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旋转向量-旋转矩阵

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今天我学习了摄像机标定的相关知识,在这一过程中需要用到旋转矩阵的知识。为了更好地掌握这一技术,我进行了深入的学习和实践,并记下了一些关键点。

物体在空间中的旋转

物体在三维空间中的旋转变换可以被分解为,在标准坐标系下依次绕x、y、z轴进行旋转变换。其中所涉及的旋转角度即是我们常说的欧拉角 roll、pitch 和 yaw。知道了这些角度值后,我们可以通过每一步对应的矩阵相乘来计算整体的旋转矩阵。

具体可以参考 wiki

由旋转向量得到旋转矩阵

此外,在OpenCV标定中得到的旋转向量\mathbf{r}是以这种方式计算得出的:其模长等于旋转角度;单位方向向量(r_x, r_y, r_z) = \mathbf{r}/\theta即代表绕着该轴进行一次θ度的旋转变换。其中旋转变换矩阵可直接通过Rodrigues公式计算得到:其中旋转角θ等于旋转向量\mathbf{r}的模长;单位方向向量(r_x, r_y, r_z) = \mathbf{r}/θ;而旋转变换矩阵则按照如下公式确定:

其中 \textbf{I}为单位矩阵, \textbf{r}^T为 的转置。
所以

通过 旋转矩阵 可以实现 旋转向量 的计算;这里就不详细阐述了,请参考OpenCV文档。

由旋转向量直接求解旋转过程

得到旋转矩阵之后,同时可以通过旋转变换矩阵与某向量相乘来获得其旋转后的结果;如果已知的是旋转向量,则可以直接计算得到该向量的旋转表达式,并无需将其转换为旋转矩阵就能完成运算。
这里用\mathbf{v}表示待旋转向量的缩放因子,在此情况下\mathbf{v}即为单位向量,在这种条件下\theta代表了绕轴的转角;其旋转后的向量可表示为

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