二維射影變換是一種自同構,將射影平面對映到自身。
平面變換可以用以下方式合成地定義:點X在“主觀”平面上必須變換到點T,該點也在主觀平面上。變換使用這些工具:一對“觀察點”P和Q,以及一個“客觀”平面。主觀平面和客觀平面以及這兩個點都位於三維空間中,這兩個平面可以在某條線上相交。
畫出經過點P和X的直線l1。直線l1與客觀平面在點R處相交。畫出經過點Q和R的直線l2。直線l2與射影平面在點T處相交。然後T是X的射影變換。
設xy平面為“主觀”平面,平面m為“客觀”平面。設平面m由以下式子描述

其中常數m和n是偏斜率,b是z截距。
設有一對“觀察”點P和Q,


設點X位於“主觀”平面上

點X必須變換到點T,

也在“主觀”平面上。
分析結果是一對方程,一個用於橫座標 Tx,另一個用於縱座標 Ty


二維變換最多有九個自由度:Px、Py、Pz、Qx、Qy、Qz、m、n、b。注意公式 (12) 和 (13) 有相同的分子,並且可以透過交換m 和 n,以及交換x 和 y(包括P 和 Q 的下標)從Tx 獲得Ty。
設






使得

同時設



使得

公式 (14) 和 (15) 共同描述了三線性分數變換。
如果一個變換由公式 (14) 和 (15) 給出,那麼這樣的變換可以用九個係數來表徵,這些係數可以排列成一個係數矩陣

如果有一對平面變換 T1 和 T2,它們的係數矩陣分別為
和
,那麼這兩個變換的複合是另一個平面變換 T3,

使得

T3 的係數矩陣可以透過將 T2 和 T1 的係數矩陣相乘得到

給定由以下公式定義的 T1


並且給定由以下定義的 T2


然後可以透過將 T1 代入 T2 來計算 T3

用相同的 trinomial 乘以分子和分母

將 x、y 和 1 的係數分組

T3 的六個係數與透過以下乘積獲得的係數相同

其餘三個係數可以透過以下方式驗證

用相同的 trinomial 乘以分子和分母

將x、y和1的係數分組

所得到的三個剩餘係數與透過公式 (16) 獲得的係數相同。證畢。
由公式 (14) 和 (15) 給出的三線性變換將一條直線

變換成另一條直線

其中 n 和 c 是常數,等於

和

給定 y = m x + b,然後將其代入公式 (14) 和 (15) 得出

和

如果Ty = n Tx + c 且n 和c 為常數,則

使得

計算表明
![{\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

現在我們應該得到c 為
![{\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)
將分子中的兩個分數相加。
![{\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)
將分子括號中的二項式展開,然後抵消相等且相反的項。
![{\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)
將分子分解成兩項,其中只有一項包含“數目”(x)。在分母中還有一個“數目”。現在目標是使這兩項都抵消。
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)
對分子進行因式分解
![{\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)
含有未知數項的因式相互抵消,因此

是一個常數。 Q.E.D.
比較c和n,注意到它們的denominator相同。 此外,n可以透過交換以下係數從c得到

在n的分子和分母之間也存在以下對稱性

c的分子和分母也具有交換對稱性:
n和c之間的交換對稱性可以分解成二項式

所有這些交換對稱性相當於在係數矩陣中交換成對的行。
像方程(14)和(15)給出的三線性變換T 將把一個圓錐曲線

轉換成另一個圓錐曲線

設有一個由方程(17)描述的圓錐曲線和一個由方程(15)和(16)描述的平面變換T,它將點(x,y) 轉換成點(Tx,Ty)。
可以找到一個逆變換T′,它將點(Tx,Ty) 轉換回點(x,y)。這個逆變換有一個係數矩陣

方程(17)可以用逆變換表示

方程兩邊乘以三項式的平方可以“消去”分母

展開三項式乘積並收集Tx 和 Ty 的公共冪

公式 (19) 與公式 (18) 形式相同。
剩下要做的就是用非帶撇係數表示帶撇係數。為此,將克萊姆法則應用於係數矩陣 MT,以獲得逆變換的帶撇矩陣。

其中 *Δ* 是未加撇的係數矩陣的行列式。
等式 (20) 允許用未加撇的係數表示加撇的係數。但將這些替換應用於等式 (19) 中的加撇係數後,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)

變換後的圓錐曲線的係數已用原始圓錐曲線的係數和平面變換T的係數表示。證畢。
設四個點A、B、C、D共線。設存在一個平面射影T,將這些點變換為點A′、B′、C′和D′。已經證明直線被變換為直線,因此變換後的點A′到D′也將共線。然後,將發現原始四個點的交比與它們變換後的交比相同
![{\displaystyle [A\ B\ C\ D]=[A'\ B'\ C'\ D'].}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c4e93e3df553dfa58c385635af5da4978bcb1068)
如果知道四個點的二維座標,並且四個點共線,那麼可以從它們的橫座標中找到它們的交比。可以使用從無窮遠直線上的一個點發出的垂直線的鉛筆將這些點投影到水平線上
![{\displaystyle [A\ B\ C\ D]=[A_{x}\ B_{x}\ C_{x}\ D_{x}].}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/25dc765f8c2a37bf50ca239f35549e218546c60c)
對於點的縱座標也是如此。原因是,對點的座標進行簡單的重新縮放不會改變交比。
設




很明顯,這四個點共線。令

是三線性變換的第一部分。然後




原始的交叉比為
![{\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)
不需要計算轉換後的交叉比。只需令

是一個雙線性變換。那麼 *S(x)* 是一個一維射影變換。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,已經證明雙線性分數變換保持交比。證畢。
以下是一個相當簡單的平面射影的例子

這個射影T的係數矩陣是

很容易驗證MT是它自己的逆.
用引數形式描述的點的軌跡為
,描述的是一個圓,這是由於三角恆等式

它具有與圓的標準方程相同的形式。應用射影T得到用引數形式描述的點的軌跡為
,它描述的是一個雙曲線,這是由於三角恆等式

它具有與雙曲線的標準方程相同的形式。注意,點
和
是不動點。
事實上,這個射影將任何圓(無論半徑大小)都變換成一個以原點為中心的雙曲線,其兩個焦點都位於x軸上,反之亦然。這個射影也將y軸變換成無窮遠直線,反之亦然


無窮大除以無窮大的比率是不確定的,這意味著它可以設定為任何所需的值y。
這個例子強調了在實射影平面RP²中,雙曲線是一個閉合曲線,它兩次透過無窮遠直線。但是,這個變換對拋物線做了什麼?
令點
的軌跡描述一個拋物線。它的變換是

它是一個雙曲線,其漸近線是x軸和y軸,其兩翼位於第一象限和第三象限。同樣,雙曲線

透過T變換為拋物線
.
另一方面,由點
的軌跡描述的拋物線,透過T變換後仍然是它本身:這說明一個拋物線與無窮遠處的直線相交於一個點。