三维投影原理

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–投影 投影
•将n维的点变换成小于 维的点 将 维的点变换成小于 维的点变换成小于n维的点 •将3维的点变换成2维的点 将 维的点变换成2
在三维坐标系统中, 在三维坐标系统中,物体上的每一点都以三个分 (x,y,z)描述 这样的物体称为三维物体。 描述, 量(x,y,z)描述,这样的物体称为三维物体。要想 将一个三维物体描画在一个二维的平面,如纸面, 将一个三维物体描画在一个二维的平面 , 如纸面 , 荧光屏面上 , 必须对三维物体进行投影 。 投影 (project)是一种使三维对象映射为二维对象的变 (project)是一种使三维对象映射为二维对象的变 它可描述为: 换。它可描述为: project(object(x,y,z))→object(x′,y′) project(object(x,y,z))→object(x′
三视图:正视图、侧视图和俯视图
三视图的变换矩阵( 用户坐标系进行 用户坐标系进行) 三视图的变换矩阵(3D用户坐标系进行)
特点:三视图常用于工程制图。但一种三视图上只有物体一个侧面的投影, 特点:三视图常用于工程制图。但一种三视图上只有物体一个侧面的投影, 所以单独从某个方向的三视图上是很难想象出物体的三维形状的。只有将主、 所以单独从某个方向的三视图上是很难想象出物体的三维形状的。只有将主、 俯三个视图放在一起,才能综合出物体的空间形状。 侧、俯三个视图放在一起,才能综合出物体的空间形状。 以CRT作图纸,显示三视图 CRT作图纸, 作图纸 用户坐标系3D设备坐标系视区 用户坐标系3D设备坐标系视区 3D 选择视图,建立相应的视图区选好视图后, CRT上为其建立视图区, 选择视图,建立相应的视图区选好视图后,在CRT上为其建立视图区,每个 上为其建立视图区 视图区代表一个坐标平面,操作一个视图。 视图区代表一个坐标平面,操作一个视图。 根据3D物体的复杂程度,合理选择视图数目。原则: 根据3D物体的复杂程度,合理选择视图数目。原则:在能表示清楚物体的形 3D物体的复杂程度 状和尺寸的前提下,视图数目越小越好。 状和尺寸的前提下,视图数目越小越好。
三维图形的基本研究内容
1. 2. 3. 4.
投影 三维形体的表示 消除隐藏面与隐藏线 建立光照明模型、开发真实感图形绘制方法
投影(projection) 投影(projection)变换 (projection)变换
由于显示器和绘图机只能用二维空间 来表示图形, 来表示图形,要显示三维图形就要用投 影方式来降低其维数。 影方式来降低其维数。 降低其维数
常见轴测图
2. 正(斜)二等轴测图:p = r ≠ q 二等轴测图: 轴测图 3. 正(斜)三轴测图: p ≠ r ≠ q 轴测图:
正等轴测图 斜二等轴测图 正二等轴测图
三视图:投影面与某一坐标轴垂直, 三视图:投影面与某一坐标轴垂直,即投影方 向与该坐标轴的方向一致。 向与该坐标轴的方向一致。 分类(组成):主视图X 侧视图Y 俯视图Z ):主视图 分类(组成):主视图X、侧视图Y、俯视图Z 注意:此处, 指前, 指右, 注意:此处, X指前, Y指右,Z指上
平面几何投影( 平面几何投影(12/12) )
投影的要素除投影对象,投影面外,还有投影线。 投影的要素除投影对象 , 投影面外 , 还有投影线 。 按照投影线角度的不同,有两种基本投影方法: 按照投影线角度的不同,有两种基本投影方法: 1平行投影(parallel projection)。它使用一组 平行投影 。 平行投影线将三维对象投影到投影平面上去(图 平行投影线将三维对象投影到投影平面上去 图 3.21(a))。 3.21(a))。 2 透视投影 透视投影(perspective projection)。 它使用 。 一组由投影中心产生的放射投影线, 一组由投影中心产生的放射投影线,将三维对象 投影到投影平面上去。 投影到投影平面上去。
三维图形的基本问题( ) 三维图形的基本问题(3/4)
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
三维图形的基本问题( ) 三维图形的基本问题(4/4)
1)主视图(y) 主视图( 主视图
2)俯视图 z )
3)侧视图x )侧视图
=0的平面 的平面, 三视图的生成就是把x、y、z坐标系的形体投影到z=0的平面,变换 坐标系。一般还需将三个视图在一个平面上画出, 到u、v、w坐标系。一般还需将三个视图在一个平面上画出,这时就 得到下面的变换公式,其中( 坐标系下的值, 得到下面的变换公式,其中(a,b )为u、v坐标系下的值,tx、ty、tz 均如图中所示。 这里以垂直Y轴为主视图) 均如图中所示。 (注:这里以垂直Y轴为主视图)
两种三维直角坐标系统 (a)右手系统 右手系统 (b)左手系统 左手系统
平面几何投影分类 平面几何投影分类
F为投影平面 ; p1p2 为三维直线 ; p’1p′2 是 p1p2 在 F上的投影 ; 为投影平面; 为三维直线; 上的投影; 虚线显示投影线; 是投影中心。 虚线显示投影线;o是投影中心。 •由平行投影方法表现三维对象的图,称为正视图和轴测图; 由平行投影方法表现三维对象的图,称为正视图和轴测图 正视图和轴测图; •由透视投影方法表现三维对象的图,称为透视图 由透视投影方法表现三维对象的图,称为透视图。 由透视投影方法表现三维对象的图 透视图
例三棱柱及表面上各点的三视图。 例三棱柱及表面上各点的三视图。
A
B
a’
S
a’
(b’) (b )
b”
a”
(b’) (b )
(b)
a
轴测图的形成与分类
定义:用一个投影面来表达物体长、宽、高三个方 来表达物体长 定义: 一个投影面来表达物体 向形状的图样 的图样; 向形状的图样; 复杂且有变形; 特点:直观性好,立体感强。但作图复杂且有变形; 特点:直观性好,立体感强。但作图复杂且有变形 用途:一般作为工程上的辅助图样。 用途:一般作为工程上的辅助图样。 辅助图样
斜平行投影
斜等测投影 斜二测投影
(三轴都不缩短,但一根轴倾斜) 三轴都不缩短,但一根轴倾斜 三轴都不缩短 (一根轴倾斜,且缩短为1/2) 一根轴倾斜,且缩短为 一根轴倾斜
一点透视投影 透视投影 二点透视投影 三点透视投影
在计算机图形软件中所采用笛卡尔(cartesian) 直角三 在计算机图形软件中所采用笛卡尔 (cartesian)直角三 (cartesian) 维坐标系统,按照z轴方向的不同有两种形式: 维坐标系统,按照z轴方向的不同有两种形式: 右手系统: 当用右手握住z 轴时, 大姆指指向z 1 右手系统 : 当用右手握住 z 轴时 , 大姆指指向 z 轴 的正方向( (a)), 其余四个手指从x 轴到y 轴形成一个弧。 的正方向 ( 图 (a)) , 其余四个手指从 x 轴到 y 轴形成一个弧 。 值越大,越靠近视点) (Z值越大,越靠近视点) 左手系统: 当用左手握住z 轴时, 大姆指指向z 2 左手系统 : 当用左手握住 z 轴时 , 大姆指指向 z 轴 的正方向( (b)); 其余四个手指从x 轴到y 轴形成一个弧。 的正方向 ( 图 (b)) ; 其余四个手指从 x 轴到 y 轴形成一个弧 。 值越大,越远离视点) (Z值越大,越远离视点)
投影分类
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无限
根据投影 方向与投 影平面的 夹角 根据投影 平面与坐 标轴的夹 角
投影变换的分类: 一、 投影变换的分类:
三视图) 正投影 (三视图 三视图
正平行投影 平行投影 正轴测投影
正等测投影 正二测投影 正三测投影
(三轴变形系数相等 三轴变形系数相等) 三轴变形系数相等 (两轴向变形相等 两轴向变形相等) 两轴向变形相等 (三轴变形系数各不相同 三轴变形系数各不相同) 三轴变形系数各不相同
投影(projection) 投影(projection)
• 平面几何投影及其分类
– 投影中心 投影中心(COP:Center of Projection)
• 视觉系统—观察点、视点 • 电影放映机—光源
– 投影面
• 不经过投影中心 • 平面--照相机底片 • 曲面—球幕电影,视网膜
平面几何投影分类
(三 )
轴测图的投影特性
(1) 物体上相互平行的直线, 物体上相互平行的直线, 其轴测投影仍相互平行; 其轴测投影仍相互平行; (2) 物体上与坐标轴平行的直线, 物体上与坐标轴平行的直线, 其轴测投影仍与该轴测轴平行。 其轴测投影仍与该轴测轴平行。
平行性: 平行性:
(四 )
常见的几种轴测图
1. 正(斜)等轴测图: p = r = q 轴测图:
平行投影
按照标准线与投影面的交角不同, 按照标准线与投影面的交角不同 , 平行投影分 为两类:正交平行投影和斜交平行投影。 为两类:正交平行投影和斜交平行投影。 1、正交平行投影 正交平行投影(orthographic P.P.)的投影 正交平行投影 的投影 线与投影平面成90° 将一个三维点(x,y,z)用 线与投影平面成 ° 角 。 将一个三维点 用 正交平行投影法投影平面xoy上 , 得到一个二维 正交平行投影法投影平面 上 点 (xp,yp)。 这种变换, 可以由正交平行交换公式 。 这种变换 , 来计算, 来计算,它为 xp=x; yp=y; zp=0
平行正投影三视图
1.投影规律: 1.投影规律:
左 上
主xoy


高平齐

yoz
后 左 前 下
主、俯视图 “长对正” 长对正” 主、左视图 “高平齐” 高平齐” 俯、左视图 “宽相Leabharlann Baidu” 宽相等”

长对正

俯zox

宽相等

主视图 ⇒ 上下、左右; 上下、左右; 2.各视图中的方位: 俯视图 ⇒ 前后、左右; 2.各视图中的方位: 前后、左右; 前后、上下。 左视图 ⇒ 前后、上下。
第8章 投影 章
三维图形的基本问题 平面几何投影 观察坐标系中的投影变换 投影举例 三维图形的显示流程图 三维裁剪 图形显示过程小结
三维图形的基本问题( ) 三维图形的基本问题(1/4)
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 三维显示设备 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)
正轴测图
按形成方法可分为二大类: 按形成方法可分为二大类:
斜轴测图
轴测图的参数
1. 轴间角: 轴间角: 相邻两轴测轴之间的夹角。 相邻两轴测轴之间的夹角。 2. 轴向变形系数: 轴向变形系数:
X Z
Y
沿轴测轴测量而得到的投影长度与实际长度之比。 沿轴测轴测量而得到的投影长度与实际长度之比。 X轴的轴向变形系数: p 轴的轴向变形系数: Y轴的轴向变形系数: q 轴的轴向变形系数: Z轴的轴向变形系数: r 轴的轴向变形系数: = = = oa / OA ob / OB oc / OC
同样, 也可以将三维物体正交平行投影 同样 , 平面上, 于xoz和yoz平面上,分别获平视与侧视图。 和 平面上 分别获平视与侧视图。 设计中常用正交平行投影来产生三视图称 为正视图。 它们具有x,y方向易于测量的 为正视图 。 它们具有 方向易于测量的 特点,因此作为主要的工程施工图纸。 特点,因此作为主要的工程施工图纸。
三维图形的基本问题( ) 三维图形的基本问题(2/4)
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----困 难 解决方法----各种用于形体表示的理论、模 型、方法 (线框模型、表面模型、实体模型) 如何反映遮挡关系? 如何反映遮挡关系? 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
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