通過四元數實現模型旋轉
早在1843年，William Roman Hamilton爵士就已經發明了作為復數擴展的四元數（quaternion），但是直到1985年才有一個叫Ken
ShoeMake的人在SIGGRAPH（Special
Interest Group on Computer Graphics，美國計算機協會的圖形專業組）把四元數引入計算機圖形處理領域。
四元數將三維空間中旋轉的概念擴展到四維空間，這對于表示和處理3D中點的旋轉很有用。四元數還可以用于以下地方：
（1）骨骼動畫（skeletal animation）
（2）反向動力學動畫（inverse cinimatic）
（3）3D物理學
在游戲中可以使用四元數來取代旋轉矩陣，它可用于描述3D空間中繞任意軸的任意旋轉。使用四元數來代替旋轉矩陣具有以下優點：
（1）四元數占用的空間比矩陣少。
（2）一些操作在視覺上會顯得更為平滑，比如可以在兩個四元數之間做插值運算。
Direct3D擴展實用庫函數D3DXQuaternionRotationYawPitchRoll()提供了將三個歐拉角轉換為一個四元數的功能，該函數聲明如下：
Builds a quaternion with the given yaw, pitch, and
roll.
D3DXQUATERNION * D3DXQuaternionRotationYawPitchRoll(
D3DXQUATERNION * pOut,
FLOAT Yaw,
FLOAT Pitch,
FLOAT Roll
);
Parameters
- pOut
- [in, out] Pointer to the D3DXQUATERNION structure
that is the result of the operation.
- Yaw
- [in] Yaw around the y-axis, in radians.
- Pitch
- [in] Pitch around the x-axis, in radians.
- Roll
- [in] Roll around the z-axis, in radians.
Return Values
Pointer to a D3DXQUATERNION structure with the
specified yaw, pitch, and roll.
Remarks
The return value for this function is the same value
returned in the pOut parameter. In this way, the
D3DXQuaternionRotationYawPitchRoll function can be used as a parameter for
another function.
Use D3DXQuaternionNormalize for any quaternion input
that is not already normalized.
由于Direct3D變換引擎需要用矩陣來執行旋轉，所以需要將四元數轉換為矩陣格式。Direct3D擴展實用庫函數D3DXMatrixRotationQuaternion()提供了將四元數轉換成矩陣的功能，該函數聲明如下：
Builds a rotation matrix from a quaternion.
D3DXMATRIX * D3DXMatrixRotationQuaternion(
D3DXMATRIX * pOut,
CONST D3DXQUATERNION * pQ
);
Parameters
- pOut
- [in, out] Pointer to the D3DXMATRIX structure that
is the result of the operation.
- pQ
- [in] Pointer to the source D3DXQUATERNION
structure.
Return Values
Pointer to a D3DXMATRIX structure built from the
source quaternion.
Remarks
The return value for this function is the same value
returned in the pOut parameter. In this way, the D3DXMatrixRotationQuaternion
function can be used as a parameter for another function.
For information about how to calculate quaternion
values from a direction vector ( x, y, z ) and an angle of rotation, see
D3DXQUATERNION.
該示例程序同樣可以通過鍵盤控制飛機模型的位置和姿態，控制方式和上一個示例程序完全相同，但實現代碼卻簡潔得多，主要改動代碼如下：
void setup_world_matrix()
{
static long previous_time = 0;
static float elapsed_time = 0.0f;
elapsed_time = (timeGetTime() - previous_time) / 1000.0f;
previous_time = timeGetTime();
float angle_around_right = 0.0f, angle_around_up = 0.0f, angle_around_look = 0.0f;
if(g_keys['D']) angle_around_look -= 3 * elapsed_time;
if(g_keys['A']) angle_around_look += 3 * elapsed_time;
if(g_keys['S']) angle_around_right -= 3 * elapsed_time;
if(g_keys['W']) angle_around_right += 3 * elapsed_time;
if(g_keys['Q']) angle_around_up -= 3 * elapsed_time;
if(g_keys['E']) angle_around_up += 3 * elapsed_time;
// now, calculate ratation matrix.
D3DXQUATERNION quat;
D3DXMATRIX mat_rotation;
D3DXQuaternionRotationYawPitchRoll(&quat, angle_around_up, angle_around_right, angle_around_look);
D3DXMatrixRotationQuaternion(&mat_rotation, &quat);
D3DXMatrixMultiply(&g_mat_world, &mat_rotation, &g_mat_world);
// get look vector
D3DXVECTOR3 look;
look.x = g_mat_world._31;
look.y = g_mat_world._32;
look.z = g_mat_world._33;
// move model forward or backward
if(g_keys['F'])
{
g_mat_world._41 += 30 * elapsed_time * look.x;
g_mat_world._42 += 30 * elapsed_time * look.y;
g_mat_world._43 += 30 * elapsed_time * look.z;
}
if(g_keys['V'])
{
g_mat_world._41 -= 30 * elapsed_time * look.x;
g_mat_world._42 -= 30 * elapsed_time * look.y;
g_mat_world._43 -= 30 * elapsed_time * look.z;
}
g_device->SetTransform(D3DTS_WORLD, &g_mat_world);
}
在該示例程序中，通過用戶輸入，每一幀都對飛機模型進行重新定位，不斷改變飛機模型在空間中的位置或姿態，如果每兩幀間的時間間隔足夠小，則感到飛機模型位置或姿態的變換是連續的，也就形成了連續的動畫，實際上這就是三維動畫的基本原理，通過不斷改變場景中各物體的位置和姿態使各物體運動起來。為了保證動畫的連續性，幀速率要達到25幀/秒以上。
注意：模型的旋轉是繞自身坐標軸的旋轉，而不是繞世界坐標系的3個坐標軸旋轉，而且在旋轉模型時其自身坐標軸也在不斷變化。
下載示例工程