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javascript - 如何抵消要在局部轴上应用的全局方向力?

coder 2025-03-13 原文

我想对对象的局部轴施加一个向前的力,但我使用的引擎只允许我在全局轴上施加一个力。

我可以访问对象的全局旋转作为四元数。然而,我不熟悉使用 quats(通常未受过高等数学训练)。这些信息是否足以抵消沿所需轴施加的力?怎么办?

例如,要在全局范围内推进,我会这样做:

this.entity.rigidbody.applyForce(0, 0, 5);

但是为了保持沿物体局部轴施加的力,我需要根据物体的旋转四轴以不同的方式沿轴分布施加的力,例如:

w:0.5785385966300964
x:0
y:-0.815654993057251
z:0

我研究了四元数试图解决这个问题,但是观看有关它们是什么以及为什么使用它们的视频并没有帮助我弄清楚如何实际使用它们甚至开始弄清楚如何应用这里需要的偏移量。

到目前为止,我尝试过的只是猜测如何去做,但这是错误的:

Math.degrees = function(radians) {
    return radians * 180 / Math.PI;
};

//converted this from a python func on wikipedia, 
//not sure if it's working properly or not
function convertQuatToEuler(w, x, y, z){ 
    ysqr = y * y;
    t0 = 2 * (w * x + y * z);
    t1 = 1 - 2 * (x * x + ysqr);
    X = Math.degrees(Math.atan2(t0, t1));
    t2 = 2 * (w * y - z * x);
    t2 = (t2 >= 1) ? 1 : t2;
    t2 = (t2 < -1) ? -1 : t2;
    Y = Math.degrees(Math.asin(t2));
    t3 = 2 * (w * z + x * y);
    t4 = 1 - 2 * (ysqr + z * z);
    Z = Math.degrees(Math.atan2(t3, t4));
    console.log('converted', {w, x, y, z}, 'to', {X, Y, Z});
    return {X, Y, Z};
}

function applyGlobalShift(x, y, z, quat) {
    var euler = convertQuatToEuler(quat.w, quat.x, quat.y, quat.z);
    x = x - euler.X; // total guess
    y = y - euler.Y; // total guess
    z = z - euler.Z; // total guess
    console.log('converted', quat, 'to', [x, y, z]);
    return [x, y, z];
}

// represents the entity's current local rotation in space
var quat = {
    w:0.6310858726501465,
    x:0,
    y:-0.7757129669189453,
    z:0
}

console.log(applyGlobalShift(-5, 0, 0, quat));

不要 mock 我对如何计算偏移量的可怕猜测:P 我知道它甚至不接近,但我的数学真的很差

最佳答案

四元数用作欧拉 Angular 的替代品。因此,您的方法违背了他们的目的。不要尝试使用欧拉 Angular ,而是利用四元数的属性。

  1. 四元数有 4 个分量、3 个矢量分量和一个标量分量。

    q = x*i + y*j + z*k + w
    

    因此,四元数具有向量部分 x*i + y*j + z*k 和标量部分 w。因此,向量是具有零标量或实数分量的四元数。

  2. 重要的是要注意,向量乘以四元数是另一个向量。这可以通过使用 rules of multiplication of quaternion basis elements 轻松证明。 (留作读者练习)。

  3. 四元数的倒数就是它的共轭除以它的大小。四元数的共轭 w + (x*i + y*j + z*k) 就是 w - (x*i + y*j + z*k),其大小为 sqrt(x*x + y*y + z*z + w*w)

向量的旋转就是通过将该向量绕轴旋转一个 Angular 而获得的向量。旋转四元数表示这样的 Angular 轴旋转,如图所示here .

向量 v 可以通过共轭 vq。换句话说,

v' = q * v * inverse(q)

其中 v' 是旋转向量,q * v * inverse(q)conjugation operation .

由于四元数表示旋转,因此可以合理地假设其大小为 1,使得 inverse(q) = q* 其中 q* 是以下的共轭q.

关于将 q 分成实部 s 和矢量部分 u 并简化四元数运算(如精美所示 here ),

v' = 2 * dot(u, v) * u + (s*s - dot(u, u)) * v + 2 * s * cross(u, v)

其中 dot 返回两个向量的点积,cross 返回两个向量的叉积。

将以上内容放入(伪)代码中,

function rotate(v: vector3, q: quaternion4) -> vector3 {
    u = vector3(q.x, q.y, q.z)
    s = q.w
    return 2 * dot(u, v) * u + (s*s - dot(u, u)) * v + 2 * s * cross(u, v)
}

现在我们知道如何使用四元数旋转矢量,我们可以使用世界(全局)旋转四元数通过旋转四元数共轭局部方向来找到局部方向对应的世界方向(或轴)。

局部前向轴始终由 0*i + 0*j + 1*k 给出。因此,要找到对象的世界前向轴,必须将向量 (0, 0, 1) 与世界旋转四元数共轭。

使用上面定义的函数,前向轴变为

forward = rotate(vector3(0, 0, 1), rotationQuaternion)

现在您有了世界正向轴,沿它施加的力将只是世界正向轴的标量倍数。

关于javascript - 如何抵消要在局部轴上应用的全局方向力?,我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/48291327/

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