矩阵变换

矩阵乘法

矩阵rc表示一个r行c列的矩阵,两个矩阵A(r1c1)和B(r2c2)相乘有意义的条件是c1等于r2,相乘后得到一个(r1c2)的矩阵。
画个图来看一下:

矩阵乘法

需要注意的是,矩阵乘法不满足交换律

矩阵乘法有什么用

用处肯定很多,但这里我们研究的是它在图形学里的平移,缩放等变换功能。在这里我们只研究二位空间里的情况,也就是平面图形。
首先思考一个问题:如何平移一个平面图形?
答案很简单,那就是把它的每个顶点都平移,整个图形自然就移动了。
那如何用矩阵来实现这个操作呢?
首先就是把它的顶点都存储进矩阵里,如下图


顶点矩阵

为什么要这么放?因为要用矩阵乘法啊,由前面的乘法特性可以看出,要想乘法有意义,需要矩阵1的列数等于矩阵2的行数,由于是二位空间图形,变换矩阵可以是一个2 * 2的矩阵,这样就能满足我们的需求。
等等,这样真的能满足需求么?根据乘法的算法,结果中任一单元都是变换矩阵某值和x坐标的乘积加上变换矩阵某值和y坐标的乘积,这里先不考虑x和y都是变量,我们按砝码去想,x和y是两种可能不是1的砝码,我们的结果只能是由两种砝码的若干倍之和组成,这样显然不能保证拼凑出所有正值,而我们的图形平移的值域肯定是整个正数范围。
这种情况怎么办?好办,加个常数表示偏移量。按照这种思路,用s表示偏移量,则表示二位空间的图形可以用如下顶点矩阵:


带偏移量的顶点矩阵和对应的变换矩阵

这种情况下,我们先假设变换矩阵是一个3 * 3的矩阵,再看看能发现些什么。使用矩阵乘法用变换矩阵去改变顶点矩阵,得到的结果中,任一位置的结果都是由原位置的x值和y值和常量拼凑成的。根据矩阵乘法的规则可以得出,在上图变换矩阵中:
a:变换后x值中原x的倍数,控制x缩放
b:变换后x值中原y的倍数,控制x切变拉伸
c:变换后x值中常量的倍数,控制x偏移
d:变换后y值中原x的倍数,控制y切变拉伸
e:变换后y值中原y的倍数,控制y缩放
f:变换后y值中常量的倍数,控制y偏移
g:变换后常量值中原x的倍数
h:变换后常量值中原y的倍数
i:变换后常量值中原常量的倍数
可以看出,如果sn全部取1的话,我们用变换矩阵可以把原值变成任意正整数,不过顶点之间的相对关系约束还是没法打破的。另外,g、h和i其实没什么意义,所以变换矩阵用2 * 3足矣。
写到这里,平移操作就没什么难度了吧?如果想x轴平移,就改变c的值,如果想y轴平移,就改变f的值。
写到这里可能有人要问:那我改b的值不也是x轴平移么?错!对于任一顶点,x的值可以是不同的,如果你改了b的值,那结果就是不同顶点在x轴上的平移位置不一定相同,那么对于整个图形来说,这就不是平移,而是形变。改变a、b、d、e中任意一个值,都是形变,具体怎么形变的,有兴趣可以自己试试。
最后加一句,矩阵乘法满足结合律,所以对于比较复杂的变换,可以将其分解为基本的平移、旋转等,再相乘得到变换矩阵。

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