ArcBall坐标旋转三维物体原理

ArcBall提供了一种旋转方法,使得用户可以通过鼠标操作来完成对三维物体的旋转,直观而方便。要想完成旋转,先求出表示旋转的单位四元数,然后转换为欧拉旋转角和旋转轴,即可表示旋转,因此,我们给定输入输出。


【输入】

原光标在屏幕上的二维坐标T1和旋转后光标停留的二维坐标T2


【输出】

三维旋转坐标轴V和旋转角度α


【几何原理】

由于屏幕是二维的,无法直接表示旋转,可以通过辅助几何体来完成。想象在屏幕后面有一个球体,球体正好与这个屏幕相切,如下图的俯视图所示

ArcBall坐标旋转三维物体原理

我们在求旋转轴之前需要将二维坐标转化为三维向量OP,如下图,T为屏幕上的二维坐标,P为T向屏幕后方发出射线与球体相交的点。这里做作OM水平面平行于屏幕,P到水平线的深度z需要先行求得。

ArcBall坐标旋转三维物体原理

为了运算处理方便,我们需要将T坐标限定在[-1,1]之间,设定这个球体的半径为1。

x = 2*x / 屏幕宽度 - 1

y = -(2*y / 屏幕高度 - 1)

由勾股定理可知,z = sqrt(1-x*x-y*y)。

当x*x+y*y大于1时,P不在球体上,那就在OM上找一点P,且满足P在球体上,PT垂直于平面OM,即x*x+y*y大小限定在1这个值,z = 0


【流程】

x,y,z的值可以唯一确定OP向量,接下来,给定输入的两个坐标T1,T2,我们做出如下处理:

ArcBall坐标旋转三维物体原理

1. 分别求出T1和T2对应的三维向量OP1和OP2

2. s = OP1 · OP2,即先求两个向量的内积

3. v = OP1 × OP2,即求两个向量的外积

4. 记四元数q = [s, v],将其单位化,此时q为旋转四元数。

5. 旋转角α = 2arccos(q.s) ,旋转轴V = ( q.v / sqrt(1-q.s*q.s) )


输出求得。