法线矩阵

一般在做坐标变换的时候,会将所有顶点全部乘以一个矩阵,转换到对应的坐标系中,但是对于法线使用相同的转换是有问题的,下图解释了为什么会有问题存在:

也就是法线在做相同变换后,如果变换中包含不一致的缩放(x,y,z不同),结果法线就已经不再垂直表面了(想象变形后的切线之间角度都变了),需要重新调整,所以使用专门的发现矩阵来转换发现比较靠谱。

法线矩阵的一种计算如下:

表面切线t,转换后的切线t'

表面法线n,转换后的法线n'

n*t = 0

n'*t' = 0

n' = S*n

t' = M*t

这里,M是mv转换矩阵,S是法线矩阵

带入计算,就能解出S = (M^-1)^T,也就是逆矩阵的转置。

求逆矩阵比较复杂,一般在用的时候我们都不会去求逆矩阵。

但是法线不会受到平移的影响,而且只要不变形就不会出现问题,所以可以随意旋转,所以一般我们会把旋转矩阵部分从mv中提取出来作为法线矩阵。

下面说明为什么旋转矩阵可以直接作为发现矩阵来使:

旋转矩阵无论绕任何一个轴旋转一般是

cos(a)-sin(a)

sin(a)cos(a)

这种交叉对称的形式,这就意味着转置后只是交换了+-sin的值,这样一算就会发现,这个矩阵是一个正交矩阵。

正交矩阵的逆矩阵的转置就等于本身,因为

A*A^T = I

A^-1 = A^T

而一个旋转矩阵必定是多个旋转矩阵的乘积:

R = R1*R2*R3*R4...Rn

R^T = (R1*R2*R3*R4...Rn)^T = Rn^T*R(n-1)^T*R(n-2)^T*R(n-3)^T...R1^T

R*R^T = Rn^T*R(n-1)^T*R(n-2)^T*R(n-3)^T...(R1^T*R1)*R2*R3*R4...Rn = I

所以这个乘积实际上也是正交矩阵。

所以旋转矩阵的逆矩阵的转置就是自身,所以旋转矩阵是可以直接作为法线矩阵的。

但是实际上,在建模工具中经常会出现非一致性缩放,这样就需要专门抽取出旋转矩阵了,至于抽取方法就需要另外讨论了。

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