c++ 知道旋转前后矩阵向量值 求旋转矩阵c++/c#代码 知道两个向量求他们的旋转矩阵

原文作者：aircraft

原文链接：https://www.cnblogs.com/DOMLX/p/12115244.html

知道旋转前后矩阵向量值 如何去求旋转矩阵R 的c++/c#代码？？？

因为需要用到矩阵处理库所以需要先配置

一、Eigen库的配置(VS2017)

1. Eigen库下载： http://eigen.tuxfamily.org/index.php?title=Main_Page
   下载文件并解压：

然后在自己的VS工程属性中的这个附加包含进去

 注意看清楚了 是D:\Dependencies\eigen-eigen\eigen-eigen;      前面部分是你们自己的路径 后面的这个eigen-eigen\eigen-eigen; 代表的意思解压是点击进去选择里面那个名字跟外面一样的

二、实现代码

c++代码：

#include <cmath>
#include <iostream>
#include "Eigen/Dense"
#include "Eigen/LU"
#include "Eigen/Core"
#define PI 3.1415926

//计算旋转角
double calculateAngle(const Eigen::Vector3d &vectorBefore, const Eigen::Vector3d &vectorAfter)
{
double ab, a1, b1, cosr;
ab = vectorBefore.x()*vectorAfter.x() + vectorBefore.y()*vectorAfter.y() + vectorBefore.z()*vectorAfter.z();
a1 = sqrt(vectorBefore.x()*vectorBefore.x() + vectorBefore.y()*vectorBefore.y() + vectorBefore.z()*vectorBefore.z());
b1 = sqrt(vectorAfter.x()*vectorAfter.x() + vectorAfter.y()*vectorAfter.y() + vectorAfter.z()*vectorAfter.z());
cosr = ab / a1 / b1;
return (acos(cosr) * 180 / PI);
}
//计算旋转轴
inline Eigen::Vector3d calculateRotAxis(const Eigen::Vector3d &vectorBefore, const Eigen::Vector3d &vectorAfter)
{
return Eigen::Vector3d(vectorBefore.y()*vectorAfter.z() - vectorBefore.z()*vectorAfter.y(), \
vectorBefore.z()*vectorAfter.y() - vectorBefore.x()*vectorAfter.z(), \
vectorBefore.x()*vectorAfter.y() - vectorBefore.y()*vectorAfter.x());
}
//计算旋转矩阵
void rotationMatrix(const Eigen::Vector3d &vectorBefore, const Eigen::Vector3d &vectorAfter, Eigen::Matrix3d &rotMatrix)
{
Eigen::Vector3d vector = calculateRotAxis(vectorBefore, vectorAfter);
double angle = calculateAngle(vectorBefore, vectorAfter);
Eigen::AngleAxisd rotationVector(angle, vector.normalized());
Eigen::Matrix3d rotationMatrix = Eigen::Matrix3d::Identity();
rotMatrix =  rotationVector.toRotationMatrix();//所求旋转矩阵
}

int main()
{
Eigen::Matrix3d rotMatrix;

Eigen::Vector3d vectorBefore(0,0,1);
Eigen::Vector3d vectorAfter(1,0,0);
rotationMatrix(vectorBefore, vectorAfter, rotMatrix);
std::cout << rotMatrix << std::endl;
system("pause");
return 0;
}

打印结果：

 c#代码：

void Calculation(double[] vectorBefore, double[] vectorAfter)
{
double[] rotationAxis;
double rotationAngle;
double[,] rotationMatrix;
rotationAxis = CrossProduct(vectorBefore, vectorAfter);
rotationAngle = Math.Acos(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 = Math.Sqrt(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] = Math.Cos(angle) + u[0] * u[0] * (1 - Math.Cos(angle));
rotatinMatrix[0, 0] = u[0] * u[1] * (1 - Math.Cos(angle) - u[2] * Math.Sin(angle));
rotatinMatrix[0, 0] = u[1] * Math.Sin(angle) + u[0] * u[2] * (1 - Math.Cos(angle));

rotatinMatrix[0, 0] = u[2] * Math.Sin(angle) + u[0] * u[1] * (1 - Math.Cos(angle));
rotatinMatrix[0, 0] = Math.Cos(angle) + u[1] * u[1] * (1 - Math.Cos(angle));
rotatinMatrix[0, 0] = -u[0] * Math.Sin(angle) + u[1] * u[2] * (1 - Math.Cos(angle));

rotatinMatrix[0, 0] = -u[1] * Math.Sin(angle) + u[0] * u[2] * (1 - Math.Cos(angle));
rotatinMatrix[0, 0] = u[0] * Math.Sin(angle) + u[1] * u[2] * (1 - Math.Cos(angle));
rotatinMatrix[0, 0] = Math.Cos(angle) + u[2] * u[2] * (1 - Math.Cos(angle));

return rotatinMatrix;
}

三、实现原理

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。

参考博客：https://www.geek-share.com/detail/2571917960.html 

参考博客里的是c#的实现代码

我是参考完之后改了一个c++的版本出来

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