Imported Upstream version ceres 1.13.0
[platform/upstream/ceres-solver.git] / include / ceres / rotation.h
1 // Ceres Solver - A fast non-linear least squares minimizer
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3 // http://ceres-solver.org/
4 //
5 // Redistribution and use in source and binary forms, with or without
6 // modification, are permitted provided that the following conditions are met:
7 //
8 // * Redistributions of source code must retain the above copyright notice,
9 //   this list of conditions and the following disclaimer.
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11 //   this list of conditions and the following disclaimer in the documentation
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13 // * Neither the name of Google Inc. nor the names of its contributors may be
14 //   used to endorse or promote products derived from this software without
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16 //
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27 // POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
28 //
29 // Author: keir@google.com (Keir Mierle)
30 //         sameeragarwal@google.com (Sameer Agarwal)
31 //
32 // Templated functions for manipulating rotations. The templated
33 // functions are useful when implementing functors for automatic
34 // differentiation.
35 //
36 // In the following, the Quaternions are laid out as 4-vectors, thus:
37 //
38 //   q[0]  scalar part.
39 //   q[1]  coefficient of i.
40 //   q[2]  coefficient of j.
41 //   q[3]  coefficient of k.
42 //
43 // where: i*i = j*j = k*k = -1 and i*j = k, j*k = i, k*i = j.
44
45 #ifndef CERES_PUBLIC_ROTATION_H_
46 #define CERES_PUBLIC_ROTATION_H_
47
48 #include <algorithm>
49 #include <cmath>
50 #include <limits>
51
52 namespace ceres {
53
54 // Trivial wrapper to index linear arrays as matrices, given a fixed
55 // column and row stride. When an array "T* array" is wrapped by a
56 //
57 //   (const) MatrixAdapter<T, row_stride, col_stride> M"
58 //
59 // the expression  M(i, j) is equivalent to
60 //
61 //   arrary[i * row_stride + j * col_stride]
62 //
63 // Conversion functions to and from rotation matrices accept
64 // MatrixAdapters to permit using row-major and column-major layouts,
65 // and rotation matrices embedded in larger matrices (such as a 3x4
66 // projection matrix).
67 template <typename T, int row_stride, int col_stride>
68 struct MatrixAdapter;
69
70 // Convenience functions to create a MatrixAdapter that treats the
71 // array pointed to by "pointer" as a 3x3 (contiguous) column-major or
72 // row-major matrix.
73 template <typename T>
74 MatrixAdapter<T, 1, 3> ColumnMajorAdapter3x3(T* pointer);
75
76 template <typename T>
77 MatrixAdapter<T, 3, 1> RowMajorAdapter3x3(T* pointer);
78
79 // Convert a value in combined axis-angle representation to a quaternion.
80 // The value angle_axis is a triple whose norm is an angle in radians,
81 // and whose direction is aligned with the axis of rotation,
82 // and quaternion is a 4-tuple that will contain the resulting quaternion.
83 // The implementation may be used with auto-differentiation up to the first
84 // derivative, higher derivatives may have unexpected results near the origin.
85 template<typename T>
86 void AngleAxisToQuaternion(const T* angle_axis, T* quaternion);
87
88 // Convert a quaternion to the equivalent combined axis-angle representation.
89 // The value quaternion must be a unit quaternion - it is not normalized first,
90 // and angle_axis will be filled with a value whose norm is the angle of
91 // rotation in radians, and whose direction is the axis of rotation.
92 // The implemention may be used with auto-differentiation up to the first
93 // derivative, higher derivatives may have unexpected results near the origin.
94 template<typename T>
95 void QuaternionToAngleAxis(const T* quaternion, T* angle_axis);
96
97 // Conversions between 3x3 rotation matrix (in column major order) and
98 // quaternion rotation representations.  Templated for use with
99 // autodifferentiation.
100 template <typename T>
101 void RotationMatrixToQuaternion(const T* R, T* quaternion);
102
103 template <typename T, int row_stride, int col_stride>
104 void RotationMatrixToQuaternion(
105     const MatrixAdapter<const T, row_stride, col_stride>& R,
106     T* quaternion);
107
108 // Conversions between 3x3 rotation matrix (in column major order) and
109 // axis-angle rotation representations.  Templated for use with
110 // autodifferentiation.
111 template <typename T>
112 void RotationMatrixToAngleAxis(const T* R, T* angle_axis);
113
114 template <typename T, int row_stride, int col_stride>
115 void RotationMatrixToAngleAxis(
116     const MatrixAdapter<const T, row_stride, col_stride>& R,
117     T* angle_axis);
118
119 template <typename T>
120 void AngleAxisToRotationMatrix(const T* angle_axis, T* R);
121
122 template <typename T, int row_stride, int col_stride>
123 void AngleAxisToRotationMatrix(
124     const T* angle_axis,
125     const MatrixAdapter<T, row_stride, col_stride>& R);
126
127 // Conversions between 3x3 rotation matrix (in row major order) and
128 // Euler angle (in degrees) rotation representations.
129 //
130 // The {pitch,roll,yaw} Euler angles are rotations around the {x,y,z}
131 // axes, respectively.  They are applied in that same order, so the
132 // total rotation R is Rz * Ry * Rx.
133 template <typename T>
134 void EulerAnglesToRotationMatrix(const T* euler, int row_stride, T* R);
135
136 template <typename T, int row_stride, int col_stride>
137 void EulerAnglesToRotationMatrix(
138     const T* euler,
139     const MatrixAdapter<T, row_stride, col_stride>& R);
140
141 // Convert a 4-vector to a 3x3 scaled rotation matrix.
142 //
143 // The choice of rotation is such that the quaternion [1 0 0 0] goes to an
144 // identity matrix and for small a, b, c the quaternion [1 a b c] goes to
145 // the matrix
146 //
147 //         [  0 -c  b ]
148 //   I + 2 [  c  0 -a ] + higher order terms
149 //         [ -b  a  0 ]
150 //
151 // which corresponds to a Rodrigues approximation, the last matrix being
152 // the cross-product matrix of [a b c]. Together with the property that
153 // R(q1 * q2) = R(q1) * R(q2) this uniquely defines the mapping from q to R.
154 //
155 // No normalization of the quaternion is performed, i.e.
156 // R = ||q||^2 * Q, where Q is an orthonormal matrix
157 // such that det(Q) = 1 and Q*Q' = I
158 //
159 // WARNING: The rotation matrix is ROW MAJOR
160 template <typename T> inline
161 void QuaternionToScaledRotation(const T q[4], T R[3 * 3]);
162
163 template <typename T, int row_stride, int col_stride> inline
164 void QuaternionToScaledRotation(
165     const T q[4],
166     const MatrixAdapter<T, row_stride, col_stride>& R);
167
168 // Same as above except that the rotation matrix is normalized by the
169 // Frobenius norm, so that R * R' = I (and det(R) = 1).
170 //
171 // WARNING: The rotation matrix is ROW MAJOR
172 template <typename T> inline
173 void QuaternionToRotation(const T q[4], T R[3 * 3]);
174
175 template <typename T, int row_stride, int col_stride> inline
176 void QuaternionToRotation(
177     const T q[4],
178     const MatrixAdapter<T, row_stride, col_stride>& R);
179
180 // Rotates a point pt by a quaternion q:
181 //
182 //   result = R(q) * pt
183 //
184 // Assumes the quaternion is unit norm. This assumption allows us to
185 // write the transform as (something)*pt + pt, as is clear from the
186 // formula below. If you pass in a quaternion with |q|^2 = 2 then you
187 // WILL NOT get back 2 times the result you get for a unit quaternion.
188 template <typename T> inline
189 void UnitQuaternionRotatePoint(const T q[4], const T pt[3], T result[3]);
190
191 // With this function you do not need to assume that q has unit norm.
192 // It does assume that the norm is non-zero.
193 template <typename T> inline
194 void QuaternionRotatePoint(const T q[4], const T pt[3], T result[3]);
195
196 // zw = z * w, where * is the Quaternion product between 4 vectors.
197 template<typename T> inline
198 void QuaternionProduct(const T z[4], const T w[4], T zw[4]);
199
200 // xy = x cross y;
201 template<typename T> inline
202 void CrossProduct(const T x[3], const T y[3], T x_cross_y[3]);
203
204 template<typename T> inline
205 T DotProduct(const T x[3], const T y[3]);
206
207 // y = R(angle_axis) * x;
208 template<typename T> inline
209 void AngleAxisRotatePoint(const T angle_axis[3], const T pt[3], T result[3]);
210
211 // --- IMPLEMENTATION
212
213 template<typename T, int row_stride, int col_stride>
214 struct MatrixAdapter {
215   T* pointer_;
216   explicit MatrixAdapter(T* pointer)
217     : pointer_(pointer)
218   {}
219
220   T& operator()(int r, int c) const {
221     return pointer_[r * row_stride + c * col_stride];
222   }
223 };
224
225 template <typename T>
226 MatrixAdapter<T, 1, 3> ColumnMajorAdapter3x3(T* pointer) {
227   return MatrixAdapter<T, 1, 3>(pointer);
228 }
229
230 template <typename T>
231 MatrixAdapter<T, 3, 1> RowMajorAdapter3x3(T* pointer) {
232   return MatrixAdapter<T, 3, 1>(pointer);
233 }
234
235 template<typename T>
236 inline void AngleAxisToQuaternion(const T* angle_axis, T* quaternion) {
237   const T& a0 = angle_axis[0];
238   const T& a1 = angle_axis[1];
239   const T& a2 = angle_axis[2];
240   const T theta_squared = a0 * a0 + a1 * a1 + a2 * a2;
241
242   // For points not at the origin, the full conversion is numerically stable.
243   if (theta_squared > T(0.0)) {
244     const T theta = sqrt(theta_squared);
245     const T half_theta = theta * T(0.5);
246     const T k = sin(half_theta) / theta;
247     quaternion[0] = cos(half_theta);
248     quaternion[1] = a0 * k;
249     quaternion[2] = a1 * k;
250     quaternion[3] = a2 * k;
251   } else {
252     // At the origin, sqrt() will produce NaN in the derivative since
253     // the argument is zero.  By approximating with a Taylor series,
254     // and truncating at one term, the value and first derivatives will be
255     // computed correctly when Jets are used.
256     const T k(0.5);
257     quaternion[0] = T(1.0);
258     quaternion[1] = a0 * k;
259     quaternion[2] = a1 * k;
260     quaternion[3] = a2 * k;
261   }
262 }
263
264 template<typename T>
265 inline void QuaternionToAngleAxis(const T* quaternion, T* angle_axis) {
266   const T& q1 = quaternion[1];
267   const T& q2 = quaternion[2];
268   const T& q3 = quaternion[3];
269   const T sin_squared_theta = q1 * q1 + q2 * q2 + q3 * q3;
270
271   // For quaternions representing non-zero rotation, the conversion
272   // is numerically stable.
273   if (sin_squared_theta > T(0.0)) {
274     const T sin_theta = sqrt(sin_squared_theta);
275     const T& cos_theta = quaternion[0];
276
277     // If cos_theta is negative, theta is greater than pi/2, which
278     // means that angle for the angle_axis vector which is 2 * theta
279     // would be greater than pi.
280     //
281     // While this will result in the correct rotation, it does not
282     // result in a normalized angle-axis vector.
283     //
284     // In that case we observe that 2 * theta ~ 2 * theta - 2 * pi,
285     // which is equivalent saying
286     //
287     //   theta - pi = atan(sin(theta - pi), cos(theta - pi))
288     //              = atan(-sin(theta), -cos(theta))
289     //
290     const T two_theta =
291         T(2.0) * ((cos_theta < 0.0)
292                   ? atan2(-sin_theta, -cos_theta)
293                   : atan2(sin_theta, cos_theta));
294     const T k = two_theta / sin_theta;
295     angle_axis[0] = q1 * k;
296     angle_axis[1] = q2 * k;
297     angle_axis[2] = q3 * k;
298   } else {
299     // For zero rotation, sqrt() will produce NaN in the derivative since
300     // the argument is zero.  By approximating with a Taylor series,
301     // and truncating at one term, the value and first derivatives will be
302     // computed correctly when Jets are used.
303     const T k(2.0);
304     angle_axis[0] = q1 * k;
305     angle_axis[1] = q2 * k;
306     angle_axis[2] = q3 * k;
307   }
308 }
309
310 template <typename T>
311 void RotationMatrixToQuaternion(const T* R, T* angle_axis) {
312   RotationMatrixToQuaternion(ColumnMajorAdapter3x3(R), angle_axis);
313 }
314
315 // This algorithm comes from "Quaternion Calculus and Fast Animation",
316 // Ken Shoemake, 1987 SIGGRAPH course notes
317 template <typename T, int row_stride, int col_stride>
318 void RotationMatrixToQuaternion(
319     const MatrixAdapter<const T, row_stride, col_stride>& R,
320     T* quaternion) {
321   const T trace = R(0, 0) + R(1, 1) + R(2, 2);
322   if (trace >= 0.0) {
323     T t = sqrt(trace + T(1.0));
324     quaternion[0] = T(0.5) * t;
325     t = T(0.5) / t;
326     quaternion[1] = (R(2, 1) - R(1, 2)) * t;
327     quaternion[2] = (R(0, 2) - R(2, 0)) * t;
328     quaternion[3] = (R(1, 0) - R(0, 1)) * t;
329   } else {
330     int i = 0;
331     if (R(1, 1) > R(0, 0)) {
332       i = 1;
333     }
334
335     if (R(2, 2) > R(i, i)) {
336       i = 2;
337     }
338
339     const int j = (i + 1) % 3;
340     const int k = (j + 1) % 3;
341     T t = sqrt(R(i, i) - R(j, j) - R(k, k) + T(1.0));
342     quaternion[i + 1] = T(0.5) * t;
343     t = T(0.5) / t;
344     quaternion[0] = (R(k, j) - R(j, k)) * t;
345     quaternion[j + 1] = (R(j, i) + R(i, j)) * t;
346     quaternion[k + 1] = (R(k, i) + R(i, k)) * t;
347   }
348 }
349
350 // The conversion of a rotation matrix to the angle-axis form is
351 // numerically problematic when then rotation angle is close to zero
352 // or to Pi. The following implementation detects when these two cases
353 // occurs and deals with them by taking code paths that are guaranteed
354 // to not perform division by a small number.
355 template <typename T>
356 inline void RotationMatrixToAngleAxis(const T* R, T* angle_axis) {
357   RotationMatrixToAngleAxis(ColumnMajorAdapter3x3(R), angle_axis);
358 }
359
360 template <typename T, int row_stride, int col_stride>
361 void RotationMatrixToAngleAxis(
362     const MatrixAdapter<const T, row_stride, col_stride>& R,
363     T* angle_axis) {
364   T quaternion[4];
365   RotationMatrixToQuaternion(R, quaternion);
366   QuaternionToAngleAxis(quaternion, angle_axis);
367   return;
368 }
369
370 template <typename T>
371 inline void AngleAxisToRotationMatrix(const T* angle_axis, T* R) {
372   AngleAxisToRotationMatrix(angle_axis, ColumnMajorAdapter3x3(R));
373 }
374
375 template <typename T, int row_stride, int col_stride>
376 void AngleAxisToRotationMatrix(
377     const T* angle_axis,
378     const MatrixAdapter<T, row_stride, col_stride>& R) {
379   static const T kOne = T(1.0);
380   const T theta2 = DotProduct(angle_axis, angle_axis);
381   if (theta2 > T(std::numeric_limits<double>::epsilon())) {
382     // We want to be careful to only evaluate the square root if the
383     // norm of the angle_axis vector is greater than zero. Otherwise
384     // we get a division by zero.
385     const T theta = sqrt(theta2);
386     const T wx = angle_axis[0] / theta;
387     const T wy = angle_axis[1] / theta;
388     const T wz = angle_axis[2] / theta;
389
390     const T costheta = cos(theta);
391     const T sintheta = sin(theta);
392
393     R(0, 0) =     costheta   + wx*wx*(kOne -    costheta);
394     R(1, 0) =  wz*sintheta   + wx*wy*(kOne -    costheta);
395     R(2, 0) = -wy*sintheta   + wx*wz*(kOne -    costheta);
396     R(0, 1) =  wx*wy*(kOne - costheta)     - wz*sintheta;
397     R(1, 1) =     costheta   + wy*wy*(kOne -    costheta);
398     R(2, 1) =  wx*sintheta   + wy*wz*(kOne -    costheta);
399     R(0, 2) =  wy*sintheta   + wx*wz*(kOne -    costheta);
400     R(1, 2) = -wx*sintheta   + wy*wz*(kOne -    costheta);
401     R(2, 2) =     costheta   + wz*wz*(kOne -    costheta);
402   } else {
403     // Near zero, we switch to using the first order Taylor expansion.
404     R(0, 0) =  kOne;
405     R(1, 0) =  angle_axis[2];
406     R(2, 0) = -angle_axis[1];
407     R(0, 1) = -angle_axis[2];
408     R(1, 1) =  kOne;
409     R(2, 1) =  angle_axis[0];
410     R(0, 2) =  angle_axis[1];
411     R(1, 2) = -angle_axis[0];
412     R(2, 2) = kOne;
413   }
414 }
415
416 template <typename T>
417 inline void EulerAnglesToRotationMatrix(const T* euler,
418                                         const int row_stride_parameter,
419                                         T* R) {
420   EulerAnglesToRotationMatrix(euler, RowMajorAdapter3x3(R));
421 }
422
423 template <typename T, int row_stride, int col_stride>
424 void EulerAnglesToRotationMatrix(
425     const T* euler,
426     const MatrixAdapter<T, row_stride, col_stride>& R) {
427   const double kPi = 3.14159265358979323846;
428   const T degrees_to_radians(kPi / 180.0);
429
430   const T pitch(euler[0] * degrees_to_radians);
431   const T roll(euler[1] * degrees_to_radians);
432   const T yaw(euler[2] * degrees_to_radians);
433
434   const T c1 = cos(yaw);
435   const T s1 = sin(yaw);
436   const T c2 = cos(roll);
437   const T s2 = sin(roll);
438   const T c3 = cos(pitch);
439   const T s3 = sin(pitch);
440
441   R(0, 0) = c1*c2;
442   R(0, 1) = -s1*c3 + c1*s2*s3;
443   R(0, 2) = s1*s3 + c1*s2*c3;
444
445   R(1, 0) = s1*c2;
446   R(1, 1) = c1*c3 + s1*s2*s3;
447   R(1, 2) = -c1*s3 + s1*s2*c3;
448
449   R(2, 0) = -s2;
450   R(2, 1) = c2*s3;
451   R(2, 2) = c2*c3;
452 }
453
454 template <typename T> inline
455 void QuaternionToScaledRotation(const T q[4], T R[3 * 3]) {
456   QuaternionToScaledRotation(q, RowMajorAdapter3x3(R));
457 }
458
459 template <typename T, int row_stride, int col_stride> inline
460 void QuaternionToScaledRotation(
461     const T q[4],
462     const MatrixAdapter<T, row_stride, col_stride>& R) {
463   // Make convenient names for elements of q.
464   T a = q[0];
465   T b = q[1];
466   T c = q[2];
467   T d = q[3];
468   // This is not to eliminate common sub-expression, but to
469   // make the lines shorter so that they fit in 80 columns!
470   T aa = a * a;
471   T ab = a * b;
472   T ac = a * c;
473   T ad = a * d;
474   T bb = b * b;
475   T bc = b * c;
476   T bd = b * d;
477   T cc = c * c;
478   T cd = c * d;
479   T dd = d * d;
480
481   R(0, 0) = aa + bb - cc - dd; R(0, 1) = T(2) * (bc - ad);  R(0, 2) = T(2) * (ac + bd);  // NOLINT
482   R(1, 0) = T(2) * (ad + bc);  R(1, 1) = aa - bb + cc - dd; R(1, 2) = T(2) * (cd - ab);  // NOLINT
483   R(2, 0) = T(2) * (bd - ac);  R(2, 1) = T(2) * (ab + cd);  R(2, 2) = aa - bb - cc + dd; // NOLINT
484 }
485
486 template <typename T> inline
487 void QuaternionToRotation(const T q[4], T R[3 * 3]) {
488   QuaternionToRotation(q, RowMajorAdapter3x3(R));
489 }
490
491 template <typename T, int row_stride, int col_stride> inline
492 void QuaternionToRotation(const T q[4],
493                           const MatrixAdapter<T, row_stride, col_stride>& R) {
494   QuaternionToScaledRotation(q, R);
495
496   T normalizer = q[0]*q[0] + q[1]*q[1] + q[2]*q[2] + q[3]*q[3];
497   normalizer = T(1) / normalizer;
498
499   for (int i = 0; i < 3; ++i) {
500     for (int j = 0; j < 3; ++j) {
501       R(i, j) *= normalizer;
502     }
503   }
504 }
505
506 template <typename T> inline
507 void UnitQuaternionRotatePoint(const T q[4], const T pt[3], T result[3]) {
508   const T t2 =  q[0] * q[1];
509   const T t3 =  q[0] * q[2];
510   const T t4 =  q[0] * q[3];
511   const T t5 = -q[1] * q[1];
512   const T t6 =  q[1] * q[2];
513   const T t7 =  q[1] * q[3];
514   const T t8 = -q[2] * q[2];
515   const T t9 =  q[2] * q[3];
516   const T t1 = -q[3] * q[3];
517   result[0] = T(2) * ((t8 + t1) * pt[0] + (t6 - t4) * pt[1] + (t3 + t7) * pt[2]) + pt[0];  // NOLINT
518   result[1] = T(2) * ((t4 + t6) * pt[0] + (t5 + t1) * pt[1] + (t9 - t2) * pt[2]) + pt[1];  // NOLINT
519   result[2] = T(2) * ((t7 - t3) * pt[0] + (t2 + t9) * pt[1] + (t5 + t8) * pt[2]) + pt[2];  // NOLINT
520 }
521
522 template <typename T> inline
523 void QuaternionRotatePoint(const T q[4], const T pt[3], T result[3]) {
524   // 'scale' is 1 / norm(q).
525   const T scale = T(1) / sqrt(q[0] * q[0] +
526                               q[1] * q[1] +
527                               q[2] * q[2] +
528                               q[3] * q[3]);
529
530   // Make unit-norm version of q.
531   const T unit[4] = {
532     scale * q[0],
533     scale * q[1],
534     scale * q[2],
535     scale * q[3],
536   };
537
538   UnitQuaternionRotatePoint(unit, pt, result);
539 }
540
541 template<typename T> inline
542 void QuaternionProduct(const T z[4], const T w[4], T zw[4]) {
543   zw[0] = z[0] * w[0] - z[1] * w[1] - z[2] * w[2] - z[3] * w[3];
544   zw[1] = z[0] * w[1] + z[1] * w[0] + z[2] * w[3] - z[3] * w[2];
545   zw[2] = z[0] * w[2] - z[1] * w[3] + z[2] * w[0] + z[3] * w[1];
546   zw[3] = z[0] * w[3] + z[1] * w[2] - z[2] * w[1] + z[3] * w[0];
547 }
548
549 // xy = x cross y;
550 template<typename T> inline
551 void CrossProduct(const T x[3], const T y[3], T x_cross_y[3]) {
552   x_cross_y[0] = x[1] * y[2] - x[2] * y[1];
553   x_cross_y[1] = x[2] * y[0] - x[0] * y[2];
554   x_cross_y[2] = x[0] * y[1] - x[1] * y[0];
555 }
556
557 template<typename T> inline
558 T DotProduct(const T x[3], const T y[3]) {
559   return (x[0] * y[0] + x[1] * y[1] + x[2] * y[2]);
560 }
561
562 template<typename T> inline
563 void AngleAxisRotatePoint(const T angle_axis[3], const T pt[3], T result[3]) {
564   const T theta2 = DotProduct(angle_axis, angle_axis);
565   if (theta2 > T(std::numeric_limits<double>::epsilon())) {
566     // Away from zero, use the rodriguez formula
567     //
568     //   result = pt costheta +
569     //            (w x pt) * sintheta +
570     //            w (w . pt) (1 - costheta)
571     //
572     // We want to be careful to only evaluate the square root if the
573     // norm of the angle_axis vector is greater than zero. Otherwise
574     // we get a division by zero.
575     //
576     const T theta = sqrt(theta2);
577     const T costheta = cos(theta);
578     const T sintheta = sin(theta);
579     const T theta_inverse = T(1.0) / theta;
580
581     const T w[3] = { angle_axis[0] * theta_inverse,
582                      angle_axis[1] * theta_inverse,
583                      angle_axis[2] * theta_inverse };
584
585     // Explicitly inlined evaluation of the cross product for
586     // performance reasons.
587     const T w_cross_pt[3] = { w[1] * pt[2] - w[2] * pt[1],
588                               w[2] * pt[0] - w[0] * pt[2],
589                               w[0] * pt[1] - w[1] * pt[0] };
590     const T tmp =
591         (w[0] * pt[0] + w[1] * pt[1] + w[2] * pt[2]) * (T(1.0) - costheta);
592
593     result[0] = pt[0] * costheta + w_cross_pt[0] * sintheta + w[0] * tmp;
594     result[1] = pt[1] * costheta + w_cross_pt[1] * sintheta + w[1] * tmp;
595     result[2] = pt[2] * costheta + w_cross_pt[2] * sintheta + w[2] * tmp;
596   } else {
597     // Near zero, the first order Taylor approximation of the rotation
598     // matrix R corresponding to a vector w and angle w is
599     //
600     //   R = I + hat(w) * sin(theta)
601     //
602     // But sintheta ~ theta and theta * w = angle_axis, which gives us
603     //
604     //  R = I + hat(w)
605     //
606     // and actually performing multiplication with the point pt, gives us
607     // R * pt = pt + w x pt.
608     //
609     // Switching to the Taylor expansion near zero provides meaningful
610     // derivatives when evaluated using Jets.
611     //
612     // Explicitly inlined evaluation of the cross product for
613     // performance reasons.
614     const T w_cross_pt[3] = { angle_axis[1] * pt[2] - angle_axis[2] * pt[1],
615                               angle_axis[2] * pt[0] - angle_axis[0] * pt[2],
616                               angle_axis[0] * pt[1] - angle_axis[1] * pt[0] };
617
618     result[0] = pt[0] + w_cross_pt[0];
619     result[1] = pt[1] + w_cross_pt[1];
620     result[2] = pt[2] + w_cross_pt[2];
621   }
622 }
623
624 }  // namespace ceres
625
626 #endif  // CERES_PUBLIC_ROTATION_H_