高三三角函数公式根据旋转前后的向量值求旋转矩阵

2020年10月15日发(作者：宦廷铨)
根据旋转前后的向量值求旋转矩阵

如果已知旋转前后的一向量的变化，那么该如何求这个旋转矩阵呢？本篇结合Rodrigues' rotation formula，
介绍一下该旋转矩阵的求法。
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：
可推出P，Q之间的夹角为：
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：

所以旋转轴c(c1, c2, c3)为：
3. 罗德里格旋转公式(Rodrigues' rotation formula)
3.1 公式
已知单位向量
：
， 将它旋转θ角。由罗德里格旋转公式，可知对应的旋转矩阵

其中I是3x3的单位矩阵，
是叉乘中的反对称矩阵r：

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’。

根据2维（x,y)面上的旋转公式可得：

推出：
已知：
将上式带入v’的公式：
将cz替换掉，可得：

将上式中的叉乘表示为反对称矩阵得：

另外：

最终可以推出：

上式即为罗德里格旋转公式。
4. 求旋转矩阵 根据旋转前后的两个向量值，使用上面的方法，先求出旋转角度和旋转轴，然后用罗德里格旋转公式即可求出对应的旋转矩阵。
C#的实现代码如下：

void Calculation(double[] vectorBefore, double[] vectorAfter)
{
double[] rotationAxis;
double rotationAngle;
double[,] rotationMatrix;
rotationAxis = CrossProduct(vectorBefore, vectorAfter);
rotationAngle = (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 = (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] = (angle) + u[0] * u[0] * (1 - (angle));
rotatinMatrix[0, 0] = u[0] * u[1] * (1 - (angle) - u[2] * (angle));
rotatinMatrix[0, 0] = u[1] * (angle) + u[0] * u[2] * (1 - (angle));
rotatinMatrix[0, 0] = u[2] * (angle) + u[0] * u[1] * (1 - (angle));
rotatinMatrix[0, 0] = (angle) + u[1] * u[1] * (1 - (angle));
rotatinMatrix[0, 0] = -u[0] * (angle) + u[1] * u[2] * (1 - (angle));
rotatinMatrix[0, 0] = -u[1] * (angle) + u[0] * u[2] * (1 - (angle));
rotatinMatrix[0, 0] = u[0] * (angle) + u[1] * u[2] * (1 - (angle));
rotatinMatrix[0, 0] = (angle) + u[2] * u[2] * (1 - (angle));
return rotatinMatrix;
}