齐次坐标的理解

齐次坐标的理解一直对齐次坐标这个概念的理解不够彻底，只见大部分的书中说道“齐次坐标在仿射变换中非常的方便”，然后就没有了后文，今天在一个叫做“三百年重生”的博客上看到一篇关于透视投影变换的探讨的文章，其中有对齐次坐标有非常精辟的说明，特别是针对这样一句话进行了有力的证明：“齐次坐标表示是计算机图形学的重要手段之一，它既能够用来明确区分向量和点，同时也更易用于进行仿射（线性）几何变换。”——F.S.Hill,JR。由于作者对齐次坐标真的解释的不错，我就原封不动的摘抄过来：对于一个向量v以及基oabc，可以找到一组坐标(v1,v2,v3)，使得v=v1a+v2b+v3c（1）而对于一个点p，则可以找到一组坐标（p1,p2,p3），使得p–o=p1a+p2b+p3c（2），从上面对向量和点的表达，我们可以看出为了在坐标系中表示一个点（如p），我们把点的位置看作是对这个基的原点o所进行的一个位移，即一个向量——p–o（有的书中把这样的向量叫做位置向量——起始于坐标原点的特殊向量），我们在表达这个向量的同时用等价的方式表达出了点p：p=o+p1a+p2b+p3c(3)(1)(3)是坐标系下表达一个向量和点的不同表达方式。这里可以看出，虽然都是用代数分量的形式表达向量和点，但表达一个点比一个向量需要额外的信息。如果我写出一个代数分量表达(1,4,7)，谁知道它是个向量还是个点！我们现在把（1）（3）写成矩阵的形式：v=(v1v2v30)X(abco)p=(p1p2p31)X(abco),这里(a,b,c,o)是坐标基矩阵，右边的列向量分别是向量v和点p在基下的坐标。这样，向量和点在同一个基下就有了不同的表达：3D向量的第4个代数分量是0，而3D点的第4个代数分量是1。像这种这种用4个代数分量表示3D几何概念的方式是一种齐次坐标表示。这样，上面的(1,4,7)如果写成（1,4,7,0），它就是个向量；如果是(1,4,7,1)，它就是个点。下面是如何在普通坐标(OrdinaryCoordinate)和齐次坐标(HomogeneousCoordinate)之间进行转换：(1)从普通坐标转换成齐次坐标时如果(x,y,z)是个点，则变为(x,y,z,1);如果(x,y,z)是个向量，则变为(x,y,z,0)(2)从齐次坐标转换成普通坐标时如果是(x,y,z,1)，则知道它是个点，变成(x,y,z);如果是(x,y,z,0)，则知道它是个向量，仍然变成(x,y,z)以上是通过齐次坐标来区分向量和点的方式。从中可以思考得知，对于平移T、旋转R、缩放S这3个最常见的仿射变换，平移变换只对于点才有意义，因为普通向量没有位置概念，只有大小和方向.而旋转和缩放对于向量和点都有意义，你可以用类似上面齐次表示来检测。从中可以看出，齐次坐标用于仿射变换非常方便。此外，对于一个普通坐标的点P=(Px,Py,Pz)，有对应的一族齐次坐标(wPx,wPy,wPz,w)，其中w不等于零。比如，P(1,4,7)的齐次坐标有(1,4,7,1)、（2,8,14,2）、（-0.1,-0.4,-0.7,-0.1）等等。因此，如果把一个点从普通坐标变成齐次坐标，给x,y,z乘上同一个非零数w，然后增加第4个分量w；如果把一个齐次坐标转换成普通坐标，把前三个坐标同时除以第4个坐标，然后去掉第4个分量。由于齐次坐标使用了4个分量来表达3D概念，使得平移变换可以使用矩阵进行，从而如F.S.Hill,JR所说，仿射（线性）变换的进行更加方便。由于图形硬件已经普遍地支持齐次坐标与矩阵乘法，因此更加促进了齐次坐标使用，使得它似乎成为图形学中的一个标准。以上很好的阐释了齐次坐标的作用及运用齐次坐标的好处。其实在图形学的理论中，很多已经被封装的好的API也是很有研究的，要想成为一名专业的计算机图形学的学习者，除了知其然必须还得知其所以然。这样在遇到问题的时候才能迅速定位问题的根源，从而解决问题。关于齐次坐标按照通常使用的数学知识，二维平面上一个点可以用它在X、Y方向上的坐标来标示为P（x,y），但是在图形学中偏偏要‘画蛇添足’的使用齐次坐标，这样我们必须使用一个三维向量来表示一个二维点即P（x,y,w)，最后一个w就是那个‘足’。why？首先想像有个绝对不变的坐标系，记为W，然后以W为参照，建立两个坐标系O1和O2,O1的原点在W的（1,1)处，O2的原点在W的（2,2)处。那么W中的一个点P（x,y）在O1中将变为P（x-1,y-1)，在O2中将是P（x-2,y-2)，这样同一个点P在不同的坐标系下就具有了不同的表示。这会产生一个问题：显然，P点在二维空间的位置是唯一的，是与坐标系无关的，而不同坐标系下的表示看上去体现不了这种无关性。TheKey我们使用的是坐标系这样一个概念，坐标系忽略了坐标原点所具有的重要意义：正是原点标示了该坐标系处于哪个参照位置。如果用矩阵来表示一个二维坐标系，将会是如下形式：|10||01|，其中（10)T表示一个基矢量，（01)T表示另一个基矢量，它们互相垂直，因此能利用它们标记整个二维空间。（x,y)|10|=(x,y)|01|这就是二维坐标的实际意义。现在考虑将坐标原点(a,b)也引入到这个矩阵表示中来：|10||01||ab|我们用这个矩阵可以表示二维空间中任意位置的一个坐标系，当然，这个坐标系的基矢量可以不为（01)T和（10)T，为了和坐标系区分，我们称这种新表示为标架表示。好，问题来了，如果我们仍然用（xy）来表示点P，那么根据矩阵的乘法规则，我们无法完成其乘法：mxN的矩阵只能和Nxk的矩阵相乘。解决的办法就是：给P点添一个尾巴，这个尾巴通常为1：P（xy1)，这就是P的齐次坐标，利用新的齐次坐标和矩阵相乘得到的结果为：（x+a,y+b)，这样同一个点在不同标架下的不同表示最终会得到同一个计算结果，它反映了这样一个事实：同一个点在不同标架下的不同表示其实是等价的，这一点恰恰是使用坐标系无法体现出来的。显然上面那个3x2的矩阵和P的齐次表示相乘得到的不是齐次坐标，所以应该将它扩充成3x3的方阵:|100||010||ab1|经过扩充以后的新矩阵具有一些有趣的特性：利用它可以非常轻松的实现平移、旋转以及缩放和剪切变换。为什么要写这个呢，因为我们大部分时间只是不停的接收而不太愿意去思考为什么，难得有人提了一下让我也顺便思考了一下，然后顺便把它记下来---------------------------------------------------------------------------所谓齐次坐标就是将一个原本是n维的向量用一个n+1维向量来表示。在空间直角坐标系中，任意一点可用一个三维坐标矩阵[xyz]表示。如果将该点用一个四维坐标的矩阵[HxHyHzH]表示时，则称为齐次坐标表示方法。在齐次坐标中，最后一维坐标H称为比例因子。在OpenGL中，二维坐标点全看作三维坐标点，所有的点都用齐次坐标来描述，统一作为三维齐次点来处理。每个齐次点用一个向量(x,y,z,w)表示，其中四个元素全不为零。齐次点具有下列几个性质：1）如果实数a非零，则(x,y,x,w)和(ax,ay,az,aw)表示同一个点，类似于x/y=(ax)/(ay)。2）三维空间点(x,y,z)的齐次点坐标为(x,y,z,1.0)，二维平面点(x,y)的齐次坐标为(x,y,0.0,1.0)。3）当w不为零时，齐次点坐标(x,y,z,w)即三维空间点坐标(x/w,y/w,z/w)；当w为零时，齐次点(x,y,z,0.0)表示此点位于某方向的无穷远处。注意：OpenGL中指定w大于或等于0.0。那么引进齐次坐标有什么必要，它有什么优点呢？1.它提供了用矩阵运算把二维、三维甚至高维空间中的一个点集从一个坐标系变换到另一个坐标系的有效方法。2.它可以表示无穷远的点。n+1维的齐次坐标中如果h=0，实际上就表示了n维空间的一个无穷远点。对于齐次坐标[a,b,h]，保持a,b不变，点沿直线ax+by=0逐渐走向无穷远处的过程