第7讲 三维变换PPT讲稿.ppt
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1、第7讲 三维变换第1页,共54页,编辑于2022年,星期一三维图形的基本问题三维图形的基本问题1.在二维屏幕上如何显示三维物体?在二维屏幕上如何显示三维物体?显示器屏幕、绘图纸等是二维的显示对象是三维的解决方法-投影2.如何表示三维物体?如何表示三维物体?二维形体的表示-直线段,折线,曲线段,多边形区域二维形体的输入-简单(图形显示设备与形体的维数一致)三维形体的表示-空间直线段、折线、曲线段、多边形、曲面片三维形体的输入、运算、有效性保证解决方法-各种用于形体表示的理论、模型、方法第2页,共54页,编辑于2022年,星期一三维图形的基本问题三维图形的基本问题3.如何反映遮挡关系?如何反映遮挡
2、关系?物体之间或物体的不同部分之间存在相互遮挡关系遮挡关系是空间位置关系的重要组成部分解决方法-消除隐藏面与隐藏线4.如何产生真实感图形如何产生真实感图形?何谓真实感图形逼真的示意的人们观察现实世界产生的真实感来源于空间位置关系-近大远小的透视关系和遮挡关系光线传播引起的物体表面颜色的自然分布解决方法-建立光照明模型、开发真实感图形绘制方法第3页,共54页,编辑于2022年,星期一三维图形的基本问题三维图形的基本问题三维图形的基本研究内容基本研究内容1.三维形体的表示2.几何变换和投影变换3.消除隐藏面与隐藏线4.建立光照明模型、开发真实感图形绘制方法第4页,共54页,编辑于2022年,星期一
3、一、三维图形基本变换一、三维图形基本变换 三维直角坐标系统0 xzy*三维空间点P(x,y,z)用齐次坐标表示为x y z 1*三维空间点的变换为x*y*z*1=x y z 1 TT为三维变换矩阵a b c pd e f qh i j r-l m n sT=第5页,共54页,编辑于2022年,星期一一、三维图形基本变换一、三维图形基本变换 a b c pd e f qh i j r-l m n sT=l m n 可使图形产生平移变换p q r T 可使图形产生透视变换s 可使图形产生全比例变换a b cd e fh i j可使图形产生比例、镜像、错移、旋转等基本变换第6页,共54页,编辑于20
4、22年,星期一1.恒等变换恒等变换1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 T=x*y*z*1=x y z 11 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 =x y z 1变换矩阵变换矩阵第7页,共54页,编辑于2022年,星期一2.比例变换比例变换a 0 0 0 0 e 0 0 0 0 j 0 0 0 0 1 T=x*y*z*1=x y z 1a 0 0 0 0 e 0 0 0 0 j 0 0 0 0 1 =ax ey jz 1变换矩阵变换矩阵a、e、j分别是x、y、z三个方向的比例因子第8页,共54页,编辑于2022年,星期一x*y*z*1=x y
5、z 1a 0 0 0 0 e 0 0 0 0 j 0 0 0 0 1 =ax ey jz 12.比例变换比例变换a、e、j分别是x、y、z三个方向的比例因子a=e=j=1 为恒等变换为恒等变换a=e=j1 x、y、z三向等比例放大三向等比例放大a=e=j1 x、y、z三向等比例缩小三向等比例缩小aej x、y、z三向放大倍数不一样,图形畸变三向放大倍数不一样,图形畸变a=0 图形压缩到图形压缩到W面上面上e=0 图形压缩到图形压缩到V面上面上j=0 图形压缩到图形压缩到H面上面上a=0,e=0 图形压缩到图形压缩到Z轴上轴上a=0,j=0 图形压缩到图形压缩到Y轴上轴上e=0,j=0 图形压缩
6、到图形压缩到X轴上轴上a=0,e=0,j=0 图形压缩为一点图形压缩为一点原点原点第9页,共54页,编辑于2022年,星期一3.全比例变换全比例变换1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 s T=变换矩阵变换矩阵当s1时,图形在x、y、z三个方向等比例缩小当s1时,图形在x、y、z三个方向等比例放大当s1时,即为恒等变换。x*y*z*1=x y z 11 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 s =x y z s正常化x/s y/s z/s 1第10页,共54页,编辑于2022年,星期一4.镜像变换镜像变换*0 xzy1 0 0 0 0 1 0 0 0 0
7、 -1 0 0 0 0 1 T=对X0Y平面的镜像变换x*y*z*1=x y z 1 T =x y -z 1 1 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 T=对X0Z平面的镜像变换x*y*z*1=x y z 1 T =x -y z 1-1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 T=对Y0Z平面的镜像变换x*y*z*1=x y z 1 T =-x y z 1第11页,共54页,编辑于2022年,星期一5.错移变换错移变换*在三维空间,分别可以沿三个轴进行错移变换1 0 0 0 d 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 T=变换矩阵变换矩阵若d0则
8、沿x方向错移,若d0,则沿-x方向错移。当d值一定,y越大,错移量也越大。5.1 沿x轴错移(有两种情况)沿x含y错移(x坐标的变化量为dy)x*=x+dyy*=yz*=z变换的解析式为x*y*z*1=x y z 1 T=x+dy y z 1a b c pd e f qh i j r-l m n sT=第12页,共54页,编辑于2022年,星期一5.错移变换错移变换1 0 0 0 0 1 0 0 h 0 1 0 0 0 0 1 T=变换矩阵变换矩阵5.1 沿x轴错移(有两种情况)沿x含z错移(x坐标的变化量为hz)x*y*z*1=x y z 1 T =x+hz y z 1a b c pd e
9、f qh i j r-l m n sT=第13页,共54页,编辑于2022年,星期一5.错移变换错移变换1 b 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 T=变换矩阵变换矩阵5.2 沿y轴错移(有两种情况)沿y含x错移(y坐标的变化量为bx)x*y*z*1=x y z 1 T =x y+bx z 1a b c pd e f qh i j r-l m n sT=第14页,共54页,编辑于2022年,星期一1 0 0 0 0 1 0 0 0 i 1 0 0 0 0 1 T=变换矩阵变换矩阵5.2 沿y轴错移(有两种情况)沿y含z错移(y坐标的变化量为iz)x*y*z*1=x y z
10、1 T =x y+iz z 1a b c pd e f qh i j r-l m n sT=5.错移变换错移变换第15页,共54页,编辑于2022年,星期一1 0 c 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 T=变换矩阵变换矩阵5.3 沿z轴错移(有两种情况)沿z含x错移(z坐标的变化量为cx)x*y*z*1=x y z 1 T =x y z+cx 1a b c pd e f qh i j r-l m n sT=5.错移变换错移变换第16页,共54页,编辑于2022年,星期一1 0 0 0 0 1 f 0 0 0 1 0 0 0 0 1 T=变换矩阵变换矩阵5.3 沿z轴错移(有两
11、种情况)沿z含y错移(z坐标的变化量为fy)x*y*z*1=x y z 1 T =x y z+fy 1a b c pd e f qh i j r-l m n sT=5.错移变换错移变换第17页,共54页,编辑于2022年,星期一x*y*z*1=x y z 1 T=(xcos-ysin)(xsin+ycos)z 16.旋转变换旋转变换*在三维空间中,分别可以绕x、y、z三个轴进行旋转变换。绕x、y、z轴的旋转角分别用、表示。角度正负按右手定则确定。根据二维旋转变换直接得出三维旋转变换中,绕Z轴旋转变换公式绕Z轴旋转x*=xcos-ysiny*=xsin+ycosz*=za b c pd e f
12、qh i j r-l m n sT=第18页,共54页,编辑于2022年,星期一6.旋转变换旋转变换绕X轴旋转应用二维旋转变换,Y轴看成X轴,Z轴看成Y轴,符合右手系则绕X轴旋转变换公式y*=ycos-zsinz*=ysin+zcosx*=xx*=xcos-ysiny*=xsin+ycosz*=zx*y*z*1=x y z 1 T=x (ycos-zsin)(ysin+zcos)1ZXY第19页,共54页,编辑于2022年,星期一6.旋转变换旋转变换绕Y轴旋转应用二维旋转变换,Z轴看成X轴,X轴看成Y轴,符合右手系则绕Y轴旋转变换公式z*=zcos-xsinx*=zsin+xcosy*=yx*
13、=xcos-ysiny*=xsin+ycosz*=zx*y*z*1=x y z 1 T=(zsin+xcos)y (zcos-xsin)1ZYX第20页,共54页,编辑于2022年,星期一7.平移变换平移变换1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 l m n 1 T=变换矩阵变换矩阵x*y*z*1=x y z 1 T =x+l y+m z+n 10 xzyl、m、n分别为沿x、y、z三个方向的平移量。a b c pd e f qh i j r-l m n sT=第21页,共54页,编辑于2022年,星期一二、三维组合变换二、三维组合变换 同二维变换,三维变换的五种基本变换都是相对于原点
14、,或某一坐标轴,或某一坐标平面的,那么相对于任意点、任意直线或任意平面的变换就要用到组合变换。同二维组合变换,也是先把相对于任意点、任意直线或任意平面的变换先转换为基本变换(即相对于原点或三个坐标轴或三个坐标平面的变换),再顺序返回*。1.绕通过坐标原点的任意直线的旋转变换绕通过坐标原点的任意直线的旋转变换2.绕任意直线的旋转变换绕任意直线的旋转变换第22页,共54页,编辑于2022年,星期一投影变换投影变换投影变换投影变换:把三维物体变为二维图形表示的过程称为投影变换。第23页,共54页,编辑于2022年,星期一投影法投影法将三维立体画在平面图纸上将三维立体画在平面图纸上采用投影法采用投影法
15、投影法可分为两大类:透视投影透视投影的投影中心到投影面之间的距离是有限的平行投影平行投影的投影中心到投影面之间的距离是无限的第25页,共54页,编辑于2022年,星期一四、三视图投影变换四、三视图投影变换0 xzy将三维立体画在平面图纸上将三维立体画在平面图纸上采用投影法采用投影法中心投影法:如立体的透视中心投影法:如立体的透视图图平行投影又分为正投影和平行投影又分为正投影和斜投影两类斜投影两类正投影:如立体的主、俯、正投影:如立体的主、俯、左三视图及正轴测图左三视图及正轴测图斜投影:如立体的斜轴测斜投影:如立体的斜轴测图图下面首先讨论如何利用三维下面首先讨论如何利用三维图形的投影变换得到物体
16、的图形的投影变换得到物体的三视图三视图第26页,共54页,编辑于2022年,星期一1.主视图主视图主视图投影变换矩阵为*再将投影图形沿X向和Z向平移lV和nV,所以把立体向把立体向X0Z面(面(V面)做正投影,面)做正投影,得到主视图得到主视图根据正投影原理(平行投影面的投根据正投影原理(平行投影面的投影保持原形)则影保持原形)则x*=xy*=0z*=z1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 T=1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 TV=1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 lV 0 nV 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
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