依据相同点在不同坐标系下坐标,运用罗德里格斯法计算转换参数(尺度因子、平移参数,旋转参数),并以此参数计算不同空间直角坐标系下坐标转换,c#,vs2019,并详细注释代码
时间: 2024-03-08 22:51:28 浏览: 132
好的,我会尽力给你提供详细的代码实现和注释。在下面的代码中,我们将实现一个名为CoordinateTransformer的类,它可以根据两个坐标系中的相同点计算出一个转换矩阵,并使用这个转换矩阵将一个坐标从一个坐标系转换到另一个坐标系。
首先,我们需要引入一些必要的命名空间:
```csharp
using System.Numerics;
using System.Collections.Generic;
```
然后,我们定义CoordinateTransformer类:
```csharp
public class CoordinateTransformer
{
// 计算转换矩阵
public static Matrix4x4 ComputeTransformMatrix(List<Vector3> pointsA, List<Vector3> pointsB)
{
// 计算平移向量
Vector3 translation = Vector3.Zero;
for (int i = 0; i < pointsA.Count; i++)
{
translation += pointsB[i] - pointsA[i];
}
translation /= pointsA.Count;
// 计算旋转矩阵
Matrix4x4 rotation = Matrix4x4.Identity;
for (int i = 0; i < pointsA.Count; i++)
{
Vector3 vA = pointsA[i] - translation;
Vector3 vB = pointsB[i] - translation;
Matrix4x4 r = ComputeRotationMatrix(vA, vB);
rotation *= r;
}
// 计算缩放因子
float lA = 0.0f, lB = 0.0f;
for (int i = 0; i < pointsA.Count; i++)
{
Vector3 vA = pointsA[i] - translation;
Vector3 vB = pointsB[i] - translation;
lA += vA.Length();
lB += vB.Length();
}
float scale = lB / lA;
// 组合转换矩阵
Matrix4x4 transform = Matrix4x4.Identity;
transform *= Matrix4x4.CreateScale(scale);
transform *= rotation;
transform *= Matrix4x4.CreateTranslation(translation);
return transform;
}
// 计算旋转矩阵
private static Matrix4x4 ComputeRotationMatrix(Vector3 vA, Vector3 vB)
{
Vector3 axis = Vector3.Cross(vA, vB);
float angle = Vector3.Dot(vA, vB) / (vA.Length() * vB.Length());
angle = (float)Math.Acos(angle);
return Matrix4x4.CreateFromAxisAngle(axis, angle);
}
// 将坐标从坐标系A转换到坐标系B
public static Vector3 TransformPoint(Vector3 point, Matrix4x4 transformA, Matrix4x4 transformB)
{
Matrix4x4 transform = Matrix4x4.Invert(transformA) * transformB;
Vector4 point4 = Vector4.Transform(new Vector4(point, 1.0f), transform);
return new Vector3(point4.X, point4.Y, point4.Z);
}
}
```
在上面的代码中,我们定义了三个方法:
ComputeTransformMatrix:根据两个坐标系中的相同点计算出一个转换矩阵。
ComputeRotationMatrix:计算旋转矩阵。
TransformPoint:将一个点从一个坐标系转换到另一个坐标系。
下面,我们对每个方法进行详细的说明和代码注释。
1. ComputeTransformMatrix
这个方法用于计算转换矩阵,它接受两个列表pointsA和pointsB作为参数,分别表示两个坐标系中的相同点。它的返回值是一个Matrix4x4类型的转换矩阵,包含尺度因子、平移参数和旋转参数。
```csharp
public static Matrix4x4 ComputeTransformMatrix(List<Vector3> pointsA, List<Vector3> pointsB)
{
// 计算平移向量
Vector3 translation = Vector3.Zero;
for (int i = 0; i < pointsA.Count; i++)
{
translation += pointsB[i] - pointsA[i];
}
translation /= pointsA.Count;
// 计算旋转矩阵
Matrix4x4 rotation = Matrix4x4.Identity;
for (int i = 0; i < pointsA.Count; i++)
{
Vector3 vA = pointsA[i] - translation;
Vector3 vB = pointsB[i] - translation;
Matrix4x4 r = ComputeRotationMatrix(vA, vB);
rotation *= r;
}
// 计算缩放因子
float lA = 0.0f, lB = 0.0f;
for (int i = 0; i < pointsA.Count; i++)
{
Vector3 vA = pointsA[i] - translation;
Vector3 vB = pointsB[i] - translation;
lA += vA.Length();
lB += vB.Length();
}
float scale = lB / lA;
// 组合转换矩阵
Matrix4x4 transform = Matrix4x4.Identity;
transform *= Matrix4x4.CreateScale(scale);
transform *= rotation;
transform *= Matrix4x4.CreateTranslation(translation);
return transform;
}
```
在这个方法中,我们首先计算平移向量translation,它是所有相同点在坐标系A和坐标系B中的位置差的平均值。接下来,我们计算旋转矩阵rotation,它是通过将所有相同点的方向从坐标系A转换到坐标系B所需的旋转矩阵的乘积。我们使用ComputeRotationMatrix方法来计算每个旋转矩阵r,最后将它们乘起来得到rotation。然后,我们计算缩放因子scale,它是所有相同点在坐标系B中的长度之和与所有相同点在坐标系A中的长度之和的比值。最后,我们组合尺度因子、平移参数和旋转参数,得到一个转换矩阵transform。
2. ComputeRotationMatrix
这个方法用于计算旋转矩阵,它接受两个向量vA和vB作为参数,分别表示两个坐标系中的相同方向。它的返回值是一个Matrix4x4类型的旋转矩阵。
```csharp
private static Matrix4x4 ComputeRotationMatrix(Vector3 vA, Vector3 vB)
{
Vector3 axis = Vector3.Cross(vA, vB);
float angle = Vector3.Dot(vA, vB) / (vA.Length() * vB.Length());
angle = (float)Math.Acos(angle);
return Matrix4x4.CreateFromAxisAngle(axis, angle);
}
```
在这个方法中,我们首先计算旋转轴axis,它是两个向量的叉积。接下来,我们计算两个向量的夹角angle,它是两个向量的点积除以两个向量的长度之积的反余弦值。最后,我们使用Matrix4x4.CreateFromAxisAngle方法创建一个旋转矩阵。这个方法接受一个旋转轴和一个旋转角度作为参数,返回一个旋转矩阵。
3. TransformPoint
这个方法用于将一个点从一个坐标系转换到另一个坐标系,它接受一个Vector3类型的点point和两个Matrix4x4类型的转换矩阵transformA和transformB作为参数。它的返回值是一个Vector3类型的点,表示在坐标系B中的位置。
```csharp
public static Vector3 TransformPoint(Vector3 point, Matrix4x4 transformA, Matrix4x4 transformB)
{
Matrix4x4 transform = Matrix4x4.Invert(transformA) * transformB;
Vector4 point4 = Vector4.Transform(new Vector4(point, 1.0f), transform);
return new Vector3(point4.X, point4.Y, point4.Z);
}
```
在这个方法中,我们首先计算出从坐标系A到坐标系B的转换矩阵transform,它是从坐标系A到世界坐标系的转换矩阵transformA的逆矩阵与从坐标系B到世界坐标系的转换矩阵transformB的乘积。接下来,我们将点point转换为齐次坐标形式,然后使用transform矩阵将点从坐标系A转换到世界坐标系,再将点从世界坐标系转换到坐标系B。最后,我们将点的齐次坐标形式转换为三维坐标形式,并返回结果。
现在,我们已经完成了Coordinate
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