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Viewing changes to Source/OpenEXR/Imath/ImathQuat.h

  • Committer: Bazaar Package Importer
  • Author(s): Cosme Domínguez Díaz
  • Date: 2010-07-20 13:42:15 UTC
  • mfrom: (1.1.2 upstream)
  • Revision ID: james.westby@ubuntu.com-20100720134215-xt1454zaedv3b604
Tags: 3.13.1-0ubuntu1
* New upstream release. Closes: (LP: #607800)
 - Updated debian/freeimage-get-orig-source script.
 - Removing no longer necessary debian/patches/* and
   the patch system in debian/rules.
 - Updated debian/rules to work with the new Makefiles.
 - Drop from -O3 to -O2 and use lzma compression saves
   ~10 MB of free space. 
* lintian stuff
 - fixed debhelper-but-no-misc-depends
 - fixed ldconfig-symlink-missing-for-shlib

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removed removed

Lines of Context:
1
 
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////
2
 
//
3
 
// Copyright (c) 2002, Industrial Light & Magic, a division of Lucas
4
 
// Digital Ltd. LLC
5
 
// 
6
 
// All rights reserved.
7
 
// 
8
 
// Redistribution and use in source and binary forms, with or without
9
 
// modification, are permitted provided that the following conditions are
10
 
// met:
11
 
// *       Redistributions of source code must retain the above copyright
12
 
// notice, this list of conditions and the following disclaimer.
13
 
// *       Redistributions in binary form must reproduce the above
14
 
// copyright notice, this list of conditions and the following disclaimer
15
 
// in the documentation and/or other materials provided with the
16
 
// distribution.
17
 
// *       Neither the name of Industrial Light & Magic nor the names of
18
 
// its contributors may be used to endorse or promote products derived
19
 
// from this software without specific prior written permission. 
20
 
// 
21
 
// THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
22
 
// "AS IS" AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
23
 
// LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR
24
 
// A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT
25
 
// OWNER OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL,
26
 
// SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT
27
 
// LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE,
28
 
// DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY
29
 
// THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT
30
 
// (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE
31
 
// OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
32
 
//
33
 
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////
34
 
 
35
 
 
36
 
 
37
 
#ifndef INCLUDED_IMATHQUAT_H
38
 
#define INCLUDED_IMATHQUAT_H
39
 
 
40
 
//----------------------------------------------------------------------
41
 
//
42
 
//      template class Quat<T>
43
 
//
44
 
//      "Quaternions came from Hamilton ... and have been an unmixed
45
 
//      evil to those who have touched them in any way. Vector is a
46
 
//      useless survival ... and has never been of the slightest use
47
 
//      to any creature."
48
 
//
49
 
//          - Lord Kelvin
50
 
//
51
 
//      This class implements the quaternion numerical type -- you
52
 
//      will probably want to use this class to represent orientations
53
 
//      in R3 and to convert between various euler angle reps. You
54
 
//      should probably use Imath::Euler<> for that.
55
 
//
56
 
//----------------------------------------------------------------------
57
 
 
58
 
#include "ImathExc.h"
59
 
#include "ImathMatrix.h"
60
 
 
61
 
#include <iostream>
62
 
 
63
 
namespace Imath {
64
 
 
65
 
#if (defined _WIN32 || defined _WIN64) && defined _MSC_VER
66
 
// Disable MS VC++ warnings about conversion from double to float
67
 
#pragma warning(disable:4244)
68
 
#endif
69
 
 
70
 
template <class T>
71
 
class Quat;
72
 
 
73
 
template<class T>
74
 
Quat<T> slerp (const Quat<T> &q1,const Quat<T> &q2, T t);
75
 
 
76
 
template<class T>
77
 
Quat<T> squad (const Quat<T> &q1,const Quat<T> &q2, 
78
 
               const Quat<T> &qa,const Quat<T> &qb, T t);
79
 
 
80
 
template<class T>
81
 
void intermediate (const Quat<T> &q0, const Quat<T> &q1, 
82
 
                   const Quat<T> &q2, const Quat<T> &q3,
83
 
                   Quat<T> &qa, Quat<T> &qb);
84
 
 
85
 
template <class T>
86
 
class Quat
87
 
{
88
 
  public:
89
 
 
90
 
    T                       r;      // real part
91
 
    Vec3<T>                 v;      // imaginary vector
92
 
 
93
 
    //-----------------------------------------------------
94
 
    //  Constructors - default constructor is identity quat
95
 
    //-----------------------------------------------------
96
 
 
97
 
    Quat()                          : r(1), v(0,0,0) {}
98
 
 
99
 
    template <class S>
100
 
    Quat( const Quat<S>& q)         : r(q.r), v(q.v) {}
101
 
 
102
 
    Quat( T s, T i, T j, T k )      : r(s), v(i,j,k) {}
103
 
 
104
 
    Quat( T s, Vec3<T> d )          : r(s), v(d) {}
105
 
 
106
 
    static Quat<T> identity()   { return Quat<T>(); }
107
 
 
108
 
    //------------------------------------------------
109
 
    //  Basic Algebra - Operators and Methods
110
 
    //  The operator return values are *NOT* normalized
111
 
    //
112
 
    //  operator^ is 4D dot product
113
 
    //  operator/ uses the inverse() quaternion
114
 
    //  operator~ is conjugate -- if (S+V) is quat then
115
 
    //            the conjugate (S+V)* == (S-V)
116
 
    //
117
 
    //  some operators (*,/,*=,/=) treat the quat as
118
 
    //  a 4D vector when one of the operands is scalar
119
 
    //------------------------------------------------
120
 
 
121
 
    const Quat<T>&          operator=   (const Quat<T>&);
122
 
    const Quat<T>&          operator*=  (const Quat<T>&);
123
 
    const Quat<T>&          operator*=  (T);
124
 
    const Quat<T>&          operator/=  (const Quat<T>&);
125
 
    const Quat<T>&          operator/=  (T);
126
 
    const Quat<T>&          operator+=  (const Quat<T>&);
127
 
    const Quat<T>&          operator-=  (const Quat<T>&);
128
 
    T&                      operator[]  (int index);    // as 4D vector
129
 
    T                       operator[]  (int index) const;
130
 
 
131
 
    template <class S> bool operator == (const Quat<S> &q) const;
132
 
    template <class S> bool operator != (const Quat<S> &q) const;
133
 
 
134
 
    Quat<T>&                invert();               // this -> 1 / this
135
 
    Quat<T>                 inverse() const;
136
 
    Quat<T>&                normalize();            // returns this
137
 
    Quat<T>                 normalized() const;
138
 
    T                       length() const;         // in R4
139
 
 
140
 
    //-----------------------
141
 
    //  Rotation conversion
142
 
    //-----------------------
143
 
 
144
 
    Quat<T>&                setAxisAngle(const Vec3<T>& axis, T radians);
145
 
    Quat<T>&                setRotation(const Vec3<T>& fromDirection,
146
 
                                        const Vec3<T>& toDirection);
147
 
 
148
 
    T                       angle() const;
149
 
    Vec3<T>                 axis() const;
150
 
 
151
 
    Matrix33<T>             toMatrix33() const;
152
 
    Matrix44<T>             toMatrix44() const;
153
 
 
154
 
    Quat<T>                 log() const;
155
 
    Quat<T>                 exp() const;
156
 
 
157
 
  private:
158
 
 
159
 
    void                    setRotationInternal (const Vec3<T>& f0,
160
 
                                                 const Vec3<T>& t0,
161
 
                                                 Quat<T> &q);
162
 
};
163
 
 
164
 
 
165
 
//--------------------
166
 
// Convenient typedefs
167
 
//--------------------
168
 
 
169
 
typedef Quat<float>     Quatf;
170
 
typedef Quat<double>    Quatd;
171
 
 
172
 
 
173
 
//---------------
174
 
// Implementation
175
 
//---------------
176
 
 
177
 
template<class T>
178
 
inline const Quat<T>& Quat<T>::operator= (const Quat<T>& q)
179
 
{
180
 
    r = q.r;
181
 
    v = q.v;
182
 
    return *this;
183
 
}
184
 
 
185
 
template<class T>
186
 
inline const Quat<T>& Quat<T>::operator*= (const Quat<T>& q)
187
 
{
188
 
    T rtmp = r * q.r - (v ^ q.v);
189
 
    v = r * q.v + v * q.r + v % q.v;
190
 
    r = rtmp;
191
 
    return *this;
192
 
}
193
 
 
194
 
template<class T>
195
 
inline const Quat<T>& Quat<T>::operator*= (T t)
196
 
{
197
 
    r *= t;
198
 
    v *= t;
199
 
    return *this;
200
 
}
201
 
 
202
 
template<class T>
203
 
inline const Quat<T>& Quat<T>::operator/= (const Quat<T>& q)
204
 
{
205
 
    *this = *this * q.inverse();
206
 
    return *this;
207
 
}
208
 
 
209
 
template<class T>
210
 
inline const Quat<T>& Quat<T>::operator/= (T t)
211
 
{
212
 
    r /= t;
213
 
    v /= t;
214
 
    return *this;
215
 
}
216
 
 
217
 
template<class T>
218
 
inline const Quat<T>& Quat<T>::operator+= (const Quat<T>& q)
219
 
{
220
 
    r += q.r;
221
 
    v += q.v;
222
 
    return *this;
223
 
}
224
 
 
225
 
template<class T>
226
 
inline const Quat<T>& Quat<T>::operator-= (const Quat<T>& q)
227
 
{
228
 
    r -= q.r;
229
 
    v -= q.v;
230
 
    return *this;
231
 
}
232
 
template<class T>
233
 
inline T& Quat<T>::operator[] (int index)
234
 
{
235
 
    return index ? v[index-1] : r;
236
 
}
237
 
 
238
 
template<class T>
239
 
inline T Quat<T>::operator[] (int index) const
240
 
{
241
 
    return index ? v[index-1] : r;
242
 
}
243
 
 
244
 
template <class T>
245
 
template <class S>
246
 
inline bool
247
 
Quat<T>::operator == (const Quat<S> &q) const
248
 
{
249
 
    return r == q.r && v == q.v;
250
 
}
251
 
 
252
 
template <class T>
253
 
template <class S>
254
 
inline bool
255
 
Quat<T>::operator != (const Quat<S> &q) const
256
 
{
257
 
    return r != q.r || v != q.v;
258
 
}
259
 
 
260
 
template<class T>
261
 
inline T operator^ (const Quat<T>& q1,const Quat<T>& q2)
262
 
{
263
 
    return q1.r * q2.r + (q1.v ^ q2.v);
264
 
}
265
 
 
266
 
template <class T>
267
 
inline T Quat<T>::length() const
268
 
{
269
 
    return Math<T>::sqrt( r * r + (v ^ v) );
270
 
}
271
 
 
272
 
template <class T>
273
 
inline Quat<T>& Quat<T>::normalize()
274
 
{
275
 
    if ( T l = length() ) { r /= l; v /= l; }
276
 
    else { r = 1; v = Vec3<T>(0); }
277
 
    return *this;
278
 
}
279
 
 
280
 
template <class T>
281
 
inline Quat<T> Quat<T>::normalized() const
282
 
{
283
 
    if ( T l = length() ) return Quat( r / l, v / l );
284
 
    return Quat();
285
 
}
286
 
 
287
 
template<class T>
288
 
inline Quat<T> Quat<T>::inverse() const
289
 
{
290
 
    // 1    Q*
291
 
    // - = ----   where Q* is conjugate (operator~)
292
 
    // Q   Q* Q   and (Q* Q) == Q ^ Q (4D dot)
293
 
 
294
 
    T qdot = *this ^ *this;
295
 
    return Quat( r / qdot, -v / qdot );
296
 
}
297
 
 
298
 
template<class T>
299
 
inline Quat<T>& Quat<T>::invert()
300
 
{
301
 
    T qdot = (*this) ^ (*this);
302
 
    r /= qdot;
303
 
    v = -v / qdot;
304
 
    return *this;
305
 
}
306
 
 
307
 
 
308
 
template<class T>
309
 
T
310
 
angle4D (const Quat<T> &q1, const Quat<T> &q2)
311
 
{
312
 
    //
313
 
    // Compute the angle between two quaternions,
314
 
    // interpreting the quaternions as 4D vectors.
315
 
    //
316
 
 
317
 
    Quat<T> d = q1 - q2;
318
 
    T lengthD = Math<T>::sqrt (d ^ d);
319
 
 
320
 
    Quat<T> s = q1 + q2;
321
 
    T lengthS = Math<T>::sqrt (s ^ s);
322
 
 
323
 
    return 2 * Math<T>::atan2 (lengthD, lengthS);
324
 
}
325
 
 
326
 
 
327
 
template<class T>
328
 
Quat<T>
329
 
slerp(const Quat<T> &q1,const Quat<T> &q2, T t)
330
 
{
331
 
    //
332
 
    // Spherical linear interpolation.
333
 
    // Assumes q1 and q2 are normalized and that q1 != -q2.
334
 
    //
335
 
    // This method does *not* interpolate along the shortest
336
 
    // arc between q1 and q2.  If you desire interpolation
337
 
    // along the shortest arc, and q1^q2 is negative, then
338
 
    // consider flipping the second quaternion explicitly.
339
 
    //
340
 
    // The implementation of squad() depends on a slerp()
341
 
    // that interpolates as is, without the automatic
342
 
    // flipping.
343
 
    //
344
 
    // Don Hatch explains the method we use here on his
345
 
    // web page, The Right Way to Calculate Stuff, at
346
 
    // http://www.plunk.org/~hatch/rightway.php
347
 
    //
348
 
 
349
 
    T a = angle4D (q1, q2);
350
 
    T s = 1 - t;
351
 
 
352
 
    Quat<T> q = sinx_over_x (s * a) / sinx_over_x (a) * s * q1 +
353
 
                sinx_over_x (t * a) / sinx_over_x (a) * t * q2;
354
 
 
355
 
    return q.normalized();
356
 
}
357
 
 
358
 
 
359
 
template<class T>
360
 
Quat<T> spline(const Quat<T> &q0, const Quat<T> &q1,
361
 
               const Quat<T> &q2, const Quat<T> &q3,
362
 
               T t)
363
 
{
364
 
    // Spherical Cubic Spline Interpolation -
365
 
    // from Advanced Animation and Rendering
366
 
    // Techniques by Watt and Watt, Page 366:
367
 
    // A spherical curve is constructed using three
368
 
    // spherical linear interpolations of a quadrangle
369
 
    // of unit quaternions: q1, qa, qb, q2.
370
 
    // Given a set of quaternion keys: q0, q1, q2, q3,
371
 
    // this routine does the interpolation between
372
 
    // q1 and q2 by constructing two intermediate
373
 
    // quaternions: qa and qb. The qa and qb are 
374
 
    // computed by the intermediate function to 
375
 
    // guarantee the continuity of tangents across
376
 
    // adjacent cubic segments. The qa represents in-tangent
377
 
    // for q1 and the qb represents the out-tangent for q2.
378
 
    // 
379
 
    // The q1 q2 is the cubic segment being interpolated. 
380
 
    // The q0 is from the previous adjacent segment and q3 is 
381
 
    // from the next adjacent segment. The q0 and q3 are used
382
 
    // in computing qa and qb.
383
 
    // 
384
 
 
385
 
    Quat<T> qa = intermediate (q0, q1, q2);
386
 
    Quat<T> qb = intermediate (q1, q2, q3);
387
 
    Quat<T> result = squad(q1, qa, qb, q2, t);
388
 
 
389
 
    return result;
390
 
}
391
 
 
392
 
template<class T>
393
 
Quat<T> squad(const Quat<T> &q1, const Quat<T> &qa,
394
 
              const Quat<T> &qb, const Quat<T> &q2,
395
 
              T t)
396
 
{
397
 
    // Spherical Quadrangle Interpolation -
398
 
    // from Advanced Animation and Rendering
399
 
    // Techniques by Watt and Watt, Page 366:
400
 
    // It constructs a spherical cubic interpolation as 
401
 
    // a series of three spherical linear interpolations 
402
 
    // of a quadrangle of unit quaternions. 
403
 
    //     
404
 
  
405
 
    Quat<T> r1 = slerp(q1, q2, t);
406
 
    Quat<T> r2 = slerp(qa, qb, t);
407
 
    Quat<T> result = slerp(r1, r2, 2*t*(1-t));
408
 
 
409
 
    return result;
410
 
}
411
 
 
412
 
template<class T>
413
 
Quat<T> intermediate(const Quat<T> &q0, const Quat<T> &q1, const Quat<T> &q2)
414
 
{
415
 
    // From advanced Animation and Rendering
416
 
    // Techniques by Watt and Watt, Page 366:
417
 
    // computing the inner quadrangle 
418
 
    // points (qa and qb) to guarantee tangent
419
 
    // continuity.
420
 
    // 
421
 
    Quat<T> q1inv = q1.inverse();
422
 
    Quat<T> c1 = q1inv*q2;
423
 
    Quat<T> c2 = q1inv*q0;
424
 
    Quat<T> c3 = (T) (-0.25) * (c2.log() + c1.log());
425
 
    Quat<T> qa = q1 * c3.exp();
426
 
    qa.normalize();
427
 
    return qa;
428
 
}
429
 
 
430
 
template <class T>
431
 
inline Quat<T> Quat<T>::log() const
432
 
{
433
 
    //
434
 
    // For unit quaternion, from Advanced Animation and 
435
 
    // Rendering Techniques by Watt and Watt, Page 366:
436
 
    //
437
 
 
438
 
    T theta = Math<T>::acos (std::min (r, (T) 1.0));
439
 
 
440
 
    if (theta == 0)
441
 
        return Quat<T> (0, v);
442
 
    
443
 
    T sintheta = Math<T>::sin (theta);
444
 
    
445
 
    T k;
446
 
    if (abs (sintheta) < 1 && abs (theta) >= limits<T>::max() * abs (sintheta))
447
 
        k = 1;
448
 
    else
449
 
        k = theta / sintheta;
450
 
 
451
 
    return Quat<T> ((T) 0, v.x * k, v.y * k, v.z * k);
452
 
}
453
 
 
454
 
template <class T>
455
 
inline Quat<T> Quat<T>::exp() const
456
 
{
457
 
    //
458
 
    // For pure quaternion (zero scalar part):
459
 
    // from Advanced Animation and Rendering
460
 
    // Techniques by Watt and Watt, Page 366:
461
 
    //
462
 
 
463
 
    T theta = v.length();
464
 
    T sintheta = Math<T>::sin (theta);
465
 
    
466
 
    T k;
467
 
    if (abs (theta) < 1 && abs (sintheta) >= limits<T>::max() * abs (theta))
468
 
        k = 1;
469
 
    else
470
 
        k = sintheta / theta;
471
 
 
472
 
    T costheta = Math<T>::cos (theta);
473
 
 
474
 
    return Quat<T> (costheta, v.x * k, v.y * k, v.z * k);
475
 
}
476
 
 
477
 
template <class T>
478
 
inline T Quat<T>::angle() const
479
 
{
480
 
    return 2.0*Math<T>::acos(r);
481
 
}
482
 
 
483
 
template <class T>
484
 
inline Vec3<T> Quat<T>::axis() const
485
 
{
486
 
    return v.normalized();
487
 
}
488
 
 
489
 
template <class T>
490
 
inline Quat<T>& Quat<T>::setAxisAngle(const Vec3<T>& axis, T radians)
491
 
{
492
 
    r = Math<T>::cos(radians/2);
493
 
    v = axis.normalized() * Math<T>::sin(radians/2);
494
 
    return *this;
495
 
}
496
 
 
497
 
 
498
 
template <class T>
499
 
Quat<T>&
500
 
Quat<T>::setRotation(const Vec3<T>& from, const Vec3<T>& to)
501
 
{
502
 
    //
503
 
    // Create a quaternion that rotates vector from into vector to,
504
 
    // such that the rotation is around an axis that is the cross
505
 
    // product of from and to.
506
 
    //
507
 
    // This function calls function setRotationInternal(), which is
508
 
    // numerically accurate only for rotation angles that are not much
509
 
    // greater than pi/2.  In order to achieve good accuracy for angles
510
 
    // greater than pi/2, we split large angles in half, and rotate in
511
 
    // two steps.
512
 
    //
513
 
 
514
 
    //
515
 
    // Normalize from and to, yielding f0 and t0.
516
 
    //
517
 
 
518
 
    Vec3<T> f0 = from.normalized();
519
 
    Vec3<T> t0 = to.normalized();
520
 
 
521
 
    if ((f0 ^ t0) >= 0)
522
 
    {
523
 
        //
524
 
        // The rotation angle is less than or equal to pi/2.
525
 
        //
526
 
 
527
 
        setRotationInternal (f0, t0, *this);
528
 
    }
529
 
    else
530
 
    {
531
 
        //
532
 
        // The angle is greater than pi/2.  After computing h0,
533
 
        // which is halfway between f0 and t0, we rotate first
534
 
        // from f0 to h0, then from h0 to t0.
535
 
        //
536
 
 
537
 
        Vec3<T> h0 = (f0 + t0).normalized();
538
 
 
539
 
        if ((h0 ^ h0) != 0)
540
 
        {
541
 
            setRotationInternal (f0, h0, *this);
542
 
 
543
 
            Quat<T> q;
544
 
            setRotationInternal (h0, t0, q);
545
 
 
546
 
            *this *= q;
547
 
        }
548
 
        else
549
 
        {
550
 
            //
551
 
            // f0 and t0 point in exactly opposite directions.
552
 
            // Pick an arbitrary axis that is orthogonal to f0,
553
 
            // and rotate by pi.
554
 
            //
555
 
 
556
 
            r = T (0);
557
 
 
558
 
            Vec3<T> f02 = f0 * f0;
559
 
 
560
 
            if (f02.x <= f02.y && f02.x <= f02.z)
561
 
                v = (f0 % Vec3<T> (1, 0, 0)).normalized();
562
 
            else if (f02.y <= f02.z)
563
 
                v = (f0 % Vec3<T> (0, 1, 0)).normalized();
564
 
            else
565
 
                v = (f0 % Vec3<T> (0, 0, 1)).normalized();
566
 
        }
567
 
    }
568
 
 
569
 
    return *this;
570
 
}
571
 
 
572
 
 
573
 
template <class T>
574
 
void
575
 
Quat<T>::setRotationInternal (const Vec3<T>& f0, const Vec3<T>& t0, Quat<T> &q)
576
 
{
577
 
    //
578
 
    // The following is equivalent to setAxisAngle(n,2*phi),
579
 
    // where the rotation axis, is orthogonal to the f0 and
580
 
    // t0 vectors, and 2*phi is the angle between f0 and t0.
581
 
    //
582
 
    // This function is called by setRotation(), above; it assumes
583
 
    // that f0 and t0 are normalized and that the angle between
584
 
    // them is not much greater than pi/2.  This function becomes
585
 
    // numerically inaccurate if f0 and t0 point into nearly
586
 
    // opposite directions.
587
 
    //
588
 
 
589
 
    //
590
 
    // Find a normalized vector, h0, that is half way between f0 and t0.
591
 
    // The angle between f0 and h0 is phi.
592
 
    //
593
 
 
594
 
    Vec3<T> h0 = (f0 + t0).normalized();
595
 
 
596
 
    //
597
 
    // Store the rotation axis and rotation angle.
598
 
    //
599
 
 
600
 
    q.r = f0 ^ h0;      //  f0 ^ h0 == cos (phi)
601
 
    q.v = f0 % h0;      // (f0 % h0).length() == sin (phi)
602
 
}
603
 
 
604
 
 
605
 
template<class T>
606
 
Matrix33<T> Quat<T>::toMatrix33() const
607
 
{
608
 
    return Matrix33<T>(1. - 2.0 * (v.y * v.y + v.z * v.z),
609
 
                            2.0 * (v.x * v.y + v.z * r),
610
 
                            2.0 * (v.z * v.x - v.y * r),
611
 
 
612
 
                            2.0 * (v.x * v.y - v.z * r),
613
 
                       1. - 2.0 * (v.z * v.z + v.x * v.x),
614
 
                            2.0 * (v.y * v.z + v.x * r),
615
 
 
616
 
                            2.0 * (v.z * v.x + v.y * r),
617
 
                            2.0 * (v.y * v.z - v.x * r),
618
 
                       1. - 2.0 * (v.y * v.y + v.x * v.x));
619
 
}
620
 
 
621
 
template<class T>
622
 
Matrix44<T> Quat<T>::toMatrix44() const
623
 
{
624
 
    return Matrix44<T>(1. - 2.0 * (v.y * v.y + v.z * v.z),
625
 
                            2.0 * (v.x * v.y + v.z * r),
626
 
                            2.0 * (v.z * v.x - v.y * r),
627
 
                            0.,
628
 
                            2.0 * (v.x * v.y - v.z * r),
629
 
                       1. - 2.0 * (v.z * v.z + v.x * v.x),
630
 
                            2.0 * (v.y * v.z + v.x * r),
631
 
                            0.,
632
 
                            2.0 * (v.z * v.x + v.y * r),
633
 
                            2.0 * (v.y * v.z - v.x * r),
634
 
                       1. - 2.0 * (v.y * v.y + v.x * v.x),
635
 
                            0.,
636
 
                            0.,
637
 
                            0.,
638
 
                            0.,
639
 
                            1.0 );
640
 
}
641
 
 
642
 
 
643
 
template<class T>
644
 
inline Matrix33<T> operator* (const Matrix33<T> &M, const Quat<T> &q)
645
 
{
646
 
    return M * q.toMatrix33();
647
 
}
648
 
 
649
 
template<class T>
650
 
inline Matrix33<T> operator* (const Quat<T> &q, const Matrix33<T> &M)
651
 
{
652
 
    return q.toMatrix33() * M;
653
 
}
654
 
 
655
 
template<class T>
656
 
std::ostream& operator<< (std::ostream &o, const Quat<T> &q)
657
 
{
658
 
    return o << "(" << q.r
659
 
             << " " << q.v.x
660
 
             << " " << q.v.y
661
 
             << " " << q.v.z
662
 
             << ")";
663
 
 
664
 
}
665
 
 
666
 
template<class T>
667
 
inline Quat<T> operator* (const Quat<T>& q1, const Quat<T>& q2)
668
 
{
669
 
    // (S1+V1) (S2+V2) = S1 S2 - V1.V2 + S1 V2 + V1 S2 + V1 x V2
670
 
    return Quat<T>( q1.r * q2.r - (q1.v ^ q2.v),
671
 
                    q1.r * q2.v + q1.v * q2.r + q1.v % q2.v );
672
 
}
673
 
 
674
 
template<class T>
675
 
inline Quat<T> operator/ (const Quat<T>& q1, const Quat<T>& q2)
676
 
{
677
 
    return q1 * q2.inverse();
678
 
}
679
 
 
680
 
template<class T>
681
 
inline Quat<T> operator/ (const Quat<T>& q,T t)
682
 
{
683
 
    return Quat<T>(q.r/t,q.v/t);
684
 
}
685
 
 
686
 
template<class T>
687
 
inline Quat<T> operator* (const Quat<T>& q,T t)
688
 
{
689
 
    return Quat<T>(q.r*t,q.v*t);
690
 
}
691
 
 
692
 
template<class T>
693
 
inline Quat<T> operator* (T t, const Quat<T>& q)
694
 
{
695
 
    return Quat<T>(q.r*t,q.v*t);
696
 
}
697
 
 
698
 
template<class T>
699
 
inline Quat<T> operator+ (const Quat<T>& q1, const Quat<T>& q2)
700
 
{
701
 
    return Quat<T>( q1.r + q2.r, q1.v + q2.v );
702
 
}
703
 
 
704
 
template<class T>
705
 
inline Quat<T> operator- (const Quat<T>& q1, const Quat<T>& q2)
706
 
{
707
 
    return Quat<T>( q1.r - q2.r, q1.v - q2.v );
708
 
}
709
 
 
710
 
template<class T>
711
 
inline Quat<T> operator~ (const Quat<T>& q)
712
 
{
713
 
    return Quat<T>( q.r, -q.v );        // conjugate: (S+V)* = S-V
714
 
}
715
 
 
716
 
template<class T>
717
 
inline Quat<T> operator- (const Quat<T>& q)
718
 
{
719
 
    return Quat<T>( -q.r, -q.v );
720
 
}
721
 
 
722
 
template<class T>
723
 
inline Vec3<T> operator* (const Vec3<T>& v, const Quat<T>& q)
724
 
{
725
 
    Vec3<T> a = q.v % v;
726
 
    Vec3<T> b = q.v % a;
727
 
    return v + T (2) * (q.r * a + b);
728
 
}
729
 
 
730
 
#if (defined _WIN32 || defined _WIN64) && defined _MSC_VER
731
 
#pragma warning(default:4244)
732
 
#endif
733
 
 
734
 
} // namespace Imath
735
 
 
736
 
#endif
 
1
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 
2
//
 
3
// Copyright (c) 2002, Industrial Light & Magic, a division of Lucas
 
4
// Digital Ltd. LLC
 
5
// 
 
6
// All rights reserved.
 
7
// 
 
8
// Redistribution and use in source and binary forms, with or without
 
9
// modification, are permitted provided that the following conditions are
 
10
// met:
 
11
// *       Redistributions of source code must retain the above copyright
 
12
// notice, this list of conditions and the following disclaimer.
 
13
// *       Redistributions in binary form must reproduce the above
 
14
// copyright notice, this list of conditions and the following disclaimer
 
15
// in the documentation and/or other materials provided with the
 
16
// distribution.
 
17
// *       Neither the name of Industrial Light & Magic nor the names of
 
18
// its contributors may be used to endorse or promote products derived
 
19
// from this software without specific prior written permission. 
 
20
// 
 
21
// THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
 
22
// "AS IS" AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
 
23
// LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR
 
24
// A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT
 
25
// OWNER OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL,
 
26
// SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT
 
27
// LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE,
 
28
// DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY
 
29
// THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT
 
30
// (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE
 
31
// OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
 
32
//
 
33
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 
34
 
 
35
 
 
36
 
 
37
#ifndef INCLUDED_IMATHQUAT_H
 
38
#define INCLUDED_IMATHQUAT_H
 
39
 
 
40
//----------------------------------------------------------------------
 
41
//
 
42
//      template class Quat<T>
 
43
//
 
44
//      "Quaternions came from Hamilton ... and have been an unmixed
 
45
//      evil to those who have touched them in any way. Vector is a
 
46
//      useless survival ... and has never been of the slightest use
 
47
//      to any creature."
 
48
//
 
49
//          - Lord Kelvin
 
50
//
 
51
//      This class implements the quaternion numerical type -- you
 
52
//      will probably want to use this class to represent orientations
 
53
//      in R3 and to convert between various euler angle reps. You
 
54
//      should probably use Imath::Euler<> for that.
 
55
//
 
56
//----------------------------------------------------------------------
 
57
 
 
58
#include "ImathExc.h"
 
59
#include "ImathMatrix.h"
 
60
 
 
61
#include <iostream>
 
62
 
 
63
namespace Imath {
 
64
 
 
65
#if (defined _WIN32 || defined _WIN64) && defined _MSC_VER
 
66
// Disable MS VC++ warnings about conversion from double to float
 
67
#pragma warning(disable:4244)
 
68
#endif
 
69
 
 
70
template <class T>
 
71
class Quat;
 
72
 
 
73
template<class T>
 
74
Quat<T> slerp (const Quat<T> &q1,const Quat<T> &q2, T t);
 
75
 
 
76
template<class T>
 
77
Quat<T> squad (const Quat<T> &q1,const Quat<T> &q2, 
 
78
               const Quat<T> &qa,const Quat<T> &qb, T t);
 
79
 
 
80
template<class T>
 
81
void intermediate (const Quat<T> &q0, const Quat<T> &q1, 
 
82
                   const Quat<T> &q2, const Quat<T> &q3,
 
83
                   Quat<T> &qa, Quat<T> &qb);
 
84
 
 
85
template <class T>
 
86
class Quat
 
87
{
 
88
  public:
 
89
 
 
90
    T                       r;      // real part
 
91
    Vec3<T>                 v;      // imaginary vector
 
92
 
 
93
    //-----------------------------------------------------
 
94
    //  Constructors - default constructor is identity quat
 
95
    //-----------------------------------------------------
 
96
 
 
97
    Quat()                          : r(1), v(0,0,0) {}
 
98
 
 
99
    template <class S>
 
100
    Quat( const Quat<S>& q)         : r(q.r), v(q.v) {}
 
101
 
 
102
    Quat( T s, T i, T j, T k )      : r(s), v(i,j,k) {}
 
103
 
 
104
    Quat( T s, Vec3<T> d )          : r(s), v(d) {}
 
105
 
 
106
    static Quat<T> identity()   { return Quat<T>(); }
 
107
 
 
108
    //------------------------------------------------
 
109
    //  Basic Algebra - Operators and Methods
 
110
    //  The operator return values are *NOT* normalized
 
111
    //
 
112
    //  operator^ is 4D dot product
 
113
    //  operator/ uses the inverse() quaternion
 
114
    //  operator~ is conjugate -- if (S+V) is quat then
 
115
    //            the conjugate (S+V)* == (S-V)
 
116
    //
 
117
    //  some operators (*,/,*=,/=) treat the quat as
 
118
    //  a 4D vector when one of the operands is scalar
 
119
    //------------------------------------------------
 
120
 
 
121
    const Quat<T>&          operator=   (const Quat<T>&);
 
122
    const Quat<T>&          operator*=  (const Quat<T>&);
 
123
    const Quat<T>&          operator*=  (T);
 
124
    const Quat<T>&          operator/=  (const Quat<T>&);
 
125
    const Quat<T>&          operator/=  (T);
 
126
    const Quat<T>&          operator+=  (const Quat<T>&);
 
127
    const Quat<T>&          operator-=  (const Quat<T>&);
 
128
    T&                      operator[]  (int index);    // as 4D vector
 
129
    T                       operator[]  (int index) const;
 
130
 
 
131
    template <class S> bool operator == (const Quat<S> &q) const;
 
132
    template <class S> bool operator != (const Quat<S> &q) const;
 
133
 
 
134
    Quat<T>&                invert();               // this -> 1 / this
 
135
    Quat<T>                 inverse() const;
 
136
    Quat<T>&                normalize();            // returns this
 
137
    Quat<T>                 normalized() const;
 
138
    T                       length() const;         // in R4
 
139
 
 
140
    //-----------------------
 
141
    //  Rotation conversion
 
142
    //-----------------------
 
143
 
 
144
    Quat<T>&                setAxisAngle(const Vec3<T>& axis, T radians);
 
145
    Quat<T>&                setRotation(const Vec3<T>& fromDirection,
 
146
                                        const Vec3<T>& toDirection);
 
147
 
 
148
    T                       angle() const;
 
149
    Vec3<T>                 axis() const;
 
150
 
 
151
    Matrix33<T>             toMatrix33() const;
 
152
    Matrix44<T>             toMatrix44() const;
 
153
 
 
154
    Quat<T>                 log() const;
 
155
    Quat<T>                 exp() const;
 
156
 
 
157
  private:
 
158
 
 
159
    void                    setRotationInternal (const Vec3<T>& f0,
 
160
                                                 const Vec3<T>& t0,
 
161
                                                 Quat<T> &q);
 
162
};
 
163
 
 
164
 
 
165
//--------------------
 
166
// Convenient typedefs
 
167
//--------------------
 
168
 
 
169
typedef Quat<float>     Quatf;
 
170
typedef Quat<double>    Quatd;
 
171
 
 
172
 
 
173
//---------------
 
174
// Implementation
 
175
//---------------
 
176
 
 
177
template<class T>
 
178
inline const Quat<T>& Quat<T>::operator= (const Quat<T>& q)
 
179
{
 
180
    r = q.r;
 
181
    v = q.v;
 
182
    return *this;
 
183
}
 
184
 
 
185
template<class T>
 
186
inline const Quat<T>& Quat<T>::operator*= (const Quat<T>& q)
 
187
{
 
188
    T rtmp = r * q.r - (v ^ q.v);
 
189
    v = r * q.v + v * q.r + v % q.v;
 
190
    r = rtmp;
 
191
    return *this;
 
192
}
 
193
 
 
194
template<class T>
 
195
inline const Quat<T>& Quat<T>::operator*= (T t)
 
196
{
 
197
    r *= t;
 
198
    v *= t;
 
199
    return *this;
 
200
}
 
201
 
 
202
template<class T>
 
203
inline const Quat<T>& Quat<T>::operator/= (const Quat<T>& q)
 
204
{
 
205
    *this = *this * q.inverse();
 
206
    return *this;
 
207
}
 
208
 
 
209
template<class T>
 
210
inline const Quat<T>& Quat<T>::operator/= (T t)
 
211
{
 
212
    r /= t;
 
213
    v /= t;
 
214
    return *this;
 
215
}
 
216
 
 
217
template<class T>
 
218
inline const Quat<T>& Quat<T>::operator+= (const Quat<T>& q)
 
219
{
 
220
    r += q.r;
 
221
    v += q.v;
 
222
    return *this;
 
223
}
 
224
 
 
225
template<class T>
 
226
inline const Quat<T>& Quat<T>::operator-= (const Quat<T>& q)
 
227
{
 
228
    r -= q.r;
 
229
    v -= q.v;
 
230
    return *this;
 
231
}
 
232
template<class T>
 
233
inline T& Quat<T>::operator[] (int index)
 
234
{
 
235
    return index ? v[index-1] : r;
 
236
}
 
237
 
 
238
template<class T>
 
239
inline T Quat<T>::operator[] (int index) const
 
240
{
 
241
    return index ? v[index-1] : r;
 
242
}
 
243
 
 
244
template <class T>
 
245
template <class S>
 
246
inline bool
 
247
Quat<T>::operator == (const Quat<S> &q) const
 
248
{
 
249
    return r == q.r && v == q.v;
 
250
}
 
251
 
 
252
template <class T>
 
253
template <class S>
 
254
inline bool
 
255
Quat<T>::operator != (const Quat<S> &q) const
 
256
{
 
257
    return r != q.r || v != q.v;
 
258
}
 
259
 
 
260
template<class T>
 
261
inline T operator^ (const Quat<T>& q1,const Quat<T>& q2)
 
262
{
 
263
    return q1.r * q2.r + (q1.v ^ q2.v);
 
264
}
 
265
 
 
266
template <class T>
 
267
inline T Quat<T>::length() const
 
268
{
 
269
    return Math<T>::sqrt( r * r + (v ^ v) );
 
270
}
 
271
 
 
272
template <class T>
 
273
inline Quat<T>& Quat<T>::normalize()
 
274
{
 
275
    if ( T l = length() ) { r /= l; v /= l; }
 
276
    else { r = 1; v = Vec3<T>(0); }
 
277
    return *this;
 
278
}
 
279
 
 
280
template <class T>
 
281
inline Quat<T> Quat<T>::normalized() const
 
282
{
 
283
    if ( T l = length() ) return Quat( r / l, v / l );
 
284
    return Quat();
 
285
}
 
286
 
 
287
template<class T>
 
288
inline Quat<T> Quat<T>::inverse() const
 
289
{
 
290
    // 1    Q*
 
291
    // - = ----   where Q* is conjugate (operator~)
 
292
    // Q   Q* Q   and (Q* Q) == Q ^ Q (4D dot)
 
293
 
 
294
    T qdot = *this ^ *this;
 
295
    return Quat( r / qdot, -v / qdot );
 
296
}
 
297
 
 
298
template<class T>
 
299
inline Quat<T>& Quat<T>::invert()
 
300
{
 
301
    T qdot = (*this) ^ (*this);
 
302
    r /= qdot;
 
303
    v = -v / qdot;
 
304
    return *this;
 
305
}
 
306
 
 
307
 
 
308
template<class T>
 
309
T
 
310
angle4D (const Quat<T> &q1, const Quat<T> &q2)
 
311
{
 
312
    //
 
313
    // Compute the angle between two quaternions,
 
314
    // interpreting the quaternions as 4D vectors.
 
315
    //
 
316
 
 
317
    Quat<T> d = q1 - q2;
 
318
    T lengthD = Math<T>::sqrt (d ^ d);
 
319
 
 
320
    Quat<T> s = q1 + q2;
 
321
    T lengthS = Math<T>::sqrt (s ^ s);
 
322
 
 
323
    return 2 * Math<T>::atan2 (lengthD, lengthS);
 
324
}
 
325
 
 
326
 
 
327
template<class T>
 
328
Quat<T>
 
329
slerp(const Quat<T> &q1,const Quat<T> &q2, T t)
 
330
{
 
331
    //
 
332
    // Spherical linear interpolation.
 
333
    // Assumes q1 and q2 are normalized and that q1 != -q2.
 
334
    //
 
335
    // This method does *not* interpolate along the shortest
 
336
    // arc between q1 and q2.  If you desire interpolation
 
337
    // along the shortest arc, and q1^q2 is negative, then
 
338
    // consider flipping the second quaternion explicitly.
 
339
    //
 
340
    // The implementation of squad() depends on a slerp()
 
341
    // that interpolates as is, without the automatic
 
342
    // flipping.
 
343
    //
 
344
    // Don Hatch explains the method we use here on his
 
345
    // web page, The Right Way to Calculate Stuff, at
 
346
    // http://www.plunk.org/~hatch/rightway.php
 
347
    //
 
348
 
 
349
    T a = angle4D (q1, q2);
 
350
    T s = 1 - t;
 
351
 
 
352
    Quat<T> q = sinx_over_x (s * a) / sinx_over_x (a) * s * q1 +
 
353
                sinx_over_x (t * a) / sinx_over_x (a) * t * q2;
 
354
 
 
355
    return q.normalized();
 
356
}
 
357
 
 
358
 
 
359
template<class T>
 
360
Quat<T> spline(const Quat<T> &q0, const Quat<T> &q1,
 
361
               const Quat<T> &q2, const Quat<T> &q3,
 
362
               T t)
 
363
{
 
364
    // Spherical Cubic Spline Interpolation -
 
365
    // from Advanced Animation and Rendering
 
366
    // Techniques by Watt and Watt, Page 366:
 
367
    // A spherical curve is constructed using three
 
368
    // spherical linear interpolations of a quadrangle
 
369
    // of unit quaternions: q1, qa, qb, q2.
 
370
    // Given a set of quaternion keys: q0, q1, q2, q3,
 
371
    // this routine does the interpolation between
 
372
    // q1 and q2 by constructing two intermediate
 
373
    // quaternions: qa and qb. The qa and qb are 
 
374
    // computed by the intermediate function to 
 
375
    // guarantee the continuity of tangents across
 
376
    // adjacent cubic segments. The qa represents in-tangent
 
377
    // for q1 and the qb represents the out-tangent for q2.
 
378
    // 
 
379
    // The q1 q2 is the cubic segment being interpolated. 
 
380
    // The q0 is from the previous adjacent segment and q3 is 
 
381
    // from the next adjacent segment. The q0 and q3 are used
 
382
    // in computing qa and qb.
 
383
    // 
 
384
 
 
385
    Quat<T> qa = intermediate (q0, q1, q2);
 
386
    Quat<T> qb = intermediate (q1, q2, q3);
 
387
    Quat<T> result = squad(q1, qa, qb, q2, t);
 
388
 
 
389
    return result;
 
390
}
 
391
 
 
392
template<class T>
 
393
Quat<T> squad(const Quat<T> &q1, const Quat<T> &qa,
 
394
              const Quat<T> &qb, const Quat<T> &q2,
 
395
              T t)
 
396
{
 
397
    // Spherical Quadrangle Interpolation -
 
398
    // from Advanced Animation and Rendering
 
399
    // Techniques by Watt and Watt, Page 366:
 
400
    // It constructs a spherical cubic interpolation as 
 
401
    // a series of three spherical linear interpolations 
 
402
    // of a quadrangle of unit quaternions. 
 
403
    //     
 
404
  
 
405
    Quat<T> r1 = slerp(q1, q2, t);
 
406
    Quat<T> r2 = slerp(qa, qb, t);
 
407
    Quat<T> result = slerp(r1, r2, 2*t*(1-t));
 
408
 
 
409
    return result;
 
410
}
 
411
 
 
412
template<class T>
 
413
Quat<T> intermediate(const Quat<T> &q0, const Quat<T> &q1, const Quat<T> &q2)
 
414
{
 
415
    // From advanced Animation and Rendering
 
416
    // Techniques by Watt and Watt, Page 366:
 
417
    // computing the inner quadrangle 
 
418
    // points (qa and qb) to guarantee tangent
 
419
    // continuity.
 
420
    // 
 
421
    Quat<T> q1inv = q1.inverse();
 
422
    Quat<T> c1 = q1inv*q2;
 
423
    Quat<T> c2 = q1inv*q0;
 
424
    Quat<T> c3 = (T) (-0.25) * (c2.log() + c1.log());
 
425
    Quat<T> qa = q1 * c3.exp();
 
426
    qa.normalize();
 
427
    return qa;
 
428
}
 
429
 
 
430
template <class T>
 
431
inline Quat<T> Quat<T>::log() const
 
432
{
 
433
    //
 
434
    // For unit quaternion, from Advanced Animation and 
 
435
    // Rendering Techniques by Watt and Watt, Page 366:
 
436
    //
 
437
 
 
438
    T theta = Math<T>::acos (std::min (r, (T) 1.0));
 
439
 
 
440
    if (theta == 0)
 
441
        return Quat<T> (0, v);
 
442
    
 
443
    T sintheta = Math<T>::sin (theta);
 
444
    
 
445
    T k;
 
446
    if (abs (sintheta) < 1 && abs (theta) >= limits<T>::max() * abs (sintheta))
 
447
        k = 1;
 
448
    else
 
449
        k = theta / sintheta;
 
450
 
 
451
    return Quat<T> ((T) 0, v.x * k, v.y * k, v.z * k);
 
452
}
 
453
 
 
454
template <class T>
 
455
inline Quat<T> Quat<T>::exp() const
 
456
{
 
457
    //
 
458
    // For pure quaternion (zero scalar part):
 
459
    // from Advanced Animation and Rendering
 
460
    // Techniques by Watt and Watt, Page 366:
 
461
    //
 
462
 
 
463
    T theta = v.length();
 
464
    T sintheta = Math<T>::sin (theta);
 
465
    
 
466
    T k;
 
467
    if (abs (theta) < 1 && abs (sintheta) >= limits<T>::max() * abs (theta))
 
468
        k = 1;
 
469
    else
 
470
        k = sintheta / theta;
 
471
 
 
472
    T costheta = Math<T>::cos (theta);
 
473
 
 
474
    return Quat<T> (costheta, v.x * k, v.y * k, v.z * k);
 
475
}
 
476
 
 
477
template <class T>
 
478
inline T Quat<T>::angle() const
 
479
{
 
480
    return 2.0*Math<T>::acos(r);
 
481
}
 
482
 
 
483
template <class T>
 
484
inline Vec3<T> Quat<T>::axis() const
 
485
{
 
486
    return v.normalized();
 
487
}
 
488
 
 
489
template <class T>
 
490
inline Quat<T>& Quat<T>::setAxisAngle(const Vec3<T>& axis, T radians)
 
491
{
 
492
    r = Math<T>::cos(radians/2);
 
493
    v = axis.normalized() * Math<T>::sin(radians/2);
 
494
    return *this;
 
495
}
 
496
 
 
497
 
 
498
template <class T>
 
499
Quat<T>&
 
500
Quat<T>::setRotation(const Vec3<T>& from, const Vec3<T>& to)
 
501
{
 
502
    //
 
503
    // Create a quaternion that rotates vector from into vector to,
 
504
    // such that the rotation is around an axis that is the cross
 
505
    // product of from and to.
 
506
    //
 
507
    // This function calls function setRotationInternal(), which is
 
508
    // numerically accurate only for rotation angles that are not much
 
509
    // greater than pi/2.  In order to achieve good accuracy for angles
 
510
    // greater than pi/2, we split large angles in half, and rotate in
 
511
    // two steps.
 
512
    //
 
513
 
 
514
    //
 
515
    // Normalize from and to, yielding f0 and t0.
 
516
    //
 
517
 
 
518
    Vec3<T> f0 = from.normalized();
 
519
    Vec3<T> t0 = to.normalized();
 
520
 
 
521
    if ((f0 ^ t0) >= 0)
 
522
    {
 
523
        //
 
524
        // The rotation angle is less than or equal to pi/2.
 
525
        //
 
526
 
 
527
        setRotationInternal (f0, t0, *this);
 
528
    }
 
529
    else
 
530
    {
 
531
        //
 
532
        // The angle is greater than pi/2.  After computing h0,
 
533
        // which is halfway between f0 and t0, we rotate first
 
534
        // from f0 to h0, then from h0 to t0.
 
535
        //
 
536
 
 
537
        Vec3<T> h0 = (f0 + t0).normalized();
 
538
 
 
539
        if ((h0 ^ h0) != 0)
 
540
        {
 
541
            setRotationInternal (f0, h0, *this);
 
542
 
 
543
            Quat<T> q;
 
544
            setRotationInternal (h0, t0, q);
 
545
 
 
546
            *this *= q;
 
547
        }
 
548
        else
 
549
        {
 
550
            //
 
551
            // f0 and t0 point in exactly opposite directions.
 
552
            // Pick an arbitrary axis that is orthogonal to f0,
 
553
            // and rotate by pi.
 
554
            //
 
555
 
 
556
            r = T (0);
 
557
 
 
558
            Vec3<T> f02 = f0 * f0;
 
559
 
 
560
            if (f02.x <= f02.y && f02.x <= f02.z)
 
561
                v = (f0 % Vec3<T> (1, 0, 0)).normalized();
 
562
            else if (f02.y <= f02.z)
 
563
                v = (f0 % Vec3<T> (0, 1, 0)).normalized();
 
564
            else
 
565
                v = (f0 % Vec3<T> (0, 0, 1)).normalized();
 
566
        }
 
567
    }
 
568
 
 
569
    return *this;
 
570
}
 
571
 
 
572
 
 
573
template <class T>
 
574
void
 
575
Quat<T>::setRotationInternal (const Vec3<T>& f0, const Vec3<T>& t0, Quat<T> &q)
 
576
{
 
577
    //
 
578
    // The following is equivalent to setAxisAngle(n,2*phi),
 
579
    // where the rotation axis, is orthogonal to the f0 and
 
580
    // t0 vectors, and 2*phi is the angle between f0 and t0.
 
581
    //
 
582
    // This function is called by setRotation(), above; it assumes
 
583
    // that f0 and t0 are normalized and that the angle between
 
584
    // them is not much greater than pi/2.  This function becomes
 
585
    // numerically inaccurate if f0 and t0 point into nearly
 
586
    // opposite directions.
 
587
    //
 
588
 
 
589
    //
 
590
    // Find a normalized vector, h0, that is half way between f0 and t0.
 
591
    // The angle between f0 and h0 is phi.
 
592
    //
 
593
 
 
594
    Vec3<T> h0 = (f0 + t0).normalized();
 
595
 
 
596
    //
 
597
    // Store the rotation axis and rotation angle.
 
598
    //
 
599
 
 
600
    q.r = f0 ^ h0;      //  f0 ^ h0 == cos (phi)
 
601
    q.v = f0 % h0;      // (f0 % h0).length() == sin (phi)
 
602
}
 
603
 
 
604
 
 
605
template<class T>
 
606
Matrix33<T> Quat<T>::toMatrix33() const
 
607
{
 
608
    return Matrix33<T>(1. - 2.0 * (v.y * v.y + v.z * v.z),
 
609
                            2.0 * (v.x * v.y + v.z * r),
 
610
                            2.0 * (v.z * v.x - v.y * r),
 
611
 
 
612
                            2.0 * (v.x * v.y - v.z * r),
 
613
                       1. - 2.0 * (v.z * v.z + v.x * v.x),
 
614
                            2.0 * (v.y * v.z + v.x * r),
 
615
 
 
616
                            2.0 * (v.z * v.x + v.y * r),
 
617
                            2.0 * (v.y * v.z - v.x * r),
 
618
                       1. - 2.0 * (v.y * v.y + v.x * v.x));
 
619
}
 
620
 
 
621
template<class T>
 
622
Matrix44<T> Quat<T>::toMatrix44() const
 
623
{
 
624
    return Matrix44<T>(1. - 2.0 * (v.y * v.y + v.z * v.z),
 
625
                            2.0 * (v.x * v.y + v.z * r),
 
626
                            2.0 * (v.z * v.x - v.y * r),
 
627
                            0.,
 
628
                            2.0 * (v.x * v.y - v.z * r),
 
629
                       1. - 2.0 * (v.z * v.z + v.x * v.x),
 
630
                            2.0 * (v.y * v.z + v.x * r),
 
631
                            0.,
 
632
                            2.0 * (v.z * v.x + v.y * r),
 
633
                            2.0 * (v.y * v.z - v.x * r),
 
634
                       1. - 2.0 * (v.y * v.y + v.x * v.x),
 
635
                            0.,
 
636
                            0.,
 
637
                            0.,
 
638
                            0.,
 
639
                            1.0 );
 
640
}
 
641
 
 
642
 
 
643
template<class T>
 
644
inline Matrix33<T> operator* (const Matrix33<T> &M, const Quat<T> &q)
 
645
{
 
646
    return M * q.toMatrix33();
 
647
}
 
648
 
 
649
template<class T>
 
650
inline Matrix33<T> operator* (const Quat<T> &q, const Matrix33<T> &M)
 
651
{
 
652
    return q.toMatrix33() * M;
 
653
}
 
654
 
 
655
template<class T>
 
656
std::ostream& operator<< (std::ostream &o, const Quat<T> &q)
 
657
{
 
658
    return o << "(" << q.r
 
659
             << " " << q.v.x
 
660
             << " " << q.v.y
 
661
             << " " << q.v.z
 
662
             << ")";
 
663
 
 
664
}
 
665
 
 
666
template<class T>
 
667
inline Quat<T> operator* (const Quat<T>& q1, const Quat<T>& q2)
 
668
{
 
669
    // (S1+V1) (S2+V2) = S1 S2 - V1.V2 + S1 V2 + V1 S2 + V1 x V2
 
670
    return Quat<T>( q1.r * q2.r - (q1.v ^ q2.v),
 
671
                    q1.r * q2.v + q1.v * q2.r + q1.v % q2.v );
 
672
}
 
673
 
 
674
template<class T>
 
675
inline Quat<T> operator/ (const Quat<T>& q1, const Quat<T>& q2)
 
676
{
 
677
    return q1 * q2.inverse();
 
678
}
 
679
 
 
680
template<class T>
 
681
inline Quat<T> operator/ (const Quat<T>& q,T t)
 
682
{
 
683
    return Quat<T>(q.r/t,q.v/t);
 
684
}
 
685
 
 
686
template<class T>
 
687
inline Quat<T> operator* (const Quat<T>& q,T t)
 
688
{
 
689
    return Quat<T>(q.r*t,q.v*t);
 
690
}
 
691
 
 
692
template<class T>
 
693
inline Quat<T> operator* (T t, const Quat<T>& q)
 
694
{
 
695
    return Quat<T>(q.r*t,q.v*t);
 
696
}
 
697
 
 
698
template<class T>
 
699
inline Quat<T> operator+ (const Quat<T>& q1, const Quat<T>& q2)
 
700
{
 
701
    return Quat<T>( q1.r + q2.r, q1.v + q2.v );
 
702
}
 
703
 
 
704
template<class T>
 
705
inline Quat<T> operator- (const Quat<T>& q1, const Quat<T>& q2)
 
706
{
 
707
    return Quat<T>( q1.r - q2.r, q1.v - q2.v );
 
708
}
 
709
 
 
710
template<class T>
 
711
inline Quat<T> operator~ (const Quat<T>& q)
 
712
{
 
713
    return Quat<T>( q.r, -q.v );        // conjugate: (S+V)* = S-V
 
714
}
 
715
 
 
716
template<class T>
 
717
inline Quat<T> operator- (const Quat<T>& q)
 
718
{
 
719
    return Quat<T>( -q.r, -q.v );
 
720
}
 
721
 
 
722
template<class T>
 
723
inline Vec3<T> operator* (const Vec3<T>& v, const Quat<T>& q)
 
724
{
 
725
    Vec3<T> a = q.v % v;
 
726
    Vec3<T> b = q.v % a;
 
727
    return v + T (2) * (q.r * a + b);
 
728
}
 
729
 
 
730
#if (defined _WIN32 || defined _WIN64) && defined _MSC_VER
 
731
#pragma warning(default:4244)
 
732
#endif
 
733
 
 
734
} // namespace Imath
 
735
 
 
736
#endif