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[SLAM](3-3):旋轉向量(軸角) 及其與旋轉矩陣的變換

結合 高翔老師的著作《視覺SLAM十四講:從理論到實踐》,加上小白的工程經驗共同完成。建議購買紙製書籍搭配使用。


1.旋轉矩陣的缺點

由矩陣表示旋轉至少有以下幾個缺點:

  1. SO(3)的旋轉矩陣有九個量,但一次旋轉只能有三個自由度。因此這種表達方式是冗餘的。
  2. 旋轉矩陣自身帶有約束:它必須是個正交矩陣,且行列式為1。變換矩陣也是如此。當我們想要估計或優化一個旋轉矩陣/變換矩陣時,這些約束會使得求解變得更困難。

         所以考慮用旋轉向量來代替旋轉矩陣,描述旋轉。

2.旋轉向量

        任意的旋轉都可以由一個旋轉軸和一個旋轉角來刻畫。於是,我們可以使用一個向量,其方向與旋轉軸一致,而長度等於旋轉角。這種向量,稱為旋轉向量(或軸角,Axis-Angle)

。這種表示法只需一個三維向量即可描述矩陣。對於變換矩陣,我們使用一個旋轉向量和一個平移向量即可表達一次變換。這時的維數正好是六維。

3.變換

這裡共涉及到兩種變換,假設一個旋轉軸為 n ,角度為θ的旋轉。

  1. 從旋轉向量到旋轉矩陣的變換:羅德里格斯公式。
  2. 從旋轉矩陣到旋轉向量的變換。
     

    ①.對 θ 。

    ②.對 n :轉軸 n ,是矩陣 R 特徵值1對應的特徵向量。


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