omega_y, \omega_z]$,当前四元数为$q = [w, x, y, z]$,则四元数的微分方程为: $$ \dot{q} = \frac{1}{2} q \otimes \begin{bmatrix} 0 \\ \omega_x \\ \omega_y \\ \omega_z \end{bmatrix} $$ 其中$\otimes$表示四元数[^2][^4]。 2. **一阶龙格库塔更新** 对微分方程进行离散化,假设时间步长为$\Delta t$,四元数更新公式为: $$ q_{t+\Delta t} = q_t + \Delta t \cdot \dot{q} $$ 为保持单位四元数,需进行归一化: $$ q_{t+\Delta t} \leftarrow \frac{q_{t+\Delta t}}{||q_{t+\Delta t}||} $$ 3. **四元数旋转矩阵** 单位四元数对应的旋转矩阵为: $$ R = \begin{bmatrix} 1-2y^2-2z^2 & 2xy-2wz & 2xz+2wy \\ 2xy+2wz & 1-2x^2-2z^2 & 2yz-2wx \\ 2xz-2wy & 2yz+2wx & 1-2x^2-2y^2 \end{bmatrix} $$ 4. **提取欧拉角** 从旋转矩阵中提取俯仰角(pitch)、横滚角(roll)、偏航角(yaw): $$ \text{pitch} = \arcsin(R_{31}) \\ \text{roll} = \arctan2\left(\frac{R_{32}}{\cos(\theta)}, \frac{R_{33}}{\cos(\theta)}\right) \\ \text{yaw} = \arctan2\left(\frac{R_{21}}{\cos(\theta)}, \frac{R_{11}}{\cos(\theta)}\right) $$ 需注意$\cos(\theta) \neq 0$的条件[^4]。 --- #### 二、算实现(Python示例) ```python import numpy as np def quaternion_update(q, omega, dt): # 角速度转四元数微分 wx, wy, wz = omega q0, q1, q2, q3 = q dq = 0.5 * np.array([ -wx*q1 - wy*q2 - wz*q3, wx*q0 + wz*q2 - wy*q3, wy*q0 - wz*q1 + wx*q3, wz*q0 + wy*q1 - wx*q2 ]) # 一阶龙格库塔更新 q_new = q + dt * dq # 归一化 q_new /= np.linalg.norm(q_new) return q_new def quaternion_to_euler(q): w, x, y, z = q # 转旋转矩阵 R = np.array([ [1-2*y**2-2*z**2, 2*x*y-2*w*z, 2*x*z+2*w*y], [2*x*y+2*w*z, 1-2*x**2-2*z**2, 2*y*z-2*w*x], [2*x*z-2*w*y, 2*y*z+2*w*x, 1-2*x**2-2*y**2] ]) # 计算欧拉角 pitch = np.arcsin(R[2,0]) roll = np.arctan2(R[2,1], R[2,2]) yaw = np.arctan2(R[1,0], R[0,0]) return np.degrees([roll, pitch, yaw]) # 示例:初始四元数(单位四元数) q = np.array([1.0, 0.0, 0.0, 0.0]) omega = np.array([0.1, 0.05, 0.02]) # 角速度 (rad/s) dt = 0.01 # 时间步长 # 迭代更新并输出欧拉角 for _ in range(100): q = quaternion_update(q, omega, dt) euler_angles = quaternion_to_euler(q) print(f"Roll: {euler_angles[0]:.2f}°, Pitch: {euler_angles[1]:.2f}°, Yaw: {euler_angles[2]:.2f}°") ``` --- #### 三、关键点说明 1. **四元数归一化**:数值积分可能导致四元数模长偏离1,需强制归一化以保证旋转描述的准确性[^2][^4]。 2. **奇异性处理**:当俯仰角接近±90°时,欧拉角计算会出现万向锁,但四元数本身不受影响[^4]。 3. **角速度单位**:需确保角速度单位为弧度/秒(rad/s),与时间步长单位一致[^3]。 ---
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