学习四元数

欧拉角会遇到的问题

  • 旋转顺序很敏感:先绕 Y 再绕 X,和先绕 X 再绕 Y,结果完全不同
  • "轴会变味/不好跟手":当物体已经转过一圈后,你再做"上下",实际绕的轴可能不是你以为的那个
  • 极端情况下会"卡住"(万向节死锁,gimbal lock):两个旋转轴重合,少了一个自由度

四元数

为了解决使用欧拉角中会遇到的问题,我们使用四元数:

四元数的核心价值:把旋转当成一个整体来累计,不会出现万向节死锁,并且叠加旋转非常自然。

欧拉角是三个旋转轴,四元数可以当作是一个旋转轴,这个旋转轴每次都是在变化的。

四元数可以写作:
q = ( x , y , z , w ) q=(x, y, z, w) q=(x,y,z,w)

理解:

  • 一个单位四元数(长度=1)可以唯一表示一个 3D 旋转
  • 它等价于"轴-角"表示法:绕单位轴 n = (nx, ny, nz) 旋转角度 θ

与欧拉角的关系:

  • w = cos ⁡ ( θ / 2 ) w=\cos(\theta / 2) w=cos(θ/2)
  • ( x , y , z ) = n ∗ sin ⁡ ( θ / 2 ) (x, y, z)=n * \sin(\theta / 2) (x,y,z)=n∗sin(θ/2)

使用四元数

  1. 创建一个"绕轴旋转"的四元数
cpp 复制代码
QQuaternion q = QQuaternion::fromAxisAndAngle(axis, angleDeg);
  1. 叠加旋转
    如果当前姿态 cur,鼠标产生一个增量旋转 dq,更新是:
cpp 复制代码
cur = (dq * cur).normalized();
  1. 用四元数旋转向量(得到"当前物体的局部轴")
cpp 复制代码
QVector3D right = cur.rotatedVector(QVector3D(1,0,0));
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