矩阵求逆(高斯-约旦法)

算法介绍
矩阵求逆在3D程序中很常见,主要应用于求Billboard矩阵。按照定义的计算方法乘法运算,严重影响了性能。在需要大量Billboard矩阵运算时,矩阵求逆的优化能极大提高性能。这里要介绍的矩阵求逆算法称为全选主元高斯-约旦法。

高斯-约旦法(全选主元)求逆的步骤如下:

首先,对于 k 从 0 到 n - 1 作如下几步:

从第 k 行、第 k 列开始的右下角子阵中选取绝对值最大的元素,并记住次元素所在的行号和列号,在通过行交换和列交换将它交换到主元素位置上。这一步称为全选主元。
m(k, k) = 1 / m(k, k)
m(k, j) = m(k, j) * m(k, k),j = 0, 1, ..., n-1;j != k
m(i, j) = m(i, j) - m(i, k) * m(k, j),i, j = 0, 1, ..., n-1;i, j != k
m(i, k) = -m(i, k) * m(k, k),i = 0, 1, ..., n-1;i != k
最后,根据在全选主元过程中所记录的行、列交换的信息进行恢复,恢复的原则如下:在全选主元过程中,先交换的行(列)后进行恢复;原来的行(列)交换用列(行)交换来恢复。

float Inverse(CLAYMATRIX& mOut, const CLAYMATRIX& rhs)
{
	CLAYMATRIX m(rhs);
	DWORD is[4];
	DWORD js[4];
	float fDet = 1.0f;
	int f = 1;
	for (int k = 0; k < 4; k ++)
	{
		// 第一步,全选主元
		float fMax = 0.0f;
		for (DWORD i = k; i < 4; i ++)
		{
			for (DWORD j = k; j < 4; j ++)
			{
				const float f = Abs(m(i, j));
				if (f > fMax)
				{
					fMax = f;
					is[k] = i;
					js[k] = j;
				}
			}
		}
	if (Abs(fMax) < 0.0001f)
	return 0;
	if (is[k] != k)
	{
		f = -f;
		swap(m(k, 0), m(is[k], 0));
		swap(m(k, 1), m(is[k], 1));
		swap(m(k, 2), m(is[k], 2));
		swap(m(k, 3), m(is[k], 3));
	}
	if (js[k] != k)
	{
		f = -f;
		swap(m(0, k), m(0, js[k]));
		swap(m(1, k), m(1, js[k]));
		swap(m(2, k), m(2, js[k]));
		swap(m(3, k), m(3, js[k]));
	}
	// 计算行列值
	fDet *= m(k, k);
	// 计算逆矩阵
	// 第二步
	m(k, k) = 1.0f / m(k, k);
	// 第三步
	for (DWORD j = 0; j < 4; j ++)
	{
		if (j != k)
		m(k, j) *= m(k, k);
	}
	// 第四步
	for (DWORD i = 0; i < 4; i ++)
	{
		if (i != k)
		{
			for (j = 0; j < 4; j ++)
			{
				if (j != k)
				m(i, j) = m(i, j) - m(i, k) * m(k, j);
			}
		}
	}
	// 第五步
	for (i = 0; i < 4; i ++)
	{
		if (i != k)
		m(i, k) *= -m(k, k);
		}
	}
	for (k = 3; k >= 0; k --)
	{
		if (js[k] != k)
		{
			swap(m(k, 0), m(js[k], 0));
			swap(m(k, 1), m(js[k], 1));
			swap(m(k, 2), m(js[k], 2));
			swap(m(k, 3), m(js[k], 3));
		}
		if (is[k] != k)
		{
			swap(m(0, k), m(0, is[k]));
			swap(m(1, k), m(1, is[k]));
			swap(m(2, k), m(2, is[k]));
			swap(m(3, k), m(3, is[k]));
		}
	}
	mOut = m;
	return fDet * f;
}





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