【计算机视觉】二、图像形成:1、向量和矩阵的基本运算:线性变换与齐次坐标

时间:2024-03-18 13:37:45

文章目录

  • 一、向量和矩阵的基本运算
    • 1、简单变换
      • 1. 平移变换
      • 2. 缩放变换
      • 3. 旋转变换
      • 4. 一般线性变换
    • 2、齐次坐标
      • 0. 齐次坐标表示
      • 1. 2D点的齐次坐标变换
      • 2. 投影空间 ( x , y , w ) (x, y, w) (x,y,w)
      • 3. 2D直线的齐次坐标表示
        • a. 直线的参数方程表示
        • b. 直线的法向量和原点距离表示
      • 4. 叉积算子
      • 5. 平行线可以相交

一、向量和矩阵的基本运算

1、简单变换

x = [ x y ] \boldsymbol{x} =\begin{bmatrix}x\\y\end{bmatrix} x=[xy]

1. 平移变换

[ x ′ y ′ ] = [ x y ] + [ a b ] \begin{bmatrix}x'\\y'\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}x\\y\end{bmatrix} + \begin{bmatrix}a\\b\end{bmatrix} [xy]=[xy]+[ab]
  将向量 [ a b ] \begin{bmatrix}a\\b\end{bmatrix} [ab]加到 [ x y ] \begin{bmatrix}x\\y\end{bmatrix} [xy]上,得到平移后的新向量 [ x ′ y ′ ] = [ x + a y + b ] \begin{bmatrix}x'\\y'\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}x+a\\y+b\end{bmatrix} [xy]=[x+ay+b]。其中 a a a b b b分别为x方向和y方向的平移量

2. 缩放变换

[ x ′ y ′ ] = [ s x 0 0 s y ] [ x y ] = [ s x x s y y ] \begin{bmatrix}x'\\y'\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}s_x & 0\\0 & s_y\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x\\y\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}s_xx\\s_yy\end{bmatrix} [xy]=[sx00sy][xy]=[sxxsyy]
  通过缩放矩阵 [ s x 0 0 s y ] \begin{bmatrix}s_x & 0\\0 & s_y\end{bmatrix} [sx00sy]乘以 [ x y ] \begin{bmatrix}x\\y\end{bmatrix} [xy],可以得到缩放后的向量 [ x ′ y ′ ] = [ s x x s y y ] \begin{bmatrix}x'\\y'\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}s_xx\\s_yy\end{bmatrix} [xy]=[sxxsyy]。其中 s x s_x sx s y s_y sy分别为x方向和y方向的缩放比例

3. 旋转变换

[ x ′ y ′ ] = [ cos ⁡ θ − sin ⁡ θ sin ⁡ θ cos ⁡ θ ] [ x y ] \begin{bmatrix}x'\\y'\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}\cos\theta & -\sin\theta\\\sin\theta & \cos\theta\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x\\y\end{bmatrix} [xy]=[cosθsinθsinθcosθ][xy]
  通过旋转矩阵 [ cos ⁡ θ − sin ⁡ θ sin ⁡ θ cos ⁡ θ ] \begin{bmatrix}\cos\theta & -\sin\theta\\\sin\theta & \cos\theta\end{bmatrix} [cosθsinθsinθcosθ]乘以 [ x y ] \begin{bmatrix}x\\y\end{bmatrix} [xy],可以得到绕原点逆时针旋转 θ \theta θ角度后的向量 [ x ′ y ′ ] \begin{bmatrix}x'\\y'\end{bmatrix} [xy]

4. 一般线性变换

[ x ′ y ′ ] = [ a b c d ] [ x y ] = [ a x + b y c x + d y ] \begin{bmatrix}x'\\y'\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}a & b\\c & d\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x\\y\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}ax+by\\cx+dy\end{bmatrix} [xy]=[acbd][x