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矩阵运算——平移 旋转 缩放

时间:2022-02-01 20:33:44

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矩阵运算——平移 旋转 缩放

平时开发程序,免不了要对图像做各种变换处理。有的时候变换可能比较复杂,比如平移之后又旋转,旋转之后又平移,又缩放。

直接用公式计算,不但复杂,而且效率低下。这时可以借助变换矩阵和矩阵乘法,将多个变换合成一个。最后只要用一个矩阵对每个点做一次处理就可以得到想要的结果。

另外,矩阵乘法一般有硬件支持,比如3D图形加速卡,处理3D变换中的大量矩阵运算,比普通CPU要快上1000倍。

下面是3类基本的2D图形变换。

平移:

设某点向x方向移动dx,y方向移动dy,[x,y]为变换前坐标,[X,Y]为变换后坐标。

则X=x+dx;Y=y+dy;

以矩阵表示:

100

[X,Y,1]=[x,y,1][010];

dxdy1

100

010即平移变换矩阵。

dxdy1

旋转:

旋转相比平移稍稍复杂:

设某点与原点连线和X轴夹角为b度,以原点为圆心,逆时针转过a度,原点与该点连线长度为R,[x,y]为变换前坐标,[X,Y]为变换后坐标。

x=Rcos(b);y=Rsin(b);

X=Rcos(a+b)=Rcosacosb-Rsinasinb=xcosa-ysina;(合角公式)

Y=Rsin(a+b)=Rsinacosb+Rcosasinb=xsina+ycosa;

用矩阵表示:

cosasina0

[X,Y,1]=[x,y,1][-sinacosa0]

001

cosasina0

-sinacosa0为旋转变换矩阵。

001

缩放

设某点坐标,在x轴方向扩大sx倍,y轴方向扩大sy倍,[x,y]为变换前坐标,[X,Y]为变换后坐标。

X=sx*x;Y=sy*y;

则用矩阵表示:

sx00

[X,Y,1]=[x,y,1][0sy0];

001

sx00

0sy0即为缩放矩阵。

001

2D基本的模型视图变换,就只有上面这3种,所有的复杂2D模型视图变换,都可以分解成上述3个。

比如某个变换,先经过平移,对应平移矩阵A,再旋转,对应旋转矩阵B,再经过缩放,对应缩放矩阵C.

则最终变换矩阵T=ABC.即3个矩阵按变换先后顺序依次相乘(矩阵乘法不满足交换律,因此先后顺序一定要讲究)。

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