计算机形学中的几何变换与投影技术
计算机图形学第4章图形变换
反射变换
总结词
反射变换是将图形关于某一平面进行镜像反射的变换。
详细描述
反射变换可以通过指定一个法向量和反射平面来实现。法向量垂直于反射平面，指向反射方向。在二 维空间中，反射变换可以将图形关于x轴或y轴进行镜像反射；在三维空间中，反射变换可以将图形关 于某一平面进行镜像反射。
03
复合图形变换
组合变换
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组合变换是指将多个基本图形 变换组合在一起，形成一个复
杂的变换过程。
组合变换可以通过将多个变换 矩阵相乘来实现，最终得到一
个复合变换矩阵。
组合变换可以应用于各种图形 变换场景，如旋转、缩放、平
移、倾斜等。
组合变换需要注意变换的顺序 和矩阵的乘法顺序，不同的顺 序可能导致不同的变换结果。
矩阵变换
矩阵变换是指通过矩阵运算对图形进 行变换的方法。
常见的矩阵变换包括平移矩阵、旋转 矩阵、缩放矩阵和倾斜矩阵等。
矩阵变换可以通过将变换矩阵与图形 顶点坐标相乘来实现，得到变换后的 新坐标。
矩阵变换具有数学表达式的简洁性和 可操作性，是计算机图形学中常用的 图形变换方法之一。
仿射变换
仿射变换是指保持图形中点与 点之间的线性关系不变的变换。
05
应用实例
游戏中的图形变换
角色动画
通过图形变换技术，游戏中的角 色可以完成各种复杂的动作，如
跑、跳、攻击等。
场景变换
游戏中的场景可以通过图形变换 技术实现动态的缩放、旋转和平 移，为玩家提供更加丰富的视觉
体验。
特效制作
图形变换技术还可以用于制作游 戏中的特效，如爆炸、火焰、水
流等，提升游戏的视觉效果。
THANKS
计算机图形学-变换
第3章 变换
基本的二维几何变换 二维复合变换 其他二维变换 三维几何变换 OpenGL几何变换函数 三维图形的显示流程 投影 裁剪
2
几何变换
应用于对象几何描述并改变它的位置、方 向或大小的操作称为几何变换（geometric transformation） 基本的二维几何变换包括平移、旋转和缩 放
8
矩阵表示和齐次坐标
许多图形应用涉及到几何变换的顺序 需要用一个通式来表示平移、旋转和缩放
P M1 P M 2
将2×2矩阵扩充为3×3矩阵，可以把二维几 何变换的乘法和平移项组合为单一矩阵表示
9
二维平移矩阵
x 1 0 t x x y 0 1 t y y 1 0 0 1 1
三维坐标轴旋转
X轴坐标不变，循环替代x、y、z三个 轴可以得到绕x轴旋转的公式
z
y ' y cos z sin
y
z ' y sin z cos x' x
x
35
三维坐标轴旋转
y轴坐标不变，循环替代x、y、z三个 轴可以得到绕y轴旋转的公式
x
z
y
z ' z cos x sin x' z sin x cos y' y
glMatrixMode (GL_MODELVIEW); glColor3f (0.0, 0.0, 1.0); glRecti (50, 100, 200, 150); //显示蓝色矩形
glColor3f (1.0, 0.0, 0.0); glTranslatef (-200.0, -50.0, 0.0); glRecti (50, 100, 200, 150); //显示红色、平移后矩形
计算机图形学复习总结
一、名词解释：1、计算机图形学：用计算机建立、存储、处理某个对象的模型，并根据模型产生该对象图形输出的有关理论、方法与技术，称为计算机图形学。
3、图形消隐：计算机为了反映真实的图形，把隐藏的部分从图中消除。
4、几何变换：几何变换的基本方法是把变换矩阵作为一个算子，作用到图形一系列顶点的位置矢量，从而得到这些顶点在几何变换后的新的顶点序列，连接新的顶点序列即可得到变换后的图形。
6、裁剪：识别图形在指定区域内和区域外的部分的过程称为裁剪算法，简称裁剪。
7、透视投影：空间任意一点的透视投影是投影中心与空间点构成的投影线与投影平面的交点。
8、投影变换：把三维物体变为二维图形表示的变换称为投影变换。
9、走样：在光栅显示器上绘制非水平且非垂直的直线或多边形边界时，或多或少会呈现锯齿状。
这是由于直线或多边形边界在光栅显示器的对应图形都是由一系列相同亮度的离散像素构成的。
这种用离散量表示连续量引起的失真，称为走样（aliasing ）。
10、反走样：用于减少和消除用离散量表示连续量引起的失真效果的技术，称为反走样。
二、问答题：1、简述光栅扫描式图形显示器的基本原理。
光栅扫描式图形显示器(简称光栅显示器)是画点设备，可看作是一个点阵单元发生器，并可控制每个点阵单元的亮度，它不能直接从单元阵列中的—个可编地址的象素画一条直线到另一个可编地址的象素，只可能用尽可能靠近这条直线路径的象素点集来近似地表示这条直线。
光栅扫描式图形显示器中采用了帧缓存，帧缓存中的信息经过数字／模拟转换，能在光栅显示器上产生图形。
2、分别写出平移、旋转以及缩放的变换矩阵。
平移变换矩阵：⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡1010000100001z y xT T T （2分） 旋转变换矩阵： 绕X 轴⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-10000cos sin 00sin cos 00001θθθθ（2分） 绕Y 轴⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-10000cos 0sin 00100sin 0cos θθθθ（2分）绕Z 轴⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-1000010000cos sin 00sin cos θθθθ（2分） 缩放变换矩阵：⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡1000000000000zy x S S S （2分） 3、图形变换有什么特点？最基本的几何变换有哪些？答：图形变换的特点：大多数几何变换（如平移、旋转和变比）是保持拓扑不变的，不改变图形的连接关系和平行关系。
计算机图形学13投影变换
将坐标原点平移到点(a,b)。
01
平行投影
02
俯投影视图 将立体向xoy面作正投影，此时Z坐标取0;
03
投影变换 平行投影
使水平投影面绕X轴旋转-90，使与正投影面处于同一平面； 最后让图形沿Z轴平移dx=tx , dy=ty; 将x轴、y轴反向以与U、V两坐标轴方向一致； 将坐标原点平移至点O
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(Vanishing Point)。 坐标轴方向的平行线在投影面上形成的灭点称作主灭点。 一点透视有一个主灭点，即投影面与一个坐标轴正交，与另外两个坐标轴平行。 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。 三点透视有三个主灭点，即投影面与三个坐标轴都相交。
湖北大学 数计学院
1
讨论(续)：
2
类似，若主灭点在 Y 轴或 X 轴上，变换矩阵可分别写为：
二点透视投影的变换矩阵
湖北大学 数计学院
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：
7.4 投影变换 7.4.2 平行投影 斜平行投影求法
知投影方向矢量为（xp,yp,zp）
设形体被投影到XOY平面上
形体上的一点(x,y,z)在xoy平面上投影后→(xs,ys)
∵投影方向矢量为(xp,yp,zp)
∴投影线的参数方程为：
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7.4 投影变换 7.4.2 平行投影 斜平行投影求法 因为 所以 若令
则矩阵式为：
计算机图形学第五次实验报告
《计算机图形学》实验报告实验十一真实感图形一、实验教学目标与基本要求初步实现真实感图形, 并实践图形的造型与变换等。
二、理论基础运用几何造型, 几何、投影及透视变换、真实感图形效果（消隐、纹理、光照等）有关知识实现。
1.用给定地形高程数据绘制出地形图；2.绘制一(套)房间，参数自定。
三. 算法设计与分析真实感图形绘制过程中, 由于投影变换失去了深度信息, 往往导致图形的二义性。
要消除这类二义性, 就必须在绘制时消除被遮挡的不可见的线或面, 习惯上称之为消除隐藏线和隐藏面, 或简称为消隐, 经过消隐得到的投影图称为物体的真实图形。
消隐处理是计算机绘图中一个引人注目的问题, 目前已提出多种算法, 基本上可以分为两大类：即物体空间方法和图象空间方法。
物体空间方法是通过比较物体和物体的相对关系来决定可见与不可见的；而图象空间方法则是根据在图象象素点上各投影点之间的关系来确定可见与否的。
用这两类方法就可以消除凸型模型、凹形模型和多个模型同时存在时的隐藏面。
1).消隐算法的实现1.物体空间的消隐算法物体空间法是在三维坐标系中, 通过分析物体模型间的几何关系, 如物体的几何位置、与观察点的相对位置等, 来进行隐藏面判断的消隐算法。
世界坐标系是描述物体的原始坐标系, 物体的世界坐标描述了物体的基本形状。
为了更好地观察和描述物体, 经常需要对其世界坐标进行平移和旋转, 而得到物体的观察坐标。
物体的观察坐标能得到描述物体的更好视角, 所以物体空间法通常都是在观察坐标系中进行的。
观察坐标系的原点一般即是观察点。
物体空间法消隐包括两个基本步骤, 即三维坐标变换和选取适当的隐藏面判断算法。
选择合适的观察坐标系不但可以更好地描述物体, 而且可以大大简化和降低消隐算法的运算。
因此, 利用物体空间法进行消隐的第一步往往是将物体所处的坐标系转换为适当的观察坐标系。
这需要对物体进行三维旋转和平移变换。
常用的物体空间消隐算法包括平面公式法、径向预排序法、径向排序法、隔离平面法、深度排序法、光线投射法和区域子分法。
投影的概念
正交投影是将高维空间中的点映射到低维空间中的点，保持点之间的距离不变。
非正交投影是将高维空间中的点映射到低维空间中的点，保持点之间的距离不变，但可能改变点的方向。
投影变换的分类
轴测投影：投影线与轴线平行，如正轴测投影、斜轴测投影等
球面投影：将球面投影到平面上，如墨卡托投影、高斯-克吕格投影等
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投影的概念
目录
01
投影的定义
02
投影的分类
03
投影的应用
04
投影的性质
05
投影变换
01
投影的定义
投影的基本含义
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投影可以分为正投影和斜投影，正投影是物体与投影面垂直，斜投影是物体与投影面倾斜。
斜投影的特点：可以表示物体的立体感，但投影大小与实际大小不同，不易理解
正投影的特点：直观、易于理解，但无法表示物体的立体感
斜投影：平行光线倾斜于投影面，投影大小与物体实际大小不同
中心投影与平行投影
中心投影：以投影中心为基准，将物体投射到投影面上
平行投影：以投影面为基准，将物体投射到投影面上
中心投影的特点：投影中心与投影面垂直，投影线相互平行
平行投影：投影线相互平行，如正投影、斜投影等
中心投影：投影线通过一个中心点，如透视投影等
投影变换的性质
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投影变换不改变向量的长度
投影变换是线性变换
投影变换不改变向量的方向
投影变换不改变向量的夹角
几何学在计算机形学中的应用
几何学在计算机形学中的应用几何学是研究空间、形状、大小和相对位置等概念的数学学科。
它在计算机形学中有着广泛的应用，帮助计算机图像处理、模型设计、动画制作等领域取得了重大突破。
本文将探讨几何学在计算机形学中的主要应用，包括三维建模、计算机视觉和计算机动画。
一、三维建模三维建模是指利用计算机创建三维模型的过程。
几何学在三维建模中起着至关重要的作用。
首先，几何学能够描述和表示三维空间中的对象，包括点、线、面等基本元素，并通过数学算法将其转化为计算机可以处理的数据。
其次，几何学可以用来定义几何体的形状、大小和变换等属性，帮助创建逼真的三维模型。
例如，在建模一个人的头部时，可以利用几何学的曲线和曲面技术来描述头部的形状，使其在计算机中呈现出真实感。
此外，几何学还可以应用于三维建模中的光照和渲染等方面，帮助模型在渲染过程中产生逼真的光影效果。
二、计算机视觉计算机视觉是指通过计算机模拟和理解人类视觉系统的过程，其中几何学是其关键部分。
在计算机视觉中，几何学可以帮助将图片或视频中的物体进行几何分析，例如物体的位置、形状、角度等。
通过几何学的分析，计算机可以识别出不同的物体，并将其转化为计算机可以处理的数字形式。
此外，几何学还可以用于图像处理中的几何变换，包括图像的旋转、缩放、移动等操作。
通过几何变换，计算机可以对图像进行形态学处理，如边缘检测、形状匹配等，进而实现图像的分割、识别和重建等功能。
三、计算机动画计算机动画是指利用计算机生成的动态影像，通过快速播放静态图像来模拟连续运动的过程。
在计算机动画中，几何学被广泛应用于模型建立、运动路径计算和动画渲染等方面。
首先，几何学可以通过数学计算描述并生成三维模型，使其具有逼真的外观和动画效果。
其次，几何学可以用于定义物体的路径、速度和加速度等运动属性，从而实现动画中物体的自然运动效果。
例如，在动画中模拟球体的抛掷运动时，需要利用几何学的运动学知识来计算球体的运动轨迹，并使其符合自然物体的运动规律。
高中几何知识解析解析几何中的射影与投影
高中几何知识解析解析几何中的射影与投影高中几何知识解析: 解析几何中的射影与投影几何学是数学中的一个重要分支，研究空间和图形的性质和变换。
而解析几何则是几何学与代数学相结合的一种方法，通过代数符号和方程来研究几何问题。
在解析几何中，射影和投影是重要的概念，本文将对射影和投影在高中几何知识中的应用进行解析。
一、射影射影是解析几何中的基本概念之一，用于描述从一个空间向另一个空间的特定技术。
在几何中，射影是指一个物体通过某种技术在一个平面上生成的影子。
这里的影子是指在平面上的投影，也可以理解为从一个点到一个平面的垂直线段。
对于平面上的一点P(x,y)，它在直线l : ax + by + c = 0上的射影记为P'，射影的坐标为(x',y')。
根据射影的定义，可以得到射影的性质：1. 直线l上的任意一点P，它的射影P'始终在直线l上；2. 直线l上的每一个点都有对应的射影点；3. 如果两个点在直线l上的距离相等，那么它们的射影点在直线l 上的距离也相等。
通过射影的概念，我们可以在解析几何中进行一些具体的计算和推导，例如线段的长度、直线的交点等问题。
二、投影投影是另一个解析几何中常用的概念，它是指通过某种技术将一个物体投影到另一个平面或直线上的过程。
在几何中，投影可以是垂直的，也可以是斜的。
在解析几何中，常见的投影包括点的投影和线段的投影。
对于点的投影，我们通常将点投影到某个平面或直线上，得到它在投影平面上的坐标。
对于线段的投影，我们可以将线段的两个端点分别投影到投影平面上，然后用投影点连接起来。
投影的过程可以通过几何图形的相似性来描述。
例如，如果一个线段AB在一个平面上的投影为A'B'，则线段AB与线段A'B'之间的比值等于线段的投影比。
这个比值可以帮助我们计算线段的长度、角度等几何性质。
在实际应用中，投影在建筑、航天等领域中起到重要的作用。
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计算机形学中的几何变换与投影技术计算机形学是计算机科学与计算机图形学中重要的一个领域，它研
究如何在计算机上对图形进行表示、创建、编辑和呈现。
其中，几何
变换和投影技术是计算机形学中常用且核心的技术之一，它们在计算
机图形学领域中被广泛应用。
一、几何变换
在计算机图形学中，几何变换是指对图形进行平移、旋转、缩放和
扭曲等操作，从而改变图形的位置、形状和大小，以满足特定需求。
1. 平移变换
平移变换是对图形进行沿着指定方向和距离的移动。
在二维空间中，平移变换可以表示为：
x' = x + dx
y' = y + dy
其中，(x', y')是平移后的坐标，(x, y)是原始坐标，(dx, dy)是平移的
向量。
2. 旋转变换
旋转变换是对图形进行绕指定点或绕原点的旋转操作。
在二维空间中，旋转变换可以表示为：
x' = x * cosθ - y * sinθ
y' = x * sinθ + y * cosθ
其中，(x', y')是旋转后的坐标，(x, y)是原始坐标，θ是旋转角度。
3. 缩放变换
缩放变换是对图形进行放大或缩小的操作。
在二维空间中，缩放变换可以表示为：
x' = x * sx
y' = y * sy
其中，(x', y')是缩放后的坐标，(x, y)是原始坐标，(sx, sy)是缩放因子。
4. 扭曲变换
扭曲变换是对图形进行形状的变换，使得某些部分被拉伸或收缩。
扭曲变换可以通过矩阵运算进行表示，具体操作较为复杂。
二、投影技术
在计算机图形学中，投影技术是指将三维空间中的图形映射到二维平面上的过程。
常见的投影技术包括平行投影和透视投影。
1. 平行投影
平行投影是一种保持图形中平行线在投影后保持平行的投影方式。
在三维空间中，平行投影可以表示为：
x' = x
y' = y
其中，(x', y')是投影平面上的坐标，(x, y)是三维空间中的坐标。
2. 透视投影
透视投影是一种利用物体与观察者之间的位置关系进行的投影方式，使得远处的物体比近处的物体显得更小。
在三维空间中，透视投影可
以表示为：
x' = x * (d / (d - z))
y' = y * (d / (d - z))
其中，(x', y')是投影平面上的坐标，(x, y, z)是三维空间中的坐标，d
是观察者与投影平面之间的距离。
总结：
几何变换和投影技术在计算机形学中扮演着重要的角色。
通过几何
变换，可以对图形进行平移、旋转、缩放和扭曲等操作，从而改变图
形的位置、形状和大小。
投影技术则可以将三维空间中的图形映射到
二维平面上，以实现逼真的图像呈现。
这些技术的应用广泛，涉及到
计算机图形学、计算机游戏开发、虚拟现实等众多领域。
因此，几何
变换与投影技术的研究和应用对计算机形学的发展具有重要意义。