1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23 package org.hipparchus.geometry.euclidean.threed;
24
25 import java.io.Serializable;
26
27 import org.hipparchus.CalculusFieldElement;
28 import org.hipparchus.Field;
29 import org.hipparchus.exception.MathIllegalArgumentException;
30 import org.hipparchus.exception.MathRuntimeException;
31 import org.hipparchus.geometry.LocalizedGeometryFormats;
32 import org.hipparchus.util.FastMath;
33 import org.hipparchus.util.FieldSinCos;
34 import org.hipparchus.util.MathArrays;
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45 public class FieldRotation<T extends CalculusFieldElement<T>> implements Serializable {
46
47
48 private static final long serialVersionUID = 20130224L;
49
50
51 private final T q0;
52
53
54 private final T q1;
55
56
57 private final T q2;
58
59
60 private final T q3;
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80 public FieldRotation(final T q0, final T q1, final T q2, final T q3, final boolean needsNormalization) {
81
82 if (needsNormalization) {
83
84 final T inv =
85 q0.square().add(q1.square()).add(q2.square()).add(q3.square()).sqrt().reciprocal();
86 this.q0 = inv.multiply(q0);
87 this.q1 = inv.multiply(q1);
88 this.q2 = inv.multiply(q2);
89 this.q3 = inv.multiply(q3);
90 } else {
91 this.q0 = q0;
92 this.q1 = q1;
93 this.q2 = q2;
94 this.q3 = q3;
95 }
96
97 }
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121 public FieldRotation(final FieldVector3D<T> axis, final T angle, final RotationConvention convention)
122 throws MathIllegalArgumentException {
123
124 final T norm = axis.getNorm();
125 if (norm.getReal() == 0) {
126 throw new MathIllegalArgumentException(LocalizedGeometryFormats.ZERO_NORM_FOR_ROTATION_AXIS);
127 }
128
129 final T halfAngle = angle.multiply(convention == RotationConvention.VECTOR_OPERATOR ? -0.5 : 0.5);
130 final FieldSinCos<T> sinCos = FastMath.sinCos(halfAngle);
131 final T coeff = sinCos.sin().divide(norm);
132
133 q0 = sinCos.cos();
134 q1 = coeff.multiply(axis.getX());
135 q2 = coeff.multiply(axis.getY());
136 q3 = coeff.multiply(axis.getZ());
137
138 }
139
140
141
142
143
144 public FieldRotation(final Field<T> field, final Rotation r) {
145 this.q0 = field.getZero().add(r.getQ0());
146 this.q1 = field.getZero().add(r.getQ1());
147 this.q2 = field.getZero().add(r.getQ2());
148 this.q3 = field.getZero().add(r.getQ3());
149 }
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181 public FieldRotation(final T[][] m, final double threshold)
182 throws MathIllegalArgumentException {
183
184
185 if ((m.length != 3) || (m[0].length != 3) ||
186 (m[1].length != 3) || (m[2].length != 3)) {
187 throw new MathIllegalArgumentException(LocalizedGeometryFormats.ROTATION_MATRIX_DIMENSIONS,
188 m.length, m[0].length);
189 }
190
191
192 final T[][] ort = orthogonalizeMatrix(m, threshold);
193
194
195 final T d0 = ort[1][1].multiply(ort[2][2]).subtract(ort[2][1].multiply(ort[1][2]));
196 final T d1 = ort[0][1].multiply(ort[2][2]).subtract(ort[2][1].multiply(ort[0][2]));
197 final T d2 = ort[0][1].multiply(ort[1][2]).subtract(ort[1][1].multiply(ort[0][2]));
198 final T det =
199 ort[0][0].multiply(d0).subtract(ort[1][0].multiply(d1)).add(ort[2][0].multiply(d2));
200 if (det.getReal() < 0.0) {
201 throw new MathIllegalArgumentException(LocalizedGeometryFormats.CLOSEST_ORTHOGONAL_MATRIX_HAS_NEGATIVE_DETERMINANT,
202 det);
203 }
204
205 final T[] quat = mat2quat(ort);
206 q0 = quat[0];
207 q1 = quat[1];
208 q2 = quat[2];
209 q3 = quat[3];
210
211 }
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231 public FieldRotation(FieldVector3D<T> u1, FieldVector3D<T> u2, FieldVector3D<T> v1, FieldVector3D<T> v2)
232 throws MathRuntimeException {
233
234
235
236 final FieldVector3D<T> u3 = FieldVector3D.crossProduct(u1, u2).normalize();
237 u2 = FieldVector3D.crossProduct(u3, u1).normalize();
238 u1 = u1.normalize();
239
240
241
242 final FieldVector3D<T> v3 = FieldVector3D.crossProduct(v1, v2).normalize();
243 v2 = FieldVector3D.crossProduct(v3, v1).normalize();
244 v1 = v1.normalize();
245
246
247 final T[][] array = MathArrays.buildArray(u1.getX().getField(), 3, 3);
248 array[0][0] = u1.getX().multiply(v1.getX()).add(u2.getX().multiply(v2.getX())).add(u3.getX().multiply(v3.getX()));
249 array[0][1] = u1.getY().multiply(v1.getX()).add(u2.getY().multiply(v2.getX())).add(u3.getY().multiply(v3.getX()));
250 array[0][2] = u1.getZ().multiply(v1.getX()).add(u2.getZ().multiply(v2.getX())).add(u3.getZ().multiply(v3.getX()));
251 array[1][0] = u1.getX().multiply(v1.getY()).add(u2.getX().multiply(v2.getY())).add(u3.getX().multiply(v3.getY()));
252 array[1][1] = u1.getY().multiply(v1.getY()).add(u2.getY().multiply(v2.getY())).add(u3.getY().multiply(v3.getY()));
253 array[1][2] = u1.getZ().multiply(v1.getY()).add(u2.getZ().multiply(v2.getY())).add(u3.getZ().multiply(v3.getY()));
254 array[2][0] = u1.getX().multiply(v1.getZ()).add(u2.getX().multiply(v2.getZ())).add(u3.getX().multiply(v3.getZ()));
255 array[2][1] = u1.getY().multiply(v1.getZ()).add(u2.getY().multiply(v2.getZ())).add(u3.getY().multiply(v3.getZ()));
256 array[2][2] = u1.getZ().multiply(v1.getZ()).add(u2.getZ().multiply(v2.getZ())).add(u3.getZ().multiply(v3.getZ()));
257
258 T[] quat = mat2quat(array);
259 q0 = quat[0];
260 q1 = quat[1];
261 q2 = quat[2];
262 q3 = quat[3];
263
264 }
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279 public FieldRotation(final FieldVector3D<T> u, final FieldVector3D<T> v) throws MathRuntimeException {
280
281 final T normProduct = u.getNorm().multiply(v.getNorm());
282 if (normProduct.getReal() == 0) {
283 throw new MathRuntimeException(LocalizedGeometryFormats.ZERO_NORM_FOR_ROTATION_DEFINING_VECTOR);
284 }
285
286 final T dot = FieldVector3D.dotProduct(u, v);
287
288 if (dot.getReal() < ((2.0e-15 - 1.0) * normProduct.getReal())) {
289
290
291 final FieldVector3D<T> w = u.orthogonal();
292 q0 = normProduct.getField().getZero();
293 q1 = w.getX().negate();
294 q2 = w.getY().negate();
295 q3 = w.getZ().negate();
296 } else {
297
298
299 q0 = dot.divide(normProduct).add(1.0).multiply(0.5).sqrt();
300 final T coeff = q0.multiply(normProduct).multiply(2.0).reciprocal();
301 final FieldVector3D<T> q = FieldVector3D.crossProduct(v, u);
302 q1 = coeff.multiply(q.getX());
303 q2 = coeff.multiply(q.getY());
304 q3 = coeff.multiply(q.getZ());
305 }
306
307 }
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330 public FieldRotation(final RotationOrder order, final RotationConvention convention,
331 final T alpha1, final T alpha2, final T alpha3) {
332 final Field<T> field = alpha1.getField();
333 final FieldRotation<T> r1 = new FieldRotation<>(new FieldVector3D<>(field, order.getA1()), alpha1, convention);
334 final FieldRotation<T> r2 = new FieldRotation<>(new FieldVector3D<>(field, order.getA2()), alpha2, convention);
335 final FieldRotation<T> r3 = new FieldRotation<>(new FieldVector3D<>(field, order.getA3()), alpha3, convention);
336 final FieldRotation<T> composed = r1.compose(r2.compose(r3, convention), convention);
337 q0 = composed.q0;
338 q1 = composed.q1;
339 q2 = composed.q2;
340 q3 = composed.q3;
341 }
342
343
344
345
346
347
348 public static <T extends CalculusFieldElement<T>> FieldRotation<T> getIdentity(final Field<T> field) {
349 return new FieldRotation<>(field, Rotation.IDENTITY);
350 }
351
352
353
354
355
356 private T[] mat2quat(final T[][] ort) {
357
358 final T[] quat = MathArrays.buildArray(ort[0][0].getField(), 4);
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371 T s = ort[0][0].add(ort[1][1]).add(ort[2][2]);
372 if (s.getReal() > -0.19) {
373
374 quat[0] = s.add(1.0).sqrt().multiply(0.5);
375 T inv = quat[0].reciprocal().multiply(0.25);
376 quat[1] = inv.multiply(ort[1][2].subtract(ort[2][1]));
377 quat[2] = inv.multiply(ort[2][0].subtract(ort[0][2]));
378 quat[3] = inv.multiply(ort[0][1].subtract(ort[1][0]));
379 } else {
380 s = ort[0][0].subtract(ort[1][1]).subtract(ort[2][2]);
381 if (s.getReal() > -0.19) {
382
383 quat[1] = s.add(1.0).sqrt().multiply(0.5);
384 T inv = quat[1].reciprocal().multiply(0.25);
385 quat[0] = inv.multiply(ort[1][2].subtract(ort[2][1]));
386 quat[2] = inv.multiply(ort[0][1].add(ort[1][0]));
387 quat[3] = inv.multiply(ort[0][2].add(ort[2][0]));
388 } else {
389 s = ort[1][1].subtract(ort[0][0]).subtract(ort[2][2]);
390 if (s.getReal() > -0.19) {
391
392 quat[2] = s.add(1.0).sqrt().multiply(0.5);
393 T inv = quat[2].reciprocal().multiply(0.25);
394 quat[0] = inv.multiply(ort[2][0].subtract(ort[0][2]));
395 quat[1] = inv.multiply(ort[0][1].add(ort[1][0]));
396 quat[3] = inv.multiply(ort[2][1].add(ort[1][2]));
397 } else {
398
399 s = ort[2][2].subtract(ort[0][0]).subtract(ort[1][1]);
400 quat[3] = s.add(1.0).sqrt().multiply(0.5);
401 T inv = quat[3].reciprocal().multiply(0.25);
402 quat[0] = inv.multiply(ort[0][1].subtract(ort[1][0]));
403 quat[1] = inv.multiply(ort[0][2].add(ort[2][0]));
404 quat[2] = inv.multiply(ort[2][1].add(ort[1][2]));
405 }
406 }
407 }
408
409 return quat;
410
411 }
412
413
414
415
416
417
418
419
420 public FieldRotation<T> revert() {
421 return new FieldRotation<>(q0.negate(), q1, q2, q3, false);
422 }
423
424
425
426
427 public T getQ0() {
428 return q0;
429 }
430
431
432
433
434 public T getQ1() {
435 return q1;
436 }
437
438
439
440
441 public T getQ2() {
442 return q2;
443 }
444
445
446
447
448 public T getQ3() {
449 return q3;
450 }
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462 public FieldVector3D<T> getAxis(final RotationConvention convention) {
463 final T squaredSine = q1.square().add(q2.square()).add(q3.square());
464 if (squaredSine.getReal() == 0) {
465 final Field<T> field = squaredSine.getField();
466 return new FieldVector3D<>(convention == RotationConvention.VECTOR_OPERATOR ? field.getOne(): field.getOne().negate(),
467 field.getZero(),
468 field.getZero());
469 } else {
470 final double sgn = convention == RotationConvention.VECTOR_OPERATOR ? +1 : -1;
471 if (q0.getReal() < 0) {
472 T inverse = squaredSine.sqrt().reciprocal().multiply(sgn);
473 return new FieldVector3D<>(q1.multiply(inverse), q2.multiply(inverse), q3.multiply(inverse));
474 }
475 final T inverse = squaredSine.sqrt().reciprocal().negate().multiply(sgn);
476 return new FieldVector3D<>(q1.multiply(inverse), q2.multiply(inverse), q3.multiply(inverse));
477 }
478 }
479
480
481
482
483
484 public T getAngle() {
485 if ((q0.getReal() < -0.1) || (q0.getReal() > 0.1)) {
486 return q1.square().add(q2.square()).add(q3.square()).sqrt().asin().multiply(2);
487 } else if (q0.getReal() < 0) {
488 return q0.negate().acos().multiply(2);
489 }
490 return q0.acos().multiply(2);
491 }
492
493
494
495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
518
519
520
521
522
523
524
525
526
527 public T[] getAngles(final RotationOrder order, RotationConvention convention) {
528 return order.getAngles(this, convention);
529 }
530
531
532
533
534 public T[][] getMatrix() {
535
536
537 final T q0q0 = q0.square();
538 final T q0q1 = q0.multiply(q1);
539 final T q0q2 = q0.multiply(q2);
540 final T q0q3 = q0.multiply(q3);
541 final T q1q1 = q1.square();
542 final T q1q2 = q1.multiply(q2);
543 final T q1q3 = q1.multiply(q3);
544 final T q2q2 = q2.square();
545 final T q2q3 = q2.multiply(q3);
546 final T q3q3 = q3.square();
547
548
549 final T[][] m = MathArrays.buildArray(q0.getField(), 3, 3);
550
551 m [0][0] = q0q0.add(q1q1).multiply(2).subtract(1);
552 m [1][0] = q1q2.subtract(q0q3).multiply(2);
553 m [2][0] = q1q3.add(q0q2).multiply(2);
554
555 m [0][1] = q1q2.add(q0q3).multiply(2);
556 m [1][1] = q0q0.add(q2q2).multiply(2).subtract(1);
557 m [2][1] = q2q3.subtract(q0q1).multiply(2);
558
559 m [0][2] = q1q3.subtract(q0q2).multiply(2);
560 m [1][2] = q2q3.add(q0q1).multiply(2);
561 m [2][2] = q0q0.add(q3q3).multiply(2).subtract(1);
562
563 return m;
564
565 }
566
567
568
569
570 public Rotation toRotation() {
571 return new Rotation(q0.getReal(), q1.getReal(), q2.getReal(), q3.getReal(), false);
572 }
573
574
575
576
577
578 public FieldVector3D<T> applyTo(final FieldVector3D<T> u) {
579
580 final T x = u.getX();
581 final T y = u.getY();
582 final T z = u.getZ();
583
584 final T s = q1.multiply(x).add(q2.multiply(y)).add(q3.multiply(z));
585
586 return new FieldVector3D<>(q0.multiply(x.multiply(q0).subtract(q2.multiply(z).subtract(q3.multiply(y)))).add(s.multiply(q1)).multiply(2).subtract(x),
587 q0.multiply(y.multiply(q0).subtract(q3.multiply(x).subtract(q1.multiply(z)))).add(s.multiply(q2)).multiply(2).subtract(y),
588 q0.multiply(z.multiply(q0).subtract(q1.multiply(y).subtract(q2.multiply(x)))).add(s.multiply(q3)).multiply(2).subtract(z));
589
590 }
591
592
593
594
595
596 public FieldVector3D<T> applyTo(final Vector3D u) {
597
598 final double x = u.getX();
599 final double y = u.getY();
600 final double z = u.getZ();
601
602 final T s = q1.multiply(x).add(q2.multiply(y)).add(q3.multiply(z));
603
604 return new FieldVector3D<>(q0.multiply(q0.multiply(x).subtract(q2.multiply(z).subtract(q3.multiply(y)))).add(s.multiply(q1)).multiply(2).subtract(x),
605 q0.multiply(q0.multiply(y).subtract(q3.multiply(x).subtract(q1.multiply(z)))).add(s.multiply(q2)).multiply(2).subtract(y),
606 q0.multiply(q0.multiply(z).subtract(q1.multiply(y).subtract(q2.multiply(x)))).add(s.multiply(q3)).multiply(2).subtract(z));
607
608 }
609
610
611
612
613
614
615 public void applyTo(final T[] in, final T[] out) {
616
617 final T x = in[0];
618 final T y = in[1];
619 final T z = in[2];
620
621 final T s = q1.multiply(x).add(q2.multiply(y)).add(q3.multiply(z));
622
623 out[0] = q0.multiply(x.multiply(q0).subtract(q2.multiply(z).subtract(q3.multiply(y)))).add(s.multiply(q1)).multiply(2).subtract(x);
624 out[1] = q0.multiply(y.multiply(q0).subtract(q3.multiply(x).subtract(q1.multiply(z)))).add(s.multiply(q2)).multiply(2).subtract(y);
625 out[2] = q0.multiply(z.multiply(q0).subtract(q1.multiply(y).subtract(q2.multiply(x)))).add(s.multiply(q3)).multiply(2).subtract(z);
626
627 }
628
629
630
631
632
633 public void applyTo(final double[] in, final T[] out) {
634
635 final double x = in[0];
636 final double y = in[1];
637 final double z = in[2];
638
639 final T s = q1.multiply(x).add(q2.multiply(y)).add(q3.multiply(z));
640
641 out[0] = q0.multiply(q0.multiply(x).subtract(q2.multiply(z).subtract(q3.multiply(y)))).add(s.multiply(q1)).multiply(2).subtract(x);
642 out[1] = q0.multiply(q0.multiply(y).subtract(q3.multiply(x).subtract(q1.multiply(z)))).add(s.multiply(q2)).multiply(2).subtract(y);
643 out[2] = q0.multiply(q0.multiply(z).subtract(q1.multiply(y).subtract(q2.multiply(x)))).add(s.multiply(q3)).multiply(2).subtract(z);
644
645 }
646
647
648
649
650
651
652
653 public static <T extends CalculusFieldElement<T>> FieldVector3D<T> applyTo(final Rotation r, final FieldVector3D<T> u) {
654
655 final T x = u.getX();
656 final T y = u.getY();
657 final T z = u.getZ();
658
659 final T s = x.multiply(r.getQ1()).add(y.multiply(r.getQ2())).add(z.multiply(r.getQ3()));
660
661 return new FieldVector3D<>(x.multiply(r.getQ0()).subtract(z.multiply(r.getQ2()).subtract(y.multiply(r.getQ3()))).multiply(r.getQ0()).add(s.multiply(r.getQ1())).multiply(2).subtract(x),
662 y.multiply(r.getQ0()).subtract(x.multiply(r.getQ3()).subtract(z.multiply(r.getQ1()))).multiply(r.getQ0()).add(s.multiply(r.getQ2())).multiply(2).subtract(y),
663 z.multiply(r.getQ0()).subtract(y.multiply(r.getQ1()).subtract(x.multiply(r.getQ2()))).multiply(r.getQ0()).add(s.multiply(r.getQ3())).multiply(2).subtract(z));
664
665 }
666
667
668
669
670
671 public FieldVector3D<T> applyInverseTo(final FieldVector3D<T> u) {
672
673 final T x = u.getX();
674 final T y = u.getY();
675 final T z = u.getZ();
676
677 final T s = q1.multiply(x).add(q2.multiply(y)).add(q3.multiply(z));
678 final T m0 = q0.negate();
679
680 return new FieldVector3D<>(m0.multiply(x.multiply(m0).subtract(q2.multiply(z).subtract(q3.multiply(y)))).add(s.multiply(q1)).multiply(2).subtract(x),
681 m0.multiply(y.multiply(m0).subtract(q3.multiply(x).subtract(q1.multiply(z)))).add(s.multiply(q2)).multiply(2).subtract(y),
682 m0.multiply(z.multiply(m0).subtract(q1.multiply(y).subtract(q2.multiply(x)))).add(s.multiply(q3)).multiply(2).subtract(z));
683
684 }
685
686
687
688
689
690 public FieldVector3D<T> applyInverseTo(final Vector3D u) {
691
692 final double x = u.getX();
693 final double y = u.getY();
694 final double z = u.getZ();
695
696 final T s = q1.multiply(x).add(q2.multiply(y)).add(q3.multiply(z));
697 final T m0 = q0.negate();
698
699 return new FieldVector3D<>(m0.multiply(m0.multiply(x).subtract(q2.multiply(z).subtract(q3.multiply(y)))).add(s.multiply(q1)).multiply(2).subtract(x),
700 m0.multiply(m0.multiply(y).subtract(q3.multiply(x).subtract(q1.multiply(z)))).add(s.multiply(q2)).multiply(2).subtract(y),
701 m0.multiply(m0.multiply(z).subtract(q1.multiply(y).subtract(q2.multiply(x)))).add(s.multiply(q3)).multiply(2).subtract(z));
702
703 }
704
705
706
707
708
709
710 public void applyInverseTo(final T[] in, final T[] out) {
711
712 final T x = in[0];
713 final T y = in[1];
714 final T z = in[2];
715
716 final T s = q1.multiply(x).add(q2.multiply(y)).add(q3.multiply(z));
717 final T m0 = q0.negate();
718
719 out[0] = m0.multiply(x.multiply(m0).subtract(q2.multiply(z).subtract(q3.multiply(y)))).add(s.multiply(q1)).multiply(2).subtract(x);
720 out[1] = m0.multiply(y.multiply(m0).subtract(q3.multiply(x).subtract(q1.multiply(z)))).add(s.multiply(q2)).multiply(2).subtract(y);
721 out[2] = m0.multiply(z.multiply(m0).subtract(q1.multiply(y).subtract(q2.multiply(x)))).add(s.multiply(q3)).multiply(2).subtract(z);
722
723 }
724
725
726
727
728
729 public void applyInverseTo(final double[] in, final T[] out) {
730
731 final double x = in[0];
732 final double y = in[1];
733 final double z = in[2];
734
735 final T s = q1.multiply(x).add(q2.multiply(y)).add(q3.multiply(z));
736 final T m0 = q0.negate();
737
738 out[0] = m0.multiply(m0.multiply(x).subtract(q2.multiply(z).subtract(q3.multiply(y)))).add(s.multiply(q1)).multiply(2).subtract(x);
739 out[1] = m0.multiply(m0.multiply(y).subtract(q3.multiply(x).subtract(q1.multiply(z)))).add(s.multiply(q2)).multiply(2).subtract(y);
740 out[2] = m0.multiply(m0.multiply(z).subtract(q1.multiply(y).subtract(q2.multiply(x)))).add(s.multiply(q3)).multiply(2).subtract(z);
741
742 }
743
744
745
746
747
748
749
750 public static <T extends CalculusFieldElement<T>> FieldVector3D<T> applyInverseTo(final Rotation r, final FieldVector3D<T> u) {
751
752 final T x = u.getX();
753 final T y = u.getY();
754 final T z = u.getZ();
755
756 final T s = x.multiply(r.getQ1()).add(y.multiply(r.getQ2())).add(z.multiply(r.getQ3()));
757 final double m0 = -r.getQ0();
758
759 return new FieldVector3D<>(x.multiply(m0).subtract(z.multiply(r.getQ2()).subtract(y.multiply(r.getQ3()))).multiply(m0).add(s.multiply(r.getQ1())).multiply(2).subtract(x),
760 y.multiply(m0).subtract(x.multiply(r.getQ3()).subtract(z.multiply(r.getQ1()))).multiply(m0).add(s.multiply(r.getQ2())).multiply(2).subtract(y),
761 z.multiply(m0).subtract(y.multiply(r.getQ1()).subtract(x.multiply(r.getQ2()))).multiply(m0).add(s.multiply(r.getQ3())).multiply(2).subtract(z));
762
763 }
764
765
766
767
768
769
770
771
772
773
774 public FieldRotation<T> applyTo(final FieldRotation<T> r) {
775 return compose(r, RotationConvention.VECTOR_OPERATOR);
776 }
777
778
779
780
781
782
783
784
785
786
787
788
789
790
791
792
793
794
795
796
797
798
799
800
801
802 public FieldRotation<T> compose(final FieldRotation<T> r, final RotationConvention convention) {
803 return convention == RotationConvention.VECTOR_OPERATOR ?
804 composeInternal(r) : r.composeInternal(this);
805 }
806
807
808
809
810
811
812 private FieldRotation<T> composeInternal(final FieldRotation<T> r) {
813 return new FieldRotation<>(r.q0.multiply(q0).subtract(r.q1.multiply(q1).add(r.q2.multiply(q2)).add(r.q3.multiply(q3))),
814 r.q1.multiply(q0).add(r.q0.multiply(q1)).add(r.q2.multiply(q3).subtract(r.q3.multiply(q2))),
815 r.q2.multiply(q0).add(r.q0.multiply(q2)).add(r.q3.multiply(q1).subtract(r.q1.multiply(q3))),
816 r.q3.multiply(q0).add(r.q0.multiply(q3)).add(r.q1.multiply(q2).subtract(r.q2.multiply(q1))),
817 false);
818 }
819
820
821
822
823
824
825
826
827
828
829 public FieldRotation<T> applyTo(final Rotation r) {
830 return compose(r, RotationConvention.VECTOR_OPERATOR);
831 }
832
833
834
835
836
837
838
839
840
841
842
843
844
845
846
847
848
849
850
851
852
853
854
855
856
857 public FieldRotation<T> compose(final Rotation r, final RotationConvention convention) {
858 return convention == RotationConvention.VECTOR_OPERATOR ?
859 composeInternal(r) : applyTo(r, this);
860 }
861
862
863
864
865
866
867 private FieldRotation<T> composeInternal(final Rotation r) {
868 return new FieldRotation<>(q0.multiply(r.getQ0()).subtract(q1.multiply(r.getQ1()).add(q2.multiply(r.getQ2())).add(q3.multiply(r.getQ3()))),
869 q0.multiply(r.getQ1()).add(q1.multiply(r.getQ0())).add(q3.multiply(r.getQ2()).subtract(q2.multiply(r.getQ3()))),
870 q0.multiply(r.getQ2()).add(q2.multiply(r.getQ0())).add(q1.multiply(r.getQ3()).subtract(q3.multiply(r.getQ1()))),
871 q0.multiply(r.getQ3()).add(q3.multiply(r.getQ0())).add(q2.multiply(r.getQ1()).subtract(q1.multiply(r.getQ2()))),
872 false);
873 }
874
875
876
877
878
879
880
881
882
883
884
885
886 public static <T extends CalculusFieldElement<T>> FieldRotation<T> applyTo(final Rotation r1, final FieldRotation<T> rInner) {
887 return new FieldRotation<>(rInner.q0.multiply(r1.getQ0()).subtract(rInner.q1.multiply(r1.getQ1()).add(rInner.q2.multiply(r1.getQ2())).add(rInner.q3.multiply(r1.getQ3()))),
888 rInner.q1.multiply(r1.getQ0()).add(rInner.q0.multiply(r1.getQ1())).add(rInner.q2.multiply(r1.getQ3()).subtract(rInner.q3.multiply(r1.getQ2()))),
889 rInner.q2.multiply(r1.getQ0()).add(rInner.q0.multiply(r1.getQ2())).add(rInner.q3.multiply(r1.getQ1()).subtract(rInner.q1.multiply(r1.getQ3()))),
890 rInner.q3.multiply(r1.getQ0()).add(rInner.q0.multiply(r1.getQ3())).add(rInner.q1.multiply(r1.getQ2()).subtract(rInner.q2.multiply(r1.getQ1()))),
891 false);
892 }
893
894
895
896
897
898
899
900
901
902
903
904 public FieldRotation<T> applyInverseTo(final FieldRotation<T> r) {
905 return composeInverse(r, RotationConvention.VECTOR_OPERATOR);
906 }
907
908
909
910
911
912
913
914
915
916
917
918
919
920
921
922
923
924
925
926
927
928
929
930
931
932
933
934 public FieldRotation<T> composeInverse(final FieldRotation<T> r, final RotationConvention convention) {
935 return convention == RotationConvention.VECTOR_OPERATOR ?
936 composeInverseInternal(r) : r.composeInternal(revert());
937 }
938
939
940
941
942
943
944
945 private FieldRotation<T> composeInverseInternal(FieldRotation<T> r) {
946 return new FieldRotation<>(r.q0.multiply(q0).add(r.q1.multiply(q1)).add(r.q2.multiply(q2)).add(r.q3.multiply(q3)).negate(),
947 r.q0.multiply(q1).add(r.q2.multiply(q3).subtract(r.q3.multiply(q2))).subtract(r.q1.multiply(q0)),
948 r.q0.multiply(q2).add(r.q3.multiply(q1).subtract(r.q1.multiply(q3))).subtract(r.q2.multiply(q0)),
949 r.q0.multiply(q3).add(r.q1.multiply(q2).subtract(r.q2.multiply(q1))).subtract(r.q3.multiply(q0)),
950 false);
951 }
952
953
954
955
956
957
958
959
960
961
962
963 public FieldRotation<T> applyInverseTo(final Rotation r) {
964 return composeInverse(r, RotationConvention.VECTOR_OPERATOR);
965 }
966
967
968
969
970
971
972
973
974
975
976
977
978
979
980
981
982
983
984
985
986
987
988
989
990
991
992
993 public FieldRotation<T> composeInverse(final Rotation r, final RotationConvention convention) {
994 return convention == RotationConvention.VECTOR_OPERATOR ?
995 composeInverseInternal(r) : applyTo(r, revert());
996 }
997
998
999
1000
1001
1002
1003
1004 private FieldRotation<T> composeInverseInternal(Rotation r) {
1005 return new FieldRotation<>(q0.multiply(r.getQ0()).add(q1.multiply(r.getQ1()).add(q2.multiply(r.getQ2())).add(q3.multiply(r.getQ3()))).negate(),
1006 q1.multiply(r.getQ0()).add(q3.multiply(r.getQ2()).subtract(q2.multiply(r.getQ3()))).subtract(q0.multiply(r.getQ1())),
1007 q2.multiply(r.getQ0()).add(q1.multiply(r.getQ3()).subtract(q3.multiply(r.getQ1()))).subtract(q0.multiply(r.getQ2())),
1008 q3.multiply(r.getQ0()).add(q2.multiply(r.getQ1()).subtract(q1.multiply(r.getQ2()))).subtract(q0.multiply(r.getQ3())),
1009 false);
1010 }
1011
1012
1013
1014
1015
1016
1017
1018
1019
1020
1021
1022
1023
1024
1025 public static <T extends CalculusFieldElement<T>> FieldRotation<T> applyInverseTo(final Rotation rOuter, final FieldRotation<T> rInner) {
1026 return new FieldRotation<>(rInner.q0.multiply(rOuter.getQ0()).add(rInner.q1.multiply(rOuter.getQ1()).add(rInner.q2.multiply(rOuter.getQ2())).add(rInner.q3.multiply(rOuter.getQ3()))).negate(),
1027 rInner.q0.multiply(rOuter.getQ1()).add(rInner.q2.multiply(rOuter.getQ3()).subtract(rInner.q3.multiply(rOuter.getQ2()))).subtract(rInner.q1.multiply(rOuter.getQ0())),
1028 rInner.q0.multiply(rOuter.getQ2()).add(rInner.q3.multiply(rOuter.getQ1()).subtract(rInner.q1.multiply(rOuter.getQ3()))).subtract(rInner.q2.multiply(rOuter.getQ0())),
1029 rInner.q0.multiply(rOuter.getQ3()).add(rInner.q1.multiply(rOuter.getQ2()).subtract(rInner.q2.multiply(rOuter.getQ1()))).subtract(rInner.q3.multiply(rOuter.getQ0())),
1030 false);
1031 }
1032
1033
1034
1035
1036
1037
1038
1039
1040
1041
1042
1043 private T[][] orthogonalizeMatrix(final T[][] m, final double threshold)
1044 throws MathIllegalArgumentException {
1045
1046 T x00 = m[0][0];
1047 T x01 = m[0][1];
1048 T x02 = m[0][2];
1049 T x10 = m[1][0];
1050 T x11 = m[1][1];
1051 T x12 = m[1][2];
1052 T x20 = m[2][0];
1053 T x21 = m[2][1];
1054 T x22 = m[2][2];
1055 double fn = 0;
1056 double fn1;
1057
1058 final T[][] o = MathArrays.buildArray(m[0][0].getField(), 3, 3);
1059
1060
1061 int i;
1062 for (i = 0; i < 11; ++i) {
1063
1064
1065 final T mx00 = m[0][0].multiply(x00).add(m[1][0].multiply(x10)).add(m[2][0].multiply(x20));
1066 final T mx10 = m[0][1].multiply(x00).add(m[1][1].multiply(x10)).add(m[2][1].multiply(x20));
1067 final T mx20 = m[0][2].multiply(x00).add(m[1][2].multiply(x10)).add(m[2][2].multiply(x20));
1068 final T mx01 = m[0][0].multiply(x01).add(m[1][0].multiply(x11)).add(m[2][0].multiply(x21));
1069 final T mx11 = m[0][1].multiply(x01).add(m[1][1].multiply(x11)).add(m[2][1].multiply(x21));
1070 final T mx21 = m[0][2].multiply(x01).add(m[1][2].multiply(x11)).add(m[2][2].multiply(x21));
1071 final T mx02 = m[0][0].multiply(x02).add(m[1][0].multiply(x12)).add(m[2][0].multiply(x22));
1072 final T mx12 = m[0][1].multiply(x02).add(m[1][1].multiply(x12)).add(m[2][1].multiply(x22));
1073 final T mx22 = m[0][2].multiply(x02).add(m[1][2].multiply(x12)).add(m[2][2].multiply(x22));
1074
1075
1076 o[0][0] = x00.subtract(x00.multiply(mx00).add(x01.multiply(mx10)).add(x02.multiply(mx20)).subtract(m[0][0]).multiply(0.5));
1077 o[0][1] = x01.subtract(x00.multiply(mx01).add(x01.multiply(mx11)).add(x02.multiply(mx21)).subtract(m[0][1]).multiply(0.5));
1078 o[0][2] = x02.subtract(x00.multiply(mx02).add(x01.multiply(mx12)).add(x02.multiply(mx22)).subtract(m[0][2]).multiply(0.5));
1079 o[1][0] = x10.subtract(x10.multiply(mx00).add(x11.multiply(mx10)).add(x12.multiply(mx20)).subtract(m[1][0]).multiply(0.5));
1080 o[1][1] = x11.subtract(x10.multiply(mx01).add(x11.multiply(mx11)).add(x12.multiply(mx21)).subtract(m[1][1]).multiply(0.5));
1081 o[1][2] = x12.subtract(x10.multiply(mx02).add(x11.multiply(mx12)).add(x12.multiply(mx22)).subtract(m[1][2]).multiply(0.5));
1082 o[2][0] = x20.subtract(x20.multiply(mx00).add(x21.multiply(mx10)).add(x22.multiply(mx20)).subtract(m[2][0]).multiply(0.5));
1083 o[2][1] = x21.subtract(x20.multiply(mx01).add(x21.multiply(mx11)).add(x22.multiply(mx21)).subtract(m[2][1]).multiply(0.5));
1084 o[2][2] = x22.subtract(x20.multiply(mx02).add(x21.multiply(mx12)).add(x22.multiply(mx22)).subtract(m[2][2]).multiply(0.5));
1085
1086
1087 final double corr00 = o[0][0].getReal() - m[0][0].getReal();
1088 final double corr01 = o[0][1].getReal() - m[0][1].getReal();
1089 final double corr02 = o[0][2].getReal() - m[0][2].getReal();
1090 final double corr10 = o[1][0].getReal() - m[1][0].getReal();
1091 final double corr11 = o[1][1].getReal() - m[1][1].getReal();
1092 final double corr12 = o[1][2].getReal() - m[1][2].getReal();
1093 final double corr20 = o[2][0].getReal() - m[2][0].getReal();
1094 final double corr21 = o[2][1].getReal() - m[2][1].getReal();
1095 final double corr22 = o[2][2].getReal() - m[2][2].getReal();
1096
1097
1098 fn1 = corr00 * corr00 + corr01 * corr01 + corr02 * corr02 +
1099 corr10 * corr10 + corr11 * corr11 + corr12 * corr12 +
1100 corr20 * corr20 + corr21 * corr21 + corr22 * corr22;
1101
1102
1103 if (FastMath.abs(fn1 - fn) <= threshold) {
1104 return o;
1105 }
1106
1107
1108 x00 = o[0][0];
1109 x01 = o[0][1];
1110 x02 = o[0][2];
1111 x10 = o[1][0];
1112 x11 = o[1][1];
1113 x12 = o[1][2];
1114 x20 = o[2][0];
1115 x21 = o[2][1];
1116 x22 = o[2][2];
1117 fn = fn1;
1118
1119 }
1120
1121
1122 throw new MathIllegalArgumentException(LocalizedGeometryFormats.UNABLE_TO_ORTHOGONOLIZE_MATRIX,
1123 i - 1);
1124
1125 }
1126
1127
1128
1129
1130
1131
1132
1133
1134
1135
1136
1137
1138
1139
1140
1141
1142
1143
1144
1145
1146
1147
1148
1149
1150 public static <T extends CalculusFieldElement<T>> T distance(final FieldRotation<T> r1, final FieldRotation<T> r2) {
1151 return r1.composeInverseInternal(r2).getAngle();
1152 }
1153
1154 }