反转4x4矩阵

86

我正在寻找有关如何反转4x4矩阵的示例代码实现。我知道有高斯消除，LU分解等，但是我没有详细研究它们，而是寻找代码来完成此任务。

理想的语言是C ++，可以按列优先顺序将数据以16个浮点数的数组形式提供。

c++  algorithm  math  matrix  matrix-inverse 
— 钳
source
3
这是作业吗？如果不是这样（例如，您只是想求解Ax = b），那么尝试显式计算逆可能不是您想要的。
— Tim Whitcomb，2009年
9
这不是功课。这是一个个人项目。而我不想为4x4的学习矩阵求逆“浪费”时间，这似乎相当复杂相比，3×3
— 钳
10
我认为这不是一个应该得分为-1的愚蠢问题。
— stribika
3
如果你的矩阵是旋转/缩放/翻译之一，相关：stackoverflow.com/questions/155670/...＆web.archive.org/web/20130806093214/http://...
如果您想提高性能lxjk.github.io/2017/09/03/…，您可能也对此感兴趣，并且您一次不能处理多个矩阵
— Sopel

Answers:

106

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;
}

这是从GLU库的MESA实现中取消的。

— hoo
source
8
您可能不想要其他任何方式。
— shoosh
2
是的，我会。编译器完全有能力展开循环，尤其是当您告诉他们这样做时。
— Imagist
38
令人遗憾的是，该代码并不是以一种可循环的方式开始的那么简单，更不用说编译器可以充分展开的方式了。而且，该代码来自一个相当古老的C库，该库具有很多非常巧妙的优化功能，并且它的代码已经有效（并且目前已经由成千上万的Linux OpenGL程序进行了充分的测试和证明），那么为什么要重写它呢？
— 蓬松的
14
这是用于列主排序矩阵还是行主排序矩阵？
— Zoomulator 2012年
34
Zoomulator：两者都很棒！这是因为inverse（transpose（A））= transpose（inverse（A））。
— Timmmm'2
18

如果有人在寻找更通用的代码并且“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 ),
};

我没有编写代码，但是我的程序做了。我编写了一个小程序，制作了一个计算任何N矩阵的行列式和逆矩阵的程序。

之所以这样做，是因为过去曾经需要一个逆5x5矩阵的代码，但是地球上没有人这样做，所以我做了一个。

在这里看看程序。

编辑：矩阵布局是逐行的（意思m01是在第一行和第二列中）。语言也是C＃，但应该易于转换为C。

— 意志节点
source
3
116次浮点乘法，而接受答案为200次。（以及进行大部分计算之前的行列式检查）
— paddyg
2
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。
— Stuntddude
的确是一个很好的答案，但是关于“我需要一个逆5x5矩阵的代码，但是地球上没有人这样做” ---原因可能是使用直接求解器（Gauss，LU）更便宜而不是使用基于行列式的公式（克拉默斯规则？）。
— wychmaster
6

我“汇总”了MESA实施（还编写了一些单元测试以确保其实际运行）。

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;

}

我为此写了一些文章，并在我的博客上显示了积极/消极因素的模式。

如@LiraNuna所建议，在许多平台上都可以使用此类例程的硬件加速版本，因此，我很高兴拥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倍或更慢。您可以改变因素的模式以删除一些附加信息等，但是它会降低可读性，而且速度不会很快。

1

这是一个小的C ++向量数学库（仅一个头）（面向3D编程）。如果您使用它，请记住，与OpenGL期望的相比，它在内存中的矩阵布局是相反的，我很开心地弄清楚了...

— 尤金
source
1

在@shoosh的启发下，我检查了MESA的实现，发现在最新的mesa版本中，矩阵求逆看起来有很大的不同。我认为这些都是不错的改进。这是Mesa-17.3.9中的矩阵求逆代码：

/* Returns true for success, false for failure (singular matrix) */
bool DirectVolumeRenderer::_mesa_invert_matrix_general( GLfloat out[16], const GLfloat in[16] )
{
    /**
     * References an element of 4x4 matrix.
     * Calculate the linear storage index of the element and references it. 
     */
    #define MAT(m,r,c) (m)[(c)*4+(r)]
    /**
     * Swaps the values of two floating point variables.
     */
    #define SWAP_ROWS(a, b) { GLfloat *_tmp = a; (a)=(b); (b)=_tmp; }

    const GLfloat *m = in;
    GLfloat wtmp[4][8];
    GLfloat m0, m1, m2, m3, s;
    GLfloat *r0, *r1, *r2, *r3;

    r0 = wtmp[0], r1 = wtmp[1], r2 = wtmp[2], r3 = wtmp[3];

    r0[0] = MAT(m,0,0), r0[1] = MAT(m,0,1),
    r0[2] = MAT(m,0,2), r0[3] = MAT(m,0,3),
    r0[4] = 1.0, r0[5] = r0[6] = r0[7] = 0.0,

    r1[0] = MAT(m,1,0), r1[1] = MAT(m,1,1),
    r1[2] = MAT(m,1,2), r1[3] = MAT(m,1,3),
    r1[5] = 1.0, r1[4] = r1[6] = r1[7] = 0.0,

    r2[0] = MAT(m,2,0), r2[1] = MAT(m,2,1),
    r2[2] = MAT(m,2,2), r2[3] = MAT(m,2,3),
    r2[6] = 1.0, r2[4] = r2[5] = r2[7] = 0.0,

    r3[0] = MAT(m,3,0), r3[1] = MAT(m,3,1),
    r3[2] = MAT(m,3,2), r3[3] = MAT(m,3,3),
    r3[7] = 1.0, r3[4] = r3[5] = r3[6] = 0.0;

    /* choose pivot - or die */
    if (fabsf(r3[0])>fabsf(r2[0])) SWAP_ROWS(r3, r2);
    if (fabsf(r2[0])>fabsf(r1[0])) SWAP_ROWS(r2, r1);
    if (fabsf(r1[0])>fabsf(r0[0])) SWAP_ROWS(r1, r0);
    if (0.0F == r0[0])
        return false;

    /* eliminate first variable     */
    m1 = r1[0]/r0[0]; m2 = r2[0]/r0[0]; m3 = r3[0]/r0[0];
    s = r0[1]; r1[1] -= m1 * s; r2[1] -= m2 * s; r3[1] -= m3 * s;
    s = r0[2]; r1[2] -= m1 * s; r2[2] -= m2 * s; r3[2] -= m3 * s;
    s = r0[3]; r1[3] -= m1 * s; r2[3] -= m2 * s; r3[3] -= m3 * s;
    s = r0[4];
    if (s != 0.0F) { r1[4] -= m1 * s; r2[4] -= m2 * s; r3[4] -= m3 * s; }
    s = r0[5];
    if (s != 0.0F) { r1[5] -= m1 * s; r2[5] -= m2 * s; r3[5] -= m3 * s; }
    s = r0[6];
    if (s != 0.0F) { r1[6] -= m1 * s; r2[6] -= m2 * s; r3[6] -= m3 * s; }
    s = r0[7];
    if (s != 0.0F) { r1[7] -= m1 * s; r2[7] -= m2 * s; r3[7] -= m3 * s; }

    /* choose pivot - or die */
    if (fabsf(r3[1])>fabsf(r2[1])) SWAP_ROWS(r3, r2);
    if (fabsf(r2[1])>fabsf(r1[1])) SWAP_ROWS(r2, r1);
    if (0.0F == r1[1])
        return false;

    /* eliminate second variable */
    m2 = r2[1]/r1[1]; m3 = r3[1]/r1[1];
    r2[2] -= m2 * r1[2]; r3[2] -= m3 * r1[2];
    r2[3] -= m2 * r1[3]; r3[3] -= m3 * r1[3];
    s = r1[4]; if (0.0F != s) { r2[4] -= m2 * s; r3[4] -= m3 * s; }
    s = r1[5]; if (0.0F != s) { r2[5] -= m2 * s; r3[5] -= m3 * s; }
    s = r1[6]; if (0.0F != s) { r2[6] -= m2 * s; r3[6] -= m3 * s; }
    s = r1[7]; if (0.0F != s) { r2[7] -= m2 * s; r3[7] -= m3 * s; }

    /* choose pivot - or die */
    if (fabsf(r3[2])>fabsf(r2[2])) SWAP_ROWS(r3, r2);
    if (0.0F == r2[2])
        return false;

    /* eliminate third variable */
    m3 = r3[2]/r2[2];
    r3[3] -= m3 * r2[3], r3[4] -= m3 * r2[4],
    r3[5] -= m3 * r2[5], r3[6] -= m3 * r2[6],
    r3[7] -= m3 * r2[7];

    /* last check */
    if (0.0F == r3[3])
        return false;

    s = 1.0F/r3[3];             /* now back substitute row 3 */
    r3[4] *= s; r3[5] *= s; r3[6] *= s; r3[7] *= s;

    m2 = r2[3];                 /* now back substitute row 2 */
    s  = 1.0F/r2[2];
    r2[4] = s * (r2[4] - r3[4] * m2), r2[5] = s * (r2[5] - r3[5] * m2),
    r2[6] = s * (r2[6] - r3[6] * m2), r2[7] = s * (r2[7] - r3[7] * m2);
    m1 = r1[3];
    r1[4] -= r3[4] * m1, r1[5] -= r3[5] * m1,
    r1[6] -= r3[6] * m1, r1[7] -= r3[7] * m1;
    m0 = r0[3];
    r0[4] -= r3[4] * m0, r0[5] -= r3[5] * m0,
    r0[6] -= r3[6] * m0, r0[7] -= r3[7] * m0;

    m1 = r1[2];                 /* now back substitute row 1 */
    s  = 1.0F/r1[1];
    r1[4] = s * (r1[4] - r2[4] * m1), r1[5] = s * (r1[5] - r2[5] * m1),
    r1[6] = s * (r1[6] - r2[6] * m1), r1[7] = s * (r1[7] - r2[7] * m1);
    m0 = r0[2];
    r0[4] -= r2[4] * m0, r0[5] -= r2[5] * m0,
    r0[6] -= r2[6] * m0, r0[7] -= r2[7] * m0;

    m0 = r0[1];                 /* now back substitute row 0 */
    s  = 1.0F/r0[0];
    r0[4] = s * (r0[4] - r1[4] * m0), r0[5] = s * (r0[5] - r1[5] * m0),
    r0[6] = s * (r0[6] - r1[6] * m0), r0[7] = s * (r0[7] - r1[7] * m0);

    MAT(out,0,0) = r0[4]; MAT(out,0,1) = r0[5],
    MAT(out,0,2) = r0[6]; MAT(out,0,3) = r0[7],
    MAT(out,1,0) = r1[4]; MAT(out,1,1) = r1[5],
    MAT(out,1,2) = r1[6]; MAT(out,1,3) = r1[7],
    MAT(out,2,0) = r2[4]; MAT(out,2,1) = r2[5],
    MAT(out,2,2) = r2[6]; MAT(out,2,3) = r2[7],
    MAT(out,3,0) = r3[4]; MAT(out,3,1) = r3[5],
    MAT(out,3,2) = r3[6]; MAT(out,3,3) = r3[7];

    #undef SWAP_ROWS
    #undef MAT

    return true;
}

注意：您可以在mesa代码库中找到这段代码：mesa-17.3.9/src/mesa/math/m_matrix.c。

— 塞缪尔·李
source
1

这是@willnode的答案的C ++版本

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 );
}
— st
source
0

根据此博客，您可以使其更快。

#define SUBP(i,j) input[i][j]
#define SUBQ(i,j) input[i][2+j]
#define SUBR(i,j) input[2+i][j]
#define SUBS(i,j) input[2+i][2+j]

#define OUTP(i,j) output[i][j]
#define OUTQ(i,j) output[i][2+j]
#define OUTR(i,j) output[2+i][j]
#define OUTS(i,j) output[2+i][2+j]

#define INVP(i,j) invP[i][j]
#define INVPQ(i,j) invPQ[i][j]
#define RINVP(i,j) RinvP[i][j]
#define INVPQ(i,j) invPQ[i][j]
#define RINVPQ(i,j) RinvPQ[i][j]
#define INVPQR(i,j) invPQR[i][j]
#define INVS(i,j) invS[i][j]

#define MULTI(MAT1, MAT2, MAT3) \
    MAT3(0,0)=MAT1(0,0)*MAT2(0,0) + MAT1(0,1)*MAT2(1,0); \
MAT3(0,1)=MAT1(0,0)*MAT2(0,1) + MAT1(0,1)*MAT2(1,1); \
MAT3(1,0)=MAT1(1,0)*MAT2(0,0) + MAT1(1,1)*MAT2(1,0); \
MAT3(1,1)=MAT1(1,0)*MAT2(0,1) + MAT1(1,1)*MAT2(1,1);

#define INV(MAT1, MAT2) \
    _det = 1.0 / (MAT1(0,0) * MAT1(1,1) - MAT1(0,1) * MAT1(1,0)); \
MAT2(0,0) = MAT1(1,1) * _det; \
MAT2(1,1) = MAT1(0,0) * _det; \
MAT2(0,1) = -MAT1(0,1) * _det; \
MAT2(1,0) = -MAT1(1,0) * _det; \

#define SUBTRACT(MAT1, MAT2, MAT3) \
    MAT3(0,0)=MAT1(0,0) - MAT2(0,0); \
MAT3(0,1)=MAT1(0,1) - MAT2(0,1); \
MAT3(1,0)=MAT1(1,0) - MAT2(1,0); \
MAT3(1,1)=MAT1(1,1) - MAT2(1,1);

#define NEGATIVE(MAT) \
    MAT(0,0)=-MAT(0,0); \
MAT(0,1)=-MAT(0,1); \
MAT(1,0)=-MAT(1,0); \
MAT(1,1)=-MAT(1,1);


void getInvertMatrix(complex<double> input[4][4], complex<double> output[4][4]) {
    complex<double> _det;
    complex<double> invP[2][2];
    complex<double> invPQ[2][2];
    complex<double> RinvP[2][2];
    complex<double> RinvPQ[2][2];
    complex<double> invPQR[2][2];
    complex<double> invS[2][2];


    INV(SUBP, INVP);
    MULTI(SUBR, INVP, RINVP);
    MULTI(INVP, SUBQ, INVPQ);
    MULTI(RINVP, SUBQ, RINVPQ);
    SUBTRACT(SUBS, RINVPQ, INVS);
    INV(INVS, OUTS);
    NEGATIVE(OUTS);
    MULTI(OUTS, RINVP, OUTR);
    MULTI(INVPQ, OUTS, OUTQ);
    MULTI(INVPQ, OUTR, INVPQR);
    SUBTRACT(INVP, INVPQR, OUTP);
}

这不是完整的实现，因为P可能不是不可逆的，但是您可以将此代码与MESA实现结合使用以获得更好的性能。

— 柯西·施瓦兹（Cauchy Schwarz）
source
0

如果要计算4x4矩阵的逆矩阵，那么我建议使用像OpenGL Mathematics（GLM）这样的库：

无论如何，您可以从头开始。以下实现与的实现类似glm::inverse，但是并没有高度优化：

bool InverseMat44( const GLfloat m[16], GLfloat invOut[16] )
{
    float 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;
}
— 拉比德76
source
By using our site, you acknowledge that you have read and understand our Cookie Policy and Privacy Policy.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.