坐标系旋转矩阵推导过程 您所在的位置:网站首页 坐标轴旋转公式的推导过程 坐标系旋转矩阵推导过程

坐标系旋转矩阵推导过程

2024-06-30 13:32| 来源: 网络整理| 查看: 265

一、先来个平面旋转的分析:

两角和(差)公式

推导

旋转变换一般是按照某个圆心点,以一定半径 r 旋转一定的角度α,为了简单起见我们给出下面的情景

假定点A(x,y)想经过旋转变换到达B(x',y'),已知旋转角度α和点A坐标,计算出点B

要计算点B则分别计算他的x'和y'分量

根据矩阵乘法计算规则,可以推出 

只要给出旋转角度,计算出矩阵,然后使用这个矩阵分别左乘每一个点,就能计算出这个点旋转后的点坐标 这样我们就可以通过矩阵变换坐标了 

二、延伸到三维坐标:

    坐标的旋转变换在很多地方都会用到,比如机器视觉中的摄像机标定、图像处理中的图像旋转、游戏编程等。

    任何维的旋转可以表述为向量与合适尺寸的方阵的乘积。最终一个旋转等价于在另一个不同坐标系下对点位置的重新表述。坐标系旋转角度θ则等同于将目标点围绕坐标原点反方向旋转同样的角度θ。     若以坐标系的三个坐标轴X、Y、Z分别作为旋转轴,则点实际上只在垂直坐标轴的平面上作二维旋转。    假设三维坐标系中的某一向量 ,其在直角坐标系中的图如图1所示。其中点P在XY平面、XZ平面、YZ平面的投影分别为点M、点P、点N。                                                                                                                   图1 直角坐标系XYZ    1、 绕Z轴旋转θ角     绕Z轴旋转,相当于 在XY平面的投影OM绕原点旋转,如下图所示,OM旋转θ角到OM'。                                                                                                                                                                                   图2 向量绕Z轴旋转示意图    设旋转前的坐标为 ,旋转后的坐标为 ,则点M的坐标为 ,点M'的坐标为 。由此可得:                                                             对于 进行三角展开可得:                                                            且有 ;可得绕Z轴旋转 角的旋转矩阵为:                                                                                                  2、 绕X轴旋旋转θ角

   绕X轴旋转,相当于 在YZ平面的投影ON绕原点旋转,如下图所示,ON旋转θ角到ON'。                                                                                                                                  图3 向量绕X轴旋转示意图    设旋转前的坐标为 ,旋转后的坐标为 ,则点N的坐标为 ,点N'的坐标为 。由此可得:                                                         对于 进行三角展开可得:                                                      且有 ;可得绕X轴旋转 角的旋转矩阵为:                                                                                         3、 绕Y轴旋旋转θ角    绕Y轴旋转,相当于 在XZ平面的投影OQ绕原点旋转,如下图所示,OQ旋转θ角到OQ'。                                                                                                                                                                                   图4 向量绕Y轴旋转示意图    设旋转前的坐标为 ,旋转后的坐标为 ,则点Q的坐标为 ,点Q'的坐标为 。由此可得:                                                     对于 进行三角展开可得:                                                   且有 ;可得绕Y轴旋转 角的旋转矩阵为:                                                                          4、绕X、Y、Z轴旋转的旋转矩阵分别为:                   


【本文地址】

公司简介

联系我们

今日新闻

    推荐新闻

    专题文章
      CopyRight 2018-2019 实验室设备网 版权所有