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[譯] - 投影矩陣的推導(dǎo)

原帖地址：

http://www.codeguru.com/cpp/misc/misc/math/article.php/c10123__1/Deriving-Projection-Matrices.htm

譯文：

矩陣變換作為3d圖形程序員的基本知識，投影矩陣是其中很復(fù)雜的內(nèi)容。平移和縮放是容易理解的，旋轉(zhuǎn)矩陣只需要掌握了基本的三角幾何知識，但是投影 矩陣不一樣。如果你看過投影矩陣的形式，你會發(fā)現(xiàn)你很難很快知道它是怎么來的。而且，我在網(wǎng)上沒有發(fā)現(xiàn)很多有關(guān)推導(dǎo)投影矩陣的資源。本文就是講述如何推導(dǎo) 投影矩陣。

對于新接觸3d圖形學(xué)的人來說，推導(dǎo)投影矩陣需要有一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，但不是必須的。你可以直接使用最后的公式，如果你使用一種圖形API，如 Direct3D，通常你不需要關(guān)心，因?yàn)锳PI已經(jīng)提供了計(jì)算投影矩陣的功能。一旦你理解了如何推導(dǎo)它，這對你沒有壞處。這篇文章為了那些需要了解推導(dǎo) 投影矩陣細(xì)節(jié)的人的。

簡介：什么是投影

計(jì)算機(jī)顯示器是一個(gè)2d表面，為了顯示3d物體，你需要把3d的物體轉(zhuǎn)化成2d的圖片，這個(gè)過程就是投影。舉一個(gè)簡單例子，最簡單的把3d物體變到2d表面上的方法是去掉z坐標(biāo)。對于1個(gè)立方體，如下圖1。

圖1：去掉z坐標(biāo)投影到xy平面

當(dāng)然，圖1方法很簡單，大多數(shù)情況不適用。這里不會投影到一個(gè)平面上，相反，這里講的投影會把物體變換到一個(gè)規(guī)范的是視空間(canonical view volume這個(gè)是叫什么？)。對于規(guī)范的視空間的坐標(biāo)，不同圖形API可能不同。作為討論起見，這里使用Direct3D的，即(-1, -1, 0)到(1, 1, 1)。一旦物體的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到了規(guī)范的視空間里面，其中的x、y坐標(biāo)就用于映射到屏幕空間，z坐標(biāo)一般用于z-buffer。

注意圖1使用了左手坐標(biāo)系。這也是Direct3D的形式，本文將一直使用左手坐標(biāo)系。對于右手坐標(biāo)系，本文講述的知識都是適用的。

現(xiàn)在可以開始講投影變換了。這里主要講述2中最普遍的形式：正投影和透視投影。

正投影

正投影是一種簡單的投影形式，要求所有的投影射線垂直于投影面。正投影最終的規(guī)范視空間是一個(gè)AAB(axis-aligned box)，如下圖2。

圖2:正投影

從圖中可以看出，規(guī)范的視空間是由6個(gè)面組成的：

左：x = l

右：x = r

下：y = b

上：y = t

近：z = n

遠(yuǎn)：z = f

由于正投影的視錐(view volume)和規(guī)范視空間(canonical view volume)都是AAB，所以不會有像透視投影那樣隨距離變化的特性。對于正投影，所有的物體的大小不會變化，而且不會隨著距離變化。

圖3：簡單的正投影應(yīng)用（原文里的圖 轉(zhuǎn)帖者添加）

下面開始推導(dǎo)正投影矩陣。一個(gè)在view volume中的點(diǎn)的x坐標(biāo)在[l, r]，這需要變換到canonical view volume中的[-1, 1]。

l <= x <= r

0 <= x-l <= r-l

0 <= (x-l)/(r-l) <= 1

0 <= 2(x-l)/(r-l) <= 2

-1 <= 2(x-l)/(r-l) - 1 <= 1

-1 <= (2x-r-l)/(r-l) <= 1

最后你需要得到px+q的形式，所以分解成:

-1 <= 2x/(r-l) - (r+l)/(r-l) <= 1

所以得到了在canonical view volume中的x坐標(biāo)：

x' = 2x/(r-l) - (r+l)/(r-l)

同理得到在canonical view volume中的y坐標(biāo)：

y' = 2y/(t-b) - (t+b)/(t-b)

最后來推導(dǎo)z'的公式。在view volume中的點(diǎn)的z坐標(biāo)在[n, f]，需要變換到canonical view volume中的[0, 1]。

n <= z <= f

0 <= z-n <= f-n

0 <= (z-n)/(f-n) <= 1

0 <= z/(f-n) - n/(f-n) <= 1

得到z'的表達(dá)式:

z' = z/(f-n) - n/(f-n)

總結(jié)上面的x', y'和z'，

x' = 2x/(r-l) - (r+l)/(r-l)

y' = 2y/(t-b) - (t+b)/(t-b)

z' = z/(f-n) - n/(f-n)

如果寫成矩陣形式：

在Direct3D中一個(gè)函數(shù)D3DXMatrixOrthoOffCenterLH()正好提供了這個(gè)功能(注意到形式有些不同，是行/類矩陣的區(qū)別)。“LH”表示的是左手坐標(biāo)系，但是“OffCenter”表示的又是什么呢？

第一，在Camera空間，如果Camera被放置在原點(diǎn)，并且方向沿著z軸；第二，如果r = -l，t = -b，并且定義x軸上的寬度w和y軸上的高度h，那么

上面的矩陣和Direct3D中的D3DXMatrixOrthoLH()計(jì)算的結(jié)果一致。

如果把正投影的矩陣分解成如下：

注意變換形式是：p'(canonical view volume) = P0 * P(view volume)。

通過這個(gè)分解，可以這樣來理解正投影矩陣，首先，吧view volume沿z軸把近平面移到原點(diǎn)，其次，縮放使得view volume變換到canonical view volume。

透視投影

透視投影因?yàn)榭梢援a(chǎn)生距離的錯(cuò)覺(遠(yuǎn)方的物體看起來更小),所以可以產(chǎn)生更真實(shí)的效果，被廣泛使用。它和正投影不同的地方是，透視投影的view volume是一個(gè)錐體，如下圖4：

圖4：透視投影

從圖中可以看出view frustum的近平面由(l, b, n)延伸到(r, t, n)。

步驟一：對于view frustum中的一個(gè)點(diǎn)(x, y, z)，把它投影到近平面z = n。因?yàn)?投影點(diǎn)在近平面上，所以x坐標(biāo)的范圍在[l, r]，y坐標(biāo)的范圍在[b, t]。如 圖5

步驟二：使用在正投影中學(xué)習(xí)的知識，把在近平面上x的[l, r]隱射到[-1, 1]，y的[b, t]隱射到[-1, 1]。

圖5

第一步：得到投影點(diǎn)

所以得到投影點(diǎn)(x*n/z, y*n/z, n)。

第二步：把第一步中得到的投影點(diǎn)，運(yùn)用正投影中學(xué)習(xí)的知識隱射。

代入x = x*n/z 和 y = y*n/z，

乘以z，

把(x, y, z)隱射到(x'z, y'z, z'z)，所以需要求z'z

假設(shè)z'z = pz + q，而z坐標(biāo)的隱射是[n, f]到[0, 1],所以得到：

0 = pn + q

f = pf + q

解方程得：

p = f/(f-n)

q = -fn/(f - n)

所以，

z'z = fz/(f-n) - fn/(f-n)

總結(jié)在一起，

寫成矩陣形式：

上面的矩陣可以使得，p * (x, y, z, 1) = (x'z, y'z, z'z, z)。這個(gè)也是和Direct3D中的D3DXMatrixPerspectiveOffCenterLH()是一樣的(注意行/列區(qū)別)。同正投影中， 如果滿足一定的條件，r = -l，t = -b，則有下面的矩陣形式:

這個(gè)就和Direct3D中的D3DXMatrixPerspectiveLH()結(jié)果一樣。

最后，有必要說一下牽扯到寬高比的矩陣表示形式。

如圖6：

圖6

cot(a/2) = n / (h/2) = 2n/h

假設(shè)r = w/h，即寬高比

2n/w = 2n/(rh) = (1/r) * cot(a/2)

則有以下形式：

這個(gè)形式就和Direct3D中的D3DXMatrixPerspectiveFovLH()結(jié)果一樣。

注：

本文原本準(zhǔn)備翻譯，后來沒耐心了，話說最近我做事一直都沒什么耐心了，所以沒怎么按照原文翻譯，而是把重要的列出來。

上面說的一些推導(dǎo)公式有些不用那么繁瑣，但是總的來看，很值得一讀。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的投影矩阵的推导（转载）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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