图形学矩阵变换。

 

对于学习计算机图形学的人来说，对其中的几个变换开始时往往有些难以理解。就算理解了，也是一知半解。不过，一般的图形学编程来说，不用深入这些变换照样能够编写程序。有些人学了4、5年图形学，但是还没有完整的推导或者实践一下这几个关键的变换，因为这耗时，而且得沉住气，但往往收获也是巨大的。

前几天，看到Cg的OpenGL examples中有一个“08_vertex_transform”例子，所以的这几个变换都有程序实现，我就决心来深入一下这几个变换。

先要明白两点：
首先，OpenGL采用列向量矩阵，所以几个相应矩阵按照左乘的方式进行，也就是：
最终的投影矩阵 modelViewProj = projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix。modelMatrix中平移、旋转缩放同样符合这种顺序。

第二，对于3D程序来说，一般情况下viewMaxtrix和projectMatrix只需设置一次即可, 产生动画通过变换modelMatrix达到。当然，如果你变换viewMaxtrix，也能达到动画的效果。在gl中采用两个函数gluLookAt和gluPerspective来设置这两个矩阵。

下面来看看这几个变换。

模型变换时最容易理解的，涉及旋转、平移和缩放。在OpenGL中的glRotate，glTranslate和glScale.目前，Cg的这个例子没有完成Scale的变换，我自己写的，很简单。先给出平移和缩放的矩阵构建代码。
static void makeTranslateMatrix(float x, float y, float z, float m[16])
{
m[0] = 1; m[1] = 0; m[2] = 0; m[3] = x;
m[4] = 0; m[5] = 1; m[6] = 0; m[7] = y;
m[8] = 0; m[9] = 0; m[10] = 1; m[11] = z;
m[12] = 0; m[13] = 0; m[14] = 0; m[15] = 1;
}

static void makeScaleMatrix(float ax, float ay, float az, float m[16])
{
m[0] = ax; m[1] = 0; m[2] = 0; m[3] = 0;
m[4] = 0; m[5] = ay; m[6] = 0; m[7] = 0;
m[8] = 0; m[9] = 0; m[10] = az; m[11] = 0;
m[12] = 0; m[13] = 0; m[14] = 0; m[15] = 1;
}

而旋转要复杂一点，因为要考虑任意向量V，当然这个向量是从原点出发的（要是任意轴旋转，轴的端点可以是任意两点）。5个步骤如下：
1. 绕x轴将向量V旋转a角度到xoz平面，记为Tx(a)；
2. 绕y轴将向量V旋转b角度到与x轴重合，记为Ty(b);
3. 将物体绕x轴（向量V）旋转θ角度，记为Tx(θ);
4. 2的逆过程，记为Ty(-b);
5. 1的逆过程，记为Tx(-a)；

为方便起见，将向量V归一化, 得到Vn（v0,v1,v2）。由此 可知
cosa = v2/sqrt(v1^2+v2^2);
cosb = v0;

再加这个Tx(a)变换，其他类似：
x′＝x
y′＝ycosθ－zsinθ
z′＝ysinθ＋zcosθ

这些信息都清楚了，何不手工算一下这个旋转矩阵呢？多准备一点草稿纸，肯定能得出最后结果。旋转变换矩阵有些麻烦，直接给代码：

static void makeRotateMatrix(float angle, float ax, float ay, float az,float m[16])
{
float radians, sine, cosine, ab, bc, ca, tx, ty, tz;
float axis[3];
float mag;

axis[0] = ax;
axis[1] = ay;
axis[2] = az;
mag = sqrt(axis[0]*axis[0] + axis[1]*axis[1] + axis[2]*axis[2]);
if (mag)
{
axis[0] /= mag;
axis[1] /= mag;
axis[2] /= mag;
}
//normalizing above

radians = angle * myPi / 180.0;
sine = sin(radians);
cosine = cos(radians);
ab = axis[0] * axis[1] * (1 - cosine);
bc = axis[1] * axis[2] * (1 - cosine);
ca = axis[2] * axis[0] * (1 - cosine);
tx = axis[0] * axis[0];
ty = axis[1] * axis[1];
tz = axis[2] * axis[2];

m[0] = tx + cosine * (1 - tx);
m[1] = ab + axis[2] * sine;
m[2] = ca - axis[1] * sine;
m[3] = 0.0f;

m[4] = ab - axis[2] * sine;
m[5] = ty + cosine * (1 - ty);
m[6] = bc + axis[0] * sine;
m[7] = 0.0f;

m[8] = ca + axis[1] * sine;
m[9] = bc - axis[0] * sine;
m[10] = tz + cosine * (1 - tz);
m[11] = 0;

m[12] = 0;
m[13] = 0;
m[14] = 0;
m[15] = 1;
}

至此，模型变换已完成。

 

接下来来看viewMatrix。

视图变换实际上是坐标系的变换，将世界坐标系变换到眼坐标系（view ），这样做可以方便后面的投影(Projection)操作，因为投影是在眼坐标系中进行的。

建立眼坐标系用gluLookAt函数来实现，我们看看函数原型：
gluLookAt(double eyex, double eyey, double eyez, double centerx, double centery, double centerz, double upx, double upy, double upz）

这些参数中包括三种信息：眼睛的位置eye，视点中心位置center和向上的向量up。注意up不是y轴，只是指明了y轴的大致方向。

设眼睛的位置为原点，向量（eye-center）所得的向量为Z轴，y叉乘z得到x轴，再由x轴和z轴叉乘，反算出y轴。这就是眼坐标系的三个方向，设其单位向量为u、v、n。

然后就是坐标系之间的变换，这一点可以通过两种思路来完成：
1. 将眼坐标系变换到同世界坐标系重合。
2.代数的方法。

对于1而言，又有两种思路：
1. 代数上已经证明的公式：先移动eye的位置到世界坐标系的原点，再进行正交变换；
2. 由基本的变换合成，如下：
1）移动眼睛的位置到世界坐标系原点；
2）将眼坐标系绕世界坐标系x轴旋转，使得眼坐标系的z轴位于世界坐标系xoz平面；
3）将眼坐标系绕世界坐标系y轴旋转，使得眼坐标系的z轴和世界坐标系z轴重合；
4）将眼坐标系绕世界坐标系z轴旋转，使得眼坐标系的x、y轴和世界坐标系x、y轴重合；
这个步骤也需要很多的草稿纸，O(∩_∩)O

对于2，代数的方法，显得更简洁一些，看下图：

图中，对于任意的P点，向量减OP-Oeye= eyeP。再考虑eyeP向量，将其对眼坐标系的x/y/z轴进行投影，呵呵，就能得到P点在新坐标系中的坐标。投影很简单，用点乘即可。
于是，对于P点的新坐标P'（x',y',z'):
x' =(OP-Oeye).u = OP.u - Oeye.u =(x,y,z).(u[0],u[1],u[2]) -Oeye.(u[0],u[1],u[2]);
其中，u为眼坐标x轴方向的单位向量, x为P点的x坐标，u[0]为u向量的x值；其他类似。

y、z类似，我想你应该能写出矩阵来了吧，此处矩阵略过，直接看代码吧。

/* Build a row-major (C-style) 4x4 matrix transform based on the parameters for gluLookAt. */
static void buildLookAtMatrix(double eyex, double eyey, double eyez,
double centerx, double centery, double centerz,
double upx, double upy, double upz,float m[16])
{
double x[3], y[3], z[3], mag;

/* Difference eye and center vectors to make Z vector. */
z[0] = eyex - centerx;
z[1] = eyey - centery;
z[2] = eyez - centerz;
/* Normalize Z. */
mag = sqrt(z[0]*z[0] + z[1]*z[1] + z[2]*z[2]);
if (mag) {
z[0] /= mag;
z[1] /= mag;
z[2] /= mag;
}

/* Up vector makes Y vector. */
y[0] = upx;
y[1] = upy;
y[2] = upz;

/* X vector = Y cross Z. */
x[0] = y[1]*z[2] - y[2]*z[1];
x[1] = -y[0]*z[2] + y[2]*z[0];
x[2] = y[0]*z[1] - y[1]*z[0];

/* Recompute Y = Z cross X. */
y[0] = z[1]*x[2] - z[2]*x[1];
y[1] = -z[0]*x[2] + z[2]*x[0];
y[2] = z[0]*x[1] - z[1]*x[0];

/* Normalize X. */
mag = sqrt(x[0]*x[0] + x[1]*x[1] + x[2]*x[2]);
if (mag) {
x[0] /= mag;
x[1] /= mag;
x[2] /= mag;
}

/* Normalize Y. */
mag = sqrt(y[0]*y[0] + y[1]*y[1] + y[2]*y[2]);
if (mag) {
y[0] /= mag;
y[1] /= mag;
y[2] /= mag;
}

/* Build resulting view matrix. */
m[0*4+0] = x[0]; m[0*4+1] = x[1];
m[0*4+2] = x[2]; m[0*4+3] = -x[0]*eyex + -x[1]*eyey + -x[2]*eyez;

m[1*4+0] = y[0]; m[1*4+1] = y[1];
m[1*4+2] = y[2]; m[1*4+3] = -y[0]*eyex + -y[1]*eyey + -y[2]*eyez;

m[2*4+0] = z[0]; m[2*4+1] = z[1];
m[2*4+2] = z[2]; m[2*4+3] = -z[0]*eyex + -z[1]*eyey + -z[2]*eyez;

m[3*4+0] = 0.0; m[3*4+1] = 0.0; m[3*4+2] = 0.0; m[3*4+3] = 1.0;
}

到此，view矩阵已经OK了。

 

最后看一下投影矩阵，这是最复杂的一个变换。我们只看透视投影矩阵，平行投影会简单很多。

在前面Cg Studying（http://leepyzh.blogspot.com/2009/09/cg-studying.html）一文中，我们已经看到了透视投影变换的过程：将平头视锥体变换了边长为2，中心在原点的立方体，以便于后面的裁剪和消隐工作。过程如下：

 

下面将变换设定在常用的情况上，就是投影平面的中心和xy平面的中心重合，即在上面右图的Z轴上。OpenGL中构建投影矩阵的函数是gluPerspective，其原型是：

void gluPerspective(
　　GLdouble fovy, //角度
　　GLdouble aspect,//视景体的宽高比
　　GLdouble zNear,//沿z轴方向的两裁面之间的距离的近处
　　GLdouble zFar //沿z轴方向的两裁面之间的距离的远处
　　)

 

向x轴负方向看过去，这两个变换空间如下图所示。

 

考虑上边界情况，对于眼坐标系来说：y=-ztan(fovy/2), 而对于投影坐标系来说:y'=1.

很显然,y的映射为:y'=-y/(ztan(fovy/2)=-ycot(fovy/2)/z。 考虑z相同的情况，此时y‘是y的单调增函数（考虑y>0情况)。所以这个映射也符合视锥内部的点。

对于y的负边界来说，情况类似。对于x来说，只需额外除以aspect这个值即可，因为：

aspect = width/height = x宽度/y高度

所以：x' = -xcot(fovy/2)/z/aspect.

由于这是非线性变换，要解决除以z，可以借助齐次坐标w来进行。令w'=-z，于是：

x' = xcot(fovy/2)/aspect.

y' = ycot(fovy/2)

w'=-z

那么z呢？其实在屏幕上显示后，z值对于颜色没有任何贡献。但是，消隐少不了z值，也就是所谓的z缓冲。对于z变换来说，一定要保留两个点的z值大小顺序不变，另外，为了归一化处理，将其映射到[-1,1]之间。而最后我们还可以在OpenGL中用glDepthRange调节深度值，这一点说明从这里算出来的Z值到最终的深度值之间还会有一个映射调整。好，话说远了，回来看看z的变换。

那么所需的Z变换有以下约束：

1)z=-znear--->z'=-1;

2)z=-zfar---->z'=+1;

3)映射具有单调减性质（因为有负号，所以单调减）

4)最终z'还要除以w'=-z

根据以上条件，构造映射：

f(z) = -z*（Zfar+Znear） / ( Zfar – Znear ) – 2* Zfar*Znear / ( Zfar – Znear )

z'= f(z)/w' = （Zfar+Znear） / ( Zfar – Znear ) + [2* Zfar*Znear / ( Zfar – Znear )]/z

验证一下，上述几个条件都满足。你要是想正向推导这个公式，也是可以的。可以参考后面的文献。

还是直接给出代码，一看就清楚：

 

static const double myPi = 3.14159265358979323846;

static void buildPerspectiveMatrix(double fieldOfView,
double aspectRatio,
double zNear, double zFar,
float m[16])
{
double sine, cotangent, deltaZ;
double radians = fieldOfView / 2.0 * myPi / 180.0;

deltaZ = zFar - zNear;
sine = sin(radians);
/* Should be non-zero to avoid division by zero. */
assert(deltaZ);
assert(sine);
assert(aspectRatio);
cotangent = cos(radians) / sine;

m[0*4+0] = cotangent / aspectRatio;
m[0*4+1] = 0.0;
m[0*4+2] = 0.0;
m[0*4+3] = 0.0;

m[1*4+0] = 0.0;
m[1*4+1] = cotangent;
m[1*4+2] = 0.0;
m[1*4+3] = 0.0;

m[2*4+0] = 0.0;
m[2*4+1] = 0.0;
m[2*4+2] = -(zFar + zNear) / deltaZ;
m[2*4+3] = -2 * zNear * zFar / deltaZ;

m[3*4+0] = 0.0;
m[3*4+1] = 0.0;
m[3*4+2] = -1;
m[3*4+3] = 0;
}

至此，几个矩阵都推导完成了。

题外话：其实网上有很介绍矩阵的推导过程，包括很多教材上也有。但要真正理解，只有一种方法：实践出真知，自己动手。

Reference：
1. http://game.chinaitlab.com/arithmetic/28004.html；
2. http://blog.csdn.net/popy007/archive/2007/09/23/1797121.aspx；
3. http://blog.csdn.net/popy007/archive/2009/04/19/4091967.aspx。

 

补充：

 

在投影空间中，z的范围是[-1,+1]。在OpenGL中，默认情况下，最接近眼睛的片断（在近截面上）被映射到0.0，离眼睛最远的片断（在远截面上）映射到1.0。这个映射调整应该是线性的（没有查到正式文献）。当然，还可用glDepthRange调节深度值范围。

在正交投影中距离和Z值的关系是线性的，但在透视投影中却不是的。在透视投影中，情况发生了变化，还是看看映射公式：

z'= f(z)/w' = （Zfar+Znear） / ( Zfar – Znear ) + [2* Zfar*Znear / ( Zfar – Znear )]/z

这个映射是个双曲线：

 

下面来理解（ http://www.cppblog.com/zmj/archive/2008/03/14/14122.html）给出的这几句话：

1. 在透视投影中这种关系是非线性的，而且非线性的程度与Frustum函数中的far/near（或gluPerspective函数中的zFar/zNear）成比例—— 也不是严格成比例，因为有一个Zfar*Znear 在。

2. 这种非线性在靠近近截面时增加了Z值的精度，而且增加了深度缓存的效率；但是在视见体的其它部分则降低了精度，也就减少了深度缓存的精确性—— 在上图，将[-Zfar,-Znear]之间等分，呵呵，靠近-Znear得到的Z’的范围显然大得多。

3. 根据经验，far/near比值大于1000会有这种不好的效果。所以一般far/near比值应小于1000。要想解决这个问题，最简单的方法是通过将近截面远离眼睛来降低far/near比值，其唯一的副作用是离眼睛很近的物体可能会被裁减掉，但在特定的应用程序中这很少是个问题，近截面的位置对X、Y坐标的投影没有影响，因此这对图像的影响很小——这个要牢记，呵呵。

请访问：

http://leepyzh.blogspot.com/2009/09/inside-cg-transformation-i.html

http://leepyzh.blogspot.com/2009/09/inside-cg-transformation-ii.html

http://leepyzh.blogspot.com/2009/09/inside-cg-transformation-iii.html

http://leepyzh.blogspot.com/2009/09/z-buffer-or-depth-buffer.html