歐拉角旋轉(zhuǎn)矩陣內(nèi)外旋的等價性

下文中, 繞坐標軸 i 旋轉(zhuǎn)角度 \theta_i 的旋轉(zhuǎn)矩陣表示為 \mathbf{R}_i (\theta_i), 其中 i\in\{x, y, z\}.

Unity 中, 歐拉角 (\theta_x, \theta_y, \theta_z) 表示的旋轉(zhuǎn)順序是 z-x-y 的外旋(extrinsic rotation).

設(shè)初始坐標系為 E. 設(shè)點 PE 中坐標為 \mathbf{p}, 順序為 z-x-y 的外旋的意義是:

  • PEz 軸旋轉(zhuǎn) \theta_z,得到點 P_1 的坐標 \mathbf{p}_1 = \mathbf{R}_z(\theta_z) \mathbf{p}.
  • P_1Ex 軸旋轉(zhuǎn) \theta_x, 得到點 P_2 的坐標 \mathbf{p}_2 = \mathbf{R}_x(\theta_x) \mathbf{p}_1.
  • P_2Ey 軸旋轉(zhuǎn) \theta_y 得到目標點 P^\prime 的坐標 \mathbf{p}^\prime = \mathbf{R}_y(\theta_y) \mathbf{p}_2.
    于是
    \mathbf{p}^\prime = \mathbf{R}_y(\theta_y) \mathbf{R}_x(\theta_x) \mathbf{R}_z(\theta_z) \mathbf{p}.

順序反過來(y-x-z)的內(nèi)旋(intrinsic rotation)和上述外旋的結(jié)果是一樣的. 內(nèi)旋的意義是

  • PEy 軸旋轉(zhuǎn) \theta_y蘸吓,得到點 Q_1 的坐標 \mathbf{q}_1 = \mathbf{R}_y(\theta_y) \mathbf{p}. 坐標系經(jīng)過同樣的旋轉(zhuǎn)形成新的坐標系 E_1.
  • Q_1E_1x 軸旋轉(zhuǎn) \theta_x, 得到點 Q_2. 這個操作愿卒,等價于先把 E_1 轉(zhuǎn)回 E (應(yīng)用變換 \mathbf{R}_y(\theta_y)^{-1}),然后繞 Ex 軸旋轉(zhuǎn) \theta_x (應(yīng)用變換 \mathbf{R}_x(\theta_x)), 再將 E 轉(zhuǎn)到 E_1 (應(yīng)用變換 \mathbf{R}_y(\theta_y))歧蒋,所以 Q_2E 中的坐標為
    \mathbf{q}_2 = \mathbf{R}_y(\theta_y) \mathbf{R}_x(\theta_x) \mathbf{R}_y(\theta_y)^{-1} \mathbf{q}_1 = \mathbf{R}_y(\theta_y) \mathbf{R}_x(\theta_x) \mathbf{p}
    坐標系 E_1 也在上述變換作用下變成 E_2, 相對 E 而言是應(yīng)用了變換 \mathbf{R}_y(\theta_y) \mathbf{R}_x(\theta_x).
  • Q_2E_2z 軸旋轉(zhuǎn) \theta_z, 得到 P^{\prime\prime}. 類似地,這等價于將 E_2 轉(zhuǎn)回 E, 繞 Ez 軸旋轉(zhuǎn) \theta_z, 再將 E 轉(zhuǎn)回 E_2, 即
    \begin{aligned} \mathbf{p}^{\prime\prime} &= (\mathbf{R}_y(\theta_y) \mathbf{R}_x(\theta_x)) \mathbf{R}_z(\theta_z) (\mathbf{R}_y(\theta_y) \mathbf{R}_x(\theta_x))^{-1} \mathbf{q}_2\\ &= \mathbf{R}_y(\theta_y) \mathbf{R}_x(\theta_x)\mathbf{R}_z(\theta_z)\mathbf{p}\\ &= \mathbf{p}^\prime. \end{aligned}
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