一、机器人基础数学知识：

笛卡尔坐标系

笛卡尔坐标系（Cartesian coordinates）就是直角坐标系和斜角坐标系的统称。

相交于原点的两条数轴，构成了平面仿射坐标系。 如两条数轴上的度量单位相等，则称此仿射坐标系为笛卡尔坐标系。

两条数轴互相垂直的笛卡尔坐标系，称为笛卡尔直角坐标系，否则称为笛卡尔斜角坐标系。

笛卡尔直角坐标系就是我们常见的直角坐标系，包括平面直角坐标系、空间直角坐标系。

也就是下图中的关系：

二、关于齐次坐标的理解（经典）

问题：两条平行线可以相交于一点

在欧氏几何空间，同一平面的两条平行线不能相交，这是我们都熟悉的一种场景。
然而，在透视空间里面，两条平行线可以相交，例如：火车轨道随着我们的视线越来越窄，最后两条平行线在无穷远处交于一点。

欧氏空间（或者笛卡尔空间）描述2D/3D几何非常适合，但是这种方法却不适合处理透视空间的问题（实际上，欧氏几何是透视几何的一个子集合），2维笛卡尔坐标可以表示为（x,y）。

如果一个点在无穷远处，这个点的坐标将会(∞,∞)，在欧氏空间，这变得没有意义。平行线在透视空间的无穷远处交于一点，但是在欧氏空间却不能，数学家发现了一种方式来解决这个问题。

方法：齐次坐标

简而言之，齐次坐标就是用N+1维来代表N维坐标

我们可以在一个2D笛卡尔坐标末尾加上一个额外的变量w来形成2D齐次坐标，因此，一个点(X,Y)在齐次坐标里面变成了（x,y,w），并且有：
X = x/w
Y = y/w
例如，笛卡尔坐标系下（1，2）的齐次坐标可以表示为（1，2，1），如果点（1，2）移动到无限远处，在笛卡尔坐标下它变为(∞,∞)，然后它的齐次坐标表示为（1，2，0），因为(1/0, 2/0) = (∞,∞)，我们可以不用”∞"来表示一个无穷远处的点了。

为什么叫齐次坐标？

我们把齐次坐标转化为笛卡尔坐标的方法是：前面n-1个坐标分量分别除以最后一个分量即可。

转化齐次坐标到笛卡尔坐标的过程中，我们有一个发现，例如：

你会发现(1, 2, 3), (2, 4, 6) 和(4, 8, 12)对应同一个Euclidean point (1/3, 2/3)，任何标量的乘积，例如(1a, 2a, 3a) 对应 笛卡尔空间里面的(1/3, 2/3) 。因此，这些点是“齐次的”，因为他们代表了笛卡尔坐标系里面的同一个点。换句话说，齐次坐标有规模不变性。

证明：两条直线可以相交

考虑如下方程组：

我们知道在笛卡尔坐标系里面，该方程组无解，因为C ≠ D,如果C=D,两条直线就相同了。

让我们在透视空间里面，用齐次坐标x/w, y/w代替x ,y,

现在我们有一个解(x, y, 0)，两条直线相交于(x, y, 0)，这个点在无穷远处。

齐次坐标在图形学中是一个非常基础的概念，例如3D场景投影到2D平面上。

总结

齐次坐标的意义：

如果一个点在无穷远处，这个点的坐标将会是(∞,∞)，在欧氏空间中，这就变得没有意义。如果使用齐次坐标，平行线在透视空间的无穷远处交于一点，这样就实现了对于无穷点的表示，但是在欧氏空间不能表示无穷点。

也就是说

通过利用齐次坐标就可以表示无穷远处的点。