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Viewing changes to src/java/org/apache/commons/math/geometry/Rotation.java

  • Committer: Bazaar Package Importer
  • Author(s): Damien Raude-Morvan
  • Date: 2009-08-22 01:13:25 UTC
  • mfrom: (1.1.1 upstream)
  • Revision ID: james.westby@ubuntu.com-20090822011325-hi4peq1ua5weguwn
Tags: 2.0-1
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* Set Maintainer field to Debian Java Team
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* Switch to Quilt patch system:
  - Refresh all patchs
  - Remove B-D on dpatch, Add B-D on quilt
  - Include patchsys-quilt.mk in debian/rules
* Bump Standards-Version to 3.8.3:
  - Add a README.source to describe patch system
* Maven POMs:
  - Add a Build-Depends-Indep dependency on maven-repo-helper
  - Use mh_installpom and mh_installjar to install the POM and the jar to the
    Maven repository
* Use default-jdk/jre:
  - Depends on java5-runtime-headless
  - Build-Depends on default-jdk
  - Use /usr/lib/jvm/default-java as JAVA_HOME
* Move api documentation to /usr/share/doc/libcommons-math-java/api
* Build-Depends on junit4 instead of junit

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Lines of Context:
1
 
/*
2
 
 * Licensed to the Apache Software Foundation (ASF) under one or more
3
 
 * contributor license agreements.  See the NOTICE file distributed with
4
 
 * this work for additional information regarding copyright ownership.
5
 
 * The ASF licenses this file to You under the Apache License, Version 2.0
6
 
 * (the "License"); you may not use this file except in compliance with
7
 
 * the License.  You may obtain a copy of the License at
8
 
 *
9
 
 *      http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
10
 
 *
11
 
 * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
12
 
 * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
13
 
 * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
14
 
 * See the License for the specific language governing permissions and
15
 
 * limitations under the License.
16
 
 */
17
 
 
18
 
package org.apache.commons.math.geometry;
19
 
 
20
 
import java.io.Serializable;
21
 
 
22
 
/**
23
 
 * This class implements rotations in a three-dimensional space.
24
 
 *
25
 
 * <p>Rotations can be represented by several different mathematical
26
 
 * entities (matrices, axe and angle, Cardan or Euler angles,
27
 
 * quaternions). This class presents an higher level abstraction, more
28
 
 * user-oriented and hiding this implementation details. Well, for the
29
 
 * curious, we use quaternions for the internal representation. The
30
 
 * user can build a rotation from any of these representations, and
31
 
 * any of these representations can be retrieved from a
32
 
 * <code>Rotation</code> instance (see the various constructors and
33
 
 * getters). In addition, a rotation can also be built implicitely
34
 
 * from a set of vectors and their image.</p>
35
 
 * <p>This implies that this class can be used to convert from one
36
 
 * representation to another one. For example, converting a rotation
37
 
 * matrix into a set of Cardan angles from can be done using the
38
 
 * followong single line of code:</p>
39
 
 * <pre>
40
 
 * double[] angles = new Rotation(matrix, 1.0e-10).getAngles(RotationOrder.XYZ);
41
 
 * </pre>
42
 
 * <p>Focus is oriented on what a rotation <em>do</em> rather than on its
43
 
 * underlying representation. Once it has been built, and regardless of its
44
 
 * internal representation, a rotation is an <em>operator</em> which basically
45
 
 * transforms three dimensional {@link Vector3D vectors} into other three
46
 
 * dimensional {@link Vector3D vectors}. Depending on the application, the
47
 
 * meaning of these vectors may vary and the semantics of the rotation also.</p>
48
 
 * <p>For example in an spacecraft attitude simulation tool, users will often
49
 
 * consider the vectors are fixed (say the Earth direction for example) and the
50
 
 * rotation transforms the coordinates coordinates of this vector in inertial
51
 
 * frame into the coordinates of the same vector in satellite frame. In this
52
 
 * case, the rotation implicitely defines the relation between the two frames.
53
 
 * Another example could be a telescope control application, where the rotation
54
 
 * would transform the sighting direction at rest into the desired observing
55
 
 * direction when the telescope is pointed towards an object of interest. In this
56
 
 * case the rotation transforms the directionf at rest in a topocentric frame
57
 
 * into the sighting direction in the same topocentric frame. In many case, both
58
 
 * approaches will be combined, in our telescope example, we will probably also
59
 
 * need to transform the observing direction in the topocentric frame into the
60
 
 * observing direction in inertial frame taking into account the observatory
61
 
 * location and the Earth rotation.</p>
62
 
 *
63
 
 * <p>These examples show that a rotation is what the user wants it to be, so this
64
 
 * class does not push the user towards one specific definition and hence does not
65
 
 * provide methods like <code>projectVectorIntoDestinationFrame</code> or
66
 
 * <code>computeTransformedDirection</code>. It provides simpler and more generic
67
 
 * methods: {@link #applyTo(Vector3D) applyTo(Vector3D)} and {@link
68
 
 * #applyInverseTo(Vector3D) applyInverseTo(Vector3D)}.</p>
69
 
 *
70
 
 * <p>Since a rotation is basically a vectorial operator, several rotations can be
71
 
 * composed together and the composite operation <code>r = r<sub>1</sub> o
72
 
 * r<sub>2</sub></code> (which means that for each vector <code>u</code>,
73
 
 * <code>r(u) = r<sub>1</sub>(r<sub>2</sub>(u))</code>) is also a rotation. Hence
74
 
 * we can consider that in addition to vectors, a rotation can be applied to other
75
 
 * rotations as well (or to itself). With our previous notations, we would say we
76
 
 * can apply <code>r<sub>1</sub></code> to <code>r<sub>2</sub></code> and the result
77
 
 * we get is <code>r = r<sub>1</sub> o r<sub>2</sub></code>. For this purpose, the
78
 
 * class provides the methods: {@link #applyTo(Rotation) applyTo(Rotation)} and
79
 
 * {@link #applyInverseTo(Rotation) applyInverseTo(Rotation)}.</p>
80
 
 *
81
 
 * <p>Rotations are guaranteed to be immutable objects.</p>
82
 
 *
83
 
 * @version $Revision: 627994 $ $Date: 2008-02-15 03:16:05 -0700 (Fri, 15 Feb 2008) $
84
 
 * @see Vector3D
85
 
 * @see RotationOrder
86
 
 * @since 1.2
87
 
 */
88
 
 
89
 
public class Rotation implements Serializable {
90
 
 
91
 
  /** Build the identity rotation.
92
 
   */
93
 
  public Rotation() {
94
 
    q0 = 1;
95
 
    q1 = 0;
96
 
    q2 = 0;
97
 
    q3 = 0;
98
 
  }
99
 
 
100
 
  /** Build a rotation from the quaternion coordinates.
101
 
   * <p>A rotation can be built from a <em>normalized</em> quaternion,
102
 
   * i.e. a quaternion for which q<sub>0</sub><sup>2</sup> +
103
 
   * q<sub>1</sub><sup>2</sup> + q<sub>2</sub><sup>2</sup> +
104
 
   * q<sub>3</sub><sup>2</sup> = 1. If the quaternion is not normalized,
105
 
   * the constructor can normalize it in a preprocessing step.</p>
106
 
   * @param q0 scalar part of the quaternion
107
 
   * @param q1 first coordinate of the vectorial part of the quaternion
108
 
   * @param q2 second coordinate of the vectorial part of the quaternion
109
 
   * @param q3 third coordinate of the vectorial part of the quaternion
110
 
   * @param needsNormalization if true, the coordinates are considered
111
 
   * not to be normalized, a normalization preprocessing step is performed
112
 
   * before using them
113
 
   */
114
 
  public Rotation(double q0, double q1, double q2, double q3,
115
 
                  boolean needsNormalization) {
116
 
 
117
 
    if (needsNormalization) {
118
 
      // normalization preprocessing
119
 
      double inv = 1.0 / Math.sqrt(q0 * q0 + q1 * q1 + q2 * q2 + q3 * q3);
120
 
      q0 *= inv;
121
 
      q1 *= inv;
122
 
      q2 *= inv;
123
 
      q3 *= inv;
124
 
    }
125
 
 
126
 
    this.q0 = q0;
127
 
    this.q1 = q1;
128
 
    this.q2 = q2;
129
 
    this.q3 = q3;
130
 
 
131
 
  }
132
 
 
133
 
  /** Build a rotation from an axis and an angle.
134
 
   * <p>We use the convention that angles are oriented according to
135
 
   * the effect of the rotation on vectors around the axis. That means
136
 
   * that if (i, j, k) is a direct frame and if we first provide +k as
137
 
   * the axis and PI/2 as the angle to this constructor, and then
138
 
   * {@link #applyTo(Vector3D) apply} the instance to +i, we will get
139
 
   * +j.</p>
140
 
   * @param axis axis around which to rotate
141
 
   * @param angle rotation angle.
142
 
   * @exception ArithmeticException if the axis norm is zero
143
 
   */
144
 
  public Rotation(Vector3D axis, double angle) {
145
 
 
146
 
    double norm = axis.getNorm();
147
 
    if (norm == 0) {
148
 
      throw new ArithmeticException("zero norm for rotation axis");
149
 
    }
150
 
 
151
 
    double halfAngle = -0.5 * angle;
152
 
    double coeff = Math.sin(halfAngle) / norm;
153
 
 
154
 
    q0 = Math.cos (halfAngle);
155
 
    q1 = coeff * axis.getX();
156
 
    q2 = coeff * axis.getY();
157
 
    q3 = coeff * axis.getZ();
158
 
 
159
 
  }
160
 
 
161
 
  /** Build a rotation from a 3X3 matrix.
162
 
 
163
 
   * <p>Rotation matrices are orthogonal matrices, i.e. unit matrices
164
 
   * (which are matrices for which m.m<sup>T</sup> = I) with real
165
 
   * coefficients. The module of the determinant of unit matrices is
166
 
   * 1, among the orthogonal 3X3 matrices, only the ones having a
167
 
   * positive determinant (+1) are rotation matrices.</p>
168
 
 
169
 
   * <p>When a rotation is defined by a matrix with truncated values
170
 
   * (typically when it is extracted from a technical sheet where only
171
 
   * four to five significant digits are available), the matrix is not
172
 
   * orthogonal anymore. This constructor handles this case
173
 
   * transparently by using a copy of the given matrix and applying a
174
 
   * correction to the copy in order to perfect its orthogonality. If
175
 
   * the Frobenius norm of the correction needed is above the given
176
 
   * threshold, then the matrix is considered to be too far from a
177
 
   * true rotation matrix and an exception is thrown.<p>
178
 
 
179
 
   * @param m rotation matrix
180
 
   * @param threshold convergence threshold for the iterative
181
 
   * orthogonality correction (convergence is reached when the
182
 
   * difference between two steps of the Frobenius norm of the
183
 
   * correction is below this threshold)
184
 
 
185
 
   * @exception NotARotationMatrixException if the matrix is not a 3X3
186
 
   * matrix, or if it cannot be transformed into an orthogonal matrix
187
 
   * with the given threshold, or if the determinant of the resulting
188
 
   * orthogonal matrix is negative
189
 
 
190
 
   */
191
 
  public Rotation(double[][] m, double threshold)
192
 
    throws NotARotationMatrixException {
193
 
 
194
 
    // dimension check
195
 
    if ((m.length != 3) || (m[0].length != 3) ||
196
 
        (m[1].length != 3) || (m[2].length != 3)) {
197
 
      throw new NotARotationMatrixException("a {0}x{1} matrix" +
198
 
                                            " cannot be a rotation matrix",
199
 
                                            new Object[] {
200
 
                                              Integer.toString(m.length),
201
 
                                              Integer.toString(m[0].length)
202
 
                                            });
203
 
    }
204
 
 
205
 
    // compute a "close" orthogonal matrix
206
 
    double[][] ort = orthogonalizeMatrix(m, threshold);
207
 
 
208
 
    // check the sign of the determinant
209
 
    double det = ort[0][0] * (ort[1][1] * ort[2][2] - ort[2][1] * ort[1][2]) -
210
 
                 ort[1][0] * (ort[0][1] * ort[2][2] - ort[2][1] * ort[0][2]) +
211
 
                 ort[2][0] * (ort[0][1] * ort[1][2] - ort[1][1] * ort[0][2]);
212
 
    if (det < 0.0) {
213
 
      throw new NotARotationMatrixException("the closest orthogonal matrix" +
214
 
                                            " has a negative determinant {0}",
215
 
                                            new Object[] {
216
 
                                              Double.toString(det)
217
 
                                            });
218
 
    }
219
 
 
220
 
    // There are different ways to compute the quaternions elements
221
 
    // from the matrix. They all involve computing one element from
222
 
    // the diagonal of the matrix, and computing the three other ones
223
 
    // using a formula involving a division by the first element,
224
 
    // which unfortunately can be zero. Since the norm of the
225
 
    // quaternion is 1, we know at least one element has an absolute
226
 
    // value greater or equal to 0.5, so it is always possible to
227
 
    // select the right formula and avoid division by zero and even
228
 
    // numerical inaccuracy. Checking the elements in turn and using
229
 
    // the first one greater than 0.45 is safe (this leads to a simple
230
 
    // test since qi = 0.45 implies 4 qi^2 - 1 = -0.19)
231
 
    double s = ort[0][0] + ort[1][1] + ort[2][2];
232
 
    if (s > -0.19) {
233
 
      // compute q0 and deduce q1, q2 and q3
234
 
      q0 = 0.5 * Math.sqrt(s + 1.0);
235
 
      double inv = 0.25 / q0;
236
 
      q1 = inv * (ort[1][2] - ort[2][1]);
237
 
      q2 = inv * (ort[2][0] - ort[0][2]);
238
 
      q3 = inv * (ort[0][1] - ort[1][0]);
239
 
    } else {
240
 
      s = ort[0][0] - ort[1][1] - ort[2][2];
241
 
      if (s > -0.19) {
242
 
        // compute q1 and deduce q0, q2 and q3
243
 
        q1 = 0.5 * Math.sqrt(s + 1.0);
244
 
        double inv = 0.25 / q1;
245
 
        q0 = inv * (ort[1][2] - ort[2][1]);
246
 
        q2 = inv * (ort[0][1] + ort[1][0]);
247
 
        q3 = inv * (ort[0][2] + ort[2][0]);
248
 
      } else {
249
 
        s = ort[1][1] - ort[0][0] - ort[2][2];
250
 
        if (s > -0.19) {
251
 
          // compute q2 and deduce q0, q1 and q3
252
 
          q2 = 0.5 * Math.sqrt(s + 1.0);
253
 
          double inv = 0.25 / q2;
254
 
          q0 = inv * (ort[2][0] - ort[0][2]);
255
 
          q1 = inv * (ort[0][1] + ort[1][0]);
256
 
          q3 = inv * (ort[2][1] + ort[1][2]);
257
 
        } else {
258
 
          // compute q3 and deduce q0, q1 and q2
259
 
          s = ort[2][2] - ort[0][0] - ort[1][1];
260
 
          q3 = 0.5 * Math.sqrt(s + 1.0);
261
 
          double inv = 0.25 / q3;
262
 
          q0 = inv * (ort[0][1] - ort[1][0]);
263
 
          q1 = inv * (ort[0][2] + ort[2][0]);
264
 
          q2 = inv * (ort[2][1] + ort[1][2]);
265
 
        }
266
 
      }
267
 
    }
268
 
 
269
 
  }
270
 
 
271
 
  /** Build the rotation that transforms a pair of vector into another pair.
272
 
 
273
 
   * <p>Except for possible scale factors, if the instance were applied to
274
 
   * the pair (u<sub>1</sub>, u<sub>2</sub>) it will produce the pair
275
 
   * (v<sub>1</sub>, v<sub>2</sub>).</p>
276
 
 
277
 
   * <p>If the angular separation between u<sub>1</sub> and u<sub>2</sub> is
278
 
   * not the same as the angular separation between v<sub>1</sub> and
279
 
   * v<sub>2</sub>, then a corrected v'<sub>2</sub> will be used rather than
280
 
   * v<sub>2</sub>, the corrected vector will be in the (v<sub>1</sub>,
281
 
   * v<sub>2</sub>) plane.</p>
282
 
 
283
 
   * @param u1 first vector of the origin pair
284
 
   * @param u2 second vector of the origin pair
285
 
   * @param v1 desired image of u1 by the rotation
286
 
   * @param v2 desired image of u2 by the rotation
287
 
   * @exception IllegalArgumentException if the norm of one of the vectors is zero
288
 
   */
289
 
  public Rotation(Vector3D u1, Vector3D u2, Vector3D v1, Vector3D v2) {
290
 
 
291
 
  // norms computation
292
 
  double u1u1 = Vector3D.dotProduct(u1, u1);
293
 
  double u2u2 = Vector3D.dotProduct(u2, u2);
294
 
  double v1v1 = Vector3D.dotProduct(v1, v1);
295
 
  double v2v2 = Vector3D.dotProduct(v2, v2);
296
 
  if ((u1u1 == 0) || (u2u2 == 0) || (v1v1 == 0) || (v2v2 == 0)) {
297
 
    throw new IllegalArgumentException("zero norm for rotation defining vector");
298
 
  }
299
 
 
300
 
  double u1x = u1.getX();
301
 
  double u1y = u1.getY();
302
 
  double u1z = u1.getZ();
303
 
 
304
 
  double u2x = u2.getX();
305
 
  double u2y = u2.getY();
306
 
  double u2z = u2.getZ();
307
 
 
308
 
  // normalize v1 in order to have (v1'|v1') = (u1|u1)
309
 
  double coeff = Math.sqrt (u1u1 / v1v1);
310
 
  double v1x   = coeff * v1.getX();
311
 
  double v1y   = coeff * v1.getY();
312
 
  double v1z   = coeff * v1.getZ();
313
 
  v1 = new Vector3D(v1x, v1y, v1z);
314
 
 
315
 
  // adjust v2 in order to have (u1|u2) = (v1|v2) and (v2'|v2') = (u2|u2)
316
 
  double u1u2   = Vector3D.dotProduct(u1, u2);
317
 
  double v1v2   = Vector3D.dotProduct(v1, v2);
318
 
  double coeffU = u1u2 / u1u1;
319
 
  double coeffV = v1v2 / u1u1;
320
 
  double beta   = Math.sqrt((u2u2 - u1u2 * coeffU) / (v2v2 - v1v2 * coeffV));
321
 
  double alpha  = coeffU - beta * coeffV;
322
 
  double v2x    = alpha * v1x + beta * v2.getX();
323
 
  double v2y    = alpha * v1y + beta * v2.getY();
324
 
  double v2z    = alpha * v1z + beta * v2.getZ();
325
 
  v2 = new Vector3D(v2x, v2y, v2z);
326
 
 
327
 
  // preliminary computation (we use explicit formulation instead
328
 
  // of relying on the Vector3D class in order to avoid building lots
329
 
  // of temporary objects)
330
 
  Vector3D uRef = u1;
331
 
  Vector3D vRef = v1;
332
 
  double dx1 = v1x - u1.getX();
333
 
  double dy1 = v1y - u1.getY();
334
 
  double dz1 = v1z - u1.getZ();
335
 
  double dx2 = v2x - u2.getX();
336
 
  double dy2 = v2y - u2.getY();
337
 
  double dz2 = v2z - u2.getZ();
338
 
  Vector3D k = new Vector3D(dy1 * dz2 - dz1 * dy2,
339
 
                            dz1 * dx2 - dx1 * dz2,
340
 
                            dx1 * dy2 - dy1 * dx2);
341
 
  double c = k.getX() * (u1y * u2z - u1z * u2y) +
342
 
             k.getY() * (u1z * u2x - u1x * u2z) +
343
 
             k.getZ() * (u1x * u2y - u1y * u2x);
344
 
 
345
 
  if (c == 0) {
346
 
    // the (q1, q2, q3) vector is in the (u1, u2) plane
347
 
    // we try other vectors
348
 
    Vector3D u3 = Vector3D.crossProduct(u1, u2);
349
 
    Vector3D v3 = Vector3D.crossProduct(v1, v2);
350
 
    double u3x  = u3.getX();
351
 
    double u3y  = u3.getY();
352
 
    double u3z  = u3.getZ();
353
 
    double v3x  = v3.getX();
354
 
    double v3y  = v3.getY();
355
 
    double v3z  = v3.getZ();
356
 
 
357
 
    double dx3 = v3x - u3x;
358
 
    double dy3 = v3y - u3y;
359
 
    double dz3 = v3z - u3z;
360
 
    k = new Vector3D(dy1 * dz3 - dz1 * dy3,
361
 
                     dz1 * dx3 - dx1 * dz3,
362
 
                     dx1 * dy3 - dy1 * dx3);
363
 
    c = k.getX() * (u1y * u3z - u1z * u3y) +
364
 
        k.getY() * (u1z * u3x - u1x * u3z) +
365
 
        k.getZ() * (u1x * u3y - u1y * u3x);
366
 
 
367
 
    if (c == 0) {
368
 
      // the (q1, q2, q3) vector is aligned with u1:
369
 
      // we try (u2, u3) and (v2, v3)
370
 
      k = new Vector3D(dy2 * dz3 - dz2 * dy3,
371
 
                       dz2 * dx3 - dx2 * dz3,
372
 
                       dx2 * dy3 - dy2 * dx3);
373
 
      c = k.getX() * (u2y * u3z - u2z * u3y) +
374
 
          k.getY() * (u2z * u3x - u2x * u3z) +
375
 
          k.getZ() * (u2x * u3y - u2y * u3x);
376
 
 
377
 
      if (c == 0) {
378
 
        // the (q1, q2, q3) vector is aligned with everything
379
 
        // this is really the identity rotation
380
 
        q0 = 1.0;
381
 
        q1 = 0.0;
382
 
        q2 = 0.0;
383
 
        q3 = 0.0;
384
 
        return;
385
 
      }
386
 
 
387
 
      // we will have to use u2 and v2 to compute the scalar part
388
 
      uRef = u2;
389
 
      vRef = v2;
390
 
 
391
 
    }
392
 
 
393
 
  }
394
 
 
395
 
  // compute the vectorial part
396
 
  c = Math.sqrt(c);
397
 
  double inv = 1.0 / (c + c);
398
 
  q1 = inv * k.getX();
399
 
  q2 = inv * k.getY();
400
 
  q3 = inv * k.getZ();
401
 
 
402
 
  // compute the scalar part
403
 
   k = new Vector3D(uRef.getY() * q3 - uRef.getZ() * q2,
404
 
                    uRef.getZ() * q1 - uRef.getX() * q3,
405
 
                    uRef.getX() * q2 - uRef.getY() * q1);
406
 
   c = Vector3D.dotProduct(k, k);
407
 
  q0 = Vector3D.dotProduct(vRef, k) / (c + c);
408
 
 
409
 
  }
410
 
 
411
 
  /** Build one of the rotations that transform one vector into another one.
412
 
 
413
 
   * <p>Except for a possible scale factor, if the instance were
414
 
   * applied to the vector u it will produce the vector v. There is an
415
 
   * infinite number of such rotations, this constructor choose the
416
 
   * one with the smallest associated angle (i.e. the one whose axis
417
 
   * is orthogonal to the (u, v) plane). If u and v are colinear, an
418
 
   * arbitrary rotation axis is chosen.</p>
419
 
 
420
 
   * @param u origin vector
421
 
   * @param v desired image of u by the rotation
422
 
   * @exception IllegalArgumentException if the norm of one of the vectors is zero
423
 
   */
424
 
  public Rotation(Vector3D u, Vector3D v) {
425
 
 
426
 
    double normProduct = u.getNorm() * v.getNorm();
427
 
    if (normProduct == 0) {
428
 
      throw new IllegalArgumentException("zero norm for rotation defining vector");
429
 
    }
430
 
 
431
 
    double dot = Vector3D.dotProduct(u, v);
432
 
 
433
 
    if (dot < ((2.0e-15 - 1.0) * normProduct)) {
434
 
      // special case u = -v: we select a PI angle rotation around
435
 
      // an arbitrary vector orthogonal to u
436
 
      Vector3D w = u.orthogonal();
437
 
      q0 = 0.0;
438
 
      q1 = -w.getX();
439
 
      q2 = -w.getY();
440
 
      q3 = -w.getZ();
441
 
    } else {
442
 
      // general case: (u, v) defines a plane, we select
443
 
      // the shortest possible rotation: axis orthogonal to this plane
444
 
      q0 = Math.sqrt(0.5 * (1.0 + dot / normProduct));
445
 
      double coeff = 1.0 / (2.0 * q0 * normProduct);
446
 
      q1 = coeff * (v.getY() * u.getZ() - v.getZ() * u.getY());
447
 
      q2 = coeff * (v.getZ() * u.getX() - v.getX() * u.getZ());
448
 
      q3 = coeff * (v.getX() * u.getY() - v.getY() * u.getX());
449
 
    }
450
 
 
451
 
  }
452
 
 
453
 
  /** Build a rotation from three Cardan or Euler elementary rotations.
454
 
 
455
 
   * <p>Cardan rotations are three successive rotations around the
456
 
   * canonical axes X, Y and Z, each axis beeing used once. There are
457
 
   * 6 such sets of rotations (XYZ, XZY, YXZ, YZX, ZXY and ZYX). Euler
458
 
   * rotations are three successive rotations around the canonical
459
 
   * axes X, Y and Z, the first and last rotations beeing around the
460
 
   * same axis. There are 6 such sets of rotations (XYX, XZX, YXY,
461
 
   * YZY, ZXZ and ZYZ), the most popular one being ZXZ.</p>
462
 
   * <p>Beware that many people routinely use the term Euler angles even
463
 
   * for what really are Cardan angles (this confusion is especially
464
 
   * widespread in the aerospace business where Roll, Pitch and Yaw angles
465
 
   * are often wrongly tagged as Euler angles).</p>
466
 
 
467
 
   * @param order order of rotations to use
468
 
   * @param alpha1 angle of the first elementary rotation
469
 
   * @param alpha2 angle of the second elementary rotation
470
 
   * @param alpha3 angle of the third elementary rotation
471
 
   */
472
 
  public Rotation(RotationOrder order,
473
 
                  double alpha1, double alpha2, double alpha3) {
474
 
    Rotation r1 = new Rotation(order.getA1(), alpha1);
475
 
    Rotation r2 = new Rotation(order.getA2(), alpha2);
476
 
    Rotation r3 = new Rotation(order.getA3(), alpha3);
477
 
    Rotation composed = r1.applyTo(r2.applyTo(r3));
478
 
    q0 = composed.q0;
479
 
    q1 = composed.q1;
480
 
    q2 = composed.q2;
481
 
    q3 = composed.q3;
482
 
  }
483
 
 
484
 
  /** Revert a rotation.
485
 
   * Build a rotation which reverse the effect of another
486
 
   * rotation. This means that if r(u) = v, then r.revert(v) = u. The
487
 
   * instance is not changed.
488
 
   * @return a new rotation whose effect is the reverse of the effect
489
 
   * of the instance
490
 
   */
491
 
  public Rotation revert() {
492
 
    return new Rotation(-q0, q1, q2, q3, false);
493
 
  }
494
 
 
495
 
  /** Get the scalar coordinate of the quaternion.
496
 
   * @return scalar coordinate of the quaternion
497
 
   */
498
 
  public double getQ0() {
499
 
    return q0;
500
 
  }
501
 
 
502
 
  /** Get the first coordinate of the vectorial part of the quaternion.
503
 
   * @return first coordinate of the vectorial part of the quaternion
504
 
   */
505
 
  public double getQ1() {
506
 
    return q1;
507
 
  }
508
 
 
509
 
  /** Get the second coordinate of the vectorial part of the quaternion.
510
 
   * @return second coordinate of the vectorial part of the quaternion
511
 
   */
512
 
  public double getQ2() {
513
 
    return q2;
514
 
  }
515
 
 
516
 
  /** Get the third coordinate of the vectorial part of the quaternion.
517
 
   * @return third coordinate of the vectorial part of the quaternion
518
 
   */
519
 
  public double getQ3() {
520
 
    return q3;
521
 
  }
522
 
 
523
 
  /** Get the normalized axis of the rotation.
524
 
   * @return normalized axis of the rotation
525
 
   */
526
 
  public Vector3D getAxis() {
527
 
    double squaredSine = q1 * q1 + q2 * q2 + q3 * q3;
528
 
    if (squaredSine == 0) {
529
 
      return new Vector3D(1, 0, 0);
530
 
    } else if (q0 < 0) {
531
 
      double inverse = 1 / Math.sqrt(squaredSine);
532
 
      return new Vector3D(q1 * inverse, q2 * inverse, q3 * inverse);
533
 
    }
534
 
    double inverse = -1 / Math.sqrt(squaredSine);
535
 
    return new Vector3D(q1 * inverse, q2 * inverse, q3 * inverse);
536
 
  }
537
 
 
538
 
  /** Get the angle of the rotation.
539
 
   * @return angle of the rotation (between 0 and &pi;)
540
 
   */
541
 
  public double getAngle() {
542
 
    if ((q0 < -0.1) || (q0 > 0.1)) {
543
 
      return 2 * Math.asin(Math.sqrt(q1 * q1 + q2 * q2 + q3 * q3));
544
 
    } else if (q0 < 0) {
545
 
      return 2 * Math.acos(-q0);
546
 
    }
547
 
    return 2 * Math.acos(q0);
548
 
  }
549
 
 
550
 
  /** Get the Cardan or Euler angles corresponding to the instance.
551
 
 
552
 
   * <p>The equations show that each rotation can be defined by two
553
 
   * different values of the Cardan or Euler angles set. For example
554
 
   * if Cardan angles are used, the rotation defined by the angles
555
 
   * a<sub>1</sub>, a<sub>2</sub> and a<sub>3</sub> is the same as
556
 
   * the rotation defined by the angles &pi; + a<sub>1</sub>, &pi;
557
 
   * - a<sub>2</sub> and &pi; + a<sub>3</sub>. This method implements
558
 
   * the following arbitrary choices:</p>
559
 
   * <ul>
560
 
   *   <li>for Cardan angles, the chosen set is the one for which the
561
 
   *   second angle is between -&pi;/2 and &pi;/2 (i.e its cosine is
562
 
   *   positive),</li>
563
 
   *   <li>for Euler angles, the chosen set is the one for which the
564
 
   *   second angle is between 0 and &pi; (i.e its sine is positive).</li>
565
 
   * </ul>
566
 
 
567
 
   * <p>Cardan and Euler angle have a very disappointing drawback: all
568
 
   * of them have singularities. This means that if the instance is
569
 
   * too close to the singularities corresponding to the given
570
 
   * rotation order, it will be impossible to retrieve the angles. For
571
 
   * Cardan angles, this is often called gimbal lock. There is
572
 
   * <em>nothing</em> to do to prevent this, it is an intrinsic problem
573
 
   * with Cardan and Euler representation (but not a problem with the
574
 
   * rotation itself, which is perfectly well defined). For Cardan
575
 
   * angles, singularities occur when the second angle is close to
576
 
   * -&pi;/2 or +&pi;/2, for Euler angle singularities occur when the
577
 
   * second angle is close to 0 or &pi;, this implies that the identity
578
 
   * rotation is always singular for Euler angles!</p>
579
 
 
580
 
   * @param order rotation order to use
581
 
   * @return an array of three angles, in the order specified by the set
582
 
   * @exception CardanEulerSingularityException if the rotation is
583
 
   * singular with respect to the angles set specified
584
 
   */
585
 
  public double[] getAngles(RotationOrder order)
586
 
    throws CardanEulerSingularityException {
587
 
 
588
 
    if (order == RotationOrder.XYZ) {
589
 
 
590
 
      // r (Vector3D.plusK) coordinates are :
591
 
      //  sin (theta), -cos (theta) sin (phi), cos (theta) cos (phi)
592
 
      // (-r) (Vector3D.plusI) coordinates are :
593
 
      // cos (psi) cos (theta), -sin (psi) cos (theta), sin (theta)
594
 
      // and we can choose to have theta in the interval [-PI/2 ; +PI/2]
595
 
      Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusK);
596
 
      Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusI);
597
 
      if  ((v2.getZ() < -0.9999999999) || (v2.getZ() > 0.9999999999)) {
598
 
        throw new CardanEulerSingularityException(true);
599
 
      }
600
 
      return new double[] {
601
 
        Math.atan2(-(v1.getY()), v1.getZ()),
602
 
        Math.asin(v2.getZ()),
603
 
        Math.atan2(-(v2.getY()), v2.getX())
604
 
      };
605
 
 
606
 
    } else if (order == RotationOrder.XZY) {
607
 
 
608
 
      // r (Vector3D.plusJ) coordinates are :
609
 
      // -sin (psi), cos (psi) cos (phi), cos (psi) sin (phi)
610
 
      // (-r) (Vector3D.plusI) coordinates are :
611
 
      // cos (theta) cos (psi), -sin (psi), sin (theta) cos (psi)
612
 
      // and we can choose to have psi in the interval [-PI/2 ; +PI/2]
613
 
      Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusJ);
614
 
      Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusI);
615
 
      if ((v2.getY() < -0.9999999999) || (v2.getY() > 0.9999999999)) {
616
 
        throw new CardanEulerSingularityException(true);
617
 
      }
618
 
      return new double[] {
619
 
        Math.atan2(v1.getZ(), v1.getY()),
620
 
       -Math.asin(v2.getY()),
621
 
        Math.atan2(v2.getZ(), v2.getX())
622
 
      };
623
 
 
624
 
    } else if (order == RotationOrder.YXZ) {
625
 
 
626
 
      // r (Vector3D.plusK) coordinates are :
627
 
      //  cos (phi) sin (theta), -sin (phi), cos (phi) cos (theta)
628
 
      // (-r) (Vector3D.plusJ) coordinates are :
629
 
      // sin (psi) cos (phi), cos (psi) cos (phi), -sin (phi)
630
 
      // and we can choose to have phi in the interval [-PI/2 ; +PI/2]
631
 
      Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusK);
632
 
      Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusJ);
633
 
      if ((v2.getZ() < -0.9999999999) || (v2.getZ() > 0.9999999999)) {
634
 
        throw new CardanEulerSingularityException(true);
635
 
      }
636
 
      return new double[] {
637
 
        Math.atan2(v1.getX(), v1.getZ()),
638
 
       -Math.asin(v2.getZ()),
639
 
        Math.atan2(v2.getX(), v2.getY())
640
 
      };
641
 
 
642
 
    } else if (order == RotationOrder.YZX) {
643
 
 
644
 
      // r (Vector3D.plusI) coordinates are :
645
 
      // cos (psi) cos (theta), sin (psi), -cos (psi) sin (theta)
646
 
      // (-r) (Vector3D.plusJ) coordinates are :
647
 
      // sin (psi), cos (phi) cos (psi), -sin (phi) cos (psi)
648
 
      // and we can choose to have psi in the interval [-PI/2 ; +PI/2]
649
 
      Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusI);
650
 
      Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusJ);
651
 
      if ((v2.getX() < -0.9999999999) || (v2.getX() > 0.9999999999)) {
652
 
        throw new CardanEulerSingularityException(true);
653
 
      }
654
 
      return new double[] {
655
 
        Math.atan2(-(v1.getZ()), v1.getX()),
656
 
        Math.asin(v2.getX()),
657
 
        Math.atan2(-(v2.getZ()), v2.getY())
658
 
      };
659
 
 
660
 
    } else if (order == RotationOrder.ZXY) {
661
 
 
662
 
      // r (Vector3D.plusJ) coordinates are :
663
 
      // -cos (phi) sin (psi), cos (phi) cos (psi), sin (phi)
664
 
      // (-r) (Vector3D.plusK) coordinates are :
665
 
      // -sin (theta) cos (phi), sin (phi), cos (theta) cos (phi)
666
 
      // and we can choose to have phi in the interval [-PI/2 ; +PI/2]
667
 
      Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusJ);
668
 
      Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusK);
669
 
      if ((v2.getY() < -0.9999999999) || (v2.getY() > 0.9999999999)) {
670
 
        throw new CardanEulerSingularityException(true);
671
 
      }
672
 
      return new double[] {
673
 
        Math.atan2(-(v1.getX()), v1.getY()),
674
 
        Math.asin(v2.getY()),
675
 
        Math.atan2(-(v2.getX()), v2.getZ())
676
 
      };
677
 
 
678
 
    } else if (order == RotationOrder.ZYX) {
679
 
 
680
 
      // r (Vector3D.plusI) coordinates are :
681
 
      //  cos (theta) cos (psi), cos (theta) sin (psi), -sin (theta)
682
 
      // (-r) (Vector3D.plusK) coordinates are :
683
 
      // -sin (theta), sin (phi) cos (theta), cos (phi) cos (theta)
684
 
      // and we can choose to have theta in the interval [-PI/2 ; +PI/2]
685
 
      Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusI);
686
 
      Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusK);
687
 
      if ((v2.getX() < -0.9999999999) || (v2.getX() > 0.9999999999)) {
688
 
        throw new CardanEulerSingularityException(true);
689
 
      }
690
 
      return new double[] {
691
 
        Math.atan2(v1.getY(), v1.getX()),
692
 
       -Math.asin(v2.getX()),
693
 
        Math.atan2(v2.getY(), v2.getZ())
694
 
      };
695
 
 
696
 
    } else if (order == RotationOrder.XYX) {
697
 
 
698
 
      // r (Vector3D.plusI) coordinates are :
699
 
      //  cos (theta), sin (phi1) sin (theta), -cos (phi1) sin (theta)
700
 
      // (-r) (Vector3D.plusI) coordinates are :
701
 
      // cos (theta), sin (theta) sin (phi2), sin (theta) cos (phi2)
702
 
      // and we can choose to have theta in the interval [0 ; PI]
703
 
      Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusI);
704
 
      Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusI);
705
 
      if ((v2.getX() < -0.9999999999) || (v2.getX() > 0.9999999999)) {
706
 
        throw new CardanEulerSingularityException(false);
707
 
      }
708
 
      return new double[] {
709
 
        Math.atan2(v1.getY(), -v1.getZ()),
710
 
        Math.acos(v2.getX()),
711
 
        Math.atan2(v2.getY(), v2.getZ())
712
 
      };
713
 
 
714
 
    } else if (order == RotationOrder.XZX) {
715
 
 
716
 
      // r (Vector3D.plusI) coordinates are :
717
 
      //  cos (psi), cos (phi1) sin (psi), sin (phi1) sin (psi)
718
 
      // (-r) (Vector3D.plusI) coordinates are :
719
 
      // cos (psi), -sin (psi) cos (phi2), sin (psi) sin (phi2)
720
 
      // and we can choose to have psi in the interval [0 ; PI]
721
 
      Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusI);
722
 
      Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusI);
723
 
      if ((v2.getX() < -0.9999999999) || (v2.getX() > 0.9999999999)) {
724
 
        throw new CardanEulerSingularityException(false);
725
 
      }
726
 
      return new double[] {
727
 
        Math.atan2(v1.getZ(), v1.getY()),
728
 
        Math.acos(v2.getX()),
729
 
        Math.atan2(v2.getZ(), -v2.getY())
730
 
      };
731
 
 
732
 
    } else if (order == RotationOrder.YXY) {
733
 
 
734
 
      // r (Vector3D.plusJ) coordinates are :
735
 
      //  sin (theta1) sin (phi), cos (phi), cos (theta1) sin (phi)
736
 
      // (-r) (Vector3D.plusJ) coordinates are :
737
 
      // sin (phi) sin (theta2), cos (phi), -sin (phi) cos (theta2)
738
 
      // and we can choose to have phi in the interval [0 ; PI]
739
 
      Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusJ);
740
 
      Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusJ);
741
 
      if ((v2.getY() < -0.9999999999) || (v2.getY() > 0.9999999999)) {
742
 
        throw new CardanEulerSingularityException(false);
743
 
      }
744
 
      return new double[] {
745
 
        Math.atan2(v1.getX(), v1.getZ()),
746
 
        Math.acos(v2.getY()),
747
 
        Math.atan2(v2.getX(), -v2.getZ())
748
 
      };
749
 
 
750
 
    } else if (order == RotationOrder.YZY) {
751
 
 
752
 
      // r (Vector3D.plusJ) coordinates are :
753
 
      //  -cos (theta1) sin (psi), cos (psi), sin (theta1) sin (psi)
754
 
      // (-r) (Vector3D.plusJ) coordinates are :
755
 
      // sin (psi) cos (theta2), cos (psi), sin (psi) sin (theta2)
756
 
      // and we can choose to have psi in the interval [0 ; PI]
757
 
      Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusJ);
758
 
      Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusJ);
759
 
      if ((v2.getY() < -0.9999999999) || (v2.getY() > 0.9999999999)) {
760
 
        throw new CardanEulerSingularityException(false);
761
 
      }
762
 
      return new double[] {
763
 
        Math.atan2(v1.getZ(), -v1.getX()),
764
 
        Math.acos(v2.getY()),
765
 
        Math.atan2(v2.getZ(), v2.getX())
766
 
      };
767
 
 
768
 
    } else if (order == RotationOrder.ZXZ) {
769
 
 
770
 
      // r (Vector3D.plusK) coordinates are :
771
 
      //  sin (psi1) sin (phi), -cos (psi1) sin (phi), cos (phi)
772
 
      // (-r) (Vector3D.plusK) coordinates are :
773
 
      // sin (phi) sin (psi2), sin (phi) cos (psi2), cos (phi)
774
 
      // and we can choose to have phi in the interval [0 ; PI]
775
 
      Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusK);
776
 
      Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusK);
777
 
      if ((v2.getZ() < -0.9999999999) || (v2.getZ() > 0.9999999999)) {
778
 
        throw new CardanEulerSingularityException(false);
779
 
      }
780
 
      return new double[] {
781
 
        Math.atan2(v1.getX(), -v1.getY()),
782
 
        Math.acos(v2.getZ()),
783
 
        Math.atan2(v2.getX(), v2.getY())
784
 
      };
785
 
 
786
 
    } else { // last possibility is ZYZ
787
 
 
788
 
      // r (Vector3D.plusK) coordinates are :
789
 
      //  cos (psi1) sin (theta), sin (psi1) sin (theta), cos (theta)
790
 
      // (-r) (Vector3D.plusK) coordinates are :
791
 
      // -sin (theta) cos (psi2), sin (theta) sin (psi2), cos (theta)
792
 
      // and we can choose to have theta in the interval [0 ; PI]
793
 
      Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusK);
794
 
      Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusK);
795
 
      if ((v2.getZ() < -0.9999999999) || (v2.getZ() > 0.9999999999)) {
796
 
        throw new CardanEulerSingularityException(false);
797
 
      }
798
 
      return new double[] {
799
 
        Math.atan2(v1.getY(), v1.getX()),
800
 
        Math.acos(v2.getZ()),
801
 
        Math.atan2(v2.getY(), -v2.getX())
802
 
      };
803
 
 
804
 
    }
805
 
 
806
 
  }
807
 
 
808
 
  /** Get the 3X3 matrix corresponding to the instance
809
 
   * @return the matrix corresponding to the instance
810
 
   */
811
 
  public double[][] getMatrix() {
812
 
 
813
 
    // products
814
 
    double q0q0  = q0 * q0;
815
 
    double q0q1  = q0 * q1;
816
 
    double q0q2  = q0 * q2;
817
 
    double q0q3  = q0 * q3;
818
 
    double q1q1  = q1 * q1;
819
 
    double q1q2  = q1 * q2;
820
 
    double q1q3  = q1 * q3;
821
 
    double q2q2  = q2 * q2;
822
 
    double q2q3  = q2 * q3;
823
 
    double q3q3  = q3 * q3;
824
 
 
825
 
    // create the matrix
826
 
    double[][] m = new double[3][];
827
 
    m[0] = new double[3];
828
 
    m[1] = new double[3];
829
 
    m[2] = new double[3];
830
 
 
831
 
    m [0][0] = 2.0 * (q0q0 + q1q1) - 1.0;
832
 
    m [1][0] = 2.0 * (q1q2 - q0q3);
833
 
    m [2][0] = 2.0 * (q1q3 + q0q2);
834
 
 
835
 
    m [0][1] = 2.0 * (q1q2 + q0q3);
836
 
    m [1][1] = 2.0 * (q0q0 + q2q2) - 1.0;
837
 
    m [2][1] = 2.0 * (q2q3 - q0q1);
838
 
 
839
 
    m [0][2] = 2.0 * (q1q3 - q0q2);
840
 
    m [1][2] = 2.0 * (q2q3 + q0q1);
841
 
    m [2][2] = 2.0 * (q0q0 + q3q3) - 1.0;
842
 
 
843
 
    return m;
844
 
 
845
 
  }
846
 
 
847
 
  /** Apply the rotation to a vector.
848
 
   * @param u vector to apply the rotation to
849
 
   * @return a new vector which is the image of u by the rotation
850
 
   */
851
 
  public Vector3D applyTo(Vector3D u) {
852
 
 
853
 
    double x = u.getX();
854
 
    double y = u.getY();
855
 
    double z = u.getZ();
856
 
 
857
 
    double s = q1 * x + q2 * y + q3 * z;
858
 
 
859
 
    return new Vector3D(2 * (q0 * (x * q0 - (q2 * z - q3 * y)) + s * q1) - x,
860
 
                        2 * (q0 * (y * q0 - (q3 * x - q1 * z)) + s * q2) - y,
861
 
                        2 * (q0 * (z * q0 - (q1 * y - q2 * x)) + s * q3) - z);
862
 
 
863
 
  }
864
 
 
865
 
  /** Apply the inverse of the rotation to a vector.
866
 
   * @param u vector to apply the inverse of the rotation to
867
 
   * @return a new vector which such that u is its image by the rotation
868
 
   */
869
 
  public Vector3D applyInverseTo(Vector3D u) {
870
 
 
871
 
    double x = u.getX();
872
 
    double y = u.getY();
873
 
    double z = u.getZ();
874
 
 
875
 
    double s = q1 * x + q2 * y + q3 * z;
876
 
    double m0 = -q0;
877
 
 
878
 
    return new Vector3D(2 * (m0 * (x * m0 - (q2 * z - q3 * y)) + s * q1) - x,
879
 
                        2 * (m0 * (y * m0 - (q3 * x - q1 * z)) + s * q2) - y,
880
 
                        2 * (m0 * (z * m0 - (q1 * y - q2 * x)) + s * q3) - z);
881
 
 
882
 
  }
883
 
 
884
 
  /** Apply the instance to another rotation.
885
 
   * Applying the instance to a rotation is computing the composition
886
 
   * in an order compliant with the following rule : let u be any
887
 
   * vector and v its image by r (i.e. r.applyTo(u) = v), let w be the image
888
 
   * of v by the instance (i.e. applyTo(v) = w), then w = comp.applyTo(u),
889
 
   * where comp = applyTo(r).
890
 
   * @param r rotation to apply the rotation to
891
 
   * @return a new rotation which is the composition of r by the instance
892
 
   */
893
 
  public Rotation applyTo(Rotation r) {
894
 
    return new Rotation(r.q0 * q0 - (r.q1 * q1 + r.q2 * q2 + r.q3 * q3),
895
 
                        r.q1 * q0 + r.q0 * q1 + (r.q2 * q3 - r.q3 * q2),
896
 
                        r.q2 * q0 + r.q0 * q2 + (r.q3 * q1 - r.q1 * q3),
897
 
                        r.q3 * q0 + r.q0 * q3 + (r.q1 * q2 - r.q2 * q1),
898
 
                        false);
899
 
  }
900
 
 
901
 
  /** Apply the inverse of the instance to another rotation.
902
 
   * Applying the inverse of the instance to a rotation is computing
903
 
   * the composition in an order compliant with the following rule :
904
 
   * let u be any vector and v its image by r (i.e. r.applyTo(u) = v),
905
 
   * let w be the inverse image of v by the instance
906
 
   * (i.e. applyInverseTo(v) = w), then w = comp.applyTo(u), where
907
 
   * comp = applyInverseTo(r).
908
 
   * @param r rotation to apply the rotation to
909
 
   * @return a new rotation which is the composition of r by the inverse
910
 
   * of the instance
911
 
   */
912
 
  public Rotation applyInverseTo(Rotation r) {
913
 
    return new Rotation(-r.q0 * q0 - (r.q1 * q1 + r.q2 * q2 + r.q3 * q3),
914
 
                        -r.q1 * q0 + r.q0 * q1 + (r.q2 * q3 - r.q3 * q2),
915
 
                        -r.q2 * q0 + r.q0 * q2 + (r.q3 * q1 - r.q1 * q3),
916
 
                        -r.q3 * q0 + r.q0 * q3 + (r.q1 * q2 - r.q2 * q1),
917
 
                        false);
918
 
  }
919
 
 
920
 
  /** Perfect orthogonality on a 3X3 matrix.
921
 
   * @param m initial matrix (not exactly orthogonal)
922
 
   * @param threshold convergence threshold for the iterative
923
 
   * orthogonality correction (convergence is reached when the
924
 
   * difference between two steps of the Frobenius norm of the
925
 
   * correction is below this threshold)
926
 
   * @return an orthogonal matrix close to m
927
 
   * @exception NotARotationMatrixException if the matrix cannot be
928
 
   * orthogonalized with the given threshold after 10 iterations
929
 
   */
930
 
  private double[][] orthogonalizeMatrix(double[][] m, double threshold)
931
 
    throws NotARotationMatrixException {
932
 
    double[] m0 = m[0];
933
 
    double[] m1 = m[1];
934
 
    double[] m2 = m[2];
935
 
    double x00 = m0[0];
936
 
    double x01 = m0[1];
937
 
    double x02 = m0[2];
938
 
    double x10 = m1[0];
939
 
    double x11 = m1[1];
940
 
    double x12 = m1[2];
941
 
    double x20 = m2[0];
942
 
    double x21 = m2[1];
943
 
    double x22 = m2[2];
944
 
    double fn = 0;
945
 
    double fn1;
946
 
 
947
 
    double[][] o = new double[3][3];
948
 
    double[] o0 = o[0];
949
 
    double[] o1 = o[1];
950
 
    double[] o2 = o[2];
951
 
 
952
 
    // iterative correction: Xn+1 = Xn - 0.5 * (Xn.Mt.Xn - M)
953
 
    int i = 0;
954
 
    while (++i < 11) {
955
 
 
956
 
      // Mt.Xn
957
 
      double mx00 = m0[0] * x00 + m1[0] * x10 + m2[0] * x20;
958
 
      double mx10 = m0[1] * x00 + m1[1] * x10 + m2[1] * x20;
959
 
      double mx20 = m0[2] * x00 + m1[2] * x10 + m2[2] * x20;
960
 
      double mx01 = m0[0] * x01 + m1[0] * x11 + m2[0] * x21;
961
 
      double mx11 = m0[1] * x01 + m1[1] * x11 + m2[1] * x21;
962
 
      double mx21 = m0[2] * x01 + m1[2] * x11 + m2[2] * x21;
963
 
      double mx02 = m0[0] * x02 + m1[0] * x12 + m2[0] * x22;
964
 
      double mx12 = m0[1] * x02 + m1[1] * x12 + m2[1] * x22;
965
 
      double mx22 = m0[2] * x02 + m1[2] * x12 + m2[2] * x22;
966
 
 
967
 
      // Xn+1
968
 
      o0[0] = x00 - 0.5 * (x00 * mx00 + x01 * mx10 + x02 * mx20 - m0[0]);
969
 
      o0[1] = x01 - 0.5 * (x00 * mx01 + x01 * mx11 + x02 * mx21 - m0[1]);
970
 
      o0[2] = x02 - 0.5 * (x00 * mx02 + x01 * mx12 + x02 * mx22 - m0[2]);
971
 
      o1[0] = x10 - 0.5 * (x10 * mx00 + x11 * mx10 + x12 * mx20 - m1[0]);
972
 
      o1[1] = x11 - 0.5 * (x10 * mx01 + x11 * mx11 + x12 * mx21 - m1[1]);
973
 
      o1[2] = x12 - 0.5 * (x10 * mx02 + x11 * mx12 + x12 * mx22 - m1[2]);
974
 
      o2[0] = x20 - 0.5 * (x20 * mx00 + x21 * mx10 + x22 * mx20 - m2[0]);
975
 
      o2[1] = x21 - 0.5 * (x20 * mx01 + x21 * mx11 + x22 * mx21 - m2[1]);
976
 
      o2[2] = x22 - 0.5 * (x20 * mx02 + x21 * mx12 + x22 * mx22 - m2[2]);
977
 
 
978
 
      // correction on each elements
979
 
      double corr00 = o0[0] - m0[0];
980
 
      double corr01 = o0[1] - m0[1];
981
 
      double corr02 = o0[2] - m0[2];
982
 
      double corr10 = o1[0] - m1[0];
983
 
      double corr11 = o1[1] - m1[1];
984
 
      double corr12 = o1[2] - m1[2];
985
 
      double corr20 = o2[0] - m2[0];
986
 
      double corr21 = o2[1] - m2[1];
987
 
      double corr22 = o2[2] - m2[2];
988
 
 
989
 
      // Frobenius norm of the correction
990
 
      fn1 = corr00 * corr00 + corr01 * corr01 + corr02 * corr02 +
991
 
            corr10 * corr10 + corr11 * corr11 + corr12 * corr12 +
992
 
            corr20 * corr20 + corr21 * corr21 + corr22 * corr22;
993
 
 
994
 
      // convergence test
995
 
      if (Math.abs(fn1 - fn) <= threshold)
996
 
        return o;
997
 
 
998
 
      // prepare next iteration
999
 
      x00 = o0[0];
1000
 
      x01 = o0[1];
1001
 
      x02 = o0[2];
1002
 
      x10 = o1[0];
1003
 
      x11 = o1[1];
1004
 
      x12 = o1[2];
1005
 
      x20 = o2[0];
1006
 
      x21 = o2[1];
1007
 
      x22 = o2[2];
1008
 
      fn  = fn1;
1009
 
 
1010
 
    }
1011
 
 
1012
 
    // the algorithm did not converge after 10 iterations
1013
 
    throw new NotARotationMatrixException("unable to orthogonalize matrix" +
1014
 
                                          " in {0} iterations",
1015
 
                                          new Object[] {
1016
 
                                            Integer.toString(i - 1)
1017
 
                                          });
1018
 
  }
1019
 
 
1020
 
  /** Scalar coordinate of the quaternion. */
1021
 
  private final double q0;
1022
 
 
1023
 
  /** First coordinate of the vectorial part of the quaternion. */
1024
 
  private final double q1;
1025
 
 
1026
 
  /** Second coordinate of the vectorial part of the quaternion. */
1027
 
  private final double q2;
1028
 
 
1029
 
  /** Third coordinate of the vectorial part of the quaternion. */
1030
 
  private final double q3;
1031
 
 
1032
 
  /** Serializable version identifier */
1033
 
  private static final long serialVersionUID = 8225864499430109352L;
1034
 
 
1035
 
}