计算机图形学13投影变换
计算机图形学 答案
计算机图形学Ⅰ专业：计算机科学与技术计算机科学与技术20922012年12月第1章绪论1、计算机图形学的概念？（或什么是计算机图形学？）计算机图形学是研究怎样利用计算机表示、生成、处理和显示图形的(原理、算法、方法和技术)一门学科。
2、图形与图像的区别？图像是指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息；图形含有几何属性，更强调物体（或场景）的几何表示，是由物体（或场景）的几何模型(几何参数)和物理属性(属性参数)共同组成的。
3、计算机图形学的研究内容？计算机图形学的研究内容非常广泛，有图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真和虚拟现实等。
4、计算机图形学的最高奖是以 Coons 的名字命名的，而分别获得第一届（1983年）和第二届（1985年）Steven A. Coons 奖的，恰好是 Ivan E. Sutherland 和 Pierre Bézier 。
5、1971年，Gourand提出“漫反射模型+插值”的思想，被称为 Gourand 明暗处理。
6、1975年，Phong提出了著名的简单光照模型—— Phong模型。
7、1980年，Whitted提出了一个光透明模型—— Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现了Whitted模型。
8、以 SIGGRAPH 会议的情况介绍，来结束计算机图形学的历史回顾。
9、什么是三维形体重建？三维形体重建就是从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建。
10、在漫游当中还要根据CT图像区分出不同的体内组织，这项技术叫分割。
11、一个图形系统通常由图形处理器、图形输入设备和输出设备构成。
12、CRT显示器的简易结构图12、LCD液晶显示器的基本技术指标有：可视角度、点距和分辨率。
计算机图形学中的透视和投影变换
计算机图形学中的透视和投影变换计算机图形学是机器图像处理和计算机视觉的理论基础，主要研究计算机生成的三维图形的数学表示和渲染技术。
在计算机生成的三维图形中，透视和投影变换是非常重要的技术，它们可以使三维图形更加直观逼真地呈现出来。
本文将对透视和投影变换进行详细讲解。
一、透视变换透视变换是一种三维立体图像转换为二维平面图像的方法，它可以模拟出现实中的透视效果。
在透视变换中，被变换的三维场景需要经过以下几个步骤：1. 建立三维场景模型。
在建立三维场景模型时，需要确定物体的位置、大小、形状和材质等参数，并将这些参数用数学公式表示出来。
2. 确定观察点位置和视线方向。
观察点是放置在场景外的假想点，用于观察场景中的物体。
视线方向是从观察点指向场景中的物体。
3. 定义投影平面。
投影平面是垂直于视线方向的平面，它用于将三维物体投影到二维平面上。
4. 进行透视变换。
在透视变换中，需要用到透视投影矩阵，它可以将三维图形投影到二维平面上，并使得远离观察点的物体变得更小。
透视变换可以使得生成的二维平面图像更加逼真，同时也可以减少计算量，提高渲染效率。
但是透视变换也有一些缺点，例如不能完全保持原图像的形状和大小，因此在实际应用中需要进行调整。
二、投影变换投影变换是一种将三维物体投影到二维平面上的方法，它可以用于生成平面图像、制作立体影像和建立虚拟现实等应用。
在投影变换中，被变换的三维场景需要经过以下几个步骤：1. 建立三维物体模型。
在建立三维物体模型时，需要确定物体的位置、大小、形状和材质等参数，并将这些参数用数学公式表示出来。
2. 确定相机位置和视线方向。
相机位置是放置在场景外的假想点，用于观察场景中的物体。
视线方向是从相机指向场景中的物体。
3. 定义投影平面。
投影平面是垂直于视线方向的平面，它用于将三维物体投影到二维平面上。
4. 进行投影变换。
在投影变换中，需要用到投影矩阵，它可以将三维图形投影到二维平面上，并保持原图形的形状和大小。
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。
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：
01
03
02
04
05
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：
投影变换法求实形原理
投影变换法求实形原理
投影变换法求实形原理主要是通过将三维物体转换为二维平面图形来实现。
具体来说，它是通过投影变换矩阵将场景世界中的3D物体转换为2D平面图形的过程。
转换后的二维平面图形相对于原来的三维物体降了一维。
在计算机图形学中，投影变换主要有两种形式：透射变换和仿射变换。
透射变换是将图像投影到一个新的视平面，可以看作是将三维物体通过某种方式投影到二维平面上。
而仿射变换则是一种特殊的透射变换，变换后图像的形状仍然维持原状。
在投影变换过程中，需要计算投影变换矩阵和投影变换参数，然后将这些参数映射到物体上，最终得到降维后的二维平面图形。
这个过程可以通过计算机图形学中的各种算法和工具来实现。
另外，在计算机图形学中，还可以使用一些特殊的装置来实现投影变换。
例如，可以使用类似于德国画家丢勒绘画时使用的装置，通过固定线和物体表面的点，记录线穿过木框的位置，并在画纸关闭时标记到画纸上，不断变动线末端物体上的点，最终可以得到准确的物体画像。
这个过程其实也是一种投影变换，通过这种方式可以绘制出真实立体感的图形。
总的来说，投影变换法求实形原理是一种将三维物体转换为二维平面图形的方法，它涉及到一系列的数学和几何学原理。
在计算机图形学中，这种方法被广泛应用于各种场景的建模、渲染和可视化中。
4、投影变换(换面法)
b' a'
X
• i' a c i • b
H X1 V1
c'
•c ' 1
V O H O2 O1
•
c2
• a1' (i1')
•i 2
• a2
实形
• b1'
V1 H2
• b2
是以其中一直线为依据来选择，即将其中一条直线（一般 线）更换成平行线，投射线，其它元素跟着过来。另一种 是以其中一个平面为依据来选择新轴。即将一般面改换成 投射面、平行面。其它元素跟变换过来。
不动，设立新的投影面代替原有的投影面中的一个，使新
投影面与几何元素处于有利于解题的位置。
一、换面法的投影规律：
如图4-2中，先只看A点的投影。如图4-3 （a)所示。
a' V
A
a'1 x1
o
x ax a
V1
ax1 H a'1 V1
o1
图4-3 （a)
新的投影面必须垂直于原投影面体系中的一个投影面。 如 V1H ，这样 V1 与H才能构成一个新的两投影面体系。 a' a x Aa a1' a x1 展开时V不动， V1 摊平到与H在 由图可知 同一面上，然后H面连同 V1 一齐绕OX轴旋转到与V在同一 平面上。 画投影图时，为表示清楚，在OX以上标V，OX下标H，在 的一方标H，另一方标
工程上要解决的问题： （一） 定位问题：包括线面交点、两面交线、截交线、相 贯线
(二） 度量问题：包括求直线实长、平面实形、点线距、 点面距离、平行线间距、两交叉线距离、平行面距离、直 线及平面对投影面倾角、两面夹角、线面夹角等。 一、投影变换的目的：将原来处于一般位置的空间几何元 素，变换为有利于解题的位置。
投影变换(计算机图形学)资料
2009-2010-2:CG:SCUEC
10
正投影之三视图
当投影面与某个坐标轴垂直 时，得到的空间物体的投影 为正投影（三视图）
1. 三视图分为正视图、侧视图
和俯视图.
2. 对应的投影平面分别与x轴， y 轴，z轴垂直。
三视图
三视图常用于工程制图，因为在其上可以测量距离和
角度。但一个方向上的视图只反映物体的一个侧面，只有 将三个方向上的视图结合起来，才能综合出物体的空间结 构和形状。
2009-2010-2:CG:SCUEC
4
投影变换的概念
近平面
远平面 Z
X
投影平面 V′ U′
窗口 X′ Y′
Y 投影线
视点
透视投影
视点：三维空间中任意选择的一个点，亦称为投影中心 投影平面：不经过视点的任意一个平面 投影线：从视点向投影平面的引出的任意一条射线
2009-2010-2:CG:SCUEC
x
xq zc
yq
0
0 zc
xc yc
0 0
y z
xp
xq q
,
yp
yq q
q 0
0
1
zc
1
2009-2010-2:CG:SCUEC
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平行投影
平行投影可以看成投影中心移向无穷远时的极限情况。
设给定的投影方向为（ xd , yd , zd ）。在要投影的对象附近任取一点
（xs , ys , zs），以此点为起点作一射线，其指向是投影方向的反方向，
oz 和 轴的单位方向向量为 (a11, a12 , a13 ) 、 (a21, a22 , a23 ) 和
(a31, a32 , a33 ) ，那么从坐标系oxyz到 o xyz 的变换是
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7.4 投影变换
7.4.3 透视投影 透视的基本知识
若连a,b,c及a',b',c'各点，它们的连线汇聚于 一点。 然而，实际上， A,B,C 与 A ， B ， C 的连线是 两条互相平行的直线，这说明空间不平行于画 面(投影面）的一切平行线的透视投影，即 a,b,c与 a',b',c'的连线，必交于一点，这点我 们称之为灭点。
z s 1 x
y
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7.4 投影变换
7.4.2 平行投影 斜平行投影求法
2 ． 设 （ xe,ye,ze ） 为 任 一 点 ， （ xs,ys ） 为 （xe,ye,ze）在XcOcYc平面上的投影 设立方体上一点 P(0,0,1)在XcOcYc平面上的投 影P' (lcosα ,lsinα ,0),投影方向为PP',PP'与投 影面的夹角为β , α 为投影与x轴的夹角，则 投影方向矢量为(lcosα ,lsinα ,-1)
若令
S xp
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xp zp
S yp
yp zp
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7.4 投影变换
7.4.2 平行投影 斜平行投影求法
则矩阵式为：
1 0 z 1 S xp 0 0 1 S yp 0 0 0 1 0 0 0 0 1
x s
ys
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7.4 投影变换
7.4.2 平行投影
正二测：投影平面与两个坐标轴的交点到坐标 原点的距离都相等。沿两个轴线具有相同的变 形系数。
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7.4 投影变换
7.4.2 平行投影
正三测：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。沿三个轴线具有各不相 同的变形系数。
相交。
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7.4 投影变换
7.4.3 透视投影 透视举例
灭点 灭点 灭点 灭点
灭点
灭点 (a)一点透视 (b)二点透视 (c)三点透视
7-20 透视投影
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一、 简单的一点透视投影变换
Ys
S
Y Qw O
P0
Qs
Z
Qw (Xw, Yw, Zw)
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zs 0
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7.4 投影变换
7.4.2 平行投影 斜平行投影求法
矩阵形式为：
x s
ys
z s 1 xe
ye
ze
0 1 1 0 1 l cos l sin 0 0
0 0 1 0
0 0 0 1
斜等侧中：l=1,β=45
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13 三视图
7.4 投影变换
7.4.2 平行投影 2）使水平投影面绕X轴旋转-90，使与正投影面处于 同一平面； 3）最后让图形沿Z轴平移dx=tx , dy=ty; 4) 将x轴、y轴反向以与U、V两坐标轴方向一致； 5）将坐标原点平移至点O
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投影 变 换
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信息学院
7.4 投影变换
7.4.1 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：
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。
观察投影是指在观察空间下进行的图形投影变换。
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7.4 投影变换
7.4.3 透视投影 灭点
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(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
7.4 投影变换
7.4.2 平行投影
– 侧投影视图
• 先将立体向YOZ面作正投影（X坐标取为0）；
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7.4 投影变换
7.4.2 平行投影 2）使水平投影面绕Z轴旋转90，使与正投影面处于 同一平面； 3）最后让图形沿Z轴平移dx=ty , dy=tz; 4）将坐标原点平移至点O
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7.4 投影变换
7.4.2 平行投影
正等测图(等轴测)
z z
分析：对于正等测图OA=OB=OC
投影平面 O O
C
投影平面 O
z
投影平面
y
z
z
O
O
z
y
(a)等轴测
y
(b)正二测
图7-14
正轴测投影面及一个立方体的正轴测投影图
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x
O
x
x x
A
B y
斜二侧中：l=1/2,
β=arctgα=63.4 正平行投影：l=0, β=90
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7.4 投影变换
7.4.3 透视投影 透视的基本知识
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。 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 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， 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 为透视现象。 产生透视的原因，可用下图来说明：
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7.4 投影变换
7.4.2 平行投影
1、正轴测图:
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。 正轴测投影分类： 正等测：投影平面与三个坐标轴的交点到坐标原点的 距离都相等。沿三个轴线具有相同的变形系数。
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7.4 投影变换
7.4.1 基本概念
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
ห้องสมุดไป่ตู้
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7.4 投影变换
7.4.1 基本概念
一、平面几何投影 投影中心、投影面、投影线：
11 三视图
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7.4 投影变换
7.4.2 平行投影
② 将该投影向左角移动dx=tx,dy=tz; ③ 将x轴反向与U轴保持一致； ④ 将坐标原点平移到点(a,b)。
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12 三视图
7.4 投影变换
7.4.2 平行投影
–
俯投影视图
1）将立体向xoy面作正投影，此时Z坐标取0;
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7.4 投影变换
7.4.3 透视投影 透视的基本知识
图中，AA',BB',CC'为一组高度和间隔都相等，排成 一条直线的电线杆，从视点E去看，发现 ∠AEA>∠BEB>∠CEC 若在视点 E 与物体间设置一个透明的画面 P, 让 P 通过 AA‘，则在画面上看到的各电线杆的投影aa'>bb'>cc' aa'即EA,EA'与画面P的交点的连线; bb'即为EB，EB'与画面P的交点的连线。 cc' 即为EC，EC'与画面P的交点的连线。 ∴近大远小
7.4.2 平行投影
正投影视图 ①正投影是将立体向xoz面投影得到，投影结果为：
x’ = x; y’=0; z’=z 为将点(x y z) 变换为(x’ y’ z’)，只需将点(x y z)作 如下变换即可：
1 0 Tv 0 0
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0 0 0 0
0 0 0 0 1 0 0 1
A A' 投影线 投影中心 B' (a) 透视投影 B (b) 平行投影 线段 投影中心在 无穷远处 投影线 B' A' A 线 段 B
图7-1
线段AB的平面几何投影
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7.4 投影变换
7.4.1 基本概念 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
一、斜投影
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） 常用的斜轴测图有斜等测图和斜二测图。
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鲁东大学
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7.4 投影变换
7.4.2 平行投影
斜等测投影 –投影平面与一坐标轴垂直 –投影线与投影平面成45°角 与投影平面垂直的线投影后长度不变 斜二测投影 –投影平面与一坐标轴垂直 –投影线与该轴夹角成 arcctg(1/2)角 该轴轴向变形系数为 ½。即与投影平面垂 直的线投影后长度变为原来的一半。