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矩阵求逆的快速算法

2011-11-15 11:24 113 查看

算法介绍

矩阵求逆在3D程序中很常见，主要应用于求Billboard矩阵。按照定义的计算方法乘法运算，严重影响了性能。在需要大量Billboard矩阵运算时，矩阵求逆的优化能极大提高性能。这里要介绍的矩阵求逆算法称为全选主元高斯-约旦法。

高斯-约旦法（全选主元）求逆的步骤如下：

首先，对于 k 从 0 到 n - 1 作如下几步：

从第 k 行、第 k 列开始的右下角子阵中选取绝对值最大的元素，并记住次元素所在的行号和列号，在通过行交换和列交换将它交换到主元素位置上。这一步称为全选主元。
m(k, k) = 1 / m(k, k)
m(k, j) = m(k, j) * m(k, k)，j = 0, 1, ..., n-1；j != k
m(i, j) = m(i, j) - m(i, k) * m(k, j)，i, j = 0, 1, ..., n-1；i, j != k
m(i, k) = -m(i, k) * m(k, k)，i = 0, 1, ..., n-1；i != k

最后，根据在全选主元过程中所记录的行、列交换的信息进行恢复，恢复的原则如下：在全选主元过程中，先交换的行（列）后进行恢复；原来的行（列）交换用列（行）交换来恢复。

实现(4阶矩阵）

float Inverse(CLAYMATRIX& mOut, const CLAYMATRIX& rhs)

{

CLAYMATRIX m(rhs);

DWORD is[4];

DWORD js[4];

float fDet = 1.0f;

int f = 1;

for (int k = 0; k < 4; k ++)

{

// 第一步，全选主元

float fMax = 0.0f;

for (DWORD i = k; i < 4; i ++)

{

for (DWORD j = k; j < 4; j ++)

{

const float f = Abs(m(i, j));

if (f > fMax)

{

fMax = f;

is[k] = i;

js[k] = j;

}

}

}

if (Abs(fMax) < 0.0001f)

return 0;

if (is[k] != k)

{

f = -f;

swap(m(k, 0), m(is[k], 0));

swap(m(k, 1), m(is[k], 1));

swap(m(k, 2), m(is[k], 2));

swap(m(k, 3), m(is[k], 3));

}

if (js[k] != k)

{

f = -f;

swap(m(0, k), m(0, js[k]));

swap(m(1, k), m(1, js[k]));

swap(m(2, k), m(2, js[k]));

swap(m(3, k), m(3, js[k]));

}

// 计算行列值

fDet *= m(k, k);

// 计算逆矩阵

// 第二步

m(k, k) = 1.0f / m(k, k);

// 第三步

for (DWORD j = 0; j < 4; j ++)

{

if (j != k)

m(k, j) *= m(k, k);

}

// 第四步

for (DWORD i = 0; i < 4; i ++)

{

if (i != k)

{

for (j = 0; j < 4; j ++)

{

if (j != k)

m(i, j) = m(i, j) - m(i, k) * m(k, j);

}

}

}

// 第五步

for (i = 0; i < 4; i ++)

{

if (i != k)

m(i, k) *= -m(k, k);

}

}

for (k = 3; k >= 0; k --)

{

if (js[k] != k)

{

swap(m(k, 0), m(js[k], 0));

swap(m(k, 1), m(js[k], 1));

swap(m(k, 2), m(js[k], 2));

swap(m(k, 3), m(js[k], 3));

}

if (is[k] != k)

{

swap(m(0, k), m(0, is[k]));

swap(m(1, k), m(1, is[k]));

swap(m(2, k), m(2, is[k]));

swap(m(3, k), m(3, is[k]));

}

}

mOut = m;

return fDet * f;

}

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