计算机图形学投影变换优秀课件.ppt

1、2023-8-13鲁东大学鲁东大学信息学院信息学院2023-8-13鲁东大学鲁东大学27.4 投影变换投影变换7.4.1 基本概念基本概念投影变换就是把三维立体（或物体）投射到投影面上得到二维平面图形。分类：v平面几何投影主要指平行投影、透视投影以及通过这些投影变换而得到的三维立体的常用平面图形：三视图、轴测图。v观察投影是指在观察空间下进行的图形投影变换。2023-8-13鲁东大学鲁东大学37.4 投影变换投影变换7.4.1 基本概念基本概念投影中心与投影平面之间的距离为无限投影中心与投影平面之间的距离为无限 投影中心与投影平面之间的距离为有限投影中心与投影平面之间的距离为有限 根据投影方向

2、与投影平面的夹角根据投影平面与坐标轴的夹角2023-8-13鲁东大学鲁东大学47.4 投影变换投影变换7.4.1 基本概念基本概念w 一、平面几何投影一、平面几何投影w 投影中心、投影面、投影线：BAAB投影线投影中心线段BAAB投影线投影中心在无穷远处线段(a)透视投影(b)平行投影图7-1 线段AB的平面几何投影2023-8-13鲁东大学鲁东大学57.4 投影变换投影变换7.4.1 基本概念基本概念平面几何投影可分为两大类：平面几何投影可分为两大类：透视投影的投影中心到投影面之间的距离是有限的 平行投影的投影中心到投影面之间的距离是无限的SSS(a)透视投影(b)正投影(c)斜投影图7-2

3、 平面几何投影分为透视投影和平行投影2023-8-13鲁东大学鲁东大学67.4 投影变换投影变换7.4.2 平行投影平行投影w 平行投影可分成两类：正投影和斜投影。平行投影可分成两类：正投影和斜投影。投影方向投影平面投影平面法向投影方向投影平面(a)正投影(b)斜投影7-11 平行投影投影平面法向2023-8-13鲁东大学鲁东大学77.4 投影变换投影变换7.4.2 平行投影平行投影w 一、一、正投影正投影w 正投影又可分为：三视图和正轴测。w 当投影面与某一坐标轴垂直时，得到的投影为三视图；否则，得到的投影为正轴测图。投影方向投影平面(a)三视图(b)正轴测7-12 正投影xzyO投影平面投

4、影方向zxy2023-8-13鲁东大学鲁东大学87.4 投影变换投影变换7.4.2 平行投影平行投影三视图：正视图、侧视图和俯视图三视图：正视图、侧视图和俯视图 2023-8-13鲁东大学鲁东大学97.4 投影变换投影变换7.4.2 平行投影平行投影w 把三维空间的图形在三个方向上所看到的棱线分别投影到三个坐标面上。再经过适当变换放置到同一平面上。zyxa2c2b2a1b1c12023-8-13鲁东大学鲁东大学107.4 投影变换投影变换7.4.2 平行投影平行投影w 1、正平行投影（三视图）正平行投影（三视图）工程制图中常用到的三视图，是由空间一物体向三个工程制图中常用到的三视图，是由空间一

5、物体向三个互相垂直的投影面作正投影得到的。这三个投影面分互相垂直的投影面作正投影得到的。这三个投影面分别称为：正投影面别称为：正投影面V（ZOX)，侧投影面，侧投影面W（YOZ），），水平投影面水平投影面H（XOY）。）。VOUZXYY2023-8-13鲁东大学鲁东大学117.4 投影变换投影变换7.4.2 平行投影平行投影正投影视图正投影视图正投影是将立体向正投影是将立体向xoz面投影得到，投影结果为：面投影得到，投影结果为：x=x;y=0;z=z为将点为将点(x y z)变换为变换为(x y z)，只需将点，只需将点(x y z)作作如下变换即可：如下变换即可：1 0 0 00 1 0 0

6、0 0 0 00 0 0 1vT2023-8-13鲁东大学鲁东大学127.4 投影变换投影变换7.4.2 平行投影平行投影w 将该投影向左角移动dx=tx,dy=tz;w 将x轴反向与U轴保持一致；w 将坐标原点平移到点(a,b)。2023-8-13鲁东大学鲁东大学137.4 投影变换投影变换7.4.2 平行投影平行投影俯投影视图俯投影视图1）将立体向）将立体向xoy面作正投影，此时面作正投影，此时Z坐标取坐标取0;2023-8-13鲁东大学鲁东大学147.4 投影变换投影变换7.4.2 平行投影平行投影2）使水平投影面绕）使水平投影面绕X轴旋转轴旋转-90，使与正投影面处于，使与正投影面处于

7、同一平面；同一平面；3）最后让图形沿）最后让图形沿Z轴平移轴平移dx=tx,dy=ty;将将x轴、轴、y轴反向以与轴反向以与U、V两坐标轴方向一致；两坐标轴方向一致；5）将坐标原点平移至点）将坐标原点平移至点O2023-8-13鲁东大学鲁东大学157.4 投影变换投影变换7.4.2 平行投影平行投影侧投影视图侧投影视图先将立体向先将立体向YOZ面作正投影（面作正投影（X坐标取为坐标取为0）；）；2023-8-13鲁东大学鲁东大学167.4 投影变换投影变换7.4.2 平行投影平行投影2）使水平投影面绕）使水平投影面绕Z轴旋转轴旋转90，使与正投影面处于，使与正投影面处于同一平面；同一平面；3）

8、最后让图形沿）最后让图形沿Z轴平移轴平移dx=ty,dy=tz;4）将坐标原点平移至点）将坐标原点平移至点O2023-8-13鲁东大学鲁东大学177.4 投影变换投影变换7.4.2 平行投影平行投影w 当投影方向不取坐标轴方向，投影平面不垂直于坐标当投影方向不取坐标轴方向，投影平面不垂直于坐标轴时，产生的正投影称为正轴测投影。轴时，产生的正投影称为正轴测投影。w 正轴测投影分类：正轴测投影分类：w 正等测：正等测：投影平面与三个坐标轴的交点到坐标原点的投影平面与三个坐标轴的交点到坐标原点的距离都相等。距离都相等。沿三个轴线具有相同的变形系数。沿三个轴线具有相同的变形系数。2023-8-13鲁东

9、大学鲁东大学187.4 投影变换投影变换7.4.2 平行投影平行投影w 正二测：正二测：投影平面与两个坐标轴的交点到坐标投影平面与两个坐标轴的交点到坐标原点的距离都相等。原点的距离都相等。沿两个轴线具有相同的变沿两个轴线具有相同的变形系数。形系数。2023-8-13鲁东大学鲁东大学197.4 投影变换投影变换7.4.2 平行投影平行投影w 正三测：正三测：投影平面与三个坐标轴的交点到坐标投影平面与三个坐标轴的交点到坐标原点的距离都不相等。原点的距离都不相等。沿三个轴线具有各不相沿三个轴线具有各不相同的变形系数。同的变形系数。2023-8-13鲁东大学鲁东大学207.4 投影变换投影变换7.4.

10、2 平行投影平行投影w 正等测图(等轴测)xzyOxzyOxzyOxzyOxzyOxzyO(a)等轴测(b)正二测(c)正三测图7-14 正轴测投影面及一个立方体的正轴测投影图投影平面投影平面投影平面ABC分析：对于正等测图分析：对于正等测图OA=OB=OCOA=OB=OC正二测图分析：对于正二测图分析：对于正二测图OAOA、OBOB、OCOC有两个相等，但与另一个不等有两个相等，但与另一个不等xzyOxzyOxzyOxzyOxzyOxzyO(a)等轴测(b)正二测(c)正三测图7-14 正轴测投影面及一个立方体的正轴测投影图投影平面投影平面投影平面ABC2023-8-13鲁东大学鲁东大学22

11、7.4 投影变换投影变换7.4.2 平行投影平行投影w 一、斜投影w 斜投影图，即斜轴测图，是将三维形体向一个单一的投影面作平行投影，但投影方向不垂直于投影面所得到的平面图形。（通常选择投影面平行于某个主轴）w 常用的斜轴测图有斜等测图和斜二测图。2023-8-13鲁东大学鲁东大学237.4 投影变换投影变换7.4.2 平行投影平行投影w 斜等测投影斜等测投影投影平面与一坐标轴垂直投影平面与一坐标轴垂直投影线与投影平面成投影线与投影平面成4545角角与投影平面垂直的线投影后长度不变与投影平面垂直的线投影后长度不变w 斜二测投影斜二测投影投影平面与一坐标轴垂直投影平面与一坐标轴垂直投影线与该轴夹

12、角成投影线与该轴夹角成 arcctg(1/2)arcctg(1/2)角角该轴轴向变形系数为该轴轴向变形系数为 。即与投影平面垂。即与投影平面垂直的线投影后长度变为原来的一半。直的线投影后长度变为原来的一半。2023-8-13鲁东大学鲁东大学24投影平面法向投影方向投影平面(a)斜等测(b)斜二测7-16 斜平行投影pOp投影方向投影平面pOp投影平面法向7.4 投影变换投影变换7.4.2 平行投影平行投影OP=OPOP=OP =ARCTG(2)=ARCTG(2)OP=2OPOP=2OP 2023-8-13鲁东大学鲁东大学257.4 投影变换投影变换7.4.2 平行投影平行投影斜平行投影求法斜平

13、行投影求法w 1 已知投影方向矢量为（已知投影方向矢量为（xp,yp,zp）w 设形体被投影到设形体被投影到XOY平面上平面上w 形体上的一点形体上的一点(x,y,z)在在xoy平面上投影后平面上投影后(xs,ys)w 投影方向矢量为投影方向矢量为(xp,yp,zp)w 投影线的参数方程为：投影线的参数方程为：tzzztyyytxxxpspsps2023-8-13鲁东大学鲁东大学267.4 投影变换投影变换7.4.2 平行投影平行投影斜平行投影求法斜平行投影求法w 因为因为w 所以所以w若令若令pisssszztzZzyx00的平面上在ippsippszzyyyzzxxxppypppxpzyS

14、zxS2023-8-13鲁东大学鲁东大学277.4 投影变换投影变换7.4.2 平行投影平行投影斜平行投影求法斜平行投影求法w 则矩阵式为：则矩阵式为：1000010010000111ypxpsssSSzyxzyx2023-8-13鲁东大学鲁东大学287.4 投影变换投影变换7.4.2 平行投影平行投影斜平行投影求法斜平行投影求法w 2设（设（xe,ye,ze）为任一点，（）为任一点，（xs,ys）为）为（xe,ye,ze）在）在XcOcYc平面上的投影平面上的投影w 设立方体上一点设立方体上一点 P(0,0,1)在在XcOcYc平面上的投平面上的投影影P(lcos,lsin,0),投影方向为

15、投影方向为PP,PP与投与投影面的夹角为影面的夹角为,为投影与为投影与x x轴的夹角，则轴的夹角，则投影方向矢量为投影方向矢量为(lcos,lsin,-1)2023-8-13鲁东大学鲁东大学297.4 投影变换投影变换7.4.2 平行投影平行投影斜平行投影求法斜平行投影求法w 现考虑任一点（现考虑任一点（xe,ye,ze）在）在XcOcYc平面上的投平面上的投影（影（xs,ys）w 投影方向与投影线投影方向与投影线PP平行平行w 所以所以0sincos1ssesesezlyylxxzzsincoslzyylzxxeesees2023-8-13鲁东大学鲁东大学307.4 投影变换投影变换7.4.

16、2 平行投影平行投影斜平行投影求法斜平行投影求法w 矩阵形式为：矩阵形式为：100001sincos0010000111llzyxzyxeeesssw斜等侧中：斜等侧中：l=1,=45 w斜二侧中：斜二侧中：l=1/2,=arctg=63.4 w正平行投影：正平行投影：l=0,=90 2023-8-13鲁东大学鲁东大学317.4 投影变换投影变换7.4.3 透视投影透视投影透视的基本知识透视的基本知识w 透视投影是一种中心投影法，在日常生活中，我们观透视投影是一种中心投影法，在日常生活中，我们观察外界的景物时，常会看到一些明显的透视现象。察外界的景物时，常会看到一些明显的透视现象。w 如：我们

17、站在笔直的大街上，向远处看去，会感到街如：我们站在笔直的大街上，向远处看去，会感到街上具有相同高度的路灯柱子，显得近处的高，远处的上具有相同高度的路灯柱子，显得近处的高，远处的矮，越远越矮。这些路灯柱子，即使它们之间的距离矮，越远越矮。这些路灯柱子，即使它们之间的距离相等，但是视觉产生的效果则是近处的间隔显得大，相等，但是视觉产生的效果则是近处的间隔显得大，远处的间隔显得小，越远越密。观察道路的宽度，也远处的间隔显得小，越远越密。观察道路的宽度，也会感到越远越窄，最后汇聚于一点。这些现象，称之会感到越远越窄，最后汇聚于一点。这些现象，称之为透视现象。为透视现象。w 产生透视的原因，可用下图来说

18、明：产生透视的原因，可用下图来说明：2023-8-13鲁东大学鲁东大学327.4 投影变换投影变换7.4.3 透视投影透视投影透视的基本知识透视的基本知识w 图中，图中，AA,BB,CC 为一组高度和间隔都相等，排成为一组高度和间隔都相等，排成一条直线的电线杆，从视点一条直线的电线杆，从视点E去看，发现去看，发现w AEA BEB CEC w 若在视点若在视点E与物体间设置一个透明的画面与物体间设置一个透明的画面P,让让P通过通过A A ，则 在 画 面 上 看 到 的 各 电 线 杆 的 投 影，则 在 画 面 上 看 到 的 各 电 线 杆 的 投 影aa bb cc w aa 即即EA,

19、EA 与画面与画面P的交点的连线的交点的连线;w bb 即为即为EB，EB 与画面与画面P的交点的连线。的交点的连线。w cc 即为即为EC，EC 与画面与画面P的交点的连线。的交点的连线。w 近大远小近大远小2023-8-13鲁东大学鲁东大学337.4 投影变换投影变换7.4.3 透视投影透视投影透视的基本知识透视的基本知识w 若连若连a,b,c及及a,b,c 各点，它们的连线汇聚于各点，它们的连线汇聚于一点。一点。w 然而，实际上，然而，实际上，A,B,C与与A，B，C 的连线是的连线是两条互相平行的直线，这说明两条互相平行的直线，这说明空间不平行于画空间不平行于画面面(投影面）的一切平行

20、线的透视投影投影面）的一切平行线的透视投影，即，即a,b,c与与a,b,c 的连线，的连线，必交于一点必交于一点，这点我，这点我们称之为灭点。们称之为灭点。2023-8-13鲁东大学鲁东大学347.4 投影变换投影变换7.4.3 透视投影透视投影灭点灭点 不平行于投影面的平行线的投影会汇聚到一个点，不平行于投影面的平行线的投影会汇聚到一个点，这个点称为灭点这个点称为灭点(Vanishing Point)(Vanishing Point)。坐标轴方向的平行线在投影面上形成的灭点称作主坐标轴方向的平行线在投影面上形成的灭点称作主灭点。灭点。一点透视有一个主灭点，即投影面与一个坐标轴正一点透视有一个

21、主灭点，即投影面与一个坐标轴正交，与另外两个坐标轴平行。交，与另外两个坐标轴平行。两点透视有两个主灭点，即投影面与两个坐标轴相两点透视有两个主灭点，即投影面与两个坐标轴相交，与另一个坐标轴平行。交，与另一个坐标轴平行。三点透视有三个主灭点，即投影面与三个坐标轴都三点透视有三个主灭点，即投影面与三个坐标轴都相交。相交。2023-8-13鲁东大学鲁东大学357.4 投影变换投影变换7.4.3 透视投影透视投影透视举例透视举例7-20 透视投影灭点灭点灭点灭点(a)一点透视(b)二点透视(c)三点透视灭点灭点一、一、简单的一点透视投影变换简单的一点透视投影变换Z2Z1简单的一点透视投影变换简单的一点

22、透视投影变换(续续)wwswwsYZZZZYXZZZZX212212221222211ZZYYZZZZYZZXXZZZXwwwwswwwws2Z 10111010000000001000011000110000100001112222ZZYZZXZZYXZZYXZYXwwwwwwwwwwsss鲁东大学鲁东大学1000010000000001100001000100001yT1000010000100000100001000010001xT2023-8-13鲁东大学鲁东大学40二点透视投影的变换矩阵w)二点透视w 在变换矩阵中，第四列的p,q,r起透视变换作用 当p、q、r中有两个不为0时的透视

23、变换称为二点透视变换。假定p!=0,r!=0,q=0;将空间上一点(x,y,z)进行变换，可得如下结果：1000100010001rqpM2023-8-13鲁东大学鲁东大学41二点透视投影的变换矩阵由上式可看出：由上式可看出：当当x-x-时，在时，在X X轴上轴上1/p1/p处有一个灭点；处有一个灭点；当当z-z-时，在时，在Z Z轴上轴上1/r1/r处有一个灭点；处有一个灭点；)1/()1/()1/(1rzpx zy x 1 0 0 0r 1 0 00 0 1 0p 0 0 11 zy x rzpxzzrzpxyyrzpxxx经齐次化处理后得：2023-8-13鲁东大学鲁东大学42三点透视投

24、影的变换矩阵w)三点透视w 类似，若p,q,r都不为0，则可得到有三个灭点的三点透视。)1/()1/()1/(1rzpx zy x 1 0 0 0r 1 0 0q 0 1 0p 0 0 11 zy x rzqypxzzrzqypxyyrzqypxxxqy经齐次化处理后得：经齐次化处理后得：2023-8-13鲁东大学鲁东大学43三点透视投影的变换矩阵由上式可看出：由上式可看出：当当x-x-时，在时，在X X轴上轴上1/p1/p处有一个灭点；处有一个灭点；当当y-y-时，在时，在Y Y轴上轴上1/q1/q处有一个灭点处有一个灭点;当当z-z-时，在时，在Z Z轴上轴上1/r1/r处有一个灭点；处有

25、一个灭点；2023-8-13鲁东大学鲁东大学44 7.5 7.5 三维裁剪三维裁剪 三维窗口经投影变换后，在平行投影时为立方体，在透视投影时为四棱台。三维线段裁剪就是要显示一条三维线段落在三维窗口内的部分线段。本课以平行投影为例讨论三维线段的裁剪算法 对于立方体裁剪窗口六个面的方程分别是：x=-1;x=1 y=-1;y=1 z=-1;z=12023-8-13鲁东大学鲁东大学45空间任一条直线段P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2,z2)。P1P2端点和六个面的关系可转换为一个6位二进制代码表示，其定义如下 2023-8-13鲁东大学鲁东大学46第1位为1：点在裁剪窗口的上面，即y1;否则

26、第1位为0第2位为1：点在裁剪窗口的下面，即y1;否则第3位为0上 第4位为1：点在裁剪窗口的左面，即x1;否则第5位为0第6位为1：点在裁剪窗口的前面，即z-1;否则第6位为0 即：前后左右下2023-8-13鲁东大学鲁东大学47计算原理 如同二维线段对矩形窗口的编码裁剪算法一样，(1)若一条线段的两端点的编码都是0，则线段落在窗口的空间内；(2)若两端点编码的逻辑与（逐位进行）为非0，则此线段在窗口的空间以外否则，需对此线段作分段处理，即要计算此线段和窗口空间相应平面的交点，并取有效交点 2023-8-13鲁东大学鲁东大学48计算方法 l 对任意一条三维线段的参数方程可写成：x=x1+(x

27、2 x1)t=x1+p.t （1）y=y1+(y2 y1)t=y1+q.t （2）z=z1+(z2 z1)t=z1+r.t （3）0=t=1l 而裁剪空间六个平面方程的一般表达式为：a x+b y+c z+d=0 （4）l 把直线方程代入平面方程求得：t=-(a x1+b y1+c z1+d)/(a*p+b*q+c*r)（5）2023-8-13鲁东大学鲁东大学49 假如要求一条直线与裁剪空间上平面的交点将 y=1 代入 方程（2）得 t=(1 y1)/q(1)若t 不在 0 1 的区间内，则交点在裁剪空间以外(2)若t 在 0 1 的区间内，则将t 代入式（1）和（3）分别得：x=x1+(1 y1)*p/qz=z1+(1 y1)*r/q 2023-8-13鲁东大学鲁东大学信息学院信息学院精品课件精品课件！2023-8-13鲁东大学鲁东大学信息学院信息学院精品课件精品课件！2023-8-13鲁东大学鲁东大学52 故三维线段与裁剪窗口的有效交点为 (x1+(1y1)*p/q,1,z1+(1y1)*r/q）类似地可求得其他5个面与直线段的有效交点，连接有效交点可得到落在裁剪窗口内的有效线段。按照上述编码方法，可以很方便地将二维的Cohen Sutherland 算法与中点分割算法推广到三维，只要把二维算法中计算线段与窗口边界线交点的部分换成计算线段与三维裁剪空间侧面的交点即可