详解MVP矩阵之齐次坐标和ModelMatrix

齐次坐标（Homogeneous Coordinates）

其次坐标这个概念在第一次看real-time rendering 这本书的时候就有提起到，但当时看的一头雾水，只知道其次坐标在某些计算中比较方便，而事实上齐次坐标有着非常重要的意义和作用，主要是在处理三维透视方面，常用的几个地方，比如texture mapping 透视矫正，Projection Matrix的计算等等。

在笛卡尔坐标系中，两条平行线是永不相交的，而在现实中，两条平行线是可能相交于一点的，比如说下面的铁轨。

图一 . 铁路越来越窄，最后汇集到一点

在这种透视空间中，笛卡尔坐标就无法描述了。

解决方案就是齐次坐标，一句话解释，就是用N+1个数来表示N维空间中的点。

比如一个二维坐标(X,Y),它的齐次坐标就是(x, y, w),  关系如下

X = x/w 

Y = y/w 

所以在知道齐次坐标的情况下，可以很方便地得到其笛卡尔坐标。之所以称之为其次坐标，是因为奇次坐标具有缩放不变性，比如(1,2,3),(2,4,6), (1a,2a,3a) 所表达的笛卡尔坐标是一样的！

有了其次坐标我们就可以证明两条平行线相交了。

有两条直线

Ax + By + C = 0

Ax + By + D = 0

很明显他们在平面内是平行线，永不相交（如果C==D的话，两条直线就重合了）

化为其次坐标，

A(x/w) + B(y/w) +  C = 0;

A(x/w) + B(y/w) +  D = 0;

同乘w，得到

Ax + By + Cw = 0

Ax + By + Dw = 0

则有解 (x,y,0)，所以两条平行线相交在（x,y,0），也就是相交在无穷远的点。

ModelMatrix

在Unity中，每一个GameObject上面都会有一个Transform，用来记录这个Object的position，rotation和scale.

图二 . Unity中的Transform Compoent

这三项都可以用矩阵来表示，位移矩阵是

旋转矩阵由Quatenion转过来 

R = (          1.0f - 2.0f*y*y - 2.0f*z*z, 2.0f*x*y - 2.0f*z*w, 2.0f*x*z + 2.0f*y*w, 0.0f,          2.0f*x*y + 2.0f*z*w, 1.0f - 2.0f*x*x - 2.0f*z*z, 2.0f*y*z - 2.0f*x*w, 0.0f,          2.0f*x*z - 2.0f*y*w, 2.0f*y*z + 2.0f*x*w, 1.0f - 2.0f*x*x - 2.0f*y*y, 0.0f,          0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f          )  

缩放矩阵

具体的矩阵推导可以参考我之前写的Real-Time Rendering (2) - 变换和矩阵（Transforms and Matrics）。

所谓的ModelMatrix，就是将模型坐标变换到WorldMatrix的Matrix，

WorldMatrix = Mt * Mr * Ms

Vw = WorldMatrix * Vm

注意这里的Matrix都是列主序，  Vm是Model坐标系下的坐标，Vw是世界坐标系下的坐标，矩阵是右乘Vm， Vm用的齐次坐标，w = 1.

顺序一定是T*R*S。

Transform Class

这里写一个简单的类来处理GameObejct的位置，旋转和缩放.

Transform.h

#pragma once#include "Quaternion.h"#include "RiCore/RiDevice.h"class Transform{public:Transform();Transform(const Vector3& position, const Quaternion& rotation, const Vector3& scale);~Transform();Matrix4x4 GetLocalToWorldMatrix();bool isDirty;Vector3 position;Quaternion rotation;Vector3 scale;void Translate(const Vector3 &delta);void Rotate(float xRot, float yRot, float zRot);void Scale(const Vector3 &scale);private:Matrix4x4 localToWorldMatrix;Matrix4x4 worldToLocalMatrix;};

Transform.cpp

#include "stableheader.h" #include "Transform.h"#include "Log/Log.h"Transform::Transform(){}Transform::Transform(const Vector3& _position, const Quaternion& _rotation, const Vector3& _scale){position = _position;rotation = _rotation;scale = _scale;isDirty = true;}Transform::~Transform(){}Matrix4x4 Transform::GetLocalToWorldMatrix(){if (isDirty){Matrix4x4 transMatrix(1, 0, 0, 0,0, 1, 0, 0,0, 0, 1, 0,position.x, position.y, position.z, 1);Matrix4x4 scaleMatrix(scale.x, 0, 0, 0,0, scale.y, 0, 0,0, 0, scale.z, 0,0, 0, 0, 1);localToWorldMatrix = transMatrix * rotation.GetRotMatrix() * scaleMatrix;}return localToWorldMatrix;}void Transform::Translate(const Vector3 &delta){position.x += delta.x;position.y += delta.y;position.z += delta.z;isDirty = true;}void Transform::Rotate(float xRot, float yRot, float zRot){rotation = rotation * Quaternion::Euler(xRot, yRot, zRot);isDirty = true;}Matrix4x4 Transform :: Scale(const Vector3& _scale){scale = _scale;isDirty = true;}

用了一个标志位来记录position,rotation,scale是否发生改变，如果发生改变就将isDirty至为true，下次获取WorldMatrix的时候就重新计算。

测试

//Unitytransform.position = new Vector3(1, 2, 3);transform.rotation = Quaternion.Euler(30, 45, 60);transform.localScale = new Vector3(3, 2, 1);Debug.Log(transform.localToWorldMatrix);

图三 . Unity中的运行结果

//C++renderObj = new RenderObject();renderObj->transform->Translate(Vector3(1, 2, 3));renderObj->transform->Rotate(30, 45, 60);renderObj->transform->Scale(Vector3(3, 2, 1));qDebug() << renderObj->transform->GetLocalToWorldMatrix();

图四 .C++运行结果

参考

Tutorial 3 : Matrices - http://www.opengl-tutorial.org/beginners-tutorials/tutorial-3-matrices/

OpenGL Transformation - http://www.songho.ca/opengl/gl_transform.html#modelview

Homogeneous Coordinates - http://www.songho.ca/math/homogeneous/homogeneous.html

The Truth Behind Homogeneous Coordinates - http://deltaorange.com/2012/03/08/the-truth-behind-homogenous-coordinates/

Real Time Rendering 3rd

链接

详解MVP矩阵之齐次坐标和ModelMatrix

详解MVP矩阵之齐次坐标和ViewMatrix

详解MVP矩阵之齐次坐标和ProjectionMatrix