计算机图形学-第七章-几何变换
计算机形学几何变换基础知识全面解析
计算机形学几何变换基础知识全面解析计算机形学几何变换是计算机图形学中一项非常重要的技术，它可以对图像进行平移、旋转、缩放等变换操作，从而实现图像的变形和动画效果。
本文将全面解析计算机形学几何变换的基础知识，包括变换的概念、常见的变换操作及其数学原理等内容。
一、概念介绍计算机形学几何变换是指通过一定的数学变换方法，改变图像或对象的形状、大小和位置。
常用的几何变换包括平移、旋转、缩放和错切等。
以下将逐个介绍这些变换操作的原理及应用。
二、平移变换平移变换是指将一个对象沿着指定方向平行移动一定的距离。
平移变换可以通过对对象中的每个顶点坐标进行相同平移量的加减操作来实现。
设对象的原始坐标为(x,y)，平移量为(tx,ty)，则平移变换后的新坐标为(x+tx,y+ty)。
三、旋转变换旋转变换是指将一个对象绕着指定的旋转中心点按照一定角度进行旋转。
旋转变换可以通过将对象中的每个顶点坐标绕旋转中心点进行相应角度的旋转来实现。
设对象的原始坐标为(x,y)，旋转角度为θ，旋转中心点为(cx,cy)，则旋转变换后的新坐标为：x' = (x-cx)*cosθ - (y-cy)*sinθ + cxy' = (x-cx)*sinθ + (y-cy)*cosθ + cy四、缩放变换缩放变换是指将一个对象的大小按照一定比例进行缩放。
缩放变换可以通过将对象中的每个顶点坐标按照指定比例进行缩放来实现。
设对象的原始坐标为(x,y)，缩放比例为(sx,sy)，缩放中心点为(cx,cy)，则缩放变换后的新坐标为：x' = (x-cx)*sx + cxy' = (y-cy)*sy + cy五、错切变换错切变换是指将一个对象的各个顶点坐标按照一定的错切因子进行变换。
错切变换可以分为水平错切和垂直错切两种形式。
水平错切变换可以通过将对象中的每个顶点的y坐标按照指定的错切因子进行变换来实现；垂直错切变换则是将对象中的每个顶点的x坐标按照指定的错切因子进行变换。
几何变换的认识和基本原理
几何变换的认识和基本原理几何变换是指通过对平面上的点、线、面进行位置、形状或尺寸上的改变，从而得到一个新的图形。
在计算机图形学和计算机视觉等领域，几何变换是非常重要的基础知识。
本文将介绍几何变换的认识和基本原理。
一、平移变换平移变换是指将一个图形沿着某个方向平行移动一定的距离。
平移变换可以用以下公式表示：[x', y'] = [x + dx, y + dy]其中，(x, y)是原始图形上的一个点，(dx, dy)是平移的距离，(x', y')是平移后得到的新点的坐标。
二、旋转变换旋转变换是指将一个图形绕着某个中心点按照一定的角度旋转。
旋转变换可以用以下公式表示：[x', y'] = [x*cosθ - y*sinθ, x*sinθ + y*cosθ]其中，(x, y)是原始图形上的一个点，θ是旋转的角度，(x', y')是旋转后得到的新点的坐标。
三、缩放变换缩放变换是指将一个图形按照一定的比例因子放大或缩小。
缩放变换可以用以下公式表示：[x', y'] = [s*x, s*y]其中，(x, y)是原始图形上的一个点，s是缩放的比例因子，(x', y')是缩放后得到的新点的坐标。
四、对称变换对称变换是指将一个图形关于某一直线或某一点进行对称。
对称变换可以分为关于x轴对称、关于y轴对称、关于原点对称等。
不同类型的对称变换具体的公式略有不同，但原理都是将图形上的点映射到其关于对称轴的对称位置。
五、仿射变换仿射变换是指将一个图形通过平移、旋转和缩放等基本变换来进行综合变换。
仿射变换可以用以下矩阵表示：[x', y'] = [a*x + b*y + c, d*x + e*y + f]其中，a、b、c、d、e、f为变换矩阵中的参数，(x, y)是原始图形上的一个点，(x', y')是变换后得到的新点的坐标。
数学几何变换的方法
数学几何变换的方法几何变换是数学中一项重要的研究内容，通过对图形进行不同的操作，可以实现平移、旋转、缩放等效果。
这些变换方法不仅在几何学中有着广泛的应用，还在计算机图形学、机器人学等领域发挥着重要作用。
本文将介绍几何变换的常见方法及其应用。
一、平移变换平移变换是指将图形沿着指定方向上移动一定距离的操作。
其数学表达式为：平移后的坐标 = 原坐标 + 平移矢量平移矢量的大小和方向决定了平移的距离和方向。
平移变换常用于游戏开发、图像处理等领域，可以实现图形的移动、平移动画效果等。
二、旋转变换旋转变换是指将图形围绕某个中心点按一定角度进行旋转的操作。
其数学表达式为：旋转后的坐标 = 中心点坐标 + R * (原坐标 - 中心点坐标)其中，R为旋转矩阵，通过矩阵乘法将原坐标进行旋转。
旋转变换常用于计算机图形学中，实现图像的旋转、三维模型的变换等。
三、缩放变换缩放变换是指改变图形的尺寸大小的操作。
其数学表达式为：缩放后的坐标 = 原坐标 * 缩放因子缩放因子可以是一个比例因子，用于确定缩放的大小，也可以是一个矩阵，对各个坐标轴进行不同程度的缩放。
缩放变换常用于计算机辅助设计、图像处理等领域，可以实现图形的放大、缩小、图像的拉伸等效果。
四、对称变换对称变换是指将图形绕着中心轴进行镜像翻转的操作。
其数学表达式为：对称后的坐标 = 中心轴坐标 + S * (原坐标 - 中心轴坐标)其中，S为对称矩阵，通过矩阵乘法将原坐标进行对称。
对称变换常用于图像处理中，实现图像的镜像翻转、对称图案的生成等。
五、投影变换投影变换是指将三维物体投影到二维平面上的操作，常见的有透视投影和正交投影两种形式。
投影变换常用于计算机图形学中，实现三维物体的绘制和显示。
总结：数学几何变换的方法包括平移、旋转、缩放、对称和投影等。
这些变换方法在各个领域中都有重要应用，比如游戏开发、图像处理、计算机辅助设计等。
掌握几何变换的方法对于理解和应用相关领域的技术具有重要意义。
计算机形学中的几何变换与投影技术
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 + dxy' = 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 * sinθy' = 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 * sxy' = 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' = xy' = 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。
几何变换的基本概念
几何变换的基本概念几何变换是一种将几何图形通过平移、旋转、缩放或镜像等操作进行改变的方式。
在数学和计算机图形学中，几何变换被广泛应用于图形、图像处理和计算机辅助设计等领域。
本文将介绍一些几何变换的基本概念，并探讨其在实际应用中的重要性。
一、平移变换平移变换是指将几何图形沿着给定的方向和距离进行移动。
在平移变换中，图形的形状、大小及内部结构都不发生改变，仅仅是位置发生了变化。
平移变换通常通过向图形的每个顶点添加一个位移向量来实现。
在二维平面中，位移向量由横向和纵向的移动距离组成。
在三维空间中，位移向量可以由三个方向的移动距离确定。
平移变换的重要性在于可以实现图像的平移效果，使得图形能够在平面或空间中沿任意方向移动，为后续的变换操作提供了基础。
二、旋转变换旋转变换是指将几何图形绕着一个给定的中心点进行旋转。
旋转变换可以通过改变图形各个顶点的位置来实现。
在二维平面中，旋转变换可以根据旋转角度计算出每个顶点的新位置；在三维空间中，旋转变换涉及到更复杂的计算。
旋转变换可以改变图形的朝向、方向和形状，使得图形能够绕中心点作各种角度的旋转。
旋转变换是许多图形和动画效果的基础，如旋转木马、旋转相框等。
它还在计算机辅助设计中起着重要作用，使得三维模型能够在不同角度进行观察和编辑。
三、缩放变换缩放变换是指改变几何图形的大小比例。
缩放变换可以通过改变图形各个顶点的位置，并相应调整线段的长度和角度来实现。
缩放变换可以使图形变大或变小，可以在一个轴上进行放大或缩小，也可以在两个轴上同时进行放大或缩小。
缩放变换在图形和图像处理中广泛应用。
通过缩放变换，可以实现图形的放大和缩小，对于网页设计、印刷、动画制作等都有重要意义。
四、镜像变换镜像变换是指将几何图形按照某一轴进行对称反转。
镜像变换可以通过改变图形各个顶点的位置来实现。
镜像变换可以是水平镜像或垂直镜像，也可以是关于某一倾斜轴的镜像。
镜像变换常用于图像处理和计算机游戏中，例如制作对称的道路、建筑物或人物形象等。
几何变换的基本概念和性质
几何变换的基本概念和性质几何变换是指平面或空间中的图形在不同的变化规则下发生的形态变化。
在数学和计算机图形学中，几何变换是一个重要的概念，它被广泛应用于各种领域，包括计算机视觉、机器人学、游戏开发和工程设计等。
几何变换包括平移、旋转、缩放和镜像四种基本类型。
每种变换都有其独特的性质和特点。
1. 平移（Translation）平移是指将图形沿着平行于原来位置的方向移动一定距离。
平移不改变图形的大小、形状和方向，只改变了其位置。
平移的变换规则是通过坐标的加减运算来实现的。
2. 旋转（Rotation）旋转是指将图形绕着某个点进行旋转运动。
旋转可以使图形沿着一个轴线旋转一定角度。
旋转不改变图形的大小和形状，但会改变其方向。
旋转的变换规则是通过坐标的旋转公式来实现的。
3. 缩放（Scaling）缩放是指将图形按照一定的比例进行放大或缩小。
缩放可以改变图形的大小和形状，但不改变其方向。
缩放的变换规则是通过坐标的乘除运算来实现的。
4. 镜像（Reflection）镜像是指将图形按照某条直线或平面进行对称反转。
镜像可以改变图形的方向，但不改变其大小和形状。
镜像的变换规则是通过坐标的变号来实现的。
这些几何变换具有一些重要的性质。
例如，平移和旋转是可逆的，即可以通过逆变换将图形恢复到原来的位置和方向；缩放和镜像也是可逆的，但镜像时需要注意选择合适的对称轴；任意两个几何变换都可以通过组合来实现更复杂的变换效果。
总之，几何变换是数学和计算机图形学中的重要概念，通过平移、旋转、缩放和镜像等变换可以实现对图形的形态变化。
掌握几何变换的基本概念和性质对于理解和应用相关领域的知识具有重要意义。
参考资料：。
几何变换的计算
几何变换的计算几何变换是数学中研究物体位置、形状和尺寸改变的方法。
通过几何变换，我们可以对图像进行平移、旋转、缩放和裁剪等操作，以达到我们预期的效果。
在计算机图形学、计算机视觉和计算机图像处理等领域中，几何变换被广泛应用。
一、平移变换平移变换是指将目标图像在平面上按照给定的坐标偏移量进行移动。
平移变换只改变图像的位置，不改变其形状和尺寸。
平移变换的矩阵表示如下：| 1 0 dx |T=| 0 1 dy || 0 0 1 |其中，dx和dy分别表示在x轴和y轴方向上的平移距离。
二、旋转变换旋转变换是指将目标图像按照给定的角度绕着旋转中心进行旋转。
旋转变换可以使图像发生旋转，改变其方向。
旋转变换的矩阵表示如下：| cosθ -sinθ 0 |R=| sinθ cosθ 0 || 0 0 1 |其中，θ表示旋转的角度。
三、缩放变换缩放变换是指将图像按照给定的比例因子进行放大或缩小。
缩放变换可以改变图像的尺寸，但不改变其形状和位置。
缩放变换的矩阵表示如下：| sx 0 0 |S=| 0 sy 0 || 0 0 1 |其中，sx和sy分别表示在x轴和y轴方向上的缩放比例。
四、裁剪变换裁剪变换是指通过去除目标图像的某些部分，将图像的大小剪裁为所需的区域。
裁剪变换可以改变图像的形状和位置，同时改变其尺寸。
裁剪变换的矩阵表示如下：| 1 0 0 |C=| 0 1 0 || cx cy 1 |其中，cx和cy表示裁剪中心的坐标。
五、仿射变换仿射变换是指将图像进行位置、形状和尺寸的综合变换。
仿射变换可以实现平移、旋转、缩放和倾斜等操作。
仿射变换的矩阵表示如下： | a b 0 |A=| c d 0 || tx ty 1 |其中，a、b、c和d分别表示缩放、旋转和倾斜变换的参数，tx和ty表示平移变换的坐标。
六、透视变换透视变换是指将图像在三维空间中进行形状和位置的改变。
透视变换可以改变图像的尺寸、角度和倾斜等效果。
几何变换的基本定义
几何变换的基本定义几何变换是指通过改变图形的位置、形状、大小或方向来实现对图形的转换。
在数学和几何学中，几何变换是广泛应用于图像处理、计算机图形学和几何推理等领域的重要概念。
本文将简要介绍几何变换的基本定义，包括平移、旋转、缩放和对称变换。
一、平移变换平移变换是指将图形沿着平行于原始位置的直线方向移动一定距离。
平移变换不改变图形的形状和大小，只改变了其位置。
设图形上的点坐标为(x, y)，平移变换后的新坐标为(x', y')，则有以下公式：x' = x + ay' = y + b其中，a和b分别表示平移的水平和垂直距离。
在平面几何中，平移变换可以通过将所有点坐标加上相同的位移矢量来实现。
二、旋转变换旋转变换是指将图形绕某一点或绕原点按一定角度旋转。
旋转变换改变了图形的方向和位置，但不改变其大小和形状。
设图形上的点坐标为(x, y)，旋转中心为(cx, cy)，旋转角度为θ，则旋转变换后的新坐标为(x', y')，可以通过以下公式计算：x' = (x - cx) * cosθ - (y - cy) * sinθ + cxy' = (x - cx) * sinθ + (y - cy) * cosθ + cy其中，cosθ和sinθ分别表示旋转角度的余弦和正弦值。
通过调整旋转角度可以实现图形的顺时针或逆时针旋转。
三、缩放变换缩放变换是指通过改变图形的尺寸来实现对图形的变换。
缩放变换可以使图形变大或变小，但图形的形状和位置保持不变。
设图形上的点坐标为(x, y)，缩放中心为(cx, cy)，水平和垂直缩放比例分别为sx和sy，则缩放变换后的新坐标为(x', y')，计算公式如下：x' = (x - cx) * sx + cxy' = (y - cy) * sy + cy通过调整sx和sy的值，可以实现图形的水平或垂直方向上的缩放。
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进一步分析知，平移变换是对常数项的变换，而比例 和旋转则是对x和y项的变换。
二维几何变换的齐次坐标表示
如果我们既要对常数项进行变换，也要对x和y项进行变 换，我们进行如何的处理呢？
观察如下的表达式：
x'
y
'
a1 b1
a2 b2
a3 x
b3
y
c'
c1
c2
c3 c
则有：x’=a1x+ a2y+ a3c
y’=b1x+ b2y+ b3c c’=c1x+ c2y+ c3c
二维几何变换的齐次坐标表示
如果我们令：
a1=1,a2=0,a3=Tx b1=0,b2=1,b3=Ty
c1=0,c2=0,c3=1，c=1 则有：x’=x+ Tx
x' x
y
'
y
x shy
从而沿y方向关于x轴的错切
的变换矩阵为：
1 0 0
SH
x
(shy
)
shy
1
0
0 0 1
7.2.4 二维几何变换的一般形式
设图形上一点的坐标为P(x,y)，经过二维几何变换后的坐标为 P’(x’, y’)，变换矩阵一般可写为：
1 0 0
R FO
0
1
0
0 0 1
错切变换
这种变换可使物体产生变形，即物体产生扭转或称为错 切。常用的两种错切变换是沿x向或沿y向错切变换。 •沿x方向关于y轴的错切 •沿y方向关于x轴的错切
沿x方向关于y轴的错切
在下图中，对矩形ABCD沿x轴方向进行错切变换，得到
矩形A’B’CD。错切的角度为θ，令shx=tanθ假定点(x, y)经 错切变换后变为（x’, y’），由下图可知：
x
y
shx
从而沿x方向关于y轴的错切
的变换矩阵为：
1 shx 0 SH y (shx ) 0 1 0
0 0 1
沿y方向关于x轴的错切
在下图中，对矩形ABCD沿y轴方向进行错切变换，得到
矩形AB’C’D。错切的角度为θ，令shy=tanθ，假定点(x, y) 经错切变换后变为（x’, y’），由下图可知:
Lecture 7
几何变换
概述
在计算机图形学中，通常需要将画出的图形平移到某一 位置，或改变图形的大小和形状，或利用已有图形生成 复杂图形，这种图形处理的过程就是图形的几何变换， 简称图形变换。
二维图形和三维图形都可以进行图形变换。图形变换通 常采用矩阵的方法，图形所做的变换不同其变换矩阵也 不同。变换的实质是对由图形上各点的坐标组成的矩阵 进行运算，因此在讨论各种具体图形几何变换时，可以 归结为一个点的变换。
(x,y)表达为(hx,hy,h),当h=1时称为规格化齐次坐标。
二维几何变换的齐次坐标表示
使用规格化齐次坐标，我们可以表示另外两种变换：
比例变换的矩阵形式 ： x ' Sx 0 0 x
y
'
0
Sy
0
y
1 0 0 1 1
缩写为 ：P'S(Sx，Sy)P
旋转变换的矩阵形式 ： x' cos -sin 0x y' sin cos 0y 1 0 0 11
y
'
'
T
Tx
T
y
可以用矩阵相加来表示P点的位移
x '
y
'
x
y
Tx Ty
计为： P'PT
7.1.2 比例变换
用来改变一物体大小的变换称为比例变换（缩放变换） 。如果要对一个多边形进行比例变换，那么可把各顶点 的坐标（x，y）均乘以比例因子Sx、Sy，以产生变换后的 坐标（x’，y’）
缩写为 ： P'R()P
7.2.3 其他变换
反射变换 ：反射是用来产生物体的镜象的一种变换。物 体的镜象一般是相对于一对称轴生成的 。 •关于x轴对称变换 •关于y轴对称变换 •关于坐标原点的对称变换
关于x轴对称变换
关于x轴的对称变换，是一种特殊形式的缩放变换，其中
，Sx=1，Sy= -1，如图所示，其变换矩阵为：
7.1 二维基本变换
二维基本变换包括： •平移 •比例 •旋转
7.1.1 平移变换
平移是一物体从一个位置到另一位置所作的直线移动。 如果要把一个位于的点移到新位置时，只要在原坐标上 加上平移距离Tx及Ty即可
平移变换
表示成数学形式： x x Tx
y
y
Ty
表示成向量形式：
P
x
y
P
'
x
1 0 0
RFx
0
1
0
0 0 1
关于y轴对称变换
关于y轴的对称变换，是一种特殊形式的缩放变换，其中 ，Sx=-1，Sy=1，如图所示，其变换矩阵为：
1 0 0
RFy
0
1
0
0 0 1
关于坐标原点的对称变换
关于y轴对称变换，是一种特殊形式的缩放变换，其中， Sx=-1，Sy= -1，如图所示，其变换矩阵为：
比例变换
表示成数学形式： x S x x
y
Sy
y
如果令
S
Sx
0
0
S
y
则比例变换可以表示成以下的矩阵形式：
x' y'
Sx
0
0 x
Sy
y
记为： P'SP
7.1.3 旋转变换
物体上的各点绕一固定点沿圆周路径作转动称为旋转变 换。我们可用旋转角表示旋转量的大小。
一个点由位置（x、y）旋转到（x′y′）如下图所示，θ为 旋转角 。
P'RP
x' xcosysin y' ycosxsin
7.2 二维几何变换的齐次坐标表示
可以看出，平移变换的处理方法与其他两种变换的形 式不一样，但我们希望能够用一种一致的或同类的方法 来处理这三种变换，使得这三种基本变换能很容易地结 合在一起，形成各种复杂的组合变换。为了解决这个问 题，引入齐次坐标这一概念。
旋转变换
由图可得到如下三角关系式：
x'rcos()rcoscosrsinsin xcosysin
y'rsin()rcossinrsincos xsinycos
则相对于坐标原点的旋转变换公式如下：
x' xcosysin y' ycosxsin
旋转变换
如果令
R
cos sin
sin
cos
则有 记为
x' cos sinx y'sin cosy
y’=y+ Ty 1=1
上两式正好是坐标的平移变换。
二维几何变换的齐次坐标表示
使用这种表示方法，坐标的平移变换可以表示为：
x ' 1 0 Tx x
y
'
0
1
T
y
y
1 0 0 1 1
平移变换的矩阵形式缩写： P'T(Tx, Ty)P
这样，我们就把矩阵的加法运算转化为矩阵的乘法运算 ，我们使用的这种表达坐标的方法就叫齐次坐标表示。