二维射影变换是一种自同构,将射影平面映射到自身。
平面变换可以用以下方式合成地定义:点X在“主观”平面上必须变换到点T,该点也在主观平面上。变换使用这些工具:一对“观察点”P和Q,以及一个“客观”平面。主观平面和客观平面以及这两个点都位于三维空间中,这两个平面可以在某条线上相交。
画出经过点P和X的直线l1。直线l1与客观平面在点R处相交。画出经过点Q和R的直线l2。直线l2与射影平面在点T处相交。然后T是X的射影变换。
设xy平面为“主观”平面,平面m为“客观”平面。设平面m由以下式子描述

其中常数m和n是偏斜率,b是z截距。
设有一对“观察”点P和Q,


设点X位于“主观”平面上

点X必须变换到点T,

也在“主观”平面上。
分析结果是一对方程,一个用于横坐标 Tx,另一个用于纵坐标 Ty


二维变换最多有九个自由度:Px、Py、Pz、Qx、Qy、Qz、m、n、b。注意公式 (12) 和 (13) 有相同的分子,并且可以通过交换m 和 n,以及交换x 和 y(包括P 和 Q 的下标)从Tx 获得Ty。
设






使得

同时设



使得

公式 (14) 和 (15) 共同描述了三线性分数变换。
如果一个变换由公式 (14) 和 (15) 给出,那么这样的变换可以用九个系数来表征,这些系数可以排列成一个系数矩阵

如果有一对平面变换 T1 和 T2,它们的系数矩阵分别为
和
,那么这两个变换的复合是另一个平面变换 T3,

使得

T3 的系数矩阵可以通过将 T2 和 T1 的系数矩阵相乘得到

给定由以下公式定义的 T1


并且给定由以下定义的 T2


然后可以通过将 T1 代入 T2 来计算 T3

用相同的 trinomial 乘以分子和分母

将 x、y 和 1 的系数分组

T3 的六个系数与通过以下乘积获得的系数相同

其余三个系数可以通过以下方式验证

用相同的 trinomial 乘以分子和分母

将x、y和1的系数分组

所得到的三个剩余系数与通过公式 (16) 获得的系数相同。证毕。
由公式 (14) 和 (15) 给出的三线性变换将一条直线

变换成另一条直线

其中 n 和 c 是常数,等于

和

给定 y = m x + b,然后将其代入公式 (14) 和 (15) 得出

和

如果Ty = n Tx + c 且n 和c 为常数,则

使得

计算表明
![{\displaystyle {\partial T_{x} \over \partial x}={(\epsilon b+\zeta )(\alpha +\beta m)-(\beta b+\gamma )(\delta +\epsilon m) \over [(\delta +\epsilon m)x+(\epsilon b+\zeta )]^{2}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5c166080cf98953fa407fe8dc6f69918e8a2092e)
和
![{\displaystyle {\partial T_{y} \over \partial x}={(\epsilon b+\zeta )(\eta +\theta m)-(\theta b+\kappa )(\delta +\epsilon m) \over [(\delta +\epsilon m)x+(\epsilon b+\zeta )]^{2}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cb1589b93fb466632ae8d867b74b39a8316ef9c6b)
因此

现在我们应该得到c 为
![{\displaystyle ={(\eta +\theta m)x+(\theta b+\kappa )-\left[{(\epsilon b+\zeta )(\eta +\theta m)-(\theta b+\kappa )(\delta +\epsilon m) \over (\epsilon b+\zeta )(\alpha +\beta m)-(\beta b+\gamma )(\delta +\epsilon m)}\right]\cdot [(\alpha +\beta m)x+(\beta b+\gamma )] \over (\delta +\epsilon m)x+(\epsilon b+\zeta )}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b616c80b0e108804cc5b84c80aed13fabb8af5c7)
将分子中的两个分数相加。
![{\displaystyle c={\left\{[(\epsilon b+\zeta )(\alpha +\beta m)-(\beta b+\gamma )(\delta +\epsilon m)][(\eta +\theta m)x+(\theta b+\kappa )]-[(\epsilon b+\zeta )(\eta +\theta m)-(\theta b+\kappa )(\delta +\epsilon m)][(\alpha +\beta m)x+(\beta b+\gamma )]\right\} \over [(\delta +\epsilon m)x+(\epsilon b+\zeta )][(\epsilon b+\zeta )(\alpha +\beta m)-(\beta b+\gamma )(\delta +\epsilon m)]}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/42ec226d0fedea85256abf4108d0970d91d5e22e)
将分子括号中的二项式展开,然后抵消相等且相反的项。
![{\displaystyle c={-(\beta b+\gamma )(\delta +\epsilon m)(\eta +\theta m)x+(\epsilon b+\zeta )(\alpha +\beta m)(\theta b+\kappa )+(\theta b+\kappa )(\delta +\epsilon m)(\alpha +\beta m)x-(\epsilon b+\zeta )(\eta +\theta m)(\beta b+\gamma ) \over [(\delta +\epsilon m)x+(\epsilon b+\zeta )][(\epsilon b+\zeta )(\alpha +\beta m)-(\beta b+\gamma )(\delta +\epsilon m)]}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4b1eed25fe17b878bcf50af53cefdfdafc1a8293)
将分子分解成两项,其中只有一项包含“数目”(x)。在分母中还有一个“数目”。现在目标是使这两项都抵消。
x+[(\alpha +\beta m)(\theta b+\kappa )-(\eta +\theta m)(\beta b+\gamma )](\epsilon b+\zeta )\right\} \over [(\delta +\epsilon m)x+(\epsilon b+\zeta )][(\epsilon b+\zeta )(\alpha +\beta m)-(\beta b+\gamma )(\delta +\epsilon m)]}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2d9fa5f1fa46b0b791f2e0f3d8f04e6b1599d7fc)
对分子进行因式分解
![{\displaystyle c={[(\theta b+\kappa )(\alpha +\beta m)-(\beta b+\gamma )(\eta +\theta m)][(\delta +\epsilon m)x+(\epsilon b+\zeta )] \over [(\epsilon b+\zeta )(\alpha +\beta m)-(\beta b+\gamma )(\delta +\epsilon m)][(\delta +\epsilon m)x+(\epsilon b+\zeta )]}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/77d353100762df86b1f46e09efe00602d80aff7f)
含有未知数项的因式相互抵消,因此

是一个常数。 Q.E.D.
比较c和n,注意到它们的denominator相同。 此外,n可以通过交换以下系数从c得到

在n的分子和分母之间也存在以下对称性

c的分子和分母也具有交换对称性:
n和c之间的交换对称性可以分解成二项式

所有这些交换对称性相当于在系数矩阵中交换成对的行。
像方程(14)和(15)给出的三线性变换T 将把一个圆锥曲线

转换成另一个圆锥曲线

设有一个由方程(17)描述的圆锥曲线和一个由方程(15)和(16)描述的平面变换T,它将点(x,y) 转换成点(Tx,Ty)。
可以找到一个逆变换T′,它将点(Tx,Ty) 转换回点(x,y)。这个逆变换有一个系数矩阵

方程(17)可以用逆变换表示

方程两边乘以三项式的平方可以“消去”分母

展开三项式乘积并收集Tx 和 Ty 的公共幂

公式 (19) 与公式 (18) 形式相同。
剩下要做的就是用非带撇系数表示带撇系数。为此,将克莱姆法则应用于系数矩阵 MT,以获得逆变换的带撇矩阵。

其中 *Δ* 是未加撇的系数矩阵的行列式。
等式 (20) 允许用未加撇的系数表示加撇的系数。但将这些替换应用于等式 (19) 中的加撇系数后,可以注意到行列式 *Δ* 自己抵消了,因此可以完全忽略它。所以


![{\displaystyle C'=2A(\theta \zeta -\kappa \epsilon )(\beta \kappa -\gamma \theta )+2B(\kappa \delta -\eta \zeta )(\gamma \eta -\alpha \kappa )+C[(\theta \zeta -\kappa \epsilon )(\alpha \theta -\beta \eta )+(\beta \kappa -\gamma \theta )(\eta \epsilon -\theta \delta )]+D[(\kappa \delta -\eta \zeta )(\alpha \theta -\beta \eta )+(\gamma \eta -\alpha \kappa )(\eta \epsilon -\theta \delta )]+E[(\theta \zeta -\kappa \epsilon )(\gamma \eta -\alpha \kappa )+(\beta \kappa -\gamma \theta )(\kappa \delta -\eta \zeta )]+2F(\eta \epsilon -\theta \delta )(\alpha \theta -\beta \eta )}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0f46dfad7d6ba50fc104d0adfe6f771bd974a44b)
![{\displaystyle E'=2A(\theta \zeta -\kappa \epsilon )(\epsilon \gamma -\zeta \beta )+2B(\kappa \delta -\eta \zeta )(\zeta \alpha -\delta \gamma )+C[(\theta \zeta -\kappa \epsilon )(\delta \beta -\epsilon \alpha )+(\epsilon \gamma -\zeta \beta )(\eta \epsilon -\theta \delta )]+D[(\kappa \delta -\eta \zeta )(\delta \beta -\epsilon \alpha )+(\zeta \alpha -\delta \gamma )(\eta \epsilon -\theta \delta )]+E[(\theta \zeta -\kappa \epsilon )(\zeta \alpha -\delta \gamma )+(\epsilon \gamma -\zeta \beta )(\kappa \delta -\eta \zeta )]+2F(\eta \epsilon -\theta \delta )(\delta \beta -\epsilon \alpha )}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/dfbf2d29923ad2931f935297325c2779ec62257c)

变换后的圆锥曲线的系数已用原始圆锥曲线的系数和平面变换T的系数表示。证毕。
设四个点A、B、C、D共线。设存在一个平面射影T,将这些点变换为点A′、B′、C′和D′。已经证明直线被变换为直线,因此变换后的点A′到D′也将共线。然后,将发现原始四个点的交比与它们变换后的交比相同
![{\displaystyle [A\ B\ C\ D]=[A'\ B'\ C'\ D'].}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c4e93e3df553dfa58c385635af5da4978bcb1068)
如果知道四个点的二维坐标,并且四个点共线,那么可以从它们的横坐标中找到它们的交比。可以使用从无穷远直线上的一个点发出的垂直线的铅笔将这些点投影到水平线上
![{\displaystyle [A\ B\ C\ D]=[A_{x}\ B_{x}\ C_{x}\ D_{x}].}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/25dc765f8c2a37bf50ca239f35549e218546c60c)
对于点的纵坐标也是如此。原因是,对点的坐标进行简单的重新缩放不会改变交比。
设




很明显,这四个点共线。令

是三线性变换的第一部分。然后




原始的交叉比为
![{\displaystyle [x_{1}\ x_{2}\ x_{3}\ x_{4}]={x_{1}-x_{3} \over x_{1}-x_{4}}\cdot {x_{2}-x_{4} \over x_{2}-x_{3}}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/aa89beb7fadc67d48ce8c340991e033180727255)
不需要计算转换后的交叉比。只需令

是一个双线性变换。那么 *S(x)* 是一个一维射影变换。但是 *Tx(A)=S(A)*, *Tx(B)=S(B)*, *Tx(C)=S(C)* 和 *Tx(D)=S(D)*。因此
![{\displaystyle [T_{x}(A)\ T_{x}(B)\ T_{x}(C)\ T_{x}(D)]=[S(A)\ S(B)\ S(C)\ S(D)]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a45c1660bd77dc2a7e30b52bfd9a43545bf6a900)
但是,已经证明双线性分数变换保持交比。证毕。
以下是一个相当简单的平面射影的例子

这个射影T的系数矩阵是

很容易验证MT是它自己的逆.
用参数形式描述的点的轨迹为
,描述的是一个圆,这是由于三角恒等式

它具有与圆的标准方程相同的形式。应用射影T得到用参数形式描述的点的轨迹为
,它描述的是一个双曲线,这是由于三角恒等式

它具有与双曲线的标准方程相同的形式。注意,点
和
是不动点。
事实上,这个射影将任何圆(无论半径大小)都变换成一个以原点为中心的双曲线,其两个焦点都位于x轴上,反之亦然。这个射影也将y轴变换成无穷远直线,反之亦然


无穷大除以无穷大的比率是不确定的,这意味着它可以设置为任何所需的值y。
这个例子强调了在实射影平面RP²中,双曲线是一个闭合曲线,它两次通过无穷远直线。但是,这个变换对抛物线做了什么?
令点
的轨迹描述一个抛物线。它的变换是

它是一个双曲线,其渐近线是x轴和y轴,其两翼位于第一象限和第三象限。同样,双曲线

通过T变换为抛物线
.
另一方面,由点
的轨迹描述的抛物线,通过T变换后仍然是它本身:这说明一个抛物线与无穷远处的直线相交于一个点。