Mega Code Archive

 
Categories / Java / 2D Graphics GUI
 

Rotations in a three-dimensional space

/*  * Licensed to the Apache Software Foundation (ASF) under one or more  * contributor license agreements.  See the NOTICE file distributed with  * this work for additional information regarding copyright ownership.  * The ASF licenses this file to You under the Apache License, Version 2.0  * (the "License"); you may not use this file except in compliance with  * the License.  You may obtain a copy of the License at  *  *      http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0  *  * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software  * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,  * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.  * See the License for the specific language governing permissions and  * limitations under the License.  */ import java.io.Serializable; /**  * This class implements rotations in a three-dimensional space.  *  * <p>Rotations can be represented by several different mathematical  * entities (matrices, axe and angle, Cardan or Euler angles,  * quaternions). This class presents an higher level abstraction, more  * user-oriented and hiding this implementation details. Well, for the  * curious, we use quaternions for the internal representation. The  * user can build a rotation from any of these representations, and  * any of these representations can be retrieved from a  * <code>Rotation</code> instance (see the various constructors and  * getters). In addition, a rotation can also be built implicitely  * from a set of vectors and their image.</p>  * <p>This implies that this class can be used to convert from one  * representation to another one. For example, converting a rotation  * matrix into a set of Cardan angles from can be done using the  * followong single line of code:</p>  * <pre>  * double[] angles = new Rotation(matrix, 1.0e-10).getAngles(RotationOrder.XYZ);  * </pre>  * <p>Focus is oriented on what a rotation <em>do</em> rather than on its  * underlying representation. Once it has been built, and regardless of its  * internal representation, a rotation is an <em>operator</em> which basically  * transforms three dimensional {@link Vector3D vectors} into other three  * dimensional {@link Vector3D vectors}. Depending on the application, the  * meaning of these vectors may vary and the semantics of the rotation also.</p>  * <p>For example in an spacecraft attitude simulation tool, users will often  * consider the vectors are fixed (say the Earth direction for example) and the  * rotation transforms the coordinates coordinates of this vector in inertial  * frame into the coordinates of the same vector in satellite frame. In this  * case, the rotation implicitely defines the relation between the two frames.  * Another example could be a telescope control application, where the rotation  * would transform the sighting direction at rest into the desired observing  * direction when the telescope is pointed towards an object of interest. In this  * case the rotation transforms the directionf at rest in a topocentric frame  * into the sighting direction in the same topocentric frame. In many case, both  * approaches will be combined, in our telescope example, we will probably also  * need to transform the observing direction in the topocentric frame into the  * observing direction in inertial frame taking into account the observatory  * location and the Earth rotation.</p>  *  * <p>These examples show that a rotation is what the user wants it to be, so this  * class does not push the user towards one specific definition and hence does not  * provide methods like <code>projectVectorIntoDestinationFrame</code> or  * <code>computeTransformedDirection</code>. It provides simpler and more generic  * methods: {@link #applyTo(Vector3D) applyTo(Vector3D)} and {@link  * #applyInverseTo(Vector3D) applyInverseTo(Vector3D)}.</p>  *  * <p>Since a rotation is basically a vectorial operator, several rotations can be  * composed together and the composite operation <code>r = r<sub>1</sub> o  * r<sub>2</sub></code> (which means that for each vector <code>u</code>,  * <code>r(u) = r<sub>1</sub>(r<sub>2</sub>(u))</code>) is also a rotation. Hence  * we can consider that in addition to vectors, a rotation can be applied to other  * rotations as well (or to itself). With our previous notations, we would say we  * can apply <code>r<sub>1</sub></code> to <code>r<sub>2</sub></code> and the result  * we get is <code>r = r<sub>1</sub> o r<sub>2</sub></code>. For this purpose, the  * class provides the methods: {@link #applyTo(Rotation) applyTo(Rotation)} and  * {@link #applyInverseTo(Rotation) applyInverseTo(Rotation)}.</p>  *  * <p>Rotations are guaranteed to be immutable objects.</p>  *  * @version $Revision: 627994 $ $Date: 2008-02-15 03:16:05 -0700 (Fri, 15 Feb 2008) $  * @see Vector3D  * @see RotationOrder  * @since 1.2  */ public class Rotation implements Serializable {   /** Build the identity rotation.    */   public Rotation() {     q0 = 1;     q1 = 0;     q2 = 0;     q3 = 0;   }   /** Build a rotation from the quaternion coordinates.    * <p>A rotation can be built from a <em>normalized</em> quaternion,    * i.e. a quaternion for which q<sub>0</sub><sup>2</sup> +    * q<sub>1</sub><sup>2</sup> + q<sub>2</sub><sup>2</sup> +    * q<sub>3</sub><sup>2</sup> = 1. If the quaternion is not normalized,    * the constructor can normalize it in a preprocessing step.</p>    * @param q0 scalar part of the quaternion    * @param q1 first coordinate of the vectorial part of the quaternion    * @param q2 second coordinate of the vectorial part of the quaternion    * @param q3 third coordinate of the vectorial part of the quaternion    * @param needsNormalization if true, the coordinates are considered    * not to be normalized, a normalization preprocessing step is performed    * before using them    */   public Rotation(double q0, double q1, double q2, double q3,                   boolean needsNormalization) {     if (needsNormalization) {       // normalization preprocessing       double inv = 1.0 / Math.sqrt(q0 * q0 + q1 * q1 + q2 * q2 + q3 * q3);       q0 *= inv;       q1 *= inv;       q2 *= inv;       q3 *= inv;     }     this.q0 = q0;     this.q1 = q1;     this.q2 = q2;     this.q3 = q3;   }   /** Build a rotation from an axis and an angle.    * <p>We use the convention that angles are oriented according to    * the effect of the rotation on vectors around the axis. That means    * that if (i, j, k) is a direct frame and if we first provide +k as    * the axis and PI/2 as the angle to this constructor, and then    * {@link #applyTo(Vector3D) apply} the instance to +i, we will get    * +j.</p>    * @param axis axis around which to rotate    * @param angle rotation angle.    * @exception ArithmeticException if the axis norm is zero    */   public Rotation(Vector3D axis, double angle) {     double norm = axis.getNorm();     if (norm == 0) {       throw new ArithmeticException("zero norm for rotation axis");     }     double halfAngle = -0.5 * angle;     double coeff = Math.sin(halfAngle) / norm;     q0 = Math.cos (halfAngle);     q1 = coeff * axis.getX();     q2 = coeff * axis.getY();     q3 = coeff * axis.getZ();   }   /** Build a rotation from a 3X3 matrix.    * <p>Rotation matrices are orthogonal matrices, i.e. unit matrices    * (which are matrices for which m.m<sup>T</sup> = I) with real    * coefficients. The module of the determinant of unit matrices is    * 1, among the orthogonal 3X3 matrices, only the ones having a    * positive determinant (+1) are rotation matrices.</p>    * <p>When a rotation is defined by a matrix with truncated values    * (typically when it is extracted from a technical sheet where only    * four to five significant digits are available), the matrix is not    * orthogonal anymore. This constructor handles this case    * transparently by using a copy of the given matrix and applying a    * correction to the copy in order to perfect its orthogonality. If    * the Frobenius norm of the correction needed is above the given    * threshold, then the matrix is considered to be too far from a    * true rotation matrix and an exception is thrown.<p>    * @param m rotation matrix    * @param threshold convergence threshold for the iterative    * orthogonality correction (convergence is reached when the    * difference between two steps of the Frobenius norm of the    * correction is below this threshold)    * @exception NotARotationMatrixException if the matrix is not a 3X3    * matrix, or if it cannot be transformed into an orthogonal matrix    * with the given threshold, or if the determinant of the resulting    * orthogonal matrix is negative    */   public Rotation(double[][] m, double threshold)     {     // dimension check     if ((m.length != 3) || (m[0].length != 3) ||         (m[1].length != 3) || (m[2].length != 3)) {       System.out.println("a {0}x{1} matrix" +                                             " cannot be a rotation matrix");     }     // compute a "close" orthogonal matrix     double[][] ort = orthogonalizeMatrix(m, threshold);     // check the sign of the determinant     double det = ort[0][0] * (ort[1][1] * ort[2][2] - ort[2][1] * ort[1][2]) -                  ort[1][0] * (ort[0][1] * ort[2][2] - ort[2][1] * ort[0][2]) +                  ort[2][0] * (ort[0][1] * ort[1][2] - ort[1][1] * ort[0][2]);     if (det < 0.0) {       System.out.println("the closest orthogonal matrix" +                                             " has a negative determinant {0}");     }     // There are different ways to compute the quaternions elements     // from the matrix. They all involve computing one element from     // the diagonal of the matrix, and computing the three other ones     // using a formula involving a division by the first element,     // which unfortunately can be zero. Since the norm of the     // quaternion is 1, we know at least one element has an absolute     // value greater or equal to 0.5, so it is always possible to     // select the right formula and avoid division by zero and even     // numerical inaccuracy. Checking the elements in turn and using     // the first one greater than 0.45 is safe (this leads to a simple     // test since qi = 0.45 implies 4 qi^2 - 1 = -0.19)     double s = ort[0][0] + ort[1][1] + ort[2][2];     if (s > -0.19) {       // compute q0 and deduce q1, q2 and q3       q0 = 0.5 * Math.sqrt(s + 1.0);       double inv = 0.25 / q0;       q1 = inv * (ort[1][2] - ort[2][1]);       q2 = inv * (ort[2][0] - ort[0][2]);       q3 = inv * (ort[0][1] - ort[1][0]);     } else {       s = ort[0][0] - ort[1][1] - ort[2][2];       if (s > -0.19) {         // compute q1 and deduce q0, q2 and q3         q1 = 0.5 * Math.sqrt(s + 1.0);         double inv = 0.25 / q1;         q0 = inv * (ort[1][2] - ort[2][1]);         q2 = inv * (ort[0][1] + ort[1][0]);         q3 = inv * (ort[0][2] + ort[2][0]);       } else {         s = ort[1][1] - ort[0][0] - ort[2][2];         if (s > -0.19) {           // compute q2 and deduce q0, q1 and q3           q2 = 0.5 * Math.sqrt(s + 1.0);           double inv = 0.25 / q2;           q0 = inv * (ort[2][0] - ort[0][2]);           q1 = inv * (ort[0][1] + ort[1][0]);           q3 = inv * (ort[2][1] + ort[1][2]);         } else {           // compute q3 and deduce q0, q1 and q2           s = ort[2][2] - ort[0][0] - ort[1][1];           q3 = 0.5 * Math.sqrt(s + 1.0);           double inv = 0.25 / q3;           q0 = inv * (ort[0][1] - ort[1][0]);           q1 = inv * (ort[0][2] + ort[2][0]);           q2 = inv * (ort[2][1] + ort[1][2]);         }       }     }   }   /** Build the rotation that transforms a pair of vector into another pair.    * <p>Except for possible scale factors, if the instance were applied to    * the pair (u<sub>1</sub>, u<sub>2</sub>) it will produce the pair    * (v<sub>1</sub>, v<sub>2</sub>).</p>    * <p>If the angular separation between u<sub>1</sub> and u<sub>2</sub> is    * not the same as the angular separation between v<sub>1</sub> and    * v<sub>2</sub>, then a corrected v'<sub>2</sub> will be used rather than    * v<sub>2</sub>, the corrected vector will be in the (v<sub>1</sub>,    * v<sub>2</sub>) plane.</p>    * @param u1 first vector of the origin pair    * @param u2 second vector of the origin pair    * @param v1 desired image of u1 by the rotation    * @param v2 desired image of u2 by the rotation    * @exception IllegalArgumentException if the norm of one of the vectors is zero    */   public Rotation(Vector3D u1, Vector3D u2, Vector3D v1, Vector3D v2) {   // norms computation   double u1u1 = Vector3D.dotProduct(u1, u1);   double u2u2 = Vector3D.dotProduct(u2, u2);   double v1v1 = Vector3D.dotProduct(v1, v1);   double v2v2 = Vector3D.dotProduct(v2, v2);   if ((u1u1 == 0) || (u2u2 == 0) || (v1v1 == 0) || (v2v2 == 0)) {     throw new IllegalArgumentException("zero norm for rotation defining vector");   }   double u1x = u1.getX();   double u1y = u1.getY();   double u1z = u1.getZ();   double u2x = u2.getX();   double u2y = u2.getY();   double u2z = u2.getZ();   // normalize v1 in order to have (v1'|v1') = (u1|u1)   double coeff = Math.sqrt (u1u1 / v1v1);   double v1x   = coeff * v1.getX();   double v1y   = coeff * v1.getY();   double v1z   = coeff * v1.getZ();   v1 = new Vector3D(v1x, v1y, v1z);   // adjust v2 in order to have (u1|u2) = (v1|v2) and (v2'|v2') = (u2|u2)   double u1u2   = Vector3D.dotProduct(u1, u2);   double v1v2   = Vector3D.dotProduct(v1, v2);   double coeffU = u1u2 / u1u1;   double coeffV = v1v2 / u1u1;   double beta   = Math.sqrt((u2u2 - u1u2 * coeffU) / (v2v2 - v1v2 * coeffV));   double alpha  = coeffU - beta * coeffV;   double v2x    = alpha * v1x + beta * v2.getX();   double v2y    = alpha * v1y + beta * v2.getY();   double v2z    = alpha * v1z + beta * v2.getZ();   v2 = new Vector3D(v2x, v2y, v2z);   // preliminary computation (we use explicit formulation instead   // of relying on the Vector3D class in order to avoid building lots   // of temporary objects)   Vector3D uRef = u1;   Vector3D vRef = v1;   double dx1 = v1x - u1.getX();   double dy1 = v1y - u1.getY();   double dz1 = v1z - u1.getZ();   double dx2 = v2x - u2.getX();   double dy2 = v2y - u2.getY();   double dz2 = v2z - u2.getZ();   Vector3D k = new Vector3D(dy1 * dz2 - dz1 * dy2,                             dz1 * dx2 - dx1 * dz2,                             dx1 * dy2 - dy1 * dx2);   double c = k.getX() * (u1y * u2z - u1z * u2y) +              k.getY() * (u1z * u2x - u1x * u2z) +              k.getZ() * (u1x * u2y - u1y * u2x);   if (c == 0) {     // the (q1, q2, q3) vector is in the (u1, u2) plane     // we try other vectors     Vector3D u3 = Vector3D.crossProduct(u1, u2);     Vector3D v3 = Vector3D.crossProduct(v1, v2);     double u3x  = u3.getX();     double u3y  = u3.getY();     double u3z  = u3.getZ();     double v3x  = v3.getX();     double v3y  = v3.getY();     double v3z  = v3.getZ();     double dx3 = v3x - u3x;     double dy3 = v3y - u3y;     double dz3 = v3z - u3z;     k = new Vector3D(dy1 * dz3 - dz1 * dy3,                      dz1 * dx3 - dx1 * dz3,                      dx1 * dy3 - dy1 * dx3);     c = k.getX() * (u1y * u3z - u1z * u3y) +         k.getY() * (u1z * u3x - u1x * u3z) +         k.getZ() * (u1x * u3y - u1y * u3x);     if (c == 0) {       // the (q1, q2, q3) vector is aligned with u1:       // we try (u2, u3) and (v2, v3)       k = new Vector3D(dy2 * dz3 - dz2 * dy3,                        dz2 * dx3 - dx2 * dz3,                        dx2 * dy3 - dy2 * dx3);       c = k.getX() * (u2y * u3z - u2z * u3y) +           k.getY() * (u2z * u3x - u2x * u3z) +           k.getZ() * (u2x * u3y - u2y * u3x);       if (c == 0) {         // the (q1, q2, q3) vector is aligned with everything         // this is really the identity rotation         q0 = 1.0;         q1 = 0.0;         q2 = 0.0;         q3 = 0.0;         return;       }       // we will have to use u2 and v2 to compute the scalar part       uRef = u2;       vRef = v2;     }   }   // compute the vectorial part   c = Math.sqrt(c);   double inv = 1.0 / (c + c);   q1 = inv * k.getX();   q2 = inv * k.getY();   q3 = inv * k.getZ();   // compute the scalar part    k = new Vector3D(uRef.getY() * q3 - uRef.getZ() * q2,                     uRef.getZ() * q1 - uRef.getX() * q3,                     uRef.getX() * q2 - uRef.getY() * q1);    c = Vector3D.dotProduct(k, k);   q0 = Vector3D.dotProduct(vRef, k) / (c + c);   }   /** Build one of the rotations that transform one vector into another one.    * <p>Except for a possible scale factor, if the instance were    * applied to the vector u it will produce the vector v. There is an    * infinite number of such rotations, this constructor choose the    * one with the smallest associated angle (i.e. the one whose axis    * is orthogonal to the (u, v) plane). If u and v are colinear, an    * arbitrary rotation axis is chosen.</p>    * @param u origin vector    * @param v desired image of u by the rotation    * @exception IllegalArgumentException if the norm of one of the vectors is zero    */   public Rotation(Vector3D u, Vector3D v) {     double normProduct = u.getNorm() * v.getNorm();     if (normProduct == 0) {       throw new IllegalArgumentException("zero norm for rotation defining vector");     }     double dot = Vector3D.dotProduct(u, v);     if (dot < ((2.0e-15 - 1.0) * normProduct)) {       // special case u = -v: we select a PI angle rotation around       // an arbitrary vector orthogonal to u       Vector3D w = u.orthogonal();       q0 = 0.0;       q1 = -w.getX();       q2 = -w.getY();       q3 = -w.getZ();     } else {       // general case: (u, v) defines a plane, we select       // the shortest possible rotation: axis orthogonal to this plane       q0 = Math.sqrt(0.5 * (1.0 + dot / normProduct));       double coeff = 1.0 / (2.0 * q0 * normProduct);       q1 = coeff * (v.getY() * u.getZ() - v.getZ() * u.getY());       q2 = coeff * (v.getZ() * u.getX() - v.getX() * u.getZ());       q3 = coeff * (v.getX() * u.getY() - v.getY() * u.getX());     }   }   /** Build a rotation from three Cardan or Euler elementary rotations.    * <p>Cardan rotations are three successive rotations around the    * canonical axes X, Y and Z, each axis beeing used once. There are    * 6 such sets of rotations (XYZ, XZY, YXZ, YZX, ZXY and ZYX). Euler    * rotations are three successive rotations around the canonical    * axes X, Y and Z, the first and last rotations beeing around the    * same axis. There are 6 such sets of rotations (XYX, XZX, YXY,    * YZY, ZXZ and ZYZ), the most popular one being ZXZ.</p>    * <p>Beware that many people routinely use the term Euler angles even    * for what really are Cardan angles (this confusion is especially    * widespread in the aerospace business where Roll, Pitch and Yaw angles    * are often wrongly tagged as Euler angles).</p>    * @param order order of rotations to use    * @param alpha1 angle of the first elementary rotation    * @param alpha2 angle of the second elementary rotation    * @param alpha3 angle of the third elementary rotation    */   public Rotation(RotationOrder order,                   double alpha1, double alpha2, double alpha3) {     Rotation r1 = new Rotation(order.getA1(), alpha1);     Rotation r2 = new Rotation(order.getA2(), alpha2);     Rotation r3 = new Rotation(order.getA3(), alpha3);     Rotation composed = r1.applyTo(r2.applyTo(r3));     q0 = composed.q0;     q1 = composed.q1;     q2 = composed.q2;     q3 = composed.q3;   }   /** Revert a rotation.    * Build a rotation which reverse the effect of another    * rotation. This means that if r(u) = v, then r.revert(v) = u. The    * instance is not changed.    * @return a new rotation whose effect is the reverse of the effect    * of the instance    */   public Rotation revert() {     return new Rotation(-q0, q1, q2, q3, false);   }   /** Get the scalar coordinate of the quaternion.    * @return scalar coordinate of the quaternion    */   public double getQ0() {     return q0;   }   /** Get the first coordinate of the vectorial part of the quaternion.    * @return first coordinate of the vectorial part of the quaternion    */   public double getQ1() {     return q1;   }   /** Get the second coordinate of the vectorial part of the quaternion.    * @return second coordinate of the vectorial part of the quaternion    */   public double getQ2() {     return q2;   }   /** Get the third coordinate of the vectorial part of the quaternion.    * @return third coordinate of the vectorial part of the quaternion    */   public double getQ3() {     return q3;   }   /** Get the normalized axis of the rotation.    * @return normalized axis of the rotation    */   public Vector3D getAxis() {     double squaredSine = q1 * q1 + q2 * q2 + q3 * q3;     if (squaredSine == 0) {       return new Vector3D(1, 0, 0);     } else if (q0 < 0) {       double inverse = 1 / Math.sqrt(squaredSine);       return new Vector3D(q1 * inverse, q2 * inverse, q3 * inverse);     }     double inverse = -1 / Math.sqrt(squaredSine);     return new Vector3D(q1 * inverse, q2 * inverse, q3 * inverse);   }   /** Get the angle of the rotation.    * @return angle of the rotation (between 0 and &pi;)    */   public double getAngle() {     if ((q0 < -0.1) || (q0 > 0.1)) {       return 2 * Math.asin(Math.sqrt(q1 * q1 + q2 * q2 + q3 * q3));     } else if (q0 < 0) {       return 2 * Math.acos(-q0);     }     return 2 * Math.acos(q0);   }   /** Get the Cardan or Euler angles corresponding to the instance.    * <p>The equations show that each rotation can be defined by two    * different values of the Cardan or Euler angles set. For example    * if Cardan angles are used, the rotation defined by the angles    * a<sub>1</sub>, a<sub>2</sub> and a<sub>3</sub> is the same as    * the rotation defined by the angles &pi; + a<sub>1</sub>, &pi;    * - a<sub>2</sub> and &pi; + a<sub>3</sub>. This method implements    * the following arbitrary choices:</p>    * <ul>    *   <li>for Cardan angles, the chosen set is the one for which the    *   second angle is between -&pi;/2 and &pi;/2 (i.e its cosine is    *   positive),</li>    *   <li>for Euler angles, the chosen set is the one for which the    *   second angle is between 0 and &pi; (i.e its sine is positive).</li>    * </ul>    * <p>Cardan and Euler angle have a very disappointing drawback: all    * of them have singularities. This means that if the instance is    * too close to the singularities corresponding to the given    * rotation order, it will be impossible to retrieve the angles. For    * Cardan angles, this is often called gimbal lock. There is    * <em>nothing</em> to do to prevent this, it is an intrinsic problem    * with Cardan and Euler representation (but not a problem with the    * rotation itself, which is perfectly well defined). For Cardan    * angles, singularities occur when the second angle is close to    * -&pi;/2 or +&pi;/2, for Euler angle singularities occur when the    * second angle is close to 0 or &pi;, this implies that the identity    * rotation is always singular for Euler angles!</p>    * @param order rotation order to use    * @return an array of three angles, in the order specified by the set    * @exception CardanEulerSingularityException if the rotation is    * singular with respect to the angles set specified    */   public double[] getAngles(RotationOrder order)     {     if (order == RotationOrder.XYZ) {       // r (Vector3D.plusK) coordinates are :       //  sin (theta), -cos (theta) sin (phi), cos (theta) cos (phi)       // (-r) (Vector3D.plusI) coordinates are :       // cos (psi) cos (theta), -sin (psi) cos (theta), sin (theta)       // and we can choose to have theta in the interval [-PI/2 ; +PI/2]       Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusK);       Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusI);       if  ((v2.getZ() < -0.9999999999) || (v2.getZ() > 0.9999999999)) {         System.out.println("CardanEulerSingularityException");       }       return new double[] {         Math.atan2(-(v1.getY()), v1.getZ()),         Math.asin(v2.getZ()),         Math.atan2(-(v2.getY()), v2.getX())       };     } else if (order == RotationOrder.XZY) {       // r (Vector3D.plusJ) coordinates are :       // -sin (psi), cos (psi) cos (phi), cos (psi) sin (phi)       // (-r) (Vector3D.plusI) coordinates are :       // cos (theta) cos (psi), -sin (psi), sin (theta) cos (psi)       // and we can choose to have psi in the interval [-PI/2 ; +PI/2]       Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusJ);       Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusI);       if ((v2.getY() < -0.9999999999) || (v2.getY() > 0.9999999999)) {         System.out.println("CardanEulerSingularityException");       }       return new double[] {         Math.atan2(v1.getZ(), v1.getY()),        -Math.asin(v2.getY()),         Math.atan2(v2.getZ(), v2.getX())       };     } else if (order == RotationOrder.YXZ) {       // r (Vector3D.plusK) coordinates are :       //  cos (phi) sin (theta), -sin (phi), cos (phi) cos (theta)       // (-r) (Vector3D.plusJ) coordinates are :       // sin (psi) cos (phi), cos (psi) cos (phi), -sin (phi)       // and we can choose to have phi in the interval [-PI/2 ; +PI/2]       Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusK);       Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusJ);       if ((v2.getZ() < -0.9999999999) || (v2.getZ() > 0.9999999999)) {         System.out.println("CardanEulerSingularityException");       }       return new double[] {         Math.atan2(v1.getX(), v1.getZ()),        -Math.asin(v2.getZ()),         Math.atan2(v2.getX(), v2.getY())       };     } else if (order == RotationOrder.YZX) {       // r (Vector3D.plusI) coordinates are :       // cos (psi) cos (theta), sin (psi), -cos (psi) sin (theta)       // (-r) (Vector3D.plusJ) coordinates are :       // sin (psi), cos (phi) cos (psi), -sin (phi) cos (psi)       // and we can choose to have psi in the interval [-PI/2 ; +PI/2]       Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusI);       Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusJ);       if ((v2.getX() < -0.9999999999) || (v2.getX() > 0.9999999999)) {         System.out.println("CardanEulerSingularityException");       }       return new double[] {         Math.atan2(-(v1.getZ()), v1.getX()),         Math.asin(v2.getX()),         Math.atan2(-(v2.getZ()), v2.getY())       };     } else if (order == RotationOrder.ZXY) {       // r (Vector3D.plusJ) coordinates are :       // -cos (phi) sin (psi), cos (phi) cos (psi), sin (phi)       // (-r) (Vector3D.plusK) coordinates are :       // -sin (theta) cos (phi), sin (phi), cos (theta) cos (phi)       // and we can choose to have phi in the interval [-PI/2 ; +PI/2]       Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusJ);       Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusK);       if ((v2.getY() < -0.9999999999) || (v2.getY() > 0.9999999999)) {         System.out.println("CardanEulerSingularityException");       }       return new double[] {         Math.atan2(-(v1.getX()), v1.getY()),         Math.asin(v2.getY()),         Math.atan2(-(v2.getX()), v2.getZ())       };     } else if (order == RotationOrder.ZYX) {       // r (Vector3D.plusI) coordinates are :       //  cos (theta) cos (psi), cos (theta) sin (psi), -sin (theta)       // (-r) (Vector3D.plusK) coordinates are :       // -sin (theta), sin (phi) cos (theta), cos (phi) cos (theta)       // and we can choose to have theta in the interval [-PI/2 ; +PI/2]       Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusI);       Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusK);       if ((v2.getX() < -0.9999999999) || (v2.getX() > 0.9999999999)) {         System.out.println("CardanEulerSingularityException");       }       return new double[] {         Math.atan2(v1.getY(), v1.getX()),        -Math.asin(v2.getX()),         Math.atan2(v2.getY(), v2.getZ())       };     } else if (order == RotationOrder.XYX) {       // r (Vector3D.plusI) coordinates are :       //  cos (theta), sin (phi1) sin (theta), -cos (phi1) sin (theta)       // (-r) (Vector3D.plusI) coordinates are :       // cos (theta), sin (theta) sin (phi2), sin (theta) cos (phi2)       // and we can choose to have theta in the interval [0 ; PI]       Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusI);       Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusI);       if ((v2.getX() < -0.9999999999) || (v2.getX() > 0.9999999999)) {         System.out.println("CardanEulerSingularityException");       }       return new double[] {         Math.atan2(v1.getY(), -v1.getZ()),         Math.acos(v2.getX()),         Math.atan2(v2.getY(), v2.getZ())       };     } else if (order == RotationOrder.XZX) {       // r (Vector3D.plusI) coordinates are :       //  cos (psi), cos (phi1) sin (psi), sin (phi1) sin (psi)       // (-r) (Vector3D.plusI) coordinates are :       // cos (psi), -sin (psi) cos (phi2), sin (psi) sin (phi2)       // and we can choose to have psi in the interval [0 ; PI]       Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusI);       Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusI);       if ((v2.getX() < -0.9999999999) || (v2.getX() > 0.9999999999)) {         System.out.println("CardanEulerSingularityException");       }       return new double[] {         Math.atan2(v1.getZ(), v1.getY()),         Math.acos(v2.getX()),         Math.atan2(v2.getZ(), -v2.getY())       };     } else if (order == RotationOrder.YXY) {       // r (Vector3D.plusJ) coordinates are :       //  sin (theta1) sin (phi), cos (phi), cos (theta1) sin (phi)       // (-r) (Vector3D.plusJ) coordinates are :       // sin (phi) sin (theta2), cos (phi), -sin (phi) cos (theta2)       // and we can choose to have phi in the interval [0 ; PI]       Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusJ);       Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusJ);       if ((v2.getY() < -0.9999999999) || (v2.getY() > 0.9999999999)) {         System.out.println("CardanEulerSingularityException");       }       return new double[] {         Math.atan2(v1.getX(), v1.getZ()),         Math.acos(v2.getY()),         Math.atan2(v2.getX(), -v2.getZ())       };     } else if (order == RotationOrder.YZY) {       // r (Vector3D.plusJ) coordinates are :       //  -cos (theta1) sin (psi), cos (psi), sin (theta1) sin (psi)       // (-r) (Vector3D.plusJ) coordinates are :       // sin (psi) cos (theta2), cos (psi), sin (psi) sin (theta2)       // and we can choose to have psi in the interval [0 ; PI]       Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusJ);       Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusJ);       if ((v2.getY() < -0.9999999999) || (v2.getY() > 0.9999999999)) {         System.out.println("CardanEulerSingularityException");       }       return new double[] {         Math.atan2(v1.getZ(), -v1.getX()),         Math.acos(v2.getY()),         Math.atan2(v2.getZ(), v2.getX())       };     } else if (order == RotationOrder.ZXZ) {       // r (Vector3D.plusK) coordinates are :       //  sin (psi1) sin (phi), -cos (psi1) sin (phi), cos (phi)       // (-r) (Vector3D.plusK) coordinates are :       // sin (phi) sin (psi2), sin (phi) cos (psi2), cos (phi)       // and we can choose to have phi in the interval [0 ; PI]       Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusK);       Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusK);       if ((v2.getZ() < -0.9999999999) || (v2.getZ() > 0.9999999999)) {         System.out.println("CardanEulerSingularityException");       }       return new double[] {         Math.atan2(v1.getX(), -v1.getY()),         Math.acos(v2.getZ()),         Math.atan2(v2.getX(), v2.getY())       };     } else { // last possibility is ZYZ       // r (Vector3D.plusK) coordinates are :       //  cos (psi1) sin (theta), sin (psi1) sin (theta), cos (theta)       // (-r) (Vector3D.plusK) coordinates are :       // -sin (theta) cos (psi2), sin (theta) sin (psi2), cos (theta)       // and we can choose to have theta in the interval [0 ; PI]       Vector3D v1 = applyTo(Vector3D.plusK);       Vector3D v2 = applyInverseTo(Vector3D.plusK);       if ((v2.getZ() < -0.9999999999) || (v2.getZ() > 0.9999999999)) {         throw new RuntimeException("false");       }       return new double[] {         Math.atan2(v1.getY(), v1.getX()),         Math.acos(v2.getZ()),         Math.atan2(v2.getY(), -v2.getX())       };     }   }   /** Get the 3X3 matrix corresponding to the instance    * @return the matrix corresponding to the instance    */   public double[][] getMatrix() {     // products     double q0q0  = q0 * q0;     double q0q1  = q0 * q1;     double q0q2  = q0 * q2;     double q0q3  = q0 * q3;     double q1q1  = q1 * q1;     double q1q2  = q1 * q2;     double q1q3  = q1 * q3;     double q2q2  = q2 * q2;     double q2q3  = q2 * q3;     double q3q3  = q3 * q3;     // create the matrix     double[][] m = new double[3][];     m[0] = new double[3];     m[1] = new double[3];     m[2] = new double[3];     m [0][0] = 2.0 * (q0q0 + q1q1) - 1.0;     m [1][0] = 2.0 * (q1q2 - q0q3);     m [2][0] = 2.0 * (q1q3 + q0q2);     m [0][1] = 2.0 * (q1q2 + q0q3);     m [1][1] = 2.0 * (q0q0 + q2q2) - 1.0;     m [2][1] = 2.0 * (q2q3 - q0q1);     m [0][2] = 2.0 * (q1q3 - q0q2);     m [1][2] = 2.0 * (q2q3 + q0q1);     m [2][2] = 2.0 * (q0q0 + q3q3) - 1.0;     return m;   }   /** Apply the rotation to a vector.    * @param u vector to apply the rotation to    * @return a new vector which is the image of u by the rotation    */   public Vector3D applyTo(Vector3D u) {     double x = u.getX();     double y = u.getY();     double z = u.getZ();     double s = q1 * x + q2 * y + q3 * z;     return new Vector3D(2 * (q0 * (x * q0 - (q2 * z - q3 * y)) + s * q1) - x,                         2 * (q0 * (y * q0 - (q3 * x - q1 * z)) + s * q2) - y,                         2 * (q0 * (z * q0 - (q1 * y - q2 * x)) + s * q3) - z);   }   /** Apply the inverse of the rotation to a vector.    * @param u vector to apply the inverse of the rotation to    * @return a new vector which such that u is its image by the rotation    */   public Vector3D applyInverseTo(Vector3D u) {     double x = u.getX();     double y = u.getY();     double z = u.getZ();     double s = q1 * x + q2 * y + q3 * z;     double m0 = -q0;     return new Vector3D(2 * (m0 * (x * m0 - (q2 * z - q3 * y)) + s * q1) - x,                         2 * (m0 * (y * m0 - (q3 * x - q1 * z)) + s * q2) - y,                         2 * (m0 * (z * m0 - (q1 * y - q2 * x)) + s * q3) - z);   }   /** Apply the instance to another rotation.    * Applying the instance to a rotation is computing the composition    * in an order compliant with the following rule : let u be any    * vector and v its image by r (i.e. r.applyTo(u) = v), let w be the image    * of v by the instance (i.e. applyTo(v) = w), then w = comp.applyTo(u),    * where comp = applyTo(r).    * @param r rotation to apply the rotation to    * @return a new rotation which is the composition of r by the instance    */   public Rotation applyTo(Rotation r) {     return new Rotation(r.q0 * q0 - (r.q1 * q1 + r.q2 * q2 + r.q3 * q3),                         r.q1 * q0 + r.q0 * q1 + (r.q2 * q3 - r.q3 * q2),                         r.q2 * q0 + r.q0 * q2 + (r.q3 * q1 - r.q1 * q3),                         r.q3 * q0 + r.q0 * q3 + (r.q1 * q2 - r.q2 * q1),                         false);   }   /** Apply the inverse of the instance to another rotation.    * Applying the inverse of the instance to a rotation is computing    * the composition in an order compliant with the following rule :    * let u be any vector and v its image by r (i.e. r.applyTo(u) = v),    * let w be the inverse image of v by the instance    * (i.e. applyInverseTo(v) = w), then w = comp.applyTo(u), where    * comp = applyInverseTo(r).    * @param r rotation to apply the rotation to    * @return a new rotation which is the composition of r by the inverse    * of the instance    */   public Rotation applyInverseTo(Rotation r) {     return new Rotation(-r.q0 * q0 - (r.q1 * q1 + r.q2 * q2 + r.q3 * q3),                         -r.q1 * q0 + r.q0 * q1 + (r.q2 * q3 - r.q3 * q2),                         -r.q2 * q0 + r.q0 * q2 + (r.q3 * q1 - r.q1 * q3),                         -r.q3 * q0 + r.q0 * q3 + (r.q1 * q2 - r.q2 * q1),                         false);   }   /** Perfect orthogonality on a 3X3 matrix.    * @param m initial matrix (not exactly orthogonal)    * @param threshold convergence threshold for the iterative    * orthogonality correction (convergence is reached when the    * difference between two steps of the Frobenius norm of the    * correction is below this threshold)    * @return an orthogonal matrix close to m    * @exception NotARotationMatrixException if the matrix cannot be    * orthogonalized with the given threshold after 10 iterations    */   private double[][] orthogonalizeMatrix(double[][] m, double threshold)     {     double[] m0 = m[0];     double[] m1 = m[1];     double[] m2 = m[2];     double x00 = m0[0];     double x01 = m0[1];     double x02 = m0[2];     double x10 = m1[0];     double x11 = m1[1];     double x12 = m1[2];     double x20 = m2[0];     double x21 = m2[1];     double x22 = m2[2];     double fn = 0;     double fn1;     double[][] o = new double[3][3];     double[] o0 = o[0];     double[] o1 = o[1];     double[] o2 = o[2];     // iterative correction: Xn+1 = Xn - 0.5 * (Xn.Mt.Xn - M)     int i = 0;     while (++i < 11) {       // Mt.Xn       double mx00 = m0[0] * x00 + m1[0] * x10 + m2[0] * x20;       double mx10 = m0[1] * x00 + m1[1] * x10 + m2[1] * x20;       double mx20 = m0[2] * x00 + m1[2] * x10 + m2[2] * x20;       double mx01 = m0[0] * x01 + m1[0] * x11 + m2[0] * x21;       double mx11 = m0[1] * x01 + m1[1] * x11 + m2[1] * x21;       double mx21 = m0[2] * x01 + m1[2] * x11 + m2[2] * x21;       double mx02 = m0[0] * x02 + m1[0] * x12 + m2[0] * x22;       double mx12 = m0[1] * x02 + m1[1] * x12 + m2[1] * x22;       double mx22 = m0[2] * x02 + m1[2] * x12 + m2[2] * x22;       // Xn+1       o0[0] = x00 - 0.5 * (x00 * mx00 + x01 * mx10 + x02 * mx20 - m0[0]);       o0[1] = x01 - 0.5 * (x00 * mx01 + x01 * mx11 + x02 * mx21 - m0[1]);       o0[2] = x02 - 0.5 * (x00 * mx02 + x01 * mx12 + x02 * mx22 - m0[2]);       o1[0] = x10 - 0.5 * (x10 * mx00 + x11 * mx10 + x12 * mx20 - m1[0]);       o1[1] = x11 - 0.5 * (x10 * mx01 + x11 * mx11 + x12 * mx21 - m1[1]);       o1[2] = x12 - 0.5 * (x10 * mx02 + x11 * mx12 + x12 * mx22 - m1[2]);       o2[0] = x20 - 0.5 * (x20 * mx00 + x21 * mx10 + x22 * mx20 - m2[0]);       o2[1] = x21 - 0.5 * (x20 * mx01 + x21 * mx11 + x22 * mx21 - m2[1]);       o2[2] = x22 - 0.5 * (x20 * mx02 + x21 * mx12 + x22 * mx22 - m2[2]);       // correction on each elements       double corr00 = o0[0] - m0[0];       double corr01 = o0[1] - m0[1];       double corr02 = o0[2] - m0[2];       double corr10 = o1[0] - m1[0];       double corr11 = o1[1] - m1[1];       double corr12 = o1[2] - m1[2];       double corr20 = o2[0] - m2[0];       double corr21 = o2[1] - m2[1];       double corr22 = o2[2] - m2[2];       // Frobenius norm of the correction       fn1 = corr00 * corr00 + corr01 * corr01 + corr02 * corr02 +             corr10 * corr10 + corr11 * corr11 + corr12 * corr12 +             corr20 * corr20 + corr21 * corr21 + corr22 * corr22;       // convergence test       if (Math.abs(fn1 - fn) <= threshold)         return o;       // prepare next iteration       x00 = o0[0];       x01 = o0[1];       x02 = o0[2];       x10 = o1[0];       x11 = o1[1];       x12 = o1[2];       x20 = o2[0];       x21 = o2[1];       x22 = o2[2];       fn  = fn1;     }     return null;     // the algorithm did not converge after 10 iterations     //System.out.println("unable to orthogonalize matrix" +                                           //" in {0} iterations");   }   /** Scalar coordinate of the quaternion. */   private final double q0;   /** First coordinate of the vectorial part of the quaternion. */   private final double q1;   /** Second coordinate of the vectorial part of the quaternion. */   private final double q2;   /** Third coordinate of the vectorial part of the quaternion. */   private final double q3;   /** Serializable version identifier */   private static final long serialVersionUID = 8225864499430109352L; } /**  * This class is a utility representing a rotation order specification  * for Cardan or Euler angles specification.  *  * This class cannot be instanciated by the user. He can only use one  * of the twelve predefined supported orders as an argument to either  * the {@link Rotation#Rotation(RotationOrder,double,double,double)}  * constructor or the {@link Rotation#getAngles} method.  *  * @version $Revision: 620312 $ $Date: 2008-02-10 12:28:59 -0700 (Sun, 10 Feb 2008) $  * @since 1.2  */ final class RotationOrder {   /** Private constructor.    * This is a utility class that cannot be instantiated by the user,    * so its only constructor is private.    * @param name name of the rotation order    * @param a1 axis of the first rotation    * @param a2 axis of the second rotation    * @param a3 axis of the third rotation    */   private RotationOrder(String name,                         Vector3D a1, Vector3D a2, Vector3D a3) {     this.name = name;     this.a1   = a1;     this.a2   = a2;     this.a3   = a3;   }   /** Get a string representation of the instance.    * @return a string representation of the instance (in fact, its name)    */   public String toString() {     return name;   }   /** Get the axis of the first rotation.    * @return axis of the first rotation    */   public Vector3D getA1() {     return a1;   }   /** Get the axis of the second rotation.    * @return axis of the second rotation    */   public Vector3D getA2() {     return a2;   }   /** Get the axis of the second rotation.    * @return axis of the second rotation    */   public Vector3D getA3() {     return a3;   }   /** Set of Cardan angles.    * this ordered set of rotations is around X, then around Y, then    * around Z    */   public static final RotationOrder XYZ =     new RotationOrder("XYZ", Vector3D.plusI, Vector3D.plusJ, Vector3D.plusK);   /** Set of Cardan angles.    * this ordered set of rotations is around X, then around Z, then    * around Y    */   public static final RotationOrder XZY =     new RotationOrder("XZY", Vector3D.plusI, Vector3D.plusK, Vector3D.plusJ);   /** Set of Cardan angles.    * this ordered set of rotations is around Y, then around X, then    * around Z    */   public static final RotationOrder YXZ =     new RotationOrder("YXZ", Vector3D.plusJ, Vector3D.plusI, Vector3D.plusK);   /** Set of Cardan angles.    * this ordered set of rotations is around Y, then around Z, then    * around X    */   public static final RotationOrder YZX =     new RotationOrder("YZX", Vector3D.plusJ, Vector3D.plusK, Vector3D.plusI);   /** Set of Cardan angles.    * this ordered set of rotations is around Z, then around X, then    * around Y    */   public static final RotationOrder ZXY =     new RotationOrder("ZXY", Vector3D.plusK, Vector3D.plusI, Vector3D.plusJ);   /** Set of Cardan angles.    * this ordered set of rotations is around Z, then around Y, then    * around X    */   public static final RotationOrder ZYX =     new RotationOrder("ZYX", Vector3D.plusK, Vector3D.plusJ, Vector3D.plusI);   /** Set of Euler angles.    * this ordered set of rotations is around X, then around Y, then    * around X    */   public static final RotationOrder XYX =     new RotationOrder("XYX", Vector3D.plusI, Vector3D.plusJ, Vector3D.plusI);   /** Set of Euler angles.    * this ordered set of rotations is around X, then around Z, then    * around X    */   public static final RotationOrder XZX =     new RotationOrder("XZX", Vector3D.plusI, Vector3D.plusK, Vector3D.plusI);   /** Set of Euler angles.    * this ordered set of rotations is around Y, then around X, then    * around Y    */   public static final RotationOrder YXY =     new RotationOrder("YXY", Vector3D.plusJ, Vector3D.plusI, Vector3D.plusJ);   /** Set of Euler angles.    * this ordered set of rotations is around Y, then around Z, then    * around Y    */   public static final RotationOrder YZY =     new RotationOrder("YZY", Vector3D.plusJ, Vector3D.plusK, Vector3D.plusJ);   /** Set of Euler angles.    * this ordered set of rotations is around Z, then around X, then    * around Z    */   public static final RotationOrder ZXZ =     new RotationOrder("ZXZ", Vector3D.plusK, Vector3D.plusI, Vector3D.plusK);   /** Set of Euler angles.    * this ordered set of rotations is around Z, then around Y, then    * around Z    */   public static final RotationOrder ZYZ =     new RotationOrder("ZYZ", Vector3D.plusK, Vector3D.plusJ, Vector3D.plusK);   /** Name of the rotations order. */   private final String name;   /** Axis of the first rotation. */   private final Vector3D a1;   /** Axis of the second rotation. */   private final Vector3D a2;   /** Axis of the third rotation. */   private final Vector3D a3; } /**   * This class implements vectors in a three-dimensional space.  * <p>Instance of this class are guaranteed to be immutable.</p>  * @version $Revision: 627998 $ $Date: 2008-02-15 03:24:50 -0700 (Fri, 15 Feb 2008) $  * @since 1.2  */  class Vector3D   implements Serializable {   /** First canonical vector (coordinates: 1, 0, 0). */   public static final Vector3D plusI = new Vector3D(1, 0, 0);   /** Opposite of the first canonical vector (coordinates: -1, 0, 0). */   public static final Vector3D minusI = new Vector3D(-1, 0, 0);   /** Second canonical vector (coordinates: 0, 1, 0). */   public static final Vector3D plusJ = new Vector3D(0, 1, 0);   /** Opposite of the second canonical vector (coordinates: 0, -1, 0). */   public static final Vector3D minusJ = new Vector3D(0, -1, 0);   /** Third canonical vector (coordinates: 0, 0, 1). */   public static final Vector3D plusK = new Vector3D(0, 0, 1);   /** Opposite of the third canonical vector (coordinates: 0, 0, -1).  */   public static final Vector3D minusK = new Vector3D(0, 0, -1);   /** Null vector (coordinates: 0, 0, 0). */   public static final Vector3D zero   = new Vector3D(0, 0, 0);   /** Simple constructor.    * Build a null vector.    */   public Vector3D() {     x = 0;     y = 0;     z = 0;   }   /** Simple constructor.    * Build a vector from its coordinates    * @param x abscissa    * @param y ordinate    * @param z height    * @see #getX()    * @see #getY()    * @see #getZ()    */   public Vector3D(double x, double y, double z) {     this.x = x;     this.y = y;     this.z = z;   }   /** Simple constructor.    * Build a vector from its azimuthal coordinates    * @param alpha azimuth (&alpha;) around Z    *              (0 is +X, &pi;/2 is +Y, &pi; is -X and 3&pi;/2 is -Y)    * @param delta elevation (&delta;) above (XY) plane, from -&pi;/2 to +&pi;/2    * @see #getAlpha()    * @see #getDelta()    */   public Vector3D(double alpha, double delta) {     double cosDelta = Math.cos(delta);     this.x = Math.cos(alpha) * cosDelta;     this.y = Math.sin(alpha) * cosDelta;     this.z = Math.sin(delta);   }   /** Multiplicative constructor    * Build a vector from another one and a scale factor.     * The vector built will be a * u    * @param a scale factor    * @param u base (unscaled) vector    */   public Vector3D(double a, Vector3D u) {     this.x = a * u.x;     this.y = a * u.y;     this.z = a * u.z;   }   /** Linear constructor    * Build a vector from two other ones and corresponding scale factors.    * The vector built will be a1 * u1 + a2 * u2    * @param a1 first scale factor    * @param u1 first base (unscaled) vector    * @param a2 second scale factor    * @param u2 second base (unscaled) vector    */   public Vector3D(double a1, Vector3D u1, double a2, Vector3D u2) {     this.x = a1 * u1.x + a2 * u2.x;     this.y = a1 * u1.y + a2 * u2.y;     this.z = a1 * u1.z + a2 * u2.z;   }   /** Linear constructor    * Build a vector from three other ones and corresponding scale factors.    * The vector built will be a1 * u1 + a2 * u2 + a3 * u3    * @param a1 first scale factor    * @param u1 first base (unscaled) vector    * @param a2 second scale factor    * @param u2 second base (unscaled) vector    * @param a3 third scale factor    * @param u3 third base (unscaled) vector    */   public Vector3D(double a1, Vector3D u1, double a2, Vector3D u2,                   double a3, Vector3D u3) {     this.x = a1 * u1.x + a2 * u2.x + a3 * u3.x;     this.y = a1 * u1.y + a2 * u2.y + a3 * u3.y;     this.z = a1 * u1.z + a2 * u2.z + a3 * u3.z;   }   /** Linear constructor    * Build a vector from four other ones and corresponding scale factors.    * The vector built will be a1 * u1 + a2 * u2 + a3 * u3 + a4 * u4    * @param a1 first scale factor    * @param u1 first base (unscaled) vector    * @param a2 second scale factor    * @param u2 second base (unscaled) vector    * @param a3 third scale factor    * @param u3 third base (unscaled) vector    * @param a4 fourth scale factor    * @param u4 fourth base (unscaled) vector    */   public Vector3D(double a1, Vector3D u1, double a2, Vector3D u2,                   double a3, Vector3D u3, double a4, Vector3D u4) {     this.x = a1 * u1.x + a2 * u2.x + a3 * u3.x + a4 * u4.x;     this.y = a1 * u1.y + a2 * u2.y + a3 * u3.y + a4 * u4.y;     this.z = a1 * u1.z + a2 * u2.z + a3 * u3.z + a4 * u4.z;   }   /** Get the abscissa of the vector.    * @return abscissa of the vector    * @see #Vector3D(double, double, double)    */   public double getX() {     return x;   }   /** Get the ordinate of the vector.    * @return ordinate of the vector    * @see #Vector3D(double, double, double)    */   public double getY() {     return y;   }   /** Get the height of the vector.    * @return height of the vector    * @see #Vector3D(double, double, double)    */   public double getZ() {     return z;   }   /** Get the norm for the vector.    * @return euclidian norm for the vector    */   public double getNorm() {     return Math.sqrt (x * x + y * y + z * z);   }   /** Get the azimuth of the vector.    * @return azimuth (&alpha;) of the vector, between -&pi; and +&pi;    * @see #Vector3D(double, double)    */   public double getAlpha() {     return Math.atan2(y, x);   }   /** Get the elevation of the vector.    * @return elevation (&delta;) of the vector, between -&pi;/2 and +&pi;/2    * @see #Vector3D(double, double)    */   public double getDelta() {     return Math.asin(z / getNorm());   }   /** Add a vector to the instance.    * @param v vector to add    * @return a new vector    */   public Vector3D add(Vector3D v) {     return new Vector3D(x + v.x, y + v.y, z + v.z);   }   /** Add a scaled vector to the instance.    * @param factor scale factor to apply to v before adding it    * @param v vector to add    * @return a new vector    */   public Vector3D add(double factor, Vector3D v) {     return new Vector3D(x + factor * v.x, y + factor * v.y, z + factor * v.z);   }   /** Subtract a vector from the instance.    * @param v vector to subtract    * @return a new vector    */   public Vector3D subtract(Vector3D v) {     return new Vector3D(x - v.x, y - v.y, z - v.z);   }   /** Subtract a scaled vector from the instance.    * @param factor scale factor to apply to v before subtracting it    * @param v vector to subtract    * @return a new vector    */   public Vector3D subtract(double factor, Vector3D v) {     return new Vector3D(x - factor * v.x, y - factor * v.y, z - factor * v.z);   }   /** Get a normalized vector aligned with the instance.    * @return a new normalized vector    * @exception ArithmeticException if the norm is zero    */   public Vector3D normalize() {     double s = getNorm();     if (s == 0) {       throw new ArithmeticException("cannot normalize a zero norm vector");     }     return scalarMultiply(1 / s);   }   /** Get a vector orthogonal to the instance.    * <p>There are an infinite number of normalized vectors orthogonal    * to the instance. This method picks up one of them almost    * arbitrarily. It is useful when one needs to compute a reference    * frame with one of the axes in a predefined direction. The    * following example shows how to build a frame having the k axis    * aligned with the known vector u :    * <pre><code>    *   Vector3D k = u.normalize();    *   Vector3D i = k.orthogonal();    *   Vector3D j = Vector3D.crossProduct(k, i);    * </code></pre></p>    * @return a new normalized vector orthogonal to the instance    * @exception ArithmeticException if the norm of the instance is null    */   public Vector3D orthogonal() {     double threshold = 0.6 * getNorm();     if (threshold == 0) {       throw new ArithmeticException("null norm");     }     if ((x >= -threshold) && (x <= threshold)) {       double inverse  = 1 / Math.sqrt(y * y + z * z);       return new Vector3D(0, inverse * z, -inverse * y);     } else if ((y >= -threshold) && (y <= threshold)) {       double inverse  = 1 / Math.sqrt(x * x + z * z);       return new Vector3D(-inverse * z, 0, inverse * x);     }     double inverse  = 1 / Math.sqrt(x * x + y * y);     return new Vector3D(inverse * y, -inverse * x, 0);   }   /** Compute the angular separation between two vectors.    * <p>This method computes the angular separation between two    * vectors using the dot product for well separated vectors and the    * cross product for almost aligned vectors. This allow to have a    * good accuracy in all cases, even for vectors very close to each    * other.</p>    * @param v1 first vector    * @param v2 second vector    * @return angular separation between v1 and v2    * @exception ArithmeticException if either vector has a null norm    */   public static double angle(Vector3D v1, Vector3D v2) {     double normProduct = v1.getNorm() * v2.getNorm();     if (normProduct == 0) {       throw new ArithmeticException("null norm");     }     double dot = dotProduct(v1, v2);     double threshold = normProduct * 0.9999;     if ((dot < -threshold) || (dot > threshold)) {       // the vectors are almost aligned, compute using the sine       Vector3D v3 = crossProduct(v1, v2);       if (dot >= 0) {         return Math.asin(v3.getNorm() / normProduct);       }       return Math.PI - Math.asin(v3.getNorm() / normProduct);     }          // the vectors are sufficiently separated to use the cosine     return Math.acos(dot / normProduct);   }   /** Get the opposite of the instance.    * @return a new vector which is opposite to the instance    */   public Vector3D negate() {     return new Vector3D(-x, -y, -z);   }   /** Multiply the instance by a scalar    * @param a scalar    * @return a new vector    */   public Vector3D scalarMultiply(double a) {     return new Vector3D(a * x, a * y, a * z);   }   /** Compute the dot-product of two vectors.    * @param v1 first vector    * @param v2 second vector    * @return the dot product v1.v2    */   public static double dotProduct(Vector3D v1, Vector3D v2) {     return v1.x * v2.x + v1.y * v2.y + v1.z * v2.z;   }   /** Compute the cross-product of two vectors.    * @param v1 first vector    * @param v2 second vector    * @return the cross product v1 ^ v2 as a new Vector    */   public static Vector3D crossProduct(Vector3D v1, Vector3D v2) {     return new Vector3D(v1.y * v2.z - v1.z * v2.y,                         v1.z * v2.x - v1.x * v2.z,                         v1.x * v2.y - v1.y * v2.x);   }   /** Abscissa. */   private final double x;   /** Ordinate. */   private final double y;   /** Height. */   private final double z;   /** Serializable version identifier */   private static final long serialVersionUID = -5721105387745193385L; }