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 public T[] getAngles(final RotationOrder order, RotationConvention convention) {
526 return order.getAngles(this, convention);
527 }
528
529
530
531
532 public T[][] getMatrix() {
533
534
535 final T q0q0 = q0.square();
536 final T q0q1 = q0.multiply(q1);
537 final T q0q2 = q0.multiply(q2);
538 final T q0q3 = q0.multiply(q3);
539 final T q1q1 = q1.square();
540 final T q1q2 = q1.multiply(q2);
541 final T q1q3 = q1.multiply(q3);
542 final T q2q2 = q2.square();
543 final T q2q3 = q2.multiply(q3);
544 final T q3q3 = q3.square();
545
546
547 final T[][] m = MathArrays.buildArray(q0.getField(), 3, 3);
548
549 m [0][0] = q0q0.add(q1q1).multiply(2).subtract(1);
550 m [1][0] = q1q2.subtract(q0q3).multiply(2);
551 m [2][0] = q1q3.add(q0q2).multiply(2);
552
553 m [0][1] = q1q2.add(q0q3).multiply(2);
554 m [1][1] = q0q0.add(q2q2).multiply(2).subtract(1);
555 m [2][1] = q2q3.subtract(q0q1).multiply(2);
556
557 m [0][2] = q1q3.subtract(q0q2).multiply(2);
558 m [1][2] = q2q3.add(q0q1).multiply(2);
559 m [2][2] = q0q0.add(q3q3).multiply(2).subtract(1);
560
561 return m;
562
563 }
564
565
566
567
568 public Rotation toRotation() {
569 return new Rotation(q0.getReal(), q1.getReal(), q2.getReal(), q3.getReal(), false);
570 }
571
572
573
574
575
576 public FieldVector3D<T> applyTo(final FieldVector3D<T> u) {
577
578 final T x = u.getX();
579 final T y = u.getY();
580 final T z = u.getZ();
581
582 final T s = q1.multiply(x).add(q2.multiply(y)).add(q3.multiply(z));
583
584 return new FieldVector3D<>(q0.multiply(x.multiply(q0).subtract(q2.multiply(z).subtract(q3.multiply(y)))).add(s.multiply(q1)).multiply(2).subtract(x),
585 q0.multiply(y.multiply(q0).subtract(q3.multiply(x).subtract(q1.multiply(z)))).add(s.multiply(q2)).multiply(2).subtract(y),
586 q0.multiply(z.multiply(q0).subtract(q1.multiply(y).subtract(q2.multiply(x)))).add(s.multiply(q3)).multiply(2).subtract(z));
587
588 }
589
590
591
592
593
594 public FieldVector3D<T> applyTo(final Vector3D u) {
595
596 final double x = u.getX();
597 final double y = u.getY();
598 final double z = u.getZ();
599
600 final T s = q1.multiply(x).add(q2.multiply(y)).add(q3.multiply(z));
601
602 return new FieldVector3D<>(q0.multiply(q0.multiply(x).subtract(q2.multiply(z).subtract(q3.multiply(y)))).add(s.multiply(q1)).multiply(2).subtract(x),
603 q0.multiply(q0.multiply(y).subtract(q3.multiply(x).subtract(q1.multiply(z)))).add(s.multiply(q2)).multiply(2).subtract(y),
604 q0.multiply(q0.multiply(z).subtract(q1.multiply(y).subtract(q2.multiply(x)))).add(s.multiply(q3)).multiply(2).subtract(z));
605
606 }
607
608
609
610
611
612
613 public void applyTo(final T[] in, final T[] out) {
614
615 final T x = in[0];
616 final T y = in[1];
617 final T z = in[2];
618
619 final T s = q1.multiply(x).add(q2.multiply(y)).add(q3.multiply(z));
620
621 out[0] = q0.multiply(x.multiply(q0).subtract(q2.multiply(z).subtract(q3.multiply(y)))).add(s.multiply(q1)).multiply(2).subtract(x);
622 out[1] = q0.multiply(y.multiply(q0).subtract(q3.multiply(x).subtract(q1.multiply(z)))).add(s.multiply(q2)).multiply(2).subtract(y);
623 out[2] = q0.multiply(z.multiply(q0).subtract(q1.multiply(y).subtract(q2.multiply(x)))).add(s.multiply(q3)).multiply(2).subtract(z);
624
625 }
626
627
628
629
630
631 public void applyTo(final double[] in, final T[] out) {
632
633 final double x = in[0];
634 final double y = in[1];
635 final double z = in[2];
636
637 final T s = q1.multiply(x).add(q2.multiply(y)).add(q3.multiply(z));
638
639 out[0] = q0.multiply(q0.multiply(x).subtract(q2.multiply(z).subtract(q3.multiply(y)))).add(s.multiply(q1)).multiply(2).subtract(x);
640 out[1] = q0.multiply(q0.multiply(y).subtract(q3.multiply(x).subtract(q1.multiply(z)))).add(s.multiply(q2)).multiply(2).subtract(y);
641 out[2] = q0.multiply(q0.multiply(z).subtract(q1.multiply(y).subtract(q2.multiply(x)))).add(s.multiply(q3)).multiply(2).subtract(z);
642
643 }
644
645
646
647
648
649
650
651 public static <T extends CalculusFieldElement<T>> FieldVector3D<T> applyTo(final Rotation r, final FieldVector3D<T> u) {
652
653 final T x = u.getX();
654 final T y = u.getY();
655 final T z = u.getZ();
656
657 final T s = x.multiply(r.getQ1()).add(y.multiply(r.getQ2())).add(z.multiply(r.getQ3()));
658
659 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),
660 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),
661 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));
662
663 }
664
665
666
667
668
669 public FieldVector3D<T> applyInverseTo(final FieldVector3D<T> u) {
670
671 final T x = u.getX();
672 final T y = u.getY();
673 final T z = u.getZ();
674
675 final T s = q1.multiply(x).add(q2.multiply(y)).add(q3.multiply(z));
676 final T m0 = q0.negate();
677
678 return new FieldVector3D<>(m0.multiply(x.multiply(m0).subtract(q2.multiply(z).subtract(q3.multiply(y)))).add(s.multiply(q1)).multiply(2).subtract(x),
679 m0.multiply(y.multiply(m0).subtract(q3.multiply(x).subtract(q1.multiply(z)))).add(s.multiply(q2)).multiply(2).subtract(y),
680 m0.multiply(z.multiply(m0).subtract(q1.multiply(y).subtract(q2.multiply(x)))).add(s.multiply(q3)).multiply(2).subtract(z));
681
682 }
683
684
685
686
687
688 public FieldVector3D<T> applyInverseTo(final Vector3D u) {
689
690 final double x = u.getX();
691 final double y = u.getY();
692 final double z = u.getZ();
693
694 final T s = q1.multiply(x).add(q2.multiply(y)).add(q3.multiply(z));
695 final T m0 = q0.negate();
696
697 return new FieldVector3D<>(m0.multiply(m0.multiply(x).subtract(q2.multiply(z).subtract(q3.multiply(y)))).add(s.multiply(q1)).multiply(2).subtract(x),
698 m0.multiply(m0.multiply(y).subtract(q3.multiply(x).subtract(q1.multiply(z)))).add(s.multiply(q2)).multiply(2).subtract(y),
699 m0.multiply(m0.multiply(z).subtract(q1.multiply(y).subtract(q2.multiply(x)))).add(s.multiply(q3)).multiply(2).subtract(z));
700
701 }
702
703
704
705
706
707
708 public void applyInverseTo(final T[] in, final T[] out) {
709
710 final T x = in[0];
711 final T y = in[1];
712 final T z = in[2];
713
714 final T s = q1.multiply(x).add(q2.multiply(y)).add(q3.multiply(z));
715 final T m0 = q0.negate();
716
717 out[0] = m0.multiply(x.multiply(m0).subtract(q2.multiply(z).subtract(q3.multiply(y)))).add(s.multiply(q1)).multiply(2).subtract(x);
718 out[1] = m0.multiply(y.multiply(m0).subtract(q3.multiply(x).subtract(q1.multiply(z)))).add(s.multiply(q2)).multiply(2).subtract(y);
719 out[2] = m0.multiply(z.multiply(m0).subtract(q1.multiply(y).subtract(q2.multiply(x)))).add(s.multiply(q3)).multiply(2).subtract(z);
720
721 }
722
723
724
725
726
727 public void applyInverseTo(final double[] in, final T[] out) {
728
729 final double x = in[0];
730 final double y = in[1];
731 final double z = in[2];
732
733 final T s = q1.multiply(x).add(q2.multiply(y)).add(q3.multiply(z));
734 final T m0 = q0.negate();
735
736 out[0] = m0.multiply(m0.multiply(x).subtract(q2.multiply(z).subtract(q3.multiply(y)))).add(s.multiply(q1)).multiply(2).subtract(x);
737 out[1] = m0.multiply(m0.multiply(y).subtract(q3.multiply(x).subtract(q1.multiply(z)))).add(s.multiply(q2)).multiply(2).subtract(y);
738 out[2] = m0.multiply(m0.multiply(z).subtract(q1.multiply(y).subtract(q2.multiply(x)))).add(s.multiply(q3)).multiply(2).subtract(z);
739
740 }
741
742
743
744
745
746
747
748 public static <T extends CalculusFieldElement<T>> FieldVector3D<T> applyInverseTo(final Rotation r, final FieldVector3D<T> u) {
749
750 final T x = u.getX();
751 final T y = u.getY();
752 final T z = u.getZ();
753
754 final T s = x.multiply(r.getQ1()).add(y.multiply(r.getQ2())).add(z.multiply(r.getQ3()));
755 final double m0 = -r.getQ0();
756
757 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),
758 y.multiply(m0).subtract(x.multiply(r.getQ3()).subtract(z.multiply(r.getQ1()))).multiply(m0).add(s.multiply(r.getQ2())).multiply(2).subtract(y),
759 z.multiply(m0).subtract(y.multiply(r.getQ1()).subtract(x.multiply(r.getQ2()))).multiply(m0).add(s.multiply(r.getQ3())).multiply(2).subtract(z));
760
761 }
762
763
764
765
766
767
768
769
770
771
772 public FieldRotation<T> applyTo(final FieldRotation<T> r) {
773 return compose(r, RotationConvention.VECTOR_OPERATOR);
774 }
775
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 public FieldRotation<T> compose(final FieldRotation<T> r, final RotationConvention convention) {
801 return convention == RotationConvention.VECTOR_OPERATOR ?
802 composeInternal(r) : r.composeInternal(this);
803 }
804
805
806
807
808
809
810 private FieldRotation<T> composeInternal(final FieldRotation<T> r) {
811 return new FieldRotation<>(r.q0.multiply(q0).subtract(r.q1.multiply(q1).add(r.q2.multiply(q2)).add(r.q3.multiply(q3))),
812 r.q1.multiply(q0).add(r.q0.multiply(q1)).add(r.q2.multiply(q3).subtract(r.q3.multiply(q2))),
813 r.q2.multiply(q0).add(r.q0.multiply(q2)).add(r.q3.multiply(q1).subtract(r.q1.multiply(q3))),
814 r.q3.multiply(q0).add(r.q0.multiply(q3)).add(r.q1.multiply(q2).subtract(r.q2.multiply(q1))),
815 false);
816 }
817
818
819
820
821
822
823
824
825
826
827 public FieldRotation<T> applyTo(final Rotation r) {
828 return compose(r, RotationConvention.VECTOR_OPERATOR);
829 }
830
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 public FieldRotation<T> compose(final Rotation r, final RotationConvention convention) {
856 return convention == RotationConvention.VECTOR_OPERATOR ?
857 composeInternal(r) : applyTo(r, this);
858 }
859
860
861
862
863
864
865 private FieldRotation<T> composeInternal(final Rotation r) {
866 return new FieldRotation<>(q0.multiply(r.getQ0()).subtract(q1.multiply(r.getQ1()).add(q2.multiply(r.getQ2())).add(q3.multiply(r.getQ3()))),
867 q0.multiply(r.getQ1()).add(q1.multiply(r.getQ0())).add(q3.multiply(r.getQ2()).subtract(q2.multiply(r.getQ3()))),
868 q0.multiply(r.getQ2()).add(q2.multiply(r.getQ0())).add(q1.multiply(r.getQ3()).subtract(q3.multiply(r.getQ1()))),
869 q0.multiply(r.getQ3()).add(q3.multiply(r.getQ0())).add(q2.multiply(r.getQ1()).subtract(q1.multiply(r.getQ2()))),
870 false);
871 }
872
873
874
875
876
877
878
879
880
881
882
883
884 public static <T extends CalculusFieldElement<T>> FieldRotation<T> applyTo(final Rotation r1, final FieldRotation<T> rInner) {
885 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()))),
886 rInner.q1.multiply(r1.getQ0()).add(rInner.q0.multiply(r1.getQ1())).add(rInner.q2.multiply(r1.getQ3()).subtract(rInner.q3.multiply(r1.getQ2()))),
887 rInner.q2.multiply(r1.getQ0()).add(rInner.q0.multiply(r1.getQ2())).add(rInner.q3.multiply(r1.getQ1()).subtract(rInner.q1.multiply(r1.getQ3()))),
888 rInner.q3.multiply(r1.getQ0()).add(rInner.q0.multiply(r1.getQ3())).add(rInner.q1.multiply(r1.getQ2()).subtract(rInner.q2.multiply(r1.getQ1()))),
889 false);
890 }
891
892
893
894
895
896
897
898
899
900
901
902 public FieldRotation<T> applyInverseTo(final FieldRotation<T> r) {
903 return composeInverse(r, RotationConvention.VECTOR_OPERATOR);
904 }
905
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 public FieldRotation<T> composeInverse(final FieldRotation<T> r, final RotationConvention convention) {
933 return convention == RotationConvention.VECTOR_OPERATOR ?
934 composeInverseInternal(r) : r.composeInternal(revert());
935 }
936
937
938
939
940
941
942
943 private FieldRotation<T> composeInverseInternal(FieldRotation<T> r) {
944 return new FieldRotation<>(r.q0.multiply(q0).add(r.q1.multiply(q1)).add(r.q2.multiply(q2)).add(r.q3.multiply(q3)).negate(),
945 r.q0.multiply(q1).add(r.q2.multiply(q3).subtract(r.q3.multiply(q2))).subtract(r.q1.multiply(q0)),
946 r.q0.multiply(q2).add(r.q3.multiply(q1).subtract(r.q1.multiply(q3))).subtract(r.q2.multiply(q0)),
947 r.q0.multiply(q3).add(r.q1.multiply(q2).subtract(r.q2.multiply(q1))).subtract(r.q3.multiply(q0)),
948 false);
949 }
950
951
952
953
954
955
956
957
958
959
960
961 public FieldRotation<T> applyInverseTo(final Rotation r) {
962 return composeInverse(r, RotationConvention.VECTOR_OPERATOR);
963 }
964
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 public FieldRotation<T> composeInverse(final Rotation r, final RotationConvention convention) {
992 return convention == RotationConvention.VECTOR_OPERATOR ?
993 composeInverseInternal(r) : applyTo(r, revert());
994 }
995
996
997
998
999
1000
1001
1002 private FieldRotation<T> composeInverseInternal(Rotation r) {
1003 return new FieldRotation<>(q0.multiply(r.getQ0()).add(q1.multiply(r.getQ1()).add(q2.multiply(r.getQ2())).add(q3.multiply(r.getQ3()))).negate(),
1004 q1.multiply(r.getQ0()).add(q3.multiply(r.getQ2()).subtract(q2.multiply(r.getQ3()))).subtract(q0.multiply(r.getQ1())),
1005 q2.multiply(r.getQ0()).add(q1.multiply(r.getQ3()).subtract(q3.multiply(r.getQ1()))).subtract(q0.multiply(r.getQ2())),
1006 q3.multiply(r.getQ0()).add(q2.multiply(r.getQ1()).subtract(q1.multiply(r.getQ2()))).subtract(q0.multiply(r.getQ3())),
1007 false);
1008 }
1009
1010
1011
1012
1013
1014
1015
1016
1017
1018
1019
1020
1021
1022
1023 public static <T extends CalculusFieldElement<T>> FieldRotation<T> applyInverseTo(final Rotation rOuter, final FieldRotation<T> rInner) {
1024 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(),
1025 rInner.q0.multiply(rOuter.getQ1()).add(rInner.q2.multiply(rOuter.getQ3()).subtract(rInner.q3.multiply(rOuter.getQ2()))).subtract(rInner.q1.multiply(rOuter.getQ0())),
1026 rInner.q0.multiply(rOuter.getQ2()).add(rInner.q3.multiply(rOuter.getQ1()).subtract(rInner.q1.multiply(rOuter.getQ3()))).subtract(rInner.q2.multiply(rOuter.getQ0())),
1027 rInner.q0.multiply(rOuter.getQ3()).add(rInner.q1.multiply(rOuter.getQ2()).subtract(rInner.q2.multiply(rOuter.getQ1()))).subtract(rInner.q3.multiply(rOuter.getQ0())),
1028 false);
1029 }
1030
1031
1032
1033
1034
1035
1036
1037
1038
1039
1040
1041 private T[][] orthogonalizeMatrix(final T[][] m, final double threshold)
1042 throws MathIllegalArgumentException {
1043
1044 T x00 = m[0][0];
1045 T x01 = m[0][1];
1046 T x02 = m[0][2];
1047 T x10 = m[1][0];
1048 T x11 = m[1][1];
1049 T x12 = m[1][2];
1050 T x20 = m[2][0];
1051 T x21 = m[2][1];
1052 T x22 = m[2][2];
1053 double fn = 0;
1054 double fn1;
1055
1056 final T[][] o = MathArrays.buildArray(m[0][0].getField(), 3, 3);
1057
1058
1059 int i;
1060 for (i = 0; i < 11; ++i) {
1061
1062
1063 final T mx00 = m[0][0].multiply(x00).add(m[1][0].multiply(x10)).add(m[2][0].multiply(x20));
1064 final T mx10 = m[0][1].multiply(x00).add(m[1][1].multiply(x10)).add(m[2][1].multiply(x20));
1065 final T mx20 = m[0][2].multiply(x00).add(m[1][2].multiply(x10)).add(m[2][2].multiply(x20));
1066 final T mx01 = m[0][0].multiply(x01).add(m[1][0].multiply(x11)).add(m[2][0].multiply(x21));
1067 final T mx11 = m[0][1].multiply(x01).add(m[1][1].multiply(x11)).add(m[2][1].multiply(x21));
1068 final T mx21 = m[0][2].multiply(x01).add(m[1][2].multiply(x11)).add(m[2][2].multiply(x21));
1069 final T mx02 = m[0][0].multiply(x02).add(m[1][0].multiply(x12)).add(m[2][0].multiply(x22));
1070 final T mx12 = m[0][1].multiply(x02).add(m[1][1].multiply(x12)).add(m[2][1].multiply(x22));
1071 final T mx22 = m[0][2].multiply(x02).add(m[1][2].multiply(x12)).add(m[2][2].multiply(x22));
1072
1073
1074 o[0][0] = x00.subtract(x00.multiply(mx00).add(x01.multiply(mx10)).add(x02.multiply(mx20)).subtract(m[0][0]).multiply(0.5));
1075 o[0][1] = x01.subtract(x00.multiply(mx01).add(x01.multiply(mx11)).add(x02.multiply(mx21)).subtract(m[0][1]).multiply(0.5));
1076 o[0][2] = x02.subtract(x00.multiply(mx02).add(x01.multiply(mx12)).add(x02.multiply(mx22)).subtract(m[0][2]).multiply(0.5));
1077 o[1][0] = x10.subtract(x10.multiply(mx00).add(x11.multiply(mx10)).add(x12.multiply(mx20)).subtract(m[1][0]).multiply(0.5));
1078 o[1][1] = x11.subtract(x10.multiply(mx01).add(x11.multiply(mx11)).add(x12.multiply(mx21)).subtract(m[1][1]).multiply(0.5));
1079 o[1][2] = x12.subtract(x10.multiply(mx02).add(x11.multiply(mx12)).add(x12.multiply(mx22)).subtract(m[1][2]).multiply(0.5));
1080 o[2][0] = x20.subtract(x20.multiply(mx00).add(x21.multiply(mx10)).add(x22.multiply(mx20)).subtract(m[2][0]).multiply(0.5));
1081 o[2][1] = x21.subtract(x20.multiply(mx01).add(x21.multiply(mx11)).add(x22.multiply(mx21)).subtract(m[2][1]).multiply(0.5));
1082 o[2][2] = x22.subtract(x20.multiply(mx02).add(x21.multiply(mx12)).add(x22.multiply(mx22)).subtract(m[2][2]).multiply(0.5));
1083
1084
1085 final double corr00 = o[0][0].getReal() - m[0][0].getReal();
1086 final double corr01 = o[0][1].getReal() - m[0][1].getReal();
1087 final double corr02 = o[0][2].getReal() - m[0][2].getReal();
1088 final double corr10 = o[1][0].getReal() - m[1][0].getReal();
1089 final double corr11 = o[1][1].getReal() - m[1][1].getReal();
1090 final double corr12 = o[1][2].getReal() - m[1][2].getReal();
1091 final double corr20 = o[2][0].getReal() - m[2][0].getReal();
1092 final double corr21 = o[2][1].getReal() - m[2][1].getReal();
1093 final double corr22 = o[2][2].getReal() - m[2][2].getReal();
1094
1095
1096 fn1 = corr00 * corr00 + corr01 * corr01 + corr02 * corr02 +
1097 corr10 * corr10 + corr11 * corr11 + corr12 * corr12 +
1098 corr20 * corr20 + corr21 * corr21 + corr22 * corr22;
1099
1100
1101 if (FastMath.abs(fn1 - fn) <= threshold) {
1102 return o;
1103 }
1104
1105
1106 x00 = o[0][0];
1107 x01 = o[0][1];
1108 x02 = o[0][2];
1109 x10 = o[1][0];
1110 x11 = o[1][1];
1111 x12 = o[1][2];
1112 x20 = o[2][0];
1113 x21 = o[2][1];
1114 x22 = o[2][2];
1115 fn = fn1;
1116
1117 }
1118
1119
1120 throw new MathIllegalArgumentException(LocalizedGeometryFormats.UNABLE_TO_ORTHOGONOLIZE_MATRIX,
1121 i - 1);
1122
1123 }
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 public static <T extends CalculusFieldElement<T>> T distance(final FieldRotation<T> r1, final FieldRotation<T> r2) {
1149 return r1.composeInverseInternal(r2).getAngle();
1150 }
1151
1152 }