[转载]矩阵及变换,以及矩阵在DirectX和OpenGL中的运用问题:左乘/右乘,行优先/列优先

[转载]http://www.xuebuyuan.com/882848.html

(一)首先,无论dx还是opengl,所表示的矢量和矩阵都是依据线性代数中的标准定义的:
“矩阵A与B的乘积矩阵C的第i行第j列的元素c(ij)等于A的第i行于B的第j列的对应元素乘积的和。”(实用数学手册,科学出版社,第二版)
例如c12 = a11*b11+a12*b21+a12*b13...

(二)在明确了这一点后,然后我们再看“矩阵的存储方式”,矩阵存储方式有两种,一种是“行主序(row-major order)/行优先”,另一种就是“列主序(column-major order)/列优先”
1)Direct3D 采用行主序存储

“Effect matrix parameters and HLSL matrix variables can define whether the value is a row-major or column-major matrix; however, the DirectX APIs always treat D3DMATRIX and D3DXMATRIX as row-major.”(见d3d9 document/Casting and Conversion 一节)
2)OpenGL 采用列主序存储
“The m parameter points to a 4x4 matrix of single- or double-precision floating-point values stored in column-major order. That is, the matrix is stored as follows”
(见msdn glLoadMatrixf API说明)

存储顺序说明了线性代数中的矩阵如何在线性的内存数组中存储,d3d 将每一行在数组中按行存储,而opengl将每一列存储到数组的每一行中:
      线性代数意义的同一个矩阵,在d3d 和 ogl 中却有不同的存储顺序
              线代:a11,a12,a13,a14               d3d :  a11,a12,a13,a14                   gl: a11,a21,a31,a41
                       a21,a22,a23,a24                         a21,a22,a23,a24                       a12,a22,a32,a42
                       a31,a32,a33,a34                         a31,a32,a33,a34                       a13,a23,a33,a43
                       a41,a42,a43,a44                         a41,a42,a43,a44                       a14,a24,a34,a44

(三)矩阵乘法顺序和规则

矩阵乘法在线性代数中的定义是确定的,然而在不同的实现中出现了“左乘”和“右乘”的区别,或者叫做“前乘(pre-multiply),后乘(post-multiply)”
这个规则取决于vector的表示形式,即行向量还是列向量。如果是行向量,其实就是一个行矩阵。那么表示线性代数意义的“行x列”,就是前乘。矩阵乘法也是如此。
如d3d中,
                        

D3D 是行向量,行优先存储,OpenGL是列向量,列优先存储。同一个矩阵用D3D存储还是用opengl存储虽然不同,但是变换的结果却是相同,
因为opengl 变换向量是把向量视作列向量,并同矩阵的每一列相乘,用来实现线性代数中同一个变换。

我们通常很难看到opengl变换坐标的代码,以下代码出自opengl source code,让我们一窥顶点变换的“庐山真面目”

void FASTCALL __glXForm3(__GLcoord *res, const __GLfloat v[3], const __GLmatrix *m)
{
    __GLfloat x = v[0];
    __GLfloat y = v[1];
    __GLfloat z = v[2];

res->x = x*m->matrix[0][0] + y*m->matrix[1][0] + z*m->matrix[2][0]
 + m->matrix[3][0];
    res->y = x*m->matrix[0][1] + y*m->matrix[1][1] + z*m->matrix[2][1]
 + m->matrix[3][1];
    res->z = x*m->matrix[0][2] + y*m->matrix[1][2] + z*m->matrix[2][2]
 + m->matrix[3][2];
    res->w = x*m->matrix[0][3] + y*m->matrix[1][3] + z*m->matrix[2][3]
 + m->matrix[3][3];
}

可见确实如上所述,“OPENGL列向量和矩阵的每一列相乘,仍然表示线性代数行向量和矩阵的每一行相乘”
再来看一下opengl 矩阵相乘,“用a的每一列去乘b的每一行”。

/*
** Compute r = a * b, where r can equal b.
*/
void FASTCALL __glMultMatrix(__GLmatrix *r, const __GLmatrix *a, const __GLmatrix *b)
{
    __GLfloat b00, b01, b02, b03;
    __GLfloat b10, b11, b12, b13;
    __GLfloat b20, b21, b22, b23;
    __GLfloat b30, b31, b32, b33;
    GLint i;

b00 = b->matrix[0][0]; b01 = b->matrix[0][1];
        b02 = b->matrix[0][2]; b03 = b->matrix[0][3];
    b10 = b->matrix[1][0]; b11 = b->matrix[1][1];
        b12 = b->matrix[1][2]; b13 = b->matrix[1][3];
    b20 = b->matrix[2][0]; b21 = b->matrix[2][1];
        b22 = b->matrix[2][2]; b23 = b->matrix[2][3];
    b30 = b->matrix[3][0]; b31 = b->matrix[3][1];
        b32 = b->matrix[3][2]; b33 = b->matrix[3][3];

for (i = 0; i < 4; i++) {
 r->matrix[i][0] = a->matrix[i][0]*b00 + a->matrix[i][1]*b10
     + a->matrix[i][2]*b20 + a->matrix[i][3]*b30;
 r->matrix[i][1] = a->matrix[i][0]*b01 + a->matrix[i][1]*b11
     + a->matrix[i][2]*b21 + a->matrix[i][3]*b31;
 r->matrix[i][2] = a->matrix[i][0]*b02 + a->matrix[i][1]*b12
     + a->matrix[i][2]*b22 + a->matrix[i][3]*b32;
 r->matrix[i][3] = a->matrix[i][0]*b03 + a->matrix[i][1]*b13
     + a->matrix[i][2]*b23 + a->matrix[i][3]*b33;

1。矩阵和线性变换:一一对应

矩阵是用来表示线性变换的一种工具,它和线性变换之间是一一对应的。
考虑线性变换:
a11*x1 + a12*x2 + ...+a1n*xn = x1‘
a21*x1 + a22*x2 + ...+a2n*xn = x2‘
...
am1*x1 + am2*x2 + ...+amn*xn = xm‘

对应地,用矩阵来表示就是:
|a11 a12 ... a1n   |   |x1|     |x1‘| 
|a21 a22 ... a2n   |   |x2|     |x2‘|
|...                      |* |...|=    |... |
|am1 am2 ... amn |   |xn|     |xm‘|

也可以如下来表示:
                   |a11 a21 ... am1| 
                   |a12 a22 ... am2|  
|x1 x2...xn|*|...                   |= |x1‘ x2‘... xm‘|      
                   |a1n a2n ... amn|

其中涉及到6个矩阵。分别为A[m*n],X[n*1],X‘[m*1]以及X[1*n],A[n*m],X‘[1*m]。
可以理解成向量x(x1,x2,...,xn)经过一个变换矩阵A[m*n]或A[n*m]后变成另外一个向量x‘(x1‘,x2‘,...,xm‘))。

2。矩阵的表示法:行矩阵 vs. 列矩阵

行矩阵和列矩阵的叫法是衍生自行向量和列向量。
其实,矩阵A[m*n]可以看成是m个n维的row vector构成的row matrix,也可看成是n个m维的column vector构成的column matrix。
其中,X[n*1]/X‘[m*1]就等价于1个n/m维的column vector。X[1*n]/X‘[1*m]就等价于1个n/m维的row vector。
Row matrix和Column matrix只是两种不同的表示法,前者表示把一个向量映射到矩阵的一行,后者表示把一个向量映射到矩阵的一列。
本质上体现的是同一线性变换。矩阵运算规定了它们可以通过转置运算来改变这个映射关系。

3。矩阵的相乘顺序:前乘或左乘 vs. 后乘或右乘

需要注意的是两种不同的表示法对应不同的运算顺序:
如果对一个column vector做变换,则变换矩阵(row matrix/vectors)必须出现在乘号的左边,即pre-multiply,又叫前乘或左乘。
如果对一个row vector做变换,则变换矩阵(column matrix/vectors)必须出现在乘号的右边,即post-multiply,又叫后乘或右乘。
一般不会弄错,因为矩阵乘法性质决定了相同的内维数的矩阵才能相乘。至于为什么是这个规律,为什么要row vector乘以column vector或column vector乘以row vector???想想吧。。。

所以左乘还是右乘,跟被变换的vector的表示形式相关,而非存储顺序决定。

4。矩阵的存储顺序:按行优先存储 vs. 按列优先存储

涉及到在计算机中使用矩阵时,首先会碰到存储矩阵的问题。
因为计算机存储空间是先后有序的,如何存储A[m*n]的m*n个元素是个问题,一般有两种:按行优先存储和按列优先存储。

row-major:存成a11,a12,...,amn的顺序。
column-major:存成a11,a21,...,amn的顺序。

这样问题就来了,给你一个存储好的矩阵元素集合,你不知道如何读取元素组成一个矩阵,比如你不知道a12该放在几行几列上。
所以,每个系统都有自己的规定,比如以什么规则存储的就以什么规则读取。DX使用Row-major,OGL使用Column-major.即一个相同的矩阵A[m*n]在DX和OGL中的存储序列是不一样的,这带来了系统间转换的麻烦。

不过,一个巧合的事情是:DX中,点/向量是用Row Vector来表示的,所以对应的变换矩阵是Column Matrix/Vectors,而OGL中,点/向量是用Column Vector来表示的,所以对应的变换矩阵是Row Matrix/Vectors.所以,如果在DX中对一个向量x(x1,x2,x3,1)或点(x(x1,x2,x3,1))应用A[4*4]的矩阵变换,就是x‘ = x(x1,x2,x3,1) * A[4*4],由于采用Row-major,所以它的存储序列是a11,a12,...,a43,a44。在OGL中,做同样的向量或点的变换,因为其使用Row
Matrix/Vectors,其应用的变换矩阵应该是A‘[4*4] = A[4*4]( ‘ 表示Transpose/转置),就是x‘ = A‘[4*4] * x‘(x1,x2,x3,1),但是由于采用Column-major,它的存储序列正好也是a11,a12,...,a43,a44!!!
所以实际上,对DX和OGL来讲,同一个变换,存储的矩阵元素序列是一样的.比如:都是第13,14,15个元素存储了平移变化量deltaZ,deltaY,deltaZ.

Refs:

http://mathworld.wolfram.com/Matrix.html

http://www.gamedev.net/community/forums/topic.asp?topic_id=321862

时间: 2024-08-27 20:24:51

[转载]矩阵及变换,以及矩阵在DirectX和OpenGL中的运用问题:左乘/右乘,行优先/列优先的相关文章

iOS第三方库汇总[转载]

iOS第三方库汇总[转载] 字数2179 阅读334 评论0 喜欢29 简介 此文用于总结,本人使用过或者收藏过的Github第三方类库,以便日后查阅,也便他人借鉴. 资料整理中不定期更新... 开源项目 CodeHub browse and maintain your GitHub repositories on any iOS device! Open-Source iOS Apps 开源iOS apps列表 APP相关 iVersion 提示版本更新 BonMot 字体相关的库,设置字体样

(转)思考:矩阵及变换,以及矩阵在DirectX和OpenGL中的运用问题:左乘/右乘,行优先/列优先,...

转自:http://www.cnblogs.com/soroman/archive/2008/03/21/1115571.html 思考:矩阵及变换,以及矩阵在DirectX和OpenGL中的运用1.矩阵和线性变换:一一对应 矩阵是用来表示线性变换的一种工具,它和线性变换之间是一一对应的.考虑线性变换:a11*x1 + a12*x2 + ...+a1n*xn = x1'a21*x1 + a22*x2 + ...+a2n*xn = x2'...am1*x1 + am2*x2 + ...+amn*x

[转载]kd tree

[本文转自]http://www.cnblogs.com/eyeszjwang/articles/2429382.html k-d树(k-dimensional树的简称),是一种分割k维数据空间的数据结构.主要应用于多维空间关键数据的搜索(如:范围搜索和最近邻搜索). 应用背景 SIFT算法中做特征点匹配的时候就会利用到k-d树.而特征点匹配实际上就是一个通过距离函数在高维矢量之间进行相似性检索的问题.针对如何快速而准确地找到查询点的近邻,现在提出了很多高维空间索引结构和近似查询的算法,k-d树

[转载]—— Android JNI知识点

Java Native Interface (JNI)标准是java平台的一部分,它允许Java代码和其他语言写的代码进行交互.JNI 是本地编程接口,它使得在 Java 虚拟机 (VM) 内部运行的 Java 代码能够与用其它编程语言(如 C.C++ 和汇编语言)编写的应用程序和库进行交互操作. 1.从如何载入.so档案谈起 由于Android的应用层的类都是以Java写的,这些Java类编译为Dex型式的Bytecode之后,必须靠Dalvik虚拟机(VM: Virtual Machine)

[转载]TableView详解

一.建立 UITableView  DataTable = [[UITableView alloc] initWithFrame:CGRectMake(0, 0, 320, 420)];  [DataTable setDelegate:self];  [DataTable setDataSource:self];  [self.view addSubview:DataTable];  [DataTable release]; 二.UITableView各Method说明 //Section总数

[转载]iOS9 使用CoreLocation

在iOS8之前,只要 #import <CoreLocation/CoreLocation.h>引入CoreLocation.framework. @property (nonatomic, strong) CLLocationManager *locationManager; 就可以使用位置信息. 在iOS8之后,苹果对定位进行了一些修改,其中包括定位授权的方法,CLLocationManager增加了下面的两个方法: (1)始终允许访问位置信息 - (void)requestAlwaysA

Ubuntu14.04安装中文输入法以及解决Gedit中文乱码问题[转载]

转载自:http://www.cnblogs.com/zhcncn/p/4032321.html 写在前面:解决gedit 在txt文件格式出现乱码的问题,在我自己的操作中是需要把系统设置成中文显示环境的,不然这个问题没有解决.----tips by chsry. 1 设置中文显示环境 1. 打开System Settings 2. 打开Personal-> Language Support. 会弹出如下对话框,提示你“语言支持没安装完整”. 点击“Remind Me Later”. 3. 在“

iOS性能优化之内存管理:Analyze、Leaks、Allocations的使用和案例代码 -[转载]

最近研究代码质量检测问题,在网上找的相关资料咱是如下: 一. 一些相关概念 很多人应该比较了解这块内容了...可以权当复习复习... 1.内存空间的划分: 我们知道,一个进程占用的内存空间,包含5种不同的数据区:(1)BSS段:通常是存放未初始化的全局变量:(2)数据段:通常是存放已初始化的全局变量.(3)代码段:通常是存放程序执行代码.(4)堆:通常是用于存放进程运行中被动态分配的内存段,OC对象(所有继承自NSObject的对象)就存放在堆里.(5)栈:由编译器自动分配释放,存放函数的参数值

[转载]C++中引用与指针的区别(详细介绍)

本文转载自http://www.cnblogs.com/tracylee/archive/2012/12/04/2801519.html C++中的引用与指针的区别 指向不同类型的指针的区别在于指针类型可以知道编译器解释某个特定地址(指针指向的地址)中的内存内容及大小,而void*指针则只表示一个内存地址,编译器不能通过该指针所指向对象的类型和大小,因此想要通过void*指针操作对象必须进行类型转化.     ★ 相同点: 1. 都是地址的概念: 指针指向一块内存,它的内容是所指内存的地址: 引