python - 无法从偏航角超过 90 glm 的欧拉角创建 quat

Question

这里有一些背景:我正在研究游戏引擎，最近添加了一个物理引擎(在本例中为 physx )。问题是我的变换类使用欧拉角进行旋转，而物理引擎的变换类使用欧拉角。所以我只是实现了一种方法来将我的转换类更改为物理引擎转换并返回。它运行良好，但我发现了一个奇怪的错误。

我得到的行为:

当旋转的 Yaw(欧拉 vector 的第二个元素)超过 90 度时，它不会使对象在 y 轴上旋转并开始搞乱俯仰和滚动(奇怪的摇晃从 0 跳过到 180 并返回很多)。调试工具显示旋转不会超过 91，但会达到最大 90.0003 我确实将度数转换为弧度。示例:为了显示这个错误，我有一个带有 python 脚本旋转它的立方体:

from TOEngine import * 

class rotate:
    direction = vec3(0,10,0)
    def Start(self):
        pass
    def Update(self,deltaTime):
        transform.Rotate(self.direction*deltaTime*5)       
        pass

引擎本身是用 cpp 编写的，但我有一个使用嵌入式 python 的脚本系统。 TOEngine 只是我的模块，脚本本身只是每帧旋转立方体。立方体从 0 , 0 , 0 开始旋转并且旋转良好但停止并且偏航 90 度并开始摇晃。

这只会在启用物理系统时发生，所以我知道错误一定是在使用 glm 将旋转从 euler 转移到 quat 并返回每一帧的方法中。

这是实际的有问题的代码:

void RigidBody::SetTransform(Transform transform)
{
    glm::vec3 axis = transform.rotation;
    rigidbody->setGlobalPose(PxTransform(*(PxVec3*)&transform.position,*(PxQuat*)&glm::quat(glm::radians(transform.rotation))));//Attention Over Here
}

Transform RigidBody::GetTransform()
{
    auto t = rigidbody->getGlobalPose();
    return Transform(*(glm::vec3*)&t.p, glm::degrees(glm::eulerAngles(*(glm::quat*)&t.q)), entity->transform.scale);
}

避免奇怪的类型双关 PxQuat 与 glm::quat 基本相同，PxVec3 与 glm::vec3 基本相同。我希望此代码通过将旋转从欧拉角递减更改为带弧度的 quat(困难部分)在物理引擎变换类和我的变换类之间传输。

物理系统内部:

void PreUpdate(float deltaTime)override {   //Set Physics simulation changes to the scene
mScene->fetchResults(true);
for (auto entity : Events::scene->entities)
    for (auto component : entity->components)
        if (component->GetName() == "RigidBody")
            entity->transform = ((RigidBody*)component)->GetTransform();    //This is running on the cube entity
}
void PostUpdate(float deltaTime)override {  //Set Scene changes To Physics simulation
for (auto entity : Events::scene->entities)
    for (auto component : entity->components)
        if (component->GetName() == "RigidBody")
            ((RigidBody*)component)->SetTransform(entity->transform);//This is running on the cube entity
mScene->simulate(deltaTime);
} 

PreUpdate 在每帧更新之前运行 PostUpdate 在每帧更新之后运行。顾名思义，更新方法(在上面的脚本中显示)在更新时运行...(在 PreUpdate 和 PostUpdate 之间)。立方体有一个刚体组件。我期望得到的:一个旋转的立方体，当它达到偏航 90 度时不会停止旋转。

我知道这个有点复杂。我尽力解释了我认为问题出在将欧拉角更改为 quat 的错误。

Answer 1

关于从 PxQuat 到 glm::quat 的转换，请阅读 https://en.cppreference.com/w/cpp/language/explicit_cast 上的文档和 https://en.cppreference.com/w/cpp/language/reinterpret_cast并在 reinterpret_cast 页面中查找未定义的行为。据我所知，c 风格的转换不能保证有效，甚至不可取。虽然我在这一点上离题了，但请记住，对于这种转换，您有两种选择。

glm::quat glmQuat = GenerateQuat();
physx::PxQuat someQuat = *(physx::PxQuat*)(&glmQuat); //< (1)
physx::PxQuat someOtherQuat = ConvertGlmQuatToPxQuat(glmQuat); //< (2)

(1) 此选项可能会导致未定义的行为，但更重要的是，您没有保存拷贝。该语句肯定会导致 1 次复制构造函数调用。

(2) 这个选项，考虑到返回值的优化，也会导致physx::PxQuat的单一构造。

因此，实际上，通过采用选项 (1)，您不会节省任何成本，但会冒未定义行为的风险。使用选项 (2)，成本相同，但代码现在符合标准。现在回到原点。

我通常会尽我所能避免使用欧拉角，因为它们容易出错并且比四元数更容易混淆。也就是说，这是一个简单的测试，您可以设置它来测试从欧拉角进行的四元数转换(暂时不要使用 physx)。

您需要生成以下方法。

glm::mat3 CreateRotationMatrix(glm::vec3 rotationDegrees);
glm::mat3 CreateRotationMatrix(glm::quat inputQuat);
glm::quat ConvertEulerAnglesToQuat(glm::vec3 rotationDegrees);

然后您的测试伪代码如下所示。

for (auto angles : allPossibleAngleCombinations) {
    auto expectedRotationMatrix = CreateRotationMatrix(angles);
    auto convertedQuat = ConvertEulerAnglesToQuat(angles);
    auto actualRotationMatrix = CreateRotationMatrix(convertedQuat);
    ASSERT(expectedRotationMatrix, actualRotationMatrix);
}

只有当这个测试为您通过时，您才能查看下一个将它们转换为 PxQuat 的问题。我猜这个测试对你来说会失败。我要给出的一个建议是输入角度之一(取决于惯例)需要限制范围。比如说，如果您将偏航角限制在 -90 到 90 度之间，那么您的测试很可能会成功。这是因为存在可导致相同旋转矩阵的欧拉角的非唯一组合。