那些遇到过的问题

反转4x4矩阵

cla*_*amp 76 c++ algorithm math matrix matrix-inverse

我正在寻找一个关于如何反转4x4矩阵的示例代码实现.我知道有高斯电气化,LU分解等等,但我没有详细查看它们,我真的只是在寻找代码来做到这一点.

语言理想情况下是C++,数据以16个浮点数的形式提供,以cloumn-major顺序排列.

谢谢!

sho*_*osh 94

这里:

bool gluInvertMatrix(const double m[16], double invOut[16])
{
    double inv[16], det;
    int i;

    inv[0] = m[5]  * m[10] * m[15] - 
             m[5]  * m[11] * m[14] - 
             m[9]  * m[6]  * m[15] + 
             m[9]  * m[7]  * m[14] +
             m[13] * m[6]  * m[11] - 
             m[13] * m[7]  * m[10];

    inv[4] = -m[4]  * m[10] * m[15] + 
              m[4]  * m[11] * m[14] + 
              m[8]  * m[6]  * m[15] - 
              m[8]  * m[7]  * m[14] - 
              m[12] * m[6]  * m[11] + 
              m[12] * m[7]  * m[10];

    inv[8] = m[4]  * m[9] * m[15] - 
             m[4]  * m[11] * m[13] - 
             m[8]  * m[5] * m[15] + 
             m[8]  * m[7] * m[13] + 
             m[12] * m[5] * m[11] - 
             m[12] * m[7] * m[9];

    inv[12] = -m[4]  * m[9] * m[14] + 
               m[4]  * m[10] * m[13] +
               m[8]  * m[5] * m[14] - 
               m[8]  * m[6] * m[13] - 
               m[12] * m[5] * m[10] + 
               m[12] * m[6] * m[9];

    inv[1] = -m[1]  * m[10] * m[15] + 
              m[1]  * m[11] * m[14] + 
              m[9]  * m[2] * m[15] - 
              m[9]  * m[3] * m[14] - 
              m[13] * m[2] * m[11] + 
              m[13] * m[3] * m[10];

    inv[5] = m[0]  * m[10] * m[15] - 
             m[0]  * m[11] * m[14] - 
             m[8]  * m[2] * m[15] + 
             m[8]  * m[3] * m[14] + 
             m[12] * m[2] * m[11] - 
             m[12] * m[3] * m[10];

    inv[9] = -m[0]  * m[9] * m[15] + 
              m[0]  * m[11] * m[13] + 
              m[8]  * m[1] * m[15] - 
              m[8]  * m[3] * m[13] - 
              m[12] * m[1] * m[11] + 
              m[12] * m[3] * m[9];

    inv[13] = m[0]  * m[9] * m[14] - 
              m[0]  * m[10] * m[13] - 
              m[8]  * m[1] * m[14] + 
              m[8]  * m[2] * m[13] + 
              m[12] * m[1] * m[10] - 
              m[12] * m[2] * m[9];

    inv[2] = m[1]  * m[6] * m[15] - 
             m[1]  * m[7] * m[14] - 
             m[5]  * m[2] * m[15] + 
             m[5]  * m[3] * m[14] + 
             m[13] * m[2] * m[7] - 
             m[13] * m[3] * m[6];

    inv[6] = -m[0]  * m[6] * m[15] + 
              m[0]  * m[7] * m[14] + 
              m[4]  * m[2] * m[15] - 
              m[4]  * m[3] * m[14] - 
              m[12] * m[2] * m[7] + 
              m[12] * m[3] * m[6];

    inv[10] = m[0]  * m[5] * m[15] - 
              m[0]  * m[7] * m[13] - 
              m[4]  * m[1] * m[15] + 
              m[4]  * m[3] * m[13] + 
              m[12] * m[1] * m[7] - 
              m[12] * m[3] * m[5];

    inv[14] = -m[0]  * m[5] * m[14] + 
               m[0]  * m[6] * m[13] + 
               m[4]  * m[1] * m[14] - 
               m[4]  * m[2] * m[13] - 
               m[12] * m[1] * m[6] + 
               m[12] * m[2] * m[5];

    inv[3] = -m[1] * m[6] * m[11] + 
              m[1] * m[7] * m[10] + 
              m[5] * m[2] * m[11] - 
              m[5] * m[3] * m[10] - 
              m[9] * m[2] * m[7] + 
              m[9] * m[3] * m[6];

    inv[7] = m[0] * m[6] * m[11] - 
             m[0] * m[7] * m[10] - 
             m[4] * m[2] * m[11] + 
             m[4] * m[3] * m[10] + 
             m[8] * m[2] * m[7] - 
             m[8] * m[3] * m[6];

    inv[11] = -m[0] * m[5] * m[11] + 
               m[0] * m[7] * m[9] + 
               m[4] * m[1] * m[11] - 
               m[4] * m[3] * m[9] - 
               m[8] * m[1] * m[7] + 
               m[8] * m[3] * m[5];

    inv[15] = m[0] * m[5] * m[10] - 
              m[0] * m[6] * m[9] - 
              m[4] * m[1] * m[10] + 
              m[4] * m[2] * m[9] + 
              m[8] * m[1] * m[6] - 
              m[8] * m[2] * m[5];

    det = m[0] * inv[0] + m[1] * inv[4] + m[2] * inv[8] + m[3] * inv[12];

    if (det == 0)
        return false;

    det = 1.0 / det;

    for (i = 0; i < 16; i++)
        invOut[i] = inv[i] * det;

    return true;
}
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这是从GLU库的MESA实施中解除的.

  • 遗憾的是,该代码并不是一种直接以循环方式开始的方式,更不用说编译器可以充分展开的方式了.此外,该代码来自一个相当古老的C库,它有很多非常繁琐的优化,而且它的代码已经可以运行(并且已经过数千个Linux OpenGL程序的全面测试和证明),为什么要重写呢？ (35认同)
  • Zoomulator:非常棒!这是因为反转(转置(A))=转置(反转(A)). (30认同)
  • 这是列主要或行主要有序矩阵？ (10认同)
  • 你可能不会想要任何其他方式. (7认同)
  • 是的,我会.编译器完全能够展开循环,特别是当你告诉他们时. (2认同)
  • @dfeuer要先获取行列式需要72次乘法。虽然对于不可逆矩阵而言，先执行该操作实际上会更快，但对于可逆矩阵，通过执行此操作可以节省68个乘法。另外还有减少这种方式的代码的好处。 (2认同)

wil*_*ode 11

如果有人在寻找更加经济实惠的代码并且"更容易阅读",那么我就明白了

var A2323 = m.m22 * m.m33 - m.m23 * m.m32 ;
var A1323 = m.m21 * m.m33 - m.m23 * m.m31 ;
var A1223 = m.m21 * m.m32 - m.m22 * m.m31 ;
var A0323 = m.m20 * m.m33 - m.m23 * m.m30 ;
var A0223 = m.m20 * m.m32 - m.m22 * m.m30 ;
var A0123 = m.m20 * m.m31 - m.m21 * m.m30 ;
var A2313 = m.m12 * m.m33 - m.m13 * m.m32 ;
var A1313 = m.m11 * m.m33 - m.m13 * m.m31 ;
var A1213 = m.m11 * m.m32 - m.m12 * m.m31 ;
var A2312 = m.m12 * m.m23 - m.m13 * m.m22 ;
var A1312 = m.m11 * m.m23 - m.m13 * m.m21 ;
var A1212 = m.m11 * m.m22 - m.m12 * m.m21 ;
var A0313 = m.m10 * m.m33 - m.m13 * m.m30 ;
var A0213 = m.m10 * m.m32 - m.m12 * m.m30 ;
var A0312 = m.m10 * m.m23 - m.m13 * m.m20 ;
var A0212 = m.m10 * m.m22 - m.m12 * m.m20 ;
var A0113 = m.m10 * m.m31 - m.m11 * m.m30 ;
var A0112 = m.m10 * m.m21 - m.m11 * m.m20 ;

var det = m.m00 * ( m.m11 * A2323 - m.m12 * A1323 + m.m13 * A1223 ) 
    - m.m01 * ( m.m10 * A2323 - m.m12 * A0323 + m.m13 * A0223 ) 
    + m.m02 * ( m.m10 * A1323 - m.m11 * A0323 + m.m13 * A0123 ) 
    - m.m03 * ( m.m10 * A1223 - m.m11 * A0223 + m.m12 * A0123 ) ;
det = 1 / det;

return new Matrix4x4() {
   m00 = det *   ( m.m11 * A2323 - m.m12 * A1323 + m.m13 * A1223 ),
   m01 = det * - ( m.m01 * A2323 - m.m02 * A1323 + m.m03 * A1223 ),
   m02 = det *   ( m.m01 * A2313 - m.m02 * A1313 + m.m03 * A1213 ),
   m03 = det * - ( m.m01 * A2312 - m.m02 * A1312 + m.m03 * A1212 ),
   m10 = det * - ( m.m10 * A2323 - m.m12 * A0323 + m.m13 * A0223 ),
   m11 = det *   ( m.m00 * A2323 - m.m02 * A0323 + m.m03 * A0223 ),
   m12 = det * - ( m.m00 * A2313 - m.m02 * A0313 + m.m03 * A0213 ),
   m13 = det *   ( m.m00 * A2312 - m.m02 * A0312 + m.m03 * A0212 ),
   m20 = det *   ( m.m10 * A1323 - m.m11 * A0323 + m.m13 * A0123 ),
   m21 = det * - ( m.m00 * A1323 - m.m01 * A0323 + m.m03 * A0123 ),
   m22 = det *   ( m.m00 * A1313 - m.m01 * A0313 + m.m03 * A0113 ),
   m23 = det * - ( m.m00 * A1312 - m.m01 * A0312 + m.m03 * A0112 ),
   m30 = det * - ( m.m10 * A1223 - m.m11 * A0223 + m.m12 * A0123 ),
   m31 = det *   ( m.m00 * A1223 - m.m01 * A0223 + m.m02 * A0123 ),
   m32 = det * - ( m.m00 * A1213 - m.m01 * A0213 + m.m02 * A0113 ),
   m33 = det *   ( m.m00 * A1212 - m.m01 * A0212 + m.m02 * A0112 ),
};
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我不写代码,但我的程序没有.我做了一个小程序来制作一个计算任何N矩阵的行列式和逆的程序.

我这样做是因为过去一次我需要一个反转5x5矩阵的代码,但地球上没有人这样做,所以我做了一个.

看看这里的程序.

编辑:矩阵布局是逐行的(意思m01是在第一行和第二列).语言也是C#,但应该很容易转换成C.

  • 116次浮点乘法，而接受答案为200次。（以及在进行大部分计算之前*的行列式检查） (2认同)
  • 这个答案感觉就像是上帝的礼物。您甚至可以像我一样对矩阵元素使用相同的命名约定。 (2认同)

小智 6

如果您需要一个包含许多函数的C++矩阵库,请查看Eigen库 - http://eigen.tuxfamily.org

kst*_*stn 6

这是@willnode 答案的 C++ 版本

template<typename Matrix>
static inline void InvertMatrix4(const Matrix& m, Matrix& im, double& det)
{
    double A2323 = m(2, 2) * m(3, 3) - m(2, 3) * m(3, 2);
    double A1323 = m(2, 1) * m(3, 3) - m(2, 3) * m(3, 1);
    double A1223 = m(2, 1) * m(3, 2) - m(2, 2) * m(3, 1);
    double A0323 = m(2, 0) * m(3, 3) - m(2, 3) * m(3, 0);
    double A0223 = m(2, 0) * m(3, 2) - m(2, 2) * m(3, 0);
    double A0123 = m(2, 0) * m(3, 1) - m(2, 1) * m(3, 0);
    double A2313 = m(1, 2) * m(3, 3) - m(1, 3) * m(3, 2);
    double A1313 = m(1, 1) * m(3, 3) - m(1, 3) * m(3, 1);
    double A1213 = m(1, 1) * m(3, 2) - m(1, 2) * m(3, 1);
    double A2312 = m(1, 2) * m(2, 3) - m(1, 3) * m(2, 2);
    double A1312 = m(1, 1) * m(2, 3) - m(1, 3) * m(2, 1);
    double A1212 = m(1, 1) * m(2, 2) - m(1, 2) * m(2, 1);
    double A0313 = m(1, 0) * m(3, 3) - m(1, 3) * m(3, 0);
    double A0213 = m(1, 0) * m(3, 2) - m(1, 2) * m(3, 0);
    double A0312 = m(1, 0) * m(2, 3) - m(1, 3) * m(2, 0);
    double A0212 = m(1, 0) * m(2, 2) - m(1, 2) * m(2, 0);
    double A0113 = m(1, 0) * m(3, 1) - m(1, 1) * m(3, 0);
    double A0112 = m(1, 0) * m(2, 1) - m(1, 1) * m(2, 0);

    det = m(0, 0) * ( m(1, 1) * A2323 - m(1, 2) * A1323 + m(1, 3) * A1223 )
        - m(0, 1) * ( m(1, 0) * A2323 - m(1, 2) * A0323 + m(1, 3) * A0223 )
        + m(0, 2) * ( m(1, 0) * A1323 - m(1, 1) * A0323 + m(1, 3) * A0123 )
        - m(0, 3) * ( m(1, 0) * A1223 - m(1, 1) * A0223 + m(1, 2) * A0123 );
    det = 1 / det;

    im(0, 0) = det *   ( m(1, 1) * A2323 - m(1, 2) * A1323 + m(1, 3) * A1223 );
    im(0, 1) = det * - ( m(0, 1) * A2323 - m(0, 2) * A1323 + m(0, 3) * A1223 );
    im(0, 2) = det *   ( m(0, 1) * A2313 - m(0, 2) * A1313 + m(0, 3) * A1213 );
    im(0, 3) = det * - ( m(0, 1) * A2312 - m(0, 2) * A1312 + m(0, 3) * A1212 );
    im(1, 0) = det * - ( m(1, 0) * A2323 - m(1, 2) * A0323 + m(1, 3) * A0223 );
    im(1, 1) = det *   ( m(0, 0) * A2323 - m(0, 2) * A0323 + m(0, 3) * A0223 );
    im(1, 2) = det * - ( m(0, 0) * A2313 - m(0, 2) * A0313 + m(0, 3) * A0213 );
    im(1, 3) = det *   ( m(0, 0) * A2312 - m(0, 2) * A0312 + m(0, 3) * A0212 );
    im(2, 0) = det *   ( m(1, 0) * A1323 - m(1, 1) * A0323 + m(1, 3) * A0123 );
    im(2, 1) = det * - ( m(0, 0) * A1323 - m(0, 1) * A0323 + m(0, 3) * A0123 );
    im(2, 2) = det *   ( m(0, 0) * A1313 - m(0, 1) * A0313 + m(0, 3) * A0113 );
    im(2, 3) = det * - ( m(0, 0) * A1312 - m(0, 1) * A0312 + m(0, 3) * A0112 );
    im(3, 0) = det * - ( m(1, 0) * A1223 - m(1, 1) * A0223 + m(1, 2) * A0123 );
    im(3, 1) = det *   ( m(0, 0) * A1223 - m(0, 1) * A0223 + m(0, 2) * A0123 );
    im(3, 2) = det * - ( m(0, 0) * A1213 - m(0, 1) * A0213 + m(0, 2) * A0113 );
    im(3, 3) = det *   ( m(0, 0) * A1212 - m(0, 1) * A0212 + m(0, 2) * A0112 );
}
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小智 5

我'卷起'了MESA实现(还编写了几个单元测试以确保它确实有效).

这里:

float invf(int i,int j,const float* m){

    int o = 2+(j-i);

    i += 4+o;
    j += 4-o;

    #define e(a,b) m[ ((j+b)%4)*4 + ((i+a)%4) ]

    float inv =
     + e(+1,-1)*e(+0,+0)*e(-1,+1)
     + e(+1,+1)*e(+0,-1)*e(-1,+0)
     + e(-1,-1)*e(+1,+0)*e(+0,+1)
     - e(-1,-1)*e(+0,+0)*e(+1,+1)
     - e(-1,+1)*e(+0,-1)*e(+1,+0)
     - e(+1,-1)*e(-1,+0)*e(+0,+1);

    return (o%2)?inv : -inv;

    #undef e

}

bool inverseMatrix4x4(const float *m, float *out)
{

    float inv[16];

    for(int i=0;i<4;i++)
        for(int j=0;j<4;j++)
            inv[j*4+i] = invf(i,j,m);

    double D = 0;

    for(int k=0;k<4;k++) D += m[k] * inv[k*4];

    if (D == 0) return false;

    D = 1.0 / D;

    for (int i = 0; i < 16; i++)
        out[i] = inv[i] * D;

    return true;

}
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我写了一些关于此的内容,并在我的博客上显示了积极/消极因素的模式.

正如@LiraNuna所建议的那样,在许多平台上都有这种例程的硬件加速版本,所以我很高兴有一个可读且简洁的"备份版本".

注意:这可能比MESA实施慢3.5倍或更差.您可以改变因子的模式以删除一些添加等...但它会失去可读性但仍然不会很快.

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