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root/group/trunk/OOPSE-4/src/math/SquareMatrix3.hpp
(Generate patch)

Comparing trunk/OOPSE-4/src/math/SquareMatrix3.hpp (file contents):
Revision 1569 by tim, Thu Oct 14 23:28:09 2004 UTC vs.
Revision 1644 by tim, Mon Oct 25 22:46:19 2004 UTC

# Line 29 | Line 29
29   * @date 10/11/2004
30   * @version 1.0
31   */
32 < #ifndef MATH_SQUAREMATRIX#_HPP
33 < #define  MATH_SQUAREMATRIX#_HPP
32 > #ifndef MATH_SQUAREMATRIX3_HPP
33 > #define  MATH_SQUAREMATRIX3_HPP
34  
35 + #include "Quaternion.hpp"
36   #include "SquareMatrix.hpp"
37 + #include "Vector3.hpp"
38 +
39   namespace oopse {
40  
41      template<typename Real>
42      class SquareMatrix3 : public SquareMatrix<Real, 3> {
43          public:
44 +
45 +            typedef Real ElemType;
46 +            typedef Real* ElemPoinerType;
47              
48              /** default constructor */
49              SquareMatrix3() : SquareMatrix<Real, 3>() {
50              }
51  
52 +            /** Constructs and initializes every element of this matrix to a scalar */
53 +            SquareMatrix3(Real s) : SquareMatrix<Real,3>(s){
54 +            }
55 +
56 +            /** Constructs and initializes from an array */
57 +            SquareMatrix3(Real* array) : SquareMatrix<Real,3>(array){
58 +            }
59 +
60 +
61              /** copy  constructor */
62              SquareMatrix3(const SquareMatrix<Real, 3>& m)  : SquareMatrix<Real, 3>(m) {
63              }
64  
65 +            SquareMatrix3( const Vector3<Real>& eulerAngles) {
66 +                setupRotMat(eulerAngles);
67 +            }
68 +            
69 +            SquareMatrix3(Real phi, Real theta, Real psi) {
70 +                setupRotMat(phi, theta, psi);
71 +            }
72 +
73 +            SquareMatrix3(const Quaternion<Real>& q) {
74 +                setupRotMat(q);
75 +
76 +            }
77 +
78 +            SquareMatrix3(Real w, Real x, Real y, Real z) {
79 +                setupRotMat(w, x, y, z);
80 +            }
81 +            
82              /** copy assignment operator */
83              SquareMatrix3<Real>& operator =(const SquareMatrix<Real, 3>& m) {
84                  if (this == &m)
85                      return *this;
86                   SquareMatrix<Real, 3>::operator=(m);
87 +                 return *this;
88              }
89  
90              /**
91               * Sets this matrix to a rotation matrix by three euler angles
92               * @ param euler
93               */
94 <            void setupRotMat(const Vector3d& euler);
94 >            void setupRotMat(const Vector3<Real>& eulerAngles) {
95 >                setupRotMat(eulerAngles[0], eulerAngles[1], eulerAngles[2]);
96 >            }
97  
98              /**
99               * Sets this matrix to a rotation matrix by three euler angles
# Line 66 | Line 101 | namespace oopse {
101               * @param theta
102               * @psi theta
103               */
104 <            void setupRotMat(double phi, double theta, double psi);
104 >            void setupRotMat(Real phi, Real theta, Real psi) {
105 >                Real sphi, stheta, spsi;
106 >                Real cphi, ctheta, cpsi;
107  
108 +                sphi = sin(phi);
109 +                stheta = sin(theta);
110 +                spsi = sin(psi);
111 +                cphi = cos(phi);
112 +                ctheta = cos(theta);
113 +                cpsi = cos(psi);
114  
115 +                data_[0][0] = cpsi * cphi - ctheta * sphi * spsi;
116 +                data_[0][1] = cpsi * sphi + ctheta * cphi * spsi;
117 +                data_[0][2] = spsi * stheta;
118 +                
119 +                data_[1][0] = -spsi * ctheta - ctheta * sphi * cpsi;
120 +                data_[1][1] = -spsi * stheta + ctheta * cphi * cpsi;
121 +                data_[1][2] = cpsi * stheta;
122 +
123 +                data_[2][0] = stheta * sphi;
124 +                data_[2][1] = -stheta * cphi;
125 +                data_[2][2] = ctheta;
126 +            }
127 +
128 +
129              /**
130               * Sets this matrix to a rotation matrix by quaternion
131               * @param quat
132              */
133 <            void setupRotMat(const Vector4d& quat);
133 >            void setupRotMat(const Quaternion<Real>& quat) {
134 >                setupRotMat(quat.w(), quat.x(), quat.y(), quat.z());
135 >            }
136  
137              /**
138               * Sets this matrix to a rotation matrix by quaternion
139 <             * @param q0
140 <             * @param q1
141 <             * @param q2
142 <             * @parma q3
139 >             * @param w the first element
140 >             * @param x the second element
141 >             * @param y the third element
142 >             * @param z the fourth element
143              */
144 <            void setupRotMat(double q0, double q1, double q2, double q4);
144 >            void setupRotMat(Real w, Real x, Real y, Real z) {
145 >                Quaternion<Real> q(w, x, y, z);
146 >                *this = q.toRotationMatrix3();
147 >            }
148  
149              /**
150               * Returns the quaternion from this rotation matrix
151               * @return the quaternion from this rotation matrix
152               * @exception invalid rotation matrix
153              */            
154 <            Quaternion rotMatToQuat();
154 >            Quaternion<Real> toQuaternion() {
155 >                Quaternion<Real> q;
156 >                Real t, s;
157 >                Real ad1, ad2, ad3;    
158 >                t = data_[0][0] + data_[1][1] + data_[2][2] + 1.0;
159  
160 +                if( t > 0.0 ){
161 +
162 +                    s = 0.5 / sqrt( t );
163 +                    q[0] = 0.25 / s;
164 +                    q[1] = (data_[1][2] - data_[2][1]) * s;
165 +                    q[2] = (data_[2][0] - data_[0][2]) * s;
166 +                    q[3] = (data_[0][1] - data_[1][0]) * s;
167 +                } else {
168 +
169 +                    ad1 = fabs( data_[0][0] );
170 +                    ad2 = fabs( data_[1][1] );
171 +                    ad3 = fabs( data_[2][2] );
172 +
173 +                    if( ad1 >= ad2 && ad1 >= ad3 ){
174 +
175 +                        s = 2.0 * sqrt( 1.0 + data_[0][0] - data_[1][1] - data_[2][2] );
176 +                        q[0] = (data_[1][2] + data_[2][1]) / s;
177 +                        q[1] = 0.5 / s;
178 +                        q[2] = (data_[0][1] + data_[1][0]) / s;
179 +                        q[3] = (data_[0][2] + data_[2][0]) / s;
180 +                    } else if ( ad2 >= ad1 && ad2 >= ad3 ) {
181 +                        s = sqrt( 1.0 + data_[1][1] - data_[0][0] - data_[2][2] ) * 2.0;
182 +                        q[0] = (data_[0][2] + data_[2][0]) / s;
183 +                        q[1] = (data_[0][1] + data_[1][0]) / s;
184 +                        q[2] = 0.5 / s;
185 +                        q[3] = (data_[1][2] + data_[2][1]) / s;
186 +                    } else {
187 +
188 +                        s = sqrt( 1.0 + data_[2][2] - data_[0][0] - data_[1][1] ) * 2.0;
189 +                        q[0] = (data_[0][1] + data_[1][0]) / s;
190 +                        q[1] = (data_[0][2] + data_[2][0]) / s;
191 +                        q[2] = (data_[1][2] + data_[2][1]) / s;
192 +                        q[3] = 0.5 / s;
193 +                    }
194 +                }            
195 +
196 +                return q;
197 +                
198 +            }
199 +
200              /**
201               * Returns the euler angles from this rotation matrix
202 <             * @return the quaternion from this rotation matrix
202 >             * @return the euler angles in a vector
203               * @exception invalid rotation matrix
204 +             * We use so-called "x-convention", which is the most common definition.
205 +             * In this convention, the rotation given by Euler angles (phi, theta, psi), where the first
206 +             * rotation is by an angle phi about the z-axis, the second is by an angle  
207 +             * theta (0 <= theta <= 180)about the x-axis, and thethird is by an angle psi about the
208 +             * z-axis (again).
209              */            
210 <            Vector3d rotMatToEuler();
210 >            Vector3<Real> toEulerAngles() {
211 >                Vector3<Real> myEuler;
212 >                Real phi,theta,psi,eps;
213 >                Real ctheta,stheta;
214 >                
215 >                // set the tolerance for Euler angles and rotation elements
216 >
217 >                theta = acos(std::min(1.0, std::max(-1.0,data_[2][2])));
218 >                ctheta = data_[2][2];
219 >                stheta = sqrt(1.0 - ctheta * ctheta);
220 >
221 >                // when sin(theta) is close to 0, we need to consider singularity
222 >                // In this case, we can assign an arbitary value to phi (or psi), and then determine
223 >                // the psi (or phi) or vice-versa. We'll assume that phi always gets the rotation, and psi is 0
224 >                // in cases of singularity.  
225 >                // we use atan2 instead of atan, since atan2 will give us -Pi to Pi.
226 >                // Since 0 <= theta <= 180, sin(theta) will be always non-negative. Therefore, it never
227 >                // change the sign of both of the parameters passed to atan2.
228 >
229 >                if (fabs(stheta) <= oopse::epsilon){
230 >                    psi = 0.0;
231 >                    phi = atan2(-data_[1][0], data_[0][0]);  
232 >                }
233 >                // we only have one unique solution
234 >                else{    
235 >                    phi = atan2(data_[2][0], -data_[2][1]);
236 >                    psi = atan2(data_[0][2], data_[1][2]);
237 >                }
238 >
239 >                //wrap phi and psi, make sure they are in the range from 0 to 2*Pi
240 >                if (phi < 0)
241 >                  phi += M_PI;
242 >
243 >                if (psi < 0)
244 >                  psi += M_PI;
245 >
246 >                myEuler[0] = phi;
247 >                myEuler[1] = theta;
248 >                myEuler[2] = psi;
249 >
250 >                return myEuler;
251 >            }
252              
253 +            /** Returns the determinant of this matrix. */
254 +            Real determinant() const {
255 +                Real x,y,z;
256 +
257 +                x = data_[0][0] * (data_[1][1] * data_[2][2] - data_[1][2] * data_[2][1]);
258 +                y = data_[0][1] * (data_[1][2] * data_[2][0] - data_[1][0] * data_[2][2]);
259 +                z = data_[0][2] * (data_[1][0] * data_[2][1] - data_[1][1] * data_[2][0]);
260 +
261 +                return(x + y + z);
262 +            }            
263 +            
264              /**
265               * Sets the value of this matrix to  the inversion of itself.
266               * @note since simple algorithm can be applied to inverse the 3 by 3 matrix, we hide the
267               * implementation of inverse in SquareMatrix class
268               */
269 <            void  inverse();
269 >            SquareMatrix3<Real>  inverse() {
270 >                SquareMatrix3<Real> m;
271 >                double det = determinant();
272 >                if (fabs(det) <= oopse::epsilon) {
273 >                //"The method was called on a matrix with |determinant| <= 1e-6.",
274 >                //"This is a runtime or a programming error in your application.");
275 >                }
276  
277 <            void diagonalize();
277 >                m(0, 0) = data_[1][1]*data_[2][2] - data_[1][2]*data_[2][1];
278 >                m(1, 0) = data_[1][2]*data_[2][0] - data_[1][0]*data_[2][2];
279 >                m(2, 0) = data_[1][0]*data_[2][1] - data_[1][1]*data_[2][0];
280 >                m(0, 1) = data_[2][1]*data_[0][2] - data_[2][2]*data_[0][1];
281 >                m(1, 1) = data_[2][2]*data_[0][0] - data_[2][0]*data_[0][2];
282 >                m(2, 1) = data_[2][0]*data_[0][1] - data_[2][1]*data_[0][0];
283 >                m(0, 2) = data_[0][1]*data_[1][2] - data_[0][2]*data_[1][1];
284 >                m(1, 2) = data_[0][2]*data_[1][0] - data_[0][0]*data_[1][2];
285 >                m(2, 2) = data_[0][0]*data_[1][1] - data_[0][1]*data_[1][0];
286  
287 +                m /= det;
288 +                return m;
289 +            }
290 +            /**
291 +             * Extract the eigenvalues and eigenvectors from a 3x3 matrix.
292 +             * The eigenvectors (the columns of V) will be normalized.
293 +             * The eigenvectors are aligned optimally with the x, y, and z
294 +             * axes respectively.
295 +             * @param a symmetric matrix whose eigenvectors are to be computed. On return, the matrix is
296 +             *     overwritten            
297 +             * @param w will contain the eigenvalues of the matrix On return of this function
298 +             * @param v the columns of this matrix will contain the eigenvectors. The eigenvectors are
299 +             *    normalized and mutually orthogonal.              
300 +             * @warning a will be overwritten
301 +             */
302 +            static void diagonalize(SquareMatrix3<Real>& a, Vector3<Real>& w, SquareMatrix3<Real>& v);
303 +    };
304 + /*=========================================================================
305 +
306 +  Program:   Visualization Toolkit
307 +  Module:    $RCSfile: SquareMatrix3.hpp,v $
308 +
309 +  Copyright (c) Ken Martin, Will Schroeder, Bill Lorensen
310 +  All rights reserved.
311 +  See Copyright.txt or http://www.kitware.com/Copyright.htm for details.
312 +
313 +     This software is distributed WITHOUT ANY WARRANTY; without even
314 +     the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR
315 +     PURPOSE.  See the above copyright notice for more information.
316 +
317 + =========================================================================*/
318 +    template<typename Real>
319 +    void SquareMatrix3<Real>::diagonalize(SquareMatrix3<Real>& a, Vector3<Real>& w,
320 +                                                                           SquareMatrix3<Real>& v) {
321 +        int i,j,k,maxI;
322 +        Real tmp, maxVal;
323 +        Vector3<Real> v_maxI, v_k, v_j;
324 +
325 +        // diagonalize using Jacobi
326 +        jacobi(a, w, v);
327 +        // if all the eigenvalues are the same, return identity matrix
328 +        if (w[0] == w[1] && w[0] == w[2] ) {
329 +              v = SquareMatrix3<Real>::identity();
330 +              return;
331 +        }
332 +
333 +        // transpose temporarily, it makes it easier to sort the eigenvectors
334 +        v = v.transpose();
335 +        
336 +        // if two eigenvalues are the same, re-orthogonalize to optimally line
337 +        // up the eigenvectors with the x, y, and z axes
338 +        for (i = 0; i < 3; i++) {
339 +            if (w((i+1)%3) == w((i+2)%3)) {// two eigenvalues are the same
340 +            // find maximum element of the independant eigenvector
341 +            maxVal = fabs(v(i, 0));
342 +            maxI = 0;
343 +            for (j = 1; j < 3; j++) {
344 +                if (maxVal < (tmp = fabs(v(i, j)))){
345 +                    maxVal = tmp;
346 +                    maxI = j;
347 +                }
348 +            }
349 +            
350 +            // swap the eigenvector into its proper position
351 +            if (maxI != i) {
352 +                tmp = w(maxI);
353 +                w(maxI) = w(i);
354 +                w(i) = tmp;
355 +
356 +                v.swapRow(i, maxI);
357 +            }
358 +            // maximum element of eigenvector should be positive
359 +            if (v(maxI, maxI) < 0) {
360 +                v(maxI, 0) = -v(maxI, 0);
361 +                v(maxI, 1) = -v(maxI, 1);
362 +                v(maxI, 2) = -v(maxI, 2);
363 +            }
364 +
365 +            // re-orthogonalize the other two eigenvectors
366 +            j = (maxI+1)%3;
367 +            k = (maxI+2)%3;
368 +
369 +            v(j, 0) = 0.0;
370 +            v(j, 1) = 0.0;
371 +            v(j, 2) = 0.0;
372 +            v(j, j) = 1.0;
373 +
374 +            /** @todo */
375 +            v_maxI = v.getRow(maxI);
376 +            v_j = v.getRow(j);
377 +            v_k = cross(v_maxI, v_j);
378 +            v_k.normalize();
379 +            v_j = cross(v_k, v_maxI);
380 +            v.setRow(j, v_j);
381 +            v.setRow(k, v_k);
382 +
383 +
384 +            // transpose vectors back to columns
385 +            v = v.transpose();
386 +            return;
387 +            }
388 +        }
389 +
390 +        // the three eigenvalues are different, just sort the eigenvectors
391 +        // to align them with the x, y, and z axes
392 +
393 +        // find the vector with the largest x element, make that vector
394 +        // the first vector
395 +        maxVal = fabs(v(0, 0));
396 +        maxI = 0;
397 +        for (i = 1; i < 3; i++) {
398 +            if (maxVal < (tmp = fabs(v(i, 0)))) {
399 +                maxVal = tmp;
400 +                maxI = i;
401 +            }
402 +        }
403 +
404 +        // swap eigenvalue and eigenvector
405 +        if (maxI != 0) {
406 +            tmp = w(maxI);
407 +            w(maxI) = w(0);
408 +            w(0) = tmp;
409 +            v.swapRow(maxI, 0);
410 +        }
411 +        // do the same for the y element
412 +        if (fabs(v(1, 1)) < fabs(v(2, 1))) {
413 +            tmp = w(2);
414 +            w(2) = w(1);
415 +            w(1) = tmp;
416 +            v.swapRow(2, 1);
417 +        }
418 +
419 +        // ensure that the sign of the eigenvectors is correct
420 +        for (i = 0; i < 2; i++) {
421 +            if (v(i, i) < 0) {
422 +                v(i, 0) = -v(i, 0);
423 +                v(i, 1) = -v(i, 1);
424 +                v(i, 2) = -v(i, 2);
425 +            }
426 +        }
427 +
428 +        // set sign of final eigenvector to ensure that determinant is positive
429 +        if (v.determinant() < 0) {
430 +            v(2, 0) = -v(2, 0);
431 +            v(2, 1) = -v(2, 1);
432 +            v(2, 2) = -v(2, 2);
433 +        }
434 +
435 +        // transpose the eigenvectors back again
436 +        v = v.transpose();
437 +        return ;
438      }
439 +    typedef SquareMatrix3<double> Mat3x3d;
440 +    typedef SquareMatrix3<double> RotMat3x3d;
441  
442 <    };
442 > } //namespace oopse
443 > #endif // MATH_SQUAREMATRIX_HPP
444  
114 }
115 #endif // MATH_SQUAREMATRIX#_HPP

Diff Legend

Removed lines
+ Added lines
< Changed lines
> Changed lines