WebGL 图形旋转的公式以及推导

一,旋转的概念
三维物体的旋转要比位移复杂一点,因为旋转要知道以下几点:

··· 旋转轴
··· 旋转方向
··· 旋转角度

想象一个场景,一个小人站在旋转轴的起点,进行旋转。
小人往左还是往右,就是旋转方向;
小人旋转的大小就是旋转的角度。

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二,旋转方向的正负

何时为正,何时为父。
在WebGL中,除裁剪空间之外的大部分功能都使用了右手坐标系。
我们这里暂且将其视为右手坐标系。

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以上图为例
··· 当物体绕z 轴,从x轴正半轴向y轴正半轴逆时针旋转时,是正向旋转,反之为负。
··· 当物体绕x 轴,从y轴正半轴向z轴正半轴逆时针旋转时,是正向旋转,反之为负。
··· 当物体绕y 轴,从z轴正半轴向x轴正半轴逆时针旋转时,是正向旋转,反之为负。

如下图,是正向旋转

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三,旋转公式

先举一个让顶点围绕z 轴旋转的例子。

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已知:

··· 点A的位置是(ax,ay,az)
···点A要围绕z轴旋转β度,转到点B的位置

求:点A旋转后的bx、by位置

解:

我们由结果逆推一下解题思路。

因为∠β是已知的,∠α 可以通过点A 得出。

所以我们可以得出:

∠xOB=α+β

那我们通过三角函数就可以推出bx、by

设∠xOB=θ,则:

bx=cosθ*|OA|
by=sinθ*|OA|

上面的|OA|是点O到点A的距离,可以直接用点A求出:

|OA|=Math.sqrt(ax*ax+ay*ay)

那我们接下来只需要知道cosθ和sinθ的值即可


因为:

θ=α+β


所以,我们可以利用和角公式求cosθ和sinθ的值:

cosθ=cos(α+β)
cosθ=cosα*cosβ-sinα*sinβ
sinθ=sin(α+β)
sinθ=cosβ*sinα+sinβ*cosα


所以:

bx=cosθ*|OA|
bx=(cosα*cosβ-sinα*sinβ)*|OA|
bx=cosα*cosβ*|OA|-sinα*sinβ*|OA|
by=sinθ*|OA|
by=(cosβ*sinα+sinβ*cosα)*|OA|
by=cosβ*sinα*|OA|+sinβ*cosα*|OA|


因为:

cosα*|OA|=ax
sinα*|OA|=ay


所以我们可以简化bx、by的公式

bx=ax*cosβ-ay*sinβ
by=ay*cosβ+ax*sinβ


上面的bx、by就是我们要求的答案。