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计算机图形学. 2007—2008 第二学期. 第一章 概论. 什么是计算机图形学 研究用计算机进行数据与图形之间相互转换方法的技术。. 第一章 概论. 第一章 概论. CAD/CAM 科学研究 办公自动化 计算机动画 计算机辅助教学. 计算机图形学的主要应用领域 图形学的发展历史 计算机绘图系统构成. 准备和酝酿时期( 50-60 ) 学科确立和进入应用( 60 ) 蓬勃发展和广泛应用( 70 ) 成熟化、标准化时期( 80 ) 提高可靠性、效率和速度. 第二章 图形变换和裁剪. §2.1 坐标系和绘图元素 - PowerPoint PPT Presentation
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计算机图形学2007—2008
第二学期
第一章 概论
什么是计算机图形学 研究用计算机进行数据与图形之间相互转换方
法的技术。
第一章 概论
第一章 概论 计算机图形学的主要应用领域
图形学的发展历史
计算机绘图系统构成
CAD/CAM科学研究办公自动化计算机动画计算机辅助教学
准备和酝酿时期( 50-60 )
学科确立和进入应用( 60 )
蓬勃发展和广泛应用( 70 )
成熟化、标准化时期( 80 )
提高可靠性、效率和速度
第二章 图形变换和裁剪§2.1 坐标系和绘图元素一、常用坐标系 1. 笛卡儿坐标系 2. 仿射坐标系 3. 圆柱坐标系 4. 屏幕坐标系二、绘图元素 1. 点 2. 位置 3. 像素 4. 直线 5. 曲线 6. 填
充
第二章 图形变换和裁剪§2.2 图形变换基础1 向量运算 向量的模(长度) 两向量的和 两个向量的点积 两个向量的叉积
第二章 图形变换和裁剪2 矩阵运算 矩阵相等 矩阵的加法运算 数乘矩阵 矩阵的乘法运算 单位矩阵 齐次坐标
第二章 图形变换和裁剪§2.3 图形的矩阵变换2.3.1 二维图形的几何变换 ⑴ 基本变换—平移变换 ⑵ 基本变换—比例变换 ⑶ 基本变换—对称变换 ⑷ 基本变换—错切变换
Tyxyx 11
⑸ 基本变换—旋转变换
cossin
sincos
yxy
yxx
100
0cossin
0sincos
T
100
0cossin
0sincos
11
yxyx
变换矩阵中各系数在变换过程中所起到的作用
a — x 方向放大、缩小的比例; d — y 方向放大、缩小的比例; c — 沿 x 方向的错切; b — 沿 y 方向的错切; L─ 沿 x 方向的平移; m─ 沿 y 方向的平移; a 、 b 、 c 、 d— 组合完成旋转变换。 p 、 q— 透视变换; s— 全比例变换系数。
sml
qdc
pba
T
二维图形的组合变换 组合变换是将两个以上的基本变换组合在一个变换中,以
便完成更为复杂的变换。例 1 :三角形 ABC 的坐标为 A(2,2) 、 B(12,2) 、 C(2,12) ,求其绕点 p
(15,15)
旋转 90 的变换矩阵。
具体变换过程为:①先将图形联同 p 点一起平移,使 p 点与坐标原点重合。因此,平移的距离为( -15 , -15 ),变换矩阵为 T1 ,变换后的结果见图。②将图形绕坐标原点旋转 90 ,变换矩阵为 T2 ,变换结果见图。③将变换后的图形联同 p 重新移回原位置,变换矩阵为 T3, 变换结果见图。
T1
T2 T3
总的变换矩阵为三个变换矩阵的乘积
11515
010
001
1T
100
001
010
2T
11515
010
001
3T
321 TTTT
1030
001
010
11515
010
001
100
001
010
11515
010
001
例 2 :三角形 ABC 的坐标为 A(2,2) 、 B(12,2) 、 C(2,12) ,将图形 对任意直线 y=ax+b 作对称变换,写出变换矩阵。
变换过程如下:
① 将图形联同直线一起平移,使直线与 y 轴的交点移到坐标原点
② 将直线及图形一道顺时针旋转 α ,其中 tanα=a
③ 将图形作对称于 x 轴的变换
④ 过程的②逆变换
⑤ 过程的①逆变换
以上过程用矩阵表达为:
10
010
001
1
b
T
100
0cossin
0sincos
2
T
100
010
001
3T
11
12321
TTTTTT
几种典型变换矩阵的逆阵
100
010
001
T
100
010
0011T
100
0cossin
0sincos
T
100
0cossin
0sincos1
T
1
010
001
ml
T
1
010
0011
ml
T
2.3.2 三维图形的几何变换
子阵: ─ 产生沿三个坐标轴方向的平移变换;
─ 产生比例、对称、旋转、错切四种变换;
[s] ─ 全比例变换; ─透视投影变换
snml
rjih
qfed
pcba
T
nml
jih
fed
cba
Trqp
一、基本变换1 、比例变换
a— 沿 x 方向的比例变换系数; e— 沿 y 方向的比例变换系数; j— 沿 z 方向的比例变换系数;
1000
000
000
000
j
e
a
T
2 、平移变换
— 沿 x 方向的平移量 m— 沿 y 方向的平移量; n— 沿 z 方向的平移量;
1
0100
0010
0001
nml
T
l
3 、对称变换① 对称原点
② 对称于坐标轴 A 、对称于 x 轴
zz
yy
xx
1000
0100
0010
0001
11 zyxzyx
zz
yy
xx
1000
0100
0010
0001
T
B 、对称于 y 轴
C 、对称于 z 轴
zz
yy
xx
1000
0100
0010
0001
T
zz
yy
xx
1000
0100
0010
0001
T
③ 对称于坐标平面 A 、对称于 yz 平面
B 、对称于 xz 平面
C 、对称于 xy 平面
zz
yy
xx
1000
0100
0010
0001
T
zz
yy
xx
1000
0100
0010
0001
T
zz
yy
xx
1000
0100
0010
0001
T
4 、旋转变换 ① 绕 x 轴旋转
② 绕 y 轴旋转
③ 绕 z 轴旋转
1000
0cossin0
0sincos0
0001
T
1000
0cos0sin
0010
0sin0cos
T
1000
0100
00cossin
00sincos
T
5 、错切变换沿 x 方向含 y 的错切,变换结果如下图示:
zz
yy
dyxx
1000
0100
001
0001
11d
zyxzyx
沿 x 沿 y 沿 z
b — 沿 y 含 x 的 错 切; c — 沿 z 含 x 的 错 切; d — 沿 x 含 y 的 错 切; f — 沿 z 含 y 的 错 切; h — 沿 x 含 z 的 错 切; I — 沿 y 含 z 的 错 切。
z
y
x
1000
01
01
01
含含含
ih
fd
cb
二、组合变换求图形绕过任意点的直线旋转 θ 角的变换矩阵。
设直线与坐标轴 x 、 y 、 z 的夹角分别为 α 、 β 、 γ ,三个方向余弦分别为:
cos1 n cos2 n cos3 n
变换过程如下:
① 平移,使任意点与坐标原点重合; ② 绕 z 轴旋转,使直线位于坐标平面 zy 上, ③ 绕 x 轴旋转,使直线与 z 轴重合; ④ 图形绕 z 轴旋转 θ ; ⑤ 过程③逆矩阵; ⑥ 过程②逆矩阵; ⑦ 过程①逆矩阵。
1
0100
0010
0001
000
1
zyx
T
1000
0100
00cossin
00sincos
2
T
1000
0cossin0
0sincos0
0001
3
T
1000
0100
00cossin
00sincos
4
T
11
12
134321
TTTTTTTT
2.3.3 透视变换透视变换的目的:由于用来显示图形的设备是二维的,
而被输出的对象有可能是三维的。因此,在三维图形的输出过程中,就有必要将三维表示的几何形体变换成二维坐标表示的图形。这一过程就是投影变换。
投影变换中的术语 视点 投影平面 投影线 点的透视
投影分类
透视投影 当投影中心到投影平面距离有限时,通过物体不同点
的投影线彼此不平行。
平行投影 是由通过物体上各点平行的投影线和投影平面的交点
来实现的
平行投影 --- 三面投影变换1. 多面视图 投影平面垂直于某一坐标轴,那么该轴即为投影线方
向。由此可分为 6 种情况,即前(主)视图、后视图、左视图、右视图、俯视图、仰视图等。人们通常说的三视图即为正视图、俯视图和侧视图。
主视图投影线平行于 y 轴,投影平面为 XoZ 坐标平面
x’=x
y’=0
z’=z
1000
0100
0000
0001
vT
侧视图投影线平行于 x 轴,投影平面为 YoZ 坐标平面 ,
得到的图形旋转 90 度后,再沿 x 平移 -L
1000
0100
0010
0000
1T
1000
0100
0090cos90sin
0090sin90cos
2T
100
0100
0010
0001
3
n
T
100
0100
0001
0000
321
l
TTT
俯视图 这时投影线与 z 轴平行。其过程为先向 xoy 平面投
影;然后绕 x 轴顺时针旋转 90 度;为了保持与主视图有一定的距离,再沿 z 轴的负方向平移 n 。
1000
0000
0010
0001
1T
1000
0)2cos()2sin(0
0)2sin()2cos(0
0001
2
T
100
0100
0010
0001
3
n
T
100
0000
0100
0001
321
n
TTTTh
2. 轴侧投影变换 轴侧图是将形体像一个单一的投影面作平行投影得到
的图形。若投影方向垂直于投影面,得到正轴侧图;若不垂直则为斜轴侧图。
1)正轴侧投影变换 先使物体绕 Z轴旋转 ,再绕 X轴旋转 角,最后向
xoz 坐标平面投影
1000
0100
0000
0001
1000
0sincos0
0sincos0
0001
1000
0100
00cossin
00sincos
T
1000
0cos00
0sincos0sin
0sinsin0cos
轴向变形系数
1000
0cos00
0sincos0sin
0sinsin0cos
1001
A
11sinsin0sin 'aaa zyx
1000
0cos00
0sincos0sin
0sinsin0cos
1010
B
11sincos0sin 'bbb zyx
轴间角
1000
0cos00
0sincos0sin
0sinsin0cos
1100
C
11cos00 'ccc zyx
222 sinsincos
OA
AOx
222 sincossin
OB
BOy
cos
OC
COy
2 )斜轴侧投影变换 使物体先沿 x含 y错切,再沿 z含 y错切,最后向 xo
z 坐标平面投影
1000
0100
0000
0001
1000
0100
010
0001
1000
0100
001
0001
fdT
1000
0100
00
0001
fd
透视投影坐标系:用户坐标系 观察坐标系 屏幕坐标系
点变换和坐标系变换的关系
坐标系的变换矩阵等于图形变换矩阵的逆阵
由用户坐标系变换到观察坐标系
⑴ 将用户坐标系的原点平移到观察点
⑵ 绕 Z1 轴顺时针旋转 θ 角
⑶ 绕 X2 轴逆时针旋转 γ 角
⑷ 绕 Y3Z3 平面作对称变换
⑸ 对 YOZ 平面作对称变换
1000
0100
0010
0001
5T
54321 TTTTTT
由观察坐标系变换到屏幕坐标系