对齐次坐标的理解

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齐次坐标表示是计算机图形学的重要手段之一,它既能够用来明确区分向量和点,同时也更易用于进行仿射(线性)几何变换。”—— F.S. Hill, JR。

  齐次坐标主要是应用在矩阵转换中,我们通常运算的坐标系是“笛卡尔坐标系”,我们已经习惯了笛卡尔坐标系的表述方式,一个点都有唯一对应的数据值来表示,比如原点我们就记做(0,0)点。而笛卡尔坐标系和齐次坐标系的根本区别在于“齐次性”。

  所谓齐次坐标就是将一个原本是n维的向量用一个n+1维向量来表示。 显然一个向量的齐次表示是不唯一的,齐次坐标的h取不同的值都表示的是同一个点,比如齐次坐标[10,4,2]、[5,2,1]表示的都是二维点[5,2]。

  那么引进齐次坐标有什么必要,它有什么优点呢?

  由于[10,4,2]、[5,2,1]表示的都是[5,2]一个点,如果有一个公式需要将[5,2]点参与的运算3维运算,而我们的点只有2维的表示,那么我们在值不变的情况下增加一个齐次坐标,使之变成3维,而能够参加运算并不影响最终结果,这就是齐次坐标的价值。

  许多图形应用涉及到几何变换,主要包括平移、旋转、缩放。以矩阵表达式来计算这些变换时,平移是矩阵相加,旋转和缩放则是矩阵相乘,综合起来可以表示为p' = p *m1+ m2(m1旋转缩放矩阵, m2为平移矩阵, p为原向量 ,p'为变换后的向量)。引入齐次坐标的目的主要是合并矩阵运算中的乘法和加法,表示为p' = p*M的形式。即它提供了用矩阵运算把二维、三维甚至高维空间中的一个点集从一个坐标系变换到另一个坐标系的有效方法。

  那么齐次坐标是怎么表示点和向量的呢?

  那要从齐次坐标的线性代数性质来看:

  一维齐次点坐标:

  

  通过上面的定义可以看出,一维的点坐标x的值是齐次坐标中(x1,x2)的关系有 x = x1/x2; 如果x2=1,那么既可以表示为(x,1).其中最特别的点是(0,1)

如果有齐次坐标(x1,x2),由于x2=0的时候表达式分母为零,除法表达式失去意义,因此(x1,0)表示的是一个无穷远点。即忽略其长度属性,那么它就表示一个方向,其中最特别的是(1,0)。

  对于 二维齐次点坐标:

  

  上图表达的意义就是一个点(x,y)他的齐次坐标就是(w*x,w*y,w)其中w不为0

  下表列举了一些点的其次表示方式:

  

 

  任意方向的无穷远点是(x1,x2,0)其中方向为x2/x1。y轴上的无穷远点的表示方式是(0,x2,0)。

  再用向量的办法来看看 齐次坐标表示“向量“和“点”的区别:

  对于一个向量v以及基oabc,可以找到一组坐标(v1,v2,v3),使得v = v1 a + v2 b + v3 c(1)

  现在有一个点P,根据向量的性质,v=p-o  (o是原点,v表示从坐标原心指向点p的向量) ,那么代入上式即可得到 p – o = p1 a + p2b + p3c (2)    

  那么点 p的表达式就是   p = o + p1 a + p2 b + p3 c (3)    那么就会发现,点p的表达式就要比向量v多一个信息。但是o也可以用三维向量来表述,所以

  P(1,2,3)和V(1,2,3)从值上而言是完全没有区别的,所以点的就可以用(1,2,3,1)来表示,而向量是(1,2,3,0)。齐次坐标的w为0表示无穷远点,那就只能代表一个方向了。

<think>嗯,用户问的是如何让模型对齐坐标轴。首先,我需要理解用户的问题背景。可能是在3D建模、计算机图形学或者游戏开发中,模型的位置或方向需要调整,以便与坐标轴对齐。用户可能是刚接触这方面的开发者或者学生,遇到模型方向不正确的问题,想了解解决方法。 接下来,我应该考虑不同的情况。对齐坐标轴可能包括位置对齐方向对齐。位置对齐相对简单,就是移动模型到原,但方向对齐需要调整旋转。用户可能没有明确说明是哪一种,所以需要都涵盖。 然后,分解步骤。首先确定当前模型的位置方向。可能需要使用软件中的工具,比如三维软件里的移动旋转工具。然后,移动模型到原,接着应用旋转操作。这里要注意局部坐标世界坐标系的区别,因为不同的软件可能有不同的默认设置。例如,在Blender里,切换坐标系是关键步骤。 还要考虑可能的特殊情况,比如模型有父级或者被绑定到骨骼,这时候可能需要先解除关联。此外,冻结变换或应用变换的操作也很重要,特别是在游戏引擎如Unity或Unreal中,未应用的变换可能导致问题。 然后,验证方法是否正确。比如在旋转对齐时,检查各个轴是否与全局坐标轴一致,或者使用对齐工具如Blender的“对齐到变换方向”。另外,代码实现的话,可能需要矩阵变换的知识,比如构造旋转矩阵使模型的方向向量与坐标轴重合。 用户可能的深层需求是希望模型在渲染或编程时正确响应坐标轴的变化,比如物理模拟或动画中的正确行为。因此,除了操作步骤,还需要强调应用变换的重要性,避免后续操作出现意外结果。 最后,总结关键,分步骤说明,涵盖不同软件的可能操作,并提醒注意事项,确保用户能根据具体情况选择合适的方法。同时,保持语言简洁,结构清晰,便于用户跟随操作。</think>要让模型对齐坐标轴,需通过坐标变换调整模型的位置方向。以下是逐步操作方法: --- ### 一、理解坐标系基础 1. **世界坐标系**:场景的全局参考系 2. **局部坐标系**:模型自身的坐标系 3. **对齐目标**:使模型的局部坐标系与世界坐标系重合 --- ### 二、位置对齐(平移) 1. **将模型移动到原**: - 提取模型原坐标 $(x_0, y_0, z_0)$ - 应用平移矩阵: $$ T = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & -x_0 \\ 0 & 1 & 0 & -y_0 \\ 0 & 0 & 1 & -z_0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} $$ --- ### 三、方向对齐(旋转) #### 方法1:轴-角对齐 1. 计算模型当前坐标系基向量 $(\vec{u}, \vec{v}, \vec{w})$ 2. 构造旋转矩阵使基向量对齐世界坐标轴: $$ R = [\vec{u}^T \; \vec{v}^T \; \vec{w}^T] $$ #### 方法2:欧拉角调整 1. 分解当前旋转角度为 $(θ_x, θ_y, θ_z)$ 2. 逐轴归零旋转角度 3. 注意旋转顺序(通常按ZYX顺序) --- ### 四、软件操作示例 #### 在Blender中: 1. 选择模型后按`Ctrl+A` → 选择"全部变换" 2. 使用快捷键`Alt+G`清除位置,`Alt+R`清除旋转 #### 在Unity中: ```csharp // 通过代码重置变换 transform.position = Vector3.zero; transform.rotation = Quaternion.identity; ``` --- ### 五、特殊注意事项 1. **缩放处理**:先应用缩放(避免非均匀缩放影响旋转) 2. **层级关系**:解除父子关系后再对齐 3. **法线方向**:检查面片法线是否统一(使用`Recalculate Normals`) --- ### 六、验证方法 1. 检查模型顶坐标是否满足: $$ x_{min}=x_{max}=0 \quad (X轴对齐) $$ $$ \vec{up} \cdot (0,1,0) = 1 \quad (Y轴对齐) $$ 2. 使用坐标系辅助线进行可视化验证 通过上述步骤,可以确保模型在位置、旋转缩放三个维度完全对齐坐标轴。实际应用中需根据具体建模软件或引擎工具进行调整。
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