| 1 | #include <math.h>
 | 
|---|
| 2 | #include "vector3d.h"
 | 
|---|
| 3 | #include "utilgeom.h"
 | 
|---|
| 4 | //++ 
 | 
|---|
| 5 | // Class        Vector3d
 | 
|---|
| 6 | //
 | 
|---|
| 7 | // include      vector3d.h utilgeom.h  longlat.h math.h
 | 
|---|
| 8 | //
 | 
|---|
| 9 | //
 | 
|---|
| 10 | //    3-D geometry. 
 | 
|---|
| 11 | //    All computations are made with angles in radians and with spherical
 | 
|---|
| 12 | //    coordinates theta, phi.
 | 
|---|
| 13 | //
 | 
|---|
| 14 | //    Concerning Euler's angles, the reference is :
 | 
|---|
| 15 | // 
 | 
|---|
| 16 | //    "Classical Mechanics" 2nd edition, H. Goldstein, Addison Wesley
 | 
|---|
| 17 | //--
 | 
|---|
| 18 | //++
 | 
|---|
| 19 | // Titre        Constructors
 | 
|---|
| 20 | //--
 | 
|---|
| 21 | //++
 | 
|---|
| 22 | Vector3d::Vector3d()
 | 
|---|
| 23 | //
 | 
|---|
| 24 | //-- 
 | 
|---|
| 25 | {
 | 
|---|
| 26 |   Setxyz(1.,0.,0.);
 | 
|---|
| 27 | }
 | 
|---|
| 28 | //++
 | 
|---|
| 29 | Vector3d::Vector3d(double x, double y, double z) 
 | 
|---|
| 30 | //
 | 
|---|
| 31 | //-- 
 | 
|---|
| 32 | {
 | 
|---|
| 33 |   _x=x;
 | 
|---|
| 34 |   _y=y;
 | 
|---|
| 35 |   _z=z;
 | 
|---|
| 36 |   xyz2ThetaPhi();
 | 
|---|
| 37 | }
 | 
|---|
| 38 | //++
 | 
|---|
| 39 | Vector3d::Vector3d(double theta, double phi) 
 | 
|---|
| 40 | //
 | 
|---|
| 41 | //-- 
 | 
|---|
| 42 | {
 | 
|---|
| 43 |   _theta=mod(theta,M_PI); // dans [0;pi]
 | 
|---|
| 44 |   _phi=mod(phi,pi2); // dans [0;2pi]
 | 
|---|
| 45 |   ThetaPhi2xyz();
 | 
|---|
| 46 | }
 | 
|---|
| 47 | //++
 | 
|---|
| 48 | Vector3d::Vector3d(const LongLat& ll)
 | 
|---|
| 49 | //
 | 
|---|
| 50 | //-- 
 | 
|---|
| 51 | {
 | 
|---|
| 52 |   _theta=ll.Theta(); // dans [0;pi]
 | 
|---|
| 53 |   _phi=ll.Phi(); // dans [0;2pi]
 | 
|---|
| 54 |   ThetaPhi2xyz();
 | 
|---|
| 55 | }
 | 
|---|
| 56 | //++
 | 
|---|
| 57 | Vector3d::Vector3d(const Vector3d& v) 
 | 
|---|
| 58 | //
 | 
|---|
| 59 | //-- 
 | 
|---|
| 60 | {
 | 
|---|
| 61 |   _x=v._x;
 | 
|---|
| 62 |   _y=v._y;
 | 
|---|
| 63 |   _z=v._z;
 | 
|---|
| 64 |   _theta=v._theta;
 | 
|---|
| 65 |   _phi=v._phi;
 | 
|---|
| 66 | }
 | 
|---|
| 67 | //++
 | 
|---|
| 68 | // Titre        Public methods
 | 
|---|
| 69 | //--
 | 
|---|
| 70 | //++
 | 
|---|
| 71 | void Vector3d::SetThetaPhi(double theta, double phi)
 | 
|---|
| 72 | //
 | 
|---|
| 73 | //-- 
 | 
|---|
| 74 | {
 | 
|---|
| 75 |   _theta=mod(theta,M_PI);
 | 
|---|
| 76 |   _phi=mod(phi,pi2);
 | 
|---|
| 77 |   ThetaPhi2xyz();
 | 
|---|
| 78 | }
 | 
|---|
| 79 | //++
 | 
|---|
| 80 | void Vector3d::Setxyz(double x, double y, double z) 
 | 
|---|
| 81 | //
 | 
|---|
| 82 | //-- 
 | 
|---|
| 83 | {
 | 
|---|
| 84 |   _x=x;
 | 
|---|
| 85 |   _y=y;
 | 
|---|
| 86 |   _z=z;
 | 
|---|
| 87 |   xyz2ThetaPhi();
 | 
|---|
| 88 | }
 | 
|---|
| 89 | //++
 | 
|---|
| 90 | void Vector3d::ThetaPhi2xyz()
 | 
|---|
| 91 | //
 | 
|---|
| 92 | //-- 
 | 
|---|
| 93 | {
 | 
|---|
| 94 |   _x=sin(_theta)*cos(_phi);
 | 
|---|
| 95 |   _y=sin(_theta)*sin(_phi);
 | 
|---|
| 96 |   _z=cos(_theta);
 | 
|---|
| 97 | }
 | 
|---|
| 98 | //++
 | 
|---|
| 99 | void Vector3d::xyz2ThetaPhi()
 | 
|---|
| 100 | //
 | 
|---|
| 101 | //-- 
 | 
|---|
| 102 | {
 | 
|---|
| 103 |   double norm=this->Norm();
 | 
|---|
| 104 |   if( norm != 0. ) 
 | 
|---|
| 105 |     {
 | 
|---|
| 106 |       _theta=acos(_z/norm); // dans [0,Pi]
 | 
|---|
| 107 |       if( mod(_theta,M_PI) == 0. ) _phi=0.; // on est sur +-Oz, le vecteur z est en phi=0
 | 
|---|
| 108 |       //      else _phi=acos(_x/sin(_theta)/norm)+M_PI*(_y<0);
 | 
|---|
| 109 |       else _phi=scangle(_y/sin(_theta)/norm,_x/sin(_theta)/norm);
 | 
|---|
| 110 |     }
 | 
|---|
| 111 |   else // vecteur nul
 | 
|---|
| 112 |     {
 | 
|---|
| 113 |       _theta=0.;
 | 
|---|
| 114 |       _phi=0.;
 | 
|---|
| 115 |     }
 | 
|---|
| 116 | }
 | 
|---|
| 117 | //++
 | 
|---|
| 118 | Vector3d& Vector3d::Normalize() 
 | 
|---|
| 119 | //
 | 
|---|
| 120 | //-- 
 | 
|---|
| 121 | {
 | 
|---|
| 122 |   double norm=this->Norm();
 | 
|---|
| 123 |   if( norm != 0. )  (*this)/=norm;
 | 
|---|
| 124 |   else cerr << "Division par zero" << endl;
 | 
|---|
| 125 |   return *this;
 | 
|---|
| 126 | } 
 | 
|---|
| 127 | //++
 | 
|---|
| 128 | double Vector3d::Norm() const 
 | 
|---|
| 129 | //
 | 
|---|
| 130 | //-- 
 | 
|---|
| 131 | {
 | 
|---|
| 132 |   return sqrt(_x*_x+_y*_y+_z*_z);
 | 
|---|
| 133 | }
 | 
|---|
| 134 | //++
 | 
|---|
| 135 | double Vector3d::Psc(const Vector3d& v) const 
 | 
|---|
| 136 | //
 | 
|---|
| 137 | //    dot product
 | 
|---|
| 138 | //-- 
 | 
|---|
| 139 | {
 | 
|---|
| 140 |   return _x*v._x+_y*v._y+_z*v._z;
 | 
|---|
| 141 | }
 | 
|---|
| 142 | //++
 | 
|---|
| 143 | double Vector3d::SepAngle(const Vector3d& v) const 
 | 
|---|
| 144 | //
 | 
|---|
| 145 | //    angular gap between 2 vectors in [0,Pi]
 | 
|---|
| 146 | //-- 
 | 
|---|
| 147 | {
 | 
|---|
| 148 |   double n1=this->Norm();
 | 
|---|
| 149 |   double n2=v.Norm();
 | 
|---|
| 150 |   double ret;
 | 
|---|
| 151 |   if( n1!=0. && n2!=0. ) ret=acos((this->Psc(v))/n1/n2);
 | 
|---|
| 152 |   else 
 | 
|---|
| 153 |     {
 | 
|---|
| 154 |       cerr << "Division par zero" << endl;
 | 
|---|
| 155 |       ret=0.;
 | 
|---|
| 156 |     }
 | 
|---|
| 157 |   return ret;
 | 
|---|
| 158 | }
 | 
|---|
| 159 | //++
 | 
|---|
| 160 | Vector3d Vector3d::Vect(const Vector3d& v) const 
 | 
|---|
| 161 | //
 | 
|---|
| 162 | //    vector product
 | 
|---|
| 163 | //-- 
 | 
|---|
| 164 | {
 | 
|---|
| 165 |   double xo=_y*v._z-_z*v._y;
 | 
|---|
| 166 |   double yo=_z*v._x-_x*v._z;
 | 
|---|
| 167 |   double zo=_x*v._y-_y*v._x;
 | 
|---|
| 168 |   return Vector3d(xo,yo,zo);
 | 
|---|
| 169 | }
 | 
|---|
| 170 | //++
 | 
|---|
| 171 | Vector3d Vector3d::VperpPhi() const 
 | 
|---|
| 172 | //
 | 
|---|
| 173 | //    perpendicular vector, with equal phi
 | 
|---|
| 174 | //-- 
 | 
|---|
| 175 | {
 | 
|---|
| 176 |   double theta;
 | 
|---|
| 177 |   if( _theta != pi_over_2 ) theta=_theta+(0.5-(_theta>pi_over_2))*M_PI; // on tourne theta de +-pi/2
 | 
|---|
| 178 |   else theta=0.;
 | 
|---|
| 179 |   return Vector3d(theta,_phi);
 | 
|---|
| 180 | }
 | 
|---|
| 181 | //++
 | 
|---|
| 182 | Vector3d Vector3d::VperpTheta() const 
 | 
|---|
| 183 | //
 | 
|---|
| 184 | //    perpendicular vector with equal theta
 | 
|---|
| 185 | //-- 
 | 
|---|
| 186 | {
 | 
|---|
| 187 |   double phi=mod(_phi+pi_over_2,pi2); // on tourne phi de pi/2
 | 
|---|
| 188 |   return Vector3d(_theta,phi);
 | 
|---|
| 189 | }
 | 
|---|
| 190 | 
 | 
|---|
| 191 | Vector3d Vector3d::EPhi() const 
 | 
|---|
| 192 | {
 | 
|---|
| 193 |   Vector3d temp;
 | 
|---|
| 194 |   if ( fabs(_z) == 1. ) // si on est en +- Oz
 | 
|---|
| 195 |     {
 | 
|---|
| 196 |       temp=Vector3d(1.,0.,0.);
 | 
|---|
| 197 |     }
 | 
|---|
| 198 |   else 
 | 
|---|
| 199 |     {
 | 
|---|
| 200 |       Vector3d k(0,0,-1);
 | 
|---|
| 201 |       temp=this->Vect(k);
 | 
|---|
| 202 |       temp.Normalize();
 | 
|---|
| 203 |     }
 | 
|---|
| 204 |   return temp;
 | 
|---|
| 205 | }
 | 
|---|
| 206 | //++
 | 
|---|
| 207 | Vector3d Vector3d::ETheta() const 
 | 
|---|
| 208 | //
 | 
|---|
| 209 | //-- 
 | 
|---|
| 210 | {
 | 
|---|
| 211 |   Vector3d temp=this->Vect(EPhi());
 | 
|---|
| 212 |   temp.Normalize();
 | 
|---|
| 213 |   return temp;
 | 
|---|
| 214 | }
 | 
|---|
| 215 | 
 | 
|---|
| 216 | //++
 | 
|---|
| 217 | Vector3d Vector3d::Euler(double phi, double theta, double psi) const 
 | 
|---|
| 218 | //
 | 
|---|
| 219 | //    Euler's rotations
 | 
|---|
| 220 | //-- 
 | 
|---|
| 221 | {
 | 
|---|
| 222 |   double cpsi=cos(psi);
 | 
|---|
| 223 |   double ctheta=cos(theta);
 | 
|---|
| 224 |   double cphi=cos(phi);
 | 
|---|
| 225 |   double spsi=sin(psi);
 | 
|---|
| 226 |   double stheta=sin(theta);
 | 
|---|
| 227 |   double sphi=sin(phi);
 | 
|---|
| 228 |   double xnew=(cpsi*cphi-ctheta*sphi*spsi)*_x
 | 
|---|
| 229 |     +(cpsi*sphi+ctheta*cphi*spsi)*_y
 | 
|---|
| 230 |     +spsi*stheta*_z;
 | 
|---|
| 231 |   double ynew=(-spsi*cphi-ctheta*sphi*cpsi)*_x
 | 
|---|
| 232 |     +(-spsi*sphi+ctheta*cphi*cpsi)*_y
 | 
|---|
| 233 |     +cpsi*stheta*_z;
 | 
|---|
| 234 |   double znew=stheta*sphi*_x-stheta*cphi*_y+ctheta*_z;
 | 
|---|
| 235 |   return Vector3d(xnew,ynew,znew);
 | 
|---|
| 236 | }
 | 
|---|
| 237 | //++
 | 
|---|
| 238 | Vector3d Vector3d::InvEuler(double phi, double theta, double psi) const 
 | 
|---|
| 239 | //
 | 
|---|
| 240 | //    inverse rotation
 | 
|---|
| 241 | //-- 
 | 
|---|
| 242 | {
 | 
|---|
| 243 |   double cpsi=cos(psi);
 | 
|---|
| 244 |   double ctheta=cos(theta);
 | 
|---|
| 245 |   double cphi=cos(phi);
 | 
|---|
| 246 |   double spsi=sin(psi);
 | 
|---|
| 247 |   double stheta=sin(theta);
 | 
|---|
| 248 |   double sphi=sin(phi);
 | 
|---|
| 249 |   double xnew=(cpsi*cphi-ctheta*sphi*spsi)*_x
 | 
|---|
| 250 |     -(spsi*cphi+ctheta*sphi*cpsi)*_y
 | 
|---|
| 251 |     +sphi*stheta*_z;
 | 
|---|
| 252 |   double ynew=(cpsi*sphi+ctheta*cphi*spsi)*_x
 | 
|---|
| 253 |     +(-spsi*sphi+ctheta*cphi*cpsi)*_y
 | 
|---|
| 254 |     -cphi*stheta*_z;
 | 
|---|
| 255 |   double znew=stheta*spsi*_x+stheta*cpsi*_y+ctheta*_z;
 | 
|---|
| 256 |   return Vector3d(xnew,ynew,znew);
 | 
|---|
| 257 | }
 | 
|---|
| 258 | //++
 | 
|---|
| 259 | Vector3d Vector3d::Rotate(const Vector3d& omega, double phi)
 | 
|---|
| 260 | //
 | 
|---|
| 261 | //    rotation of angle phi around an axis omega (Maxwell's rule)
 | 
|---|
| 262 | //-- 
 | 
|---|
| 263 | {
 | 
|---|
| 264 |   Vector3d rotationaxis=omega;
 | 
|---|
| 265 |   rotationaxis.Normalize();
 | 
|---|
| 266 |   double n=this->Psc(rotationaxis);
 | 
|---|
| 267 |   Vector3d myself=*this;
 | 
|---|
| 268 |   Vector3d rotate=n*rotationaxis+(myself-n*rotationaxis)*cos(phi)-(myself^rotationaxis)*sin(phi);
 | 
|---|
| 269 |   return rotate;
 | 
|---|
| 270 | } 
 | 
|---|
| 271 | //++  
 | 
|---|
| 272 | void Vector3d::Print(ostream& os) const 
 | 
|---|
| 273 | //
 | 
|---|
| 274 | //--
 | 
|---|
| 275 | {
 | 
|---|
| 276 |   os << "Vector3: (X,Y,Z)= (" << _x << ", " << _y << ", " << _z 
 | 
|---|
| 277 |      << ") --- Theta,Phi= " << _theta << ", " << _phi << "\n"
 | 
|---|
| 278 |      << "Norme = " << this->Norm() << endl;
 | 
|---|
| 279 | }
 | 
|---|
| 280 | //++
 | 
|---|
| 281 | // Titre        Operators
 | 
|---|
| 282 | //--
 | 
|---|
| 283 | //++
 | 
|---|
| 284 | Vector3d& Vector3d::operator += (const Vector3d& v) 
 | 
|---|
| 285 | //
 | 
|---|
| 286 | //-- 
 | 
|---|
| 287 | {
 | 
|---|
| 288 |   *this=*this+v;
 | 
|---|
| 289 |   return *this;
 | 
|---|
| 290 | }
 | 
|---|
| 291 | //++
 | 
|---|
| 292 | Vector3d& Vector3d::operator -= (const Vector3d& v) 
 | 
|---|
| 293 | //
 | 
|---|
| 294 | //-- 
 | 
|---|
| 295 | {
 | 
|---|
| 296 |   *this=*this-v;
 | 
|---|
| 297 |   return *this;
 | 
|---|
| 298 | }
 | 
|---|
| 299 | //++
 | 
|---|
| 300 | Vector3d& Vector3d::operator += (double d) 
 | 
|---|
| 301 | //
 | 
|---|
| 302 | //-- 
 | 
|---|
| 303 | {
 | 
|---|
| 304 |   Setxyz(_x+d,_y+d,_z+d);
 | 
|---|
| 305 |   return *this;
 | 
|---|
| 306 | }
 | 
|---|
| 307 | //++
 | 
|---|
| 308 | Vector3d& Vector3d::operator /= (double d) 
 | 
|---|
| 309 | //
 | 
|---|
| 310 | //-- 
 | 
|---|
| 311 | {
 | 
|---|
| 312 |   if( d != 0. ) Setxyz(_x/d,_y/d,_z/d);
 | 
|---|
| 313 |   else cerr << "Division par zero." << endl;
 | 
|---|
| 314 |   return *this;
 | 
|---|
| 315 | }
 | 
|---|
| 316 | //++
 | 
|---|
| 317 | Vector3d& Vector3d::operator *= (double d) 
 | 
|---|
| 318 | //
 | 
|---|
| 319 | //-- 
 | 
|---|
| 320 | {
 | 
|---|
| 321 |   Setxyz(_x*d,_y*d,_z*d);
 | 
|---|
| 322 |   return *this;
 | 
|---|
| 323 | }
 | 
|---|
| 324 | //++
 | 
|---|
| 325 | Vector3d Vector3d::operator ^ (const Vector3d& v) const 
 | 
|---|
| 326 | //
 | 
|---|
| 327 | //    vector product
 | 
|---|
| 328 | //-- 
 | 
|---|
| 329 | {
 | 
|---|
| 330 |   return this->Vect(v);
 | 
|---|
| 331 | }
 | 
|---|
| 332 | //++
 | 
|---|
| 333 | Vector3d Vector3d::operator + (double d) const 
 | 
|---|
| 334 | //
 | 
|---|
| 335 | //-- 
 | 
|---|
| 336 | {
 | 
|---|
| 337 |   return Vector3d(_x+d,_y+d,_z+d);
 | 
|---|
| 338 | }
 | 
|---|
| 339 | //++
 | 
|---|
| 340 | Vector3d Vector3d::operator + (const Vector3d& v) const 
 | 
|---|
| 341 | //
 | 
|---|
| 342 | //-- 
 | 
|---|
| 343 | {
 | 
|---|
| 344 |   return Vector3d(_x+v._x,_y+v._y,_z+v._z);
 | 
|---|
| 345 | }
 | 
|---|
| 346 | //++
 | 
|---|
| 347 | Vector3d Vector3d::operator - (double d) const 
 | 
|---|
| 348 | //
 | 
|---|
| 349 | //-- 
 | 
|---|
| 350 | {
 | 
|---|
| 351 |   return *this+(-d);
 | 
|---|
| 352 | }
 | 
|---|
| 353 | //++
 | 
|---|
| 354 | Vector3d Vector3d::operator - (const Vector3d& v) const 
 | 
|---|
| 355 | //
 | 
|---|
| 356 | //-- 
 | 
|---|
| 357 | {
 | 
|---|
| 358 |   return *this+(v*(-1.));
 | 
|---|
| 359 | }
 | 
|---|
| 360 | //++
 | 
|---|
| 361 | Vector3d Vector3d::operator * (double d) const 
 | 
|---|
| 362 | //
 | 
|---|
| 363 | //-- 
 | 
|---|
| 364 | {
 | 
|---|
| 365 |   return Vector3d(d*_x,d*_y,d*_z);
 | 
|---|
| 366 | }
 | 
|---|
| 367 | //++
 | 
|---|
| 368 | double Vector3d::operator * (const Vector3d& v) const 
 | 
|---|
| 369 | //
 | 
|---|
| 370 | //    dot product
 | 
|---|
| 371 | //-- 
 | 
|---|
| 372 | {
 | 
|---|
| 373 |   return this->Psc(v);
 | 
|---|
| 374 | }
 | 
|---|
| 375 | //++
 | 
|---|
| 376 | Vector3d Vector3d::operator / (double d) const 
 | 
|---|
| 377 | //
 | 
|---|
| 378 | //-- 
 | 
|---|
| 379 | {
 | 
|---|
| 380 |   Vector3d ret=*this;
 | 
|---|
| 381 |   if( d != 0. ) ret/=d;
 | 
|---|
| 382 |   else  cerr << "Division par zero." << endl;
 | 
|---|
| 383 |   return ret;
 | 
|---|
| 384 | }
 | 
|---|
| 385 | //++
 | 
|---|
| 386 | Vector3d& Vector3d::operator = (const Vector3d& v) 
 | 
|---|
| 387 | //
 | 
|---|
| 388 | //-- 
 | 
|---|
| 389 | {
 | 
|---|
| 390 |   if( this != &v ) 
 | 
|---|
| 391 |     {
 | 
|---|
| 392 |       _x=v._x; 
 | 
|---|
| 393 |       _y=v._y; 
 | 
|---|
| 394 |       _z=v._z; 
 | 
|---|
| 395 |       _theta=v._theta; 
 | 
|---|
| 396 |       _phi=v._phi;
 | 
|---|
| 397 |     }
 | 
|---|
| 398 |   return *this;
 | 
|---|
| 399 | }
 | 
|---|
| 400 | //++
 | 
|---|
| 401 | bool Vector3d::operator == (const Vector3d& v) 
 | 
|---|
| 402 | //
 | 
|---|
| 403 | //-- 
 | 
|---|
| 404 | {
 | 
|---|
| 405 |   return (this==&v);
 | 
|---|
| 406 | }
 | 
|---|
| 407 | 
 | 
|---|