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authorerik <erik@77661180-640e-0410-b3a8-9f9b13e6d0e0>
Thu, 3 Aug 2006 18:45:23 +0000 (18:45 +0000)
committererik <erik@77661180-640e-0410-b3a8-9f9b13e6d0e0>
Thu, 3 Aug 2006 18:45:23 +0000 (18:45 +0000)
gps/src/org/wamblee/gps/geometry/CoordinateSystem.java [new file with mode: 0644]
gps/src/org/wamblee/gps/geometry/Coordinates.java [new file with mode: 0644]
gps/src/org/wamblee/gps/geometry/Plane.java [new file with mode: 0644]
gps/src/org/wamblee/gps/geometry/Point.java [new file with mode: 0644]
gps/src/org/wamblee/gps/geometry/ReferenceCoordinateSystem.java [new file with mode: 0644]
gps/src/org/wamblee/gps/geometry/SphericalCoordinateSystem.java [new file with mode: 0644]
gps/src/org/wamblee/gps/geometry/Wgs84CoordinateSystem.java [new file with mode: 0644]

diff --git a/gps/src/org/wamblee/gps/geometry/CoordinateSystem.java b/gps/src/org/wamblee/gps/geometry/CoordinateSystem.java
new file mode 100644 (file)
index 0000000..9094336
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,31 @@
+/*
+ * Copyright 2006 the original author or authors.
+ * 
+ * Licensed 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.
+ */ 
+
+package org.wamblee.gps.geometry;
+
+
+/**
+ * Represents a coordinate system. 
+ */
+public interface CoordinateSystem {
+    
+    /**
+     * Conversion to a reference coordinate system.
+     * @param aCoordinates Coordinates. 
+     * @return Coordinates in the reference system. 
+     */
+    Coordinates toReferenceSystem(Coordinates aCoordinates);
+}
diff --git a/gps/src/org/wamblee/gps/geometry/Coordinates.java b/gps/src/org/wamblee/gps/geometry/Coordinates.java
new file mode 100644 (file)
index 0000000..544c92a
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,91 @@
+/*
+ * Copyright 2006 the original author or authors.
+ * 
+ * Licensed 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.
+ */ 
+
+package org.wamblee.gps.geometry;
+
+/**
+ * Coordinates in some 3-dimensional coordinate system.  
+ */
+public class Coordinates {
+
+    private double _x1; 
+    private double _x2; 
+    private double _x3; 
+    
+    /**
+     * Constructs the coordinates. 
+     * @param aX1 First coordinate. 
+     * @param aX2 Second coordinate. 
+     * @param aX3 Third coordinate. 
+     */
+    public Coordinates(double aX1, double aX2, double aX3) { 
+        _x1 = aX1; 
+        _x2 = aX2;
+        _x3 = aX3; 
+    }
+    
+    public double getX1() { 
+        return _x1; 
+    }
+    
+    public double getX2() { 
+        return _x2; 
+    }
+    
+    public double getX3() { 
+        return _x3; 
+    }
+    
+    /* (non-Javadoc)
+     * @see java.lang.Object#toString()
+     */
+    @Override
+    public String toString() {
+        return "(" + getX1() + ", " + getX2() + ", " + getX3() + ")";
+    }
+    
+    public Coordinates add(Coordinates aC) { 
+        return new Coordinates(_x1 + aC._x1, _x2 + aC._x2, _x3 + aC._x3);
+    }
+    
+    public Coordinates subtract(Coordinates aC) { 
+        return new Coordinates(_x1 - aC._x1, _x2 - aC._x2, _x3 - aC._x3);
+    }
+  
+    public double innerProduct(Coordinates aC) { 
+        return _x1 * aC._x1 + _x2 * aC._x2 +  _x3 * aC._x3;
+    }
+    
+    public Coordinates outerProduct(Coordinates aC) { 
+        return new Coordinates(
+           _x2*aC._x3 - _x3*aC._x2,
+           -_x1*aC._x3 + _x3*aC._x1,
+           _x1*aC._x2 - _x2*aC._x1
+        );
+    }
+    
+    public double norm() { 
+        return Math.sqrt(innerProduct(this));
+    }
+    
+    public Coordinates scale(double aMultiplier) { 
+        return new Coordinates(_x1*aMultiplier, _x2*aMultiplier, _x3*aMultiplier);
+    }
+    
+    public Coordinates normalize() {
+        return scale(1.0/norm());
+    }
+}
diff --git a/gps/src/org/wamblee/gps/geometry/Plane.java b/gps/src/org/wamblee/gps/geometry/Plane.java
new file mode 100644 (file)
index 0000000..1be9b54
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,73 @@
+/*
+ * Copyright 2006 the original author or authors.
+ * 
+ * Licensed 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.
+ */ 
+
+package org.wamblee.gps.geometry;
+
+import org.wamblee.general.Pair;
+
+/**
+ * Represents a plane. Usually used to represent a tangent plane to the earth surface to
+ * locally approximate the earth as flat.  
+ */
+public class Plane {
+    
+    private static final double EPS = 1e-4;
+    
+    private Coordinates _point; 
+    private Coordinates _normal; 
+    private Coordinates _north;
+    private Coordinates _east;
+
+    /**
+     * Constructs a plane. 
+     * @param aPoint Point on the plane. 
+     * @param aNormal Normal, not necessarily normalized. 
+     */
+    public Plane(Point aPoint, Point aNormal) {
+        _point = aPoint.getReferenceCoordinates(); 
+        _normal = aNormal.getReferenceCoordinates().normalize();
+        Coordinates north = new Coordinates(0.0, 0.0, 1.0);
+        _north = north.subtract(_normal.scale(north.innerProduct(_normal))).normalize();
+        _east = _north.outerProduct(_normal);
+      
+        if (  _normal.innerProduct(_north) > EPS ) {
+            throw new IllegalArgumentException("North access is not within the plane");
+        }
+    }
+    
+    /**
+     * Projects a point onto the plane.  
+     * @param aPoint Point to project. 
+     * @return Projected point. 
+     */
+    private Coordinates project(Point aPoint) { 
+        Coordinates ref = aPoint.getReferenceCoordinates();
+        double lambda = _normal.innerProduct(
+                _point.subtract(ref));
+        return ref.add(_normal.scale(lambda));
+    }
+    
+    /**
+     * Returns normalized coordinates within the plane of the projection of a point. 
+     */
+    public Pair<Double,Double> normalizedProjection(Point aPoint) { 
+        Coordinates projection = project(aPoint);
+        Coordinates delta = projection.subtract(_point);
+        double x1 = delta.innerProduct(_north);
+        double x2 = delta.innerProduct(_east);
+        return new Pair<Double,Double>(x1, x2);
+    }
+}
diff --git a/gps/src/org/wamblee/gps/geometry/Point.java b/gps/src/org/wamblee/gps/geometry/Point.java
new file mode 100644 (file)
index 0000000..175bd8e
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,66 @@
+/*
+ * Copyright 2006 the original author or authors.
+ * 
+ * Licensed 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.
+ */ 
+
+package org.wamblee.gps.geometry;
+
+
+/**
+ * Represents a point in some coordinate system. 
+ */
+public class Point {
+    
+    private Coordinates _coordinates;
+    private CoordinateSystem _system; 
+    
+    /**
+     * Constructs the point. 
+     * @param aCoordinates Coordinates of the point in its coordinate system. 
+     * @param aSystem Coordinate system. 
+     */
+    public Point(Coordinates aCoordinates, CoordinateSystem aSystem) { 
+        _coordinates = aCoordinates; 
+        _system = aSystem; 
+    }
+    
+    /**
+     * Gets the coordinates in the point's coordinate system.  
+     * @return Coordinates.
+     */
+    public Coordinates getCoordinates() {
+        return _coordinates; 
+    }
+    
+    public Coordinates getReferenceCoordinates() { 
+        return _system.toReferenceSystem(_coordinates);
+    }
+    
+    /**
+     * Gets the coordinate system. 
+     * @return Coordinate system. 
+     */
+    public CoordinateSystem getCoordinateSystem() { 
+        return _system; 
+    }
+   
+
+    /* (non-Javadoc)
+     * @see java.lang.Object#toString()
+     */
+    @Override
+    public String toString() {
+        return getCoordinates().toString();
+    }
+}
diff --git a/gps/src/org/wamblee/gps/geometry/ReferenceCoordinateSystem.java b/gps/src/org/wamblee/gps/geometry/ReferenceCoordinateSystem.java
new file mode 100644 (file)
index 0000000..6d24931
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,70 @@
+/*
+ * Copyright 2006 the original author or authors.
+ * 
+ * Licensed 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.
+ */
+
+package org.wamblee.gps.geometry;
+
+
+/**
+ * Reference coordinate system which is the basis for defining metrics.
+ * This is a Cartesian coordinate system.  
+ */
+public class ReferenceCoordinateSystem implements CoordinateSystem {
+
+    /**
+     * Constructs the coordinate system. 
+     *
+     */
+    public ReferenceCoordinateSystem() {
+        // Empty
+    }
+
+    /*
+     * (non-Javadoc)
+     * 
+     * @see org.wamblee.gpx.CoordinateSystem#toReferenceSystem(org.wamblee.gpx.Coordinates)
+     */
+    public Coordinates toReferenceSystem(Coordinates aCoordinates) {
+        return aCoordinates;
+    }
+
+    /*
+     * (non-Javadoc)
+     * 
+     * @see org.wamblee.gpx.CoordinateSystem#distance(org.wamblee.gpx.Coordinates,
+     *      org.wamblee.gpx.Coordinates)
+     */
+    private static double distance(Coordinates aC1, Coordinates aC2) {
+        return Math.sqrt(square(aC1.getX1() - aC2.getX1())
+                + square(aC1.getX2() - aC2.getX2())
+                + square(aC1.getX3() - aC2.getX3()));
+    }
+
+    private static double square(double x) {
+        return x * x;
+    }
+    
+    /**
+     * Computes the distance between two points in arbitrary coordinate systems. 
+     * @param aP1 First point. 
+     * @param aP2 Second point. 
+     * @return Distance. 
+     */
+    public static double distance(Point aP1, Point aP2) { 
+        return distance( aP1.getCoordinateSystem().toReferenceSystem(aP1.getCoordinates()), 
+                         aP2.getCoordinateSystem().toReferenceSystem(aP2.getCoordinates()));
+    }
+
+}
diff --git a/gps/src/org/wamblee/gps/geometry/SphericalCoordinateSystem.java b/gps/src/org/wamblee/gps/geometry/SphericalCoordinateSystem.java
new file mode 100644 (file)
index 0000000..d62cef8
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,61 @@
+/*
+ * Copyright 2006 the original author or authors.
+ * 
+ * Licensed 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.
+ */ 
+
+package org.wamblee.gps.geometry;
+
+import static java.lang.Math.PI;
+import static java.lang.Math.cos;
+import static java.lang.Math.sin;
+
+
+/**
+ * Represents the coordinate system for a GPS measurement identified by
+ * <ul>
+ *   <li> x1: latitude in degrees </li>
+ *   <li> x2: longitude in degrees </li>
+ *   <li> x3: elevation in meters </li>
+ * </ul>
+ * This coordinate system models the earth as a sphere of a specific radius. 
+ */
+public class SphericalCoordinateSystem implements CoordinateSystem {
+    /**
+     * Earth radius in meters. 
+     */
+    private static final double EARTH_RADIUS = 6371000; 
+
+    /* (non-Javadoc)
+     * @see org.wamblee.gpx.CoordinateSystem#toReferenceSystem(org.wamblee.gpx.Coordinates)
+     */
+    public Coordinates toReferenceSystem(Coordinates aCoordinates) {
+        double latrad = radians(aCoordinates.getX1()); 
+        double lonrad = radians(aCoordinates.getX2());
+        double coslat = cos(latrad); 
+        double sinlat = sin(latrad);
+        double coslon = cos(lonrad);
+        double sinlon = sin(lonrad); 
+        
+        double trueElevation = EARTH_RADIUS + aCoordinates.getX3(); 
+        return new Coordinates(trueElevation*coslat*coslon,
+                               trueElevation*coslat*sinlon,
+                               trueElevation*sinlat); 
+        
+    }
+    
+    private double radians(double aDegrees) { 
+        return aDegrees/180.0*PI; 
+    }
+}
diff --git a/gps/src/org/wamblee/gps/geometry/Wgs84CoordinateSystem.java b/gps/src/org/wamblee/gps/geometry/Wgs84CoordinateSystem.java
new file mode 100644 (file)
index 0000000..38b0fcc
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,73 @@
+/*
+ * Copyright 2006 the original author or authors.
+ * 
+ * Licensed 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.
+ */ 
+
+package org.wamblee.gps.geometry;
+
+import static java.lang.Math.PI;
+import static java.lang.Math.cos;
+import static java.lang.Math.sin;
+
+
+/**
+ * Represents the WGS 84 coordinate system for a GPS measurement identified by
+ * <ul>
+ *   <li> x1: latitude in degrees </li>
+ *   <li> x2: longitude in degrees </li>
+ *   <li> x3: elevation in meters </li>
+ * </ul>
+ * WGS84 models the earth as an ellipse.
+ */
+public class Wgs84CoordinateSystem implements CoordinateSystem {
+    /*
+     * Ellipsoide parameters, where the ellipsoide is defined by
+     * 
+     * (x^2 + y^2)/a^2 + z^2/b^2 = 1
+     */
+    
+    /**
+     * The radius of the ellipse at the equator
+     */
+    private static final double A = 6378137.000;
+    
+    /**
+     * The distance of the North and South poles to the center of the ellipsoide. 
+     */
+    private static final double B = 6356752.314;  
+
+    /* (non-Javadoc)
+     * @see org.wamblee.gpx.CoordinateSystem#toReferenceSystem(org.wamblee.gpx.Coordinates)
+     */
+    public Coordinates toReferenceSystem(Coordinates aCoordinates) {
+        double latrad = radians(aCoordinates.getX1()); 
+        double lonrad = radians(aCoordinates.getX2());
+        double coslat = cos(latrad); 
+        double sinlat = sin(latrad);
+        double coslon = cos(lonrad);
+        double sinlon = sin(lonrad); 
+        
+        double r = A*B/Math.sqrt(B*B*coslat*coslat + A*A*sinlat*sinlat) + aCoordinates.getX3();
+        
+        return new Coordinates(r*coslat*coslon,
+                               r*coslat*sinlon,
+                               r*sinlat); 
+        
+    }
+    
+    private double radians(double aDegrees) { 
+        return aDegrees/180.0*PI; 
+    }
+}