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[2017开源大赛(第二届)] 【动效党】【高质量】动画即时演算技术——用图形诠释线性变换的几何美(矩阵篇)

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回帖奖励 34 枚 精币 回复本帖可获得 1 枚 精币奖励! 每人限 1 次(中奖概率 60%)
结帖率:50% (1/2)
发表于 2017-11-7 23:30:21 | 显示全部楼层 |阅读模式
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界面截图:
是否带模块: 纯源码
备注说明: -
PART1    引入
    因为刚刚沐浴完入学的洗礼晋级到新的级别不久,杂事挺多的,所以也没怎么逛论坛,距离上一篇低多边形运动(LowPolyMotion)算法的帖子发布至今也有挺长一段时间了没露面了。今天就再奉上一帖,和大家交流切磋。
    刚正式接触线性代数这门学科不到两个月,觉得课堂上的线代实在枯燥。好在有幸遇见国外3Blue1Brown大神的线代解析,使得对线性变换的几何意义初有体会。在对这种美妙变换的感慨之余也不忘用自己动手,尝试独创算法实现这种变换的图形化渲染。
    我将整个程序写成了可交互式的即时演算动画其实是个半半成品,嗯...主要原因是交互性还比较单一。

引入

引入

    目前完成了基向量添加、自定义向量添加、矩阵×矩阵动画演算、矩阵×向量动画演算、两种副本网格模式、两种动画预览模式,上图演示的就是基向量和自定义向量的添加。其实单动画本身而言,除了好看和能够帮助更形象地理解线性变换以及明白低阶矩阵运算的几何本质之外也没啥别的意义了,但是这种交互式的编程动画还是挺有意思的,也有一定的学习价值,特此开源。
PART2    演示

添加基向量与自定义向量

添加基向量与自定义向量
↑ 添加基向量与自定义向量 ↑

观察基向量变换

观察基向量变换
↑ 观察基向量变换 ↑

PART3    简析
    这一部分简单分析一下这个算法的内容,或者说解析一下源码吧,因为之前也有发一些这类的帖子,但是反应大多是看不太懂,因此我也打算在以后的帖子中都对源码做一下大致的剖析。要实现这种动画主要分成四大部分来看,有兴趣的话就让我们就一起来看看吧。
    一、坐标系部分
    在这个项目中坐标系可以说是整个动画最有看点的部分了。所有变换的美感都在坐标系网格的拉伸中体现得淋漓尽致。
    1.1 搭建一个可变换的坐标系,即要搭建一个可变换的网格,网格由许多条横纵线条组成,为了绘制这些线条,我们只需要确定每一根线条的左右端点的坐标即可。此外我们还需要确定坐标轴的单位长度,以及坐标原点的位置,为此,程序中定义了两个数据类型,用于存放坐标系的基本参数,分别是CoordinateSystemParam和CoordinateGroup。
    通过画板的宽高和单位长度,不难确定Line_X和Line_Y的值,再设定一下颜色,通过循环调用画板的画直线命令很容易画出动图中的坐标系。
2.jpg

    二、缓动函数部分
    2.1 为了让我们的坐标系动起来只需要让端点动起来即可,计算出运动的始末位置后利用循环的方法来达到缓动的目的。例如做一个循环n次使得点P0从(x1,y1)位置运动到(x2,y2)位置的动画,只需要在第i次循环的时候将点P0从x1位置移动到x1+(x2-x1)×k位置即可,其中k=i/n。
     2.2 为了使得动画更加平滑,我们借助正弦函数对线性数据进行“软化”。
3.jpg

    考虑到实际需求,我们仅截取正弦函数的[-π/2,π/2]区间。通过f(i)=π×i/n-π/2即可将i∈[0,1]映射到f(i)∈[-π/2,π/2],这样一来我们就可以得到sin(f(i))∈[-1,1],为了使得比例值k依旧从0开始到1结束,不难发现只需令k=[sin(f(i))+1]/2,即k=[sin(π×i/n-π/2)+1]/2。这一技法贯穿整个程序动画,如果要实现更加复杂的缓动效果,可以参阅网上的其他资料,或调用现成的缓动函数。
    三、向量箭头部分
    3.1 两点确定一条直线,那么如何画出向量的矢量箭头?本程序中使用在原直线两侧再画两根短线段的方法来实现,为了达到目的,只需要确定直线倾斜角α、箭头开角β以及线段长度L即可。L在图中没有标出,L=|P0P1|或|P0P2|。
4.jpg
    以计算点P1的坐标为例,首先α=arctan(y0/x0),由几何关系不难发现∠EP0D=π/2-α-β,进而易得P1到直线DP0的距离d=Lcos(α-β),代入x1=x0-d得到P1的横坐标为x1=x0-Lcos[arctan(y0/x0)-β],同理y1=y0-Lsin[arctan(y0/x0)-β],考虑到L与β都是我们自定义的已知量,当P0确定后,P1与P2的坐标也就确定了。值得注意的是x=x0±d的正负号具体由箭头所处的象限来指定,具体规则见源码的CoordinateSystemDraw函数。
    确定了箭头三点的坐标后(P0,1,2),结合第二节缓动部分即可完成向量箭头的生成和移动动画。
    四、运算表达式部分
    4.1 运算表达式部分即矩阵乘法算式的动态显示部分。略,详见源码。

观察任意向量变换

观察任意向量变换
↑ 观察自定义向量的变换(Vector的坐标跟随箭头所在处渐显)↑

伸缩变换及张成空间的降维

伸缩变换及张成空间的降维
↑ 伸缩变换及张成空间的"降维" ↑
PART4    下载
    老规矩,源码不要钱,回复即可下载把玩。觉得给力的话可以打赏和点赞。
    Matrix Motion.e (506.86 KB, 下载次数: 233)

点评

学好数理化,走遍天下都不怕  发表于 2017-11-15 16:09
一开始的V2黄色线条伸长,我邪恶了,哈哈!  发表于 2017-11-8 00:07

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清歌终南 + 1 + 2 新技能已get√
SalHe + 1 + 4 哈 碰巧我也喜欢那个视频
yyy32541820581 + 1 很赞同,谢谢!
leiyh + 1 + 1 感谢分享,很给力!~
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发表于 2018-1-9 13:10:30 | 显示全部楼层

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数学不好的就别下载了吧
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发表于 2018-1-3 22:52:03 | 显示全部楼层
我觉得我的数学该回炉重造了……
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发表于 2018-1-3 18:27:09 | 显示全部楼层

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让我想起了 用CAD制图的那几年光景。。
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发表于 2017-12-30 09:42:09 | 显示全部楼层

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神奇,学习了!
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结帖率:100% (3/3)
发表于 2017-12-20 18:35:32 | 显示全部楼层

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#了不得啊。少侠好算法#
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发表于 2017-12-20 17:12:36 | 显示全部楼层

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这是啥 。。。根本看不懂。。。。
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发表于 2017-12-16 22:27:11 | 显示全部楼层

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学好数理化,走遍天下都不怕
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发表于 2017-12-16 18:58:25 | 显示全部楼层
#在这里快速回复#支持开源~!感谢分享
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发表于 2017-12-16 10:48:49 | 显示全部楼层

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很好的软件,就是网格线太明显。
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发表于 2017-12-16 08:59:49 | 显示全部楼层
目测是一个高深的技术贴,我等小白下载了也不会运用,还是省下一精币赞点饭钱吧
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