]> Dogcows Code - chaz/yoink/blobdiff - src/cml/quaternion/quaternion.h
testing new non-autotools build system
[chaz/yoink] / src / cml / quaternion / quaternion.h
diff --git a/src/cml/quaternion/quaternion.h b/src/cml/quaternion/quaternion.h
new file mode 100644 (file)
index 0000000..6f320f3
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,526 @@
+/* -*- C++ -*- ------------------------------------------------------------
+Copyright (c) 2007 Jesse Anders and Demian Nave http://cmldev.net/
+
+The Configurable Math Library (CML) is distributed under the terms of the
+Boost Software License, v1.0 (see cml/LICENSE for details).
+
+ *-----------------------------------------------------------------------*/
+/** @file
+ *  @brief
+ *
+ *  @todo Return a VectorXpr adaptor from the imaginary() method of
+ *  quaternion and the expression node types.
+ *
+ *  @todo swap multiplication order based upon template param
+ *
+ *  @todo change element order based upon template param
+ */
+
+#ifndef quaternion_h
+#define quaternion_h
+
+#include <cml/mathlib/epsilon.h>
+#include <cml/quaternion/quaternion_expr.h>
+#include <cml/quaternion/quaternion_dot.h>
+#include <cml/util.h>
+
+/* This is used below to create a more meaningful compile-time error when
+ * the quaternion class is not created with a fixed-size 4-vector:
+ */
+struct quaternion_requires_fixed_size_array_type_error;
+
+namespace cml {
+
+/** A configurable quaternion type.
+ *
+ * @note Quaternions with two different orders cannot be used in the same
+ * expression.
+ */
+template<
+    typename Element,
+    class ArrayType,
+    class Order,
+    class Cross
+>
+class quaternion
+{
+    /* The ArrayType must be fixed<> or external<>: */
+    CML_STATIC_REQUIRE_M(
+            (same_type< ArrayType, fixed<> >::is_true
+             || same_type< ArrayType, external<> >::is_true),
+            quaternion_requires_fixed_size_array_type_error);
+
+  public:
+
+    /* Shorthand for the array type generator: */
+    typedef ArrayType storage_type;
+    typedef typename ArrayType::template rebind<4>::other generator_type;
+
+    /* Vector representing the quaternion.  Use the rebinding template to
+     * set the vector size:
+     */
+    typedef vector<Element, generator_type> vector_type;
+
+    /* Vector temporary type: */
+    typedef typename vector_type::temporary_type vector_temporary;
+
+    /* Quaternion order: */
+    typedef Order order_type;
+
+    /* Quaternion multiplication order: */
+    typedef Cross cross_type;
+
+    /* Scalar type representing the scalar part: */
+    typedef typename vector_type::value_type value_type;
+    typedef typename vector_type::reference reference;
+    typedef typename vector_type::const_reference const_reference;
+    /* XXX Need to verify that this is a true scalar type. */
+
+    /* The quaternion type: */
+    typedef quaternion<Element,storage_type,order_type,cross_type>
+        quaternion_type;
+
+    /* For integration into the expression template code: */
+    typedef quaternion_type expr_type;
+
+    /* For integration into the expression template code: */
+    typedef quaternion<
+        Element, typename vector_temporary::storage_type,
+        order_type, cross_type> temporary_type;
+
+    /* For integration into the expression templates code: */
+    typedef quaternion_type& expr_reference;
+    typedef const quaternion_type& expr_const_reference;
+
+    /* For matching by storage type: */
+    typedef typename vector_type::memory_tag memory_tag;
+
+    /* For matching by size type: */
+    typedef typename vector_type::size_tag size_tag;
+
+    /* Get the imaginary part type: */
+    typedef typename vector_temporary::subvector_type imaginary_type;
+
+    /* For matching by result-type: */
+    typedef cml::et::quaternion_result_tag result_tag;
+
+    /* For matching by assignability: */
+    typedef cml::et::assignable_tag assignable_tag;
+
+
+  public:
+
+    /** Record result size as an enum. */
+    enum { array_size = 4 };
+
+    /** Localize the ordering as an enum. */
+    enum {
+        W = order_type::W,
+        X = order_type::X,
+        Y = order_type::Y,
+        Z = order_type::Z
+    };
+
+
+  public:
+
+    /** Return the scalar part. */
+    value_type real() const { return m_q[W]; }
+
+    /** Return the imaginary vector. */
+    imaginary_type imaginary() const {
+        /*
+        imaginary_type v;
+        v[0] = m_q[X]; v[1] = m_q[Y]; v[2] = m_q[Z];
+        return v;
+        */
+        return imaginary_type(m_q[X], m_q[Y], m_q[Z]);
+    }
+
+    /** Return the vector representing the quaternion. */
+    const vector_type& as_vector() const {
+        return m_q;
+    }
+
+    /** Return the Cayley norm of the quaternion. */
+    value_type norm() const {
+        return length_squared();
+    }
+
+    /** Return square of the quaternion length. */
+    value_type length_squared() const {
+        return cml::dot(*this,*this);
+    }
+
+    /** Return the quaternion length. */
+    value_type length() const {
+        return std::sqrt(length_squared());
+    }
+
+    /** Normalize this quaternion (divide by its length).
+     *
+     * @todo Make this return a QuaternionXpr.
+     */
+    quaternion_type& normalize() {
+        return (*this /= length());
+    }
+
+    /** Set this quaternion to the conjugate. */
+    quaternion_type& conjugate() {
+        return (*this) = cml::conjugate(*this);
+    }
+
+    /** Set this quaternion to the inverse. */
+    quaternion_type& inverse() {
+        return (*this) = cml::inverse(*this);
+    }
+
+    /** Set this quaternion to the multiplicative identity. */
+    quaternion_type& identity() {
+        m_q[W] = value_type(1);
+        m_q[X] = value_type(0);
+        m_q[Y] = value_type(0);
+        m_q[Z] = value_type(0);
+        return *this;
+    }
+    
+    /** Return the log of this quaternion. */
+    temporary_type log(
+        value_type tolerance = epsilon<value_type>::placeholder()) const
+    {
+        value_type a = acos_safe(real());
+        value_type s = std::sin(a);
+        
+        if (s > tolerance) {
+            return temporary_type(value_type(0), imaginary() * (a / s));
+        } else {
+            return temporary_type(value_type(0), imaginary());
+        }
+    }
+    
+    /** 
+     * Return the result of the exponential function as applied to
+     * this quaternion.
+     */
+    temporary_type exp(
+        value_type tolerance = epsilon<value_type>::placeholder()) const
+    {
+        imaginary_type v = imaginary();
+        value_type a = cml::length(v);
+        
+        if (a > tolerance) {
+            return temporary_type(std::cos(a), v * (std::sin(a) / a));
+        } else {
+            return temporary_type(std::cos(a), v);
+        }
+    }
+
+
+    /** Const access to the quaternion as a vector. */
+    const_reference operator[](size_t i) const { return m_q[i]; }
+
+    /** Mutable access to the quaternion as a vector. */
+    reference operator[](size_t i) { return m_q[i]; }
+
+    /** Fill quaternion with random elements.
+     *
+     * @warning This does not generate uniformly random rotations.
+     */
+    void random(value_type min, value_type max) {
+        for (size_t i = 0; i < 4; ++i) {
+            m_q[i] = random_real(min,max);
+        }
+    }
+
+  public:
+
+    /** Default initializer.
+     *
+     * @note The default constructor cannot be used with an external<>
+     * array type.
+     */
+    quaternion() {}
+
+    /** Initializer for an external<> vector type. */
+    quaternion(Element* const array) : m_q(array) {}
+
+    /** Copy construct from the same type of quaternion. */
+    quaternion(const quaternion_type& q) : m_q(q.m_q) {}
+
+    /** Construct from a quaternion having a different array type. */
+    template<typename E, class AT> quaternion(
+            const quaternion<E,AT,order_type,cross_type>& q)
+        : m_q(q.as_vector()) {}
+
+    /** Copy construct from a QuaternionXpr. */
+    template<typename XprT> quaternion(QUATXPR_ARG_TYPE e) {
+        typedef typename XprT::order_type arg_order;
+        m_q[W] = e[arg_order::W];
+        m_q[X] = e[arg_order::X];
+        m_q[Y] = e[arg_order::Y];
+        m_q[Z] = e[arg_order::Z];
+    }
+
+
+
+    /** Initialize from a 4-vector.
+     *
+     * If Order is scalar_first, then v[0] is the real part.  Otherwise,
+     * v[3] is the real part.
+     */
+    quaternion(const vector_type& v) : m_q(v) {}
+
+    /** Initialize from an array of scalars.
+     *
+     * If Order is scalar_first, then v[0] is the real part.  Otherwise,
+     * v[3] is the real part.
+     *
+     * @note The target vector must have CML_VEC_COPY_FROM_ARRAY
+     * implemented, so this cannot be used with external<> vectors.
+     */
+    quaternion(const value_type v[4]) : m_q(v) {}
+
+    /** Initialize from 4 scalars.
+     *
+     * If Order is scalar_first, then a is the real part, and (b,c,d) is
+     * the imaginary part.  Otherwise, (a,b,c) is the imaginary part, and d
+     * is the real part.
+     */
+    quaternion(
+            const value_type& a, const value_type& b,
+            const value_type& c, const value_type& d)
+    {
+      /* Call the overloaded assignment function: */
+      assign(a, b, c, d, Order());
+    }
+
+    /** Initialize both the real and imaginary parts.
+     *
+     * The imaginary part is given by a 3-vector.  Although the imaginary
+     * part is specified first, the proper coefficient order (vector or
+     * scalar first) is maintained.
+     */
+    quaternion(const value_type& s, const imaginary_type& v) {
+        m_q[W] = s; m_q[X] = v[0]; m_q[Y] = v[1]; m_q[Z] = v[2];
+    }
+
+    /** Initialize both the real and imaginary parts.
+     *
+     * The imaginary part is given by a 3-vector.  Although the imaginary
+     * part is specified second, the proper coefficient order (vector or
+     * scalar first) is maintained.
+     */
+    quaternion(const imaginary_type& v, const value_type& s) {
+        m_q[W] = s; m_q[X] = v[0]; m_q[Y] = v[1]; m_q[Z] = v[2];
+    }
+
+    /** Initialize both the real and imaginary parts.
+     *
+     * The imaginary part is given by an array of scalars.  Although the
+     * imaginary part is specified first, the proper coefficient order
+     * (vector or scalar first) is maintained.
+     */
+    quaternion(const value_type v[3], const value_type& s) {
+        m_q[W] = s; m_q[X] = v[0]; m_q[Y] = v[1]; m_q[Z] = v[2];
+    }
+
+    /** Initialize both the real and imaginary parts.
+     *
+     * The imaginary part is given by an array of scalars.  Although the
+     * imaginary part is specified second, the proper coefficient order
+     * (vector or scalar first) is maintained.
+     */
+    quaternion(const value_type& s, const value_type v[3]) {
+        m_q[W] = s; m_q[X] = v[0]; m_q[Y] = v[1]; m_q[Z] = v[2];
+    }
+
+
+
+    /** Initialize from a VectorXpr. */
+    template<typename XprT>
+        quaternion(VECXPR_ARG_TYPE e) : m_q(e) {}
+
+    /** Initialize both the real and imaginary parts.
+     *
+     * The imaginary part is initialized with a VectorXpr.
+     */
+    template<typename XprT>
+        quaternion(const value_type& s, VECXPR_ARG_TYPE e) {
+            m_q[W] = s; m_q[X] = e[0]; m_q[Y] = e[1]; m_q[Z] = e[2];
+        }
+        
+    // @todo: Are we missing:
+    
+    // quaternion(VECXPR_ARG_TYPE e, const value_type& s) {}
+    
+    // Or is that covered elsewhere?
+
+    /** In-place op from a quaternion.
+     *
+     * This assumes that _op_ is defined for both the quaternion's vector
+     * type and its scalar type.
+     */
+#define CML_QUAT_ASSIGN_FROM_QUAT(_op_)                                 \
+    template<typename E, class AT> const quaternion_type&               \
+    operator _op_ (const quaternion<E,AT,order_type,cross_type>& q) {   \
+        m_q[W] _op_ q[W];                                               \
+        m_q[X] _op_ q[X];                                               \
+        m_q[Y] _op_ q[Y];                                               \
+        m_q[Z] _op_ q[Z];                                               \
+        return *this;                                                   \
+    }
+
+    /** In-place op from a QuaternionXpr.
+     *
+     * This assumes that _op_ is defined for the quaternion's scalar type.
+     */
+#define CML_QUAT_ASSIGN_FROM_QUATXPR(_op_)                              \
+    template<typename XprT> quaternion_type&                            \
+    operator _op_ (QUATXPR_ARG_TYPE e) {                                \
+        typedef typename XprT::order_type arg_order;                    \
+        m_q[W] _op_ e[arg_order::W];                                    \
+        m_q[X] _op_ e[arg_order::X];                                    \
+        m_q[Y] _op_ e[arg_order::Y];                                    \
+        m_q[Z] _op_ e[arg_order::Z];                                    \
+        return *this;                                                   \
+    }
+
+    /** In-place op from a scalar type.
+     *
+     * This assumes that _op_ is defined for the quaternion's scalar type.
+     */
+#define CML_QUAT_ASSIGN_FROM_SCALAR(_op_,_op_name_)               \
+    quaternion_type& operator _op_ (const value_type& s) {        \
+        typedef _op_name_ <value_type,value_type> OpT;            \
+        OpT().apply(m_q[W],s);                                    \
+        OpT().apply(m_q[X],s);                                    \
+        OpT().apply(m_q[Y],s);                                    \
+        OpT().apply(m_q[Z],s);                                    \
+        return *this;                                             \
+    }
+
+    CML_QUAT_ASSIGN_FROM_QUAT(=)
+    CML_QUAT_ASSIGN_FROM_QUAT(+=)
+    CML_QUAT_ASSIGN_FROM_QUAT(-=)
+
+    CML_QUAT_ASSIGN_FROM_QUATXPR(=)
+    CML_QUAT_ASSIGN_FROM_QUATXPR(+=)
+    CML_QUAT_ASSIGN_FROM_QUATXPR(-=)
+
+    CML_QUAT_ASSIGN_FROM_SCALAR(*=, cml::et::OpMulAssign)
+    CML_QUAT_ASSIGN_FROM_SCALAR(/=, cml::et::OpDivAssign)
+
+#undef CML_QUAT_ASSIGN_FROM_QUAT
+#undef CML_QUAT_ASSIGN_FROM_QUATXPR
+#undef CML_QUAT_ASSIGN_FROM_SCALAR
+
+    /** Accumulated multiplication with a quaternion.
+     *
+     * Compute p = p * q for two quaternions p and q.
+     *
+     * @internal Using operator* here is okay, as long as cml/quaternion.h
+     * is included before using this method (the only supported case for
+     * end-user code). This is because modern compilers won't instantiate a
+     * method in a template class until it is used, and including the main
+     * header ensures all definitions are available before any possible use
+     * of this method.
+     */
+    quaternion_type& operator*=(const quaternion_type& q) {
+        return (*this = *this * q);
+    }
+
+    /** Accumulated multiplication with a quaternion expression.
+     *
+     * Compute p = p * e for a quaternion p and a quaternion expression e.
+     *
+     * @internal Using operator* here is okay, as long as cml/quaternion.h
+     * is included before using this method (the only supported case for
+     * end-user code). This is because modern compilers won't instantiate a
+     * method in a template class until it is used, and including the main
+     * header ensures all definitions are available before any possible use
+     * of this method.
+     */
+    template<typename XprT> quaternion_type& operator*=(QUATXPR_ARG_TYPE e) {
+        return (*this = *this * e);
+    }
+
+    /** Return access to the data as a raw pointer. */
+    typename vector_type::pointer data() { return m_q.data(); }
+
+    /** Return access to the data as a const raw pointer. */
+    const typename vector_type::pointer data() const { return m_q.data(); }
+
+
+    /* NOTE: Quaternion division no longer supported, but I'm leaving the
+       code here for reference (Jesse) */
+
+    #if 0
+    /** Accumulated division with a quaternion.
+     *
+     * Compute p = p * inverse(q).
+     *
+     * @note Because quaternion multiplication is non-commutative, division
+     * is ambiguous.  This method assumes a multiplication order consistent
+     * with the notational order; i.e. p = q / r means p = q*inverse(r).
+     *
+     * @internal Using operator* and cml::inverse here is okay, as long as
+     * cml/quaternion.h is included before using this method (the only
+     * supported case for end-user code). This is because modern compilers
+     * won't instantiate a method in a template class until it is used, and
+     * including the main header ensures all definitions are available
+     * before any possible use of this method.
+     */
+    quaternion_type& operator/=(const quaternion_type& q) {
+        return (*this = *this * cml::inverse(q));
+    }
+
+    /** Accumulated division with a quaternion expression.
+     *
+     * Compute p = p * inverse(q).
+     *
+     * @note Because quaternion multiplication is non-commutative, division
+     * is ambiguous.  This method assumes a multiplication order consistent
+     * with the notational order; i.e. p = q / r means p = q*inverse(r).
+     *
+     * @internal Using operator* and cml::inverse here is okay, as long as
+     * cml/quaternion.h is included before using this method (the only
+     * supported case for end-user code). This is because modern compilers
+     * won't instantiate a method in a template class until it is used, and
+     * including the main header ensures all definitions are available
+     * before any possible use of this method.
+     */
+    template<typename XprT> quaternion_type& operator/=(QUATXPR_ARG_TYPE e) {
+        return (*this = *this * cml::inverse(e));
+    }
+    #endif
+
+
+  protected:
+
+    /** Overloaded function to assign the quaternion from 4 scalars. */
+    void assign(const value_type& a, const value_type& b,
+       const value_type& c, const value_type& d, scalar_first)
+    {
+      m_q[W] = a; m_q[X] = b; m_q[Y] = c; m_q[Z] = d;
+    }
+
+    /** Overloaded function to assign the quaternion from 4 scalars. */
+    void assign(const value_type& a, const value_type& b,
+       const value_type& c, const value_type& d, vector_first)
+    {
+      m_q[X] = a; m_q[Y] = b; m_q[Z] = c; m_q[W] = d;
+    }
+
+
+  protected:
+
+    vector_type                 m_q;
+};
+
+} // namespace cml
+
+#endif
+
+// -------------------------------------------------------------------------
+// vim:ft=cpp
This page took 0.035368 seconds and 4 git commands to generate.