萬向節死鎖 萬向節死鎖 gimbal lock

2021-10-17 01:16:57 字數 1223 閱讀 4108

,如下圖一,把灰色箭頭想象成是一架飛機,紅,綠藍三個圈看作是三個外圍控制器,外圈帶動所有裡圈運動,裡圈的運動不影響外圈。

1,首先,繞y軸旋轉(旋轉綠圈),來確定前進的方向。這時紅圈與藍圈都跟著旋轉。

2,然後,繞x軸旋轉(旋轉紅圈),讓飛機仰視或俯視。這時藍圈跟著一起旋轉,綠圈不動。

3,最後,繞z軸旋轉(旋轉藍圈),讓飛機左右傾斜。這時只有藍圈在轉,紅綠圈不動。

經過這三個步驟,我們可以把飛機調整到任意想要的角度。這也是fps相機中常用的 yaw, pitch, row三個操作。

在步驟2中,若旋轉紅圈過程中,恰巧旋轉到了圖二所示狀態,然後進行步驟3時會發現,旋轉藍圈與綠圈效果一樣。

也就是這種狀態下,旋轉y或z軸效果一樣了,都只能使飛機左右傾斜,而不能再俯視或仰視(它只能頭朝天),這下壞了,飛機操作失靈了,只能向上直衝。這就所謂的萬向節死鎖,gimbal lock.

可見,尤拉角旋轉使用的是物體的區域性座標系,旋轉過程是對區域性座標的三個軸x,y,z分別進行的旋轉。

【所謂的死鎖,僅是在乙個操作單元,即xyz組成的任意乙個次序**現了無法控制的現象,如上面飛機失靈的情況,我們可以繼續操作x軸(紅圈)來調整飛機的仰視和俯視,這時飛機又可以回到水平飛行的正常軌道上來了】

【但是,對於使用尤拉角旋轉的程式,沒有人會去專門寫邏輯來判斷是否發生了萬向節死鎖,d3d底層api更不會去管,因此我們的程式就會出bug]

yaw 是左右看,pitch是俯視或仰視,roll就是左右傾斜。

如果我們寫了乙個fps的飛機控制程式,當發生上面的死鎖時,呼叫pitch就與呼叫roll一樣了,當發現飛機朝上飛時,於是呼叫pitch想調整機頭朝下,結果卻發現飛機只是左右傾斜而機頭仍然朝上直飛!出bug了。

參考:按上述方法在u3d編輯器中可以試驗出萬向節死鎖,如下圖,物體先繞x軸旋轉90度後,再去調節y軸和z軸的旋轉角時,發現物體只能繞z軸旋轉了,調節y軸的旋轉值時物體還是在繞z軸轉,死鎖了。

尤拉旋轉的計算可以有許多次序,每種次序得到的結果都不一樣,u3d為yxz次序,如果不按此次序來旋轉,你就會看不懂它的表現

死鎖的的情況是與尤拉旋轉的計算次序有關的。如yxz次序時,只要繞x軸的旋轉為90度,不管繞y,z旋轉多少,都是死鎖;xyz次序時,只要繞y的旋轉為90度,不管繞x,z的旋轉是多少,都是死鎖;其它類推,死鎖取決於中間次序的那個軸。

如上面u3d中的試驗,當我們先給rotation的y設定90度,再調節x和z的旋轉值時,只要x不為90度就無死鎖,這說明u3d在計算尤拉角時使用的計算順序正是上面的yxz順序。

萬向節死鎖 Gimbal Lock

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