向量的旋转

基础的2-D绕原点旋转

在2-D的迪卡尔坐标系中,一个位置向量的旋转公式可以由三角函数的几何意义推出。比如上图所示是位置向量R逆时针旋转角度B前后的情况。在左图中,我们有关系:

  x0 = |R| * cosA

  y0 = |R| * sinA

  =>

  cosA = x0 / |R|

  sinA = y0 / |R|

  在右图中,我们有关系:

  x1 = |R| * cos(A+B)

  y1 = |R| * sin(A+B)

  其中(x1, y1)就是(x0, y0)旋转角B后得到的点,也就是位置向量R最后指向的点。我们展开cos(A+B)和sin(A+B),得到

  x1 = |R| * (cosAcosB - sinAsinB)

  y1 = |R| * (sinAcosB + cosAsinB)

  现在把

  cosA = x0 / |R|

  sinA = y0 / |R|

  代入上面的式子,得到

  x1 = |R| * (x0 * cosB / |R| - y0 * sinB / |R|)

  y1 = |R| * (y0 * cosB / |R| + x0 * sinB / |R|)

  =>

  x1 = x0 * cosB - y0 * sinB

  y1 = x0 * sinB + y0 * cosB

  这样我们就得到了2-D迪卡尔坐标下向量围绕圆点的逆时针旋转公式。顺时针旋转就把角度变为负:

  x1 = x0 * cos(-B) - y0 * sin(-B)

  y1 = x0 * sin(-B) + y0 * cos(-B)

  =>

  x1 = x0 * cosB + y0 * sinB

  y1 = -x0 * sinB + y0 * cosB

  现在我要把这个旋转公式写成矩阵的形式,有一个概念我简单提一下,平面或空间里的每个线性变换(这里就是旋转变换)都对应一个矩阵,叫做变换矩阵。对一个点实施线性变换就是通过乘上该线性变换的矩阵完成的。好了,打住,不然就跑题了。

所以2-D旋转变换矩阵就是:

[cosA  sinA]      [cosA -sinA]
[-sinA cosA] 或者 [sinA cosA]