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三维观察-read
第三讲 三维观察
一、投影
1.投影的基本概念(分类)
在中,物体上的点以三个分量(x,y,z)描述。要想将一个物体描画在一个的平面,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换。project(object(x,y,z))→object(x′,y)
投影的要素投影对象,投影面,投影线。
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)。它使用一组平行将三维对象投影到投影平面上去。
2透视投影(perspective projection)。它使用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。
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。
1正交平行投影(orthographic P.P.)的投影线与投影平面成90°角。将一个三维点(x,y,z)用正交平行投影法投影平面xoy上,得到一个二维点(xp,yp)。这种变换,可以由正交平行交换公式来计算,它为
xp=x
yp=y
zp=0
同样,也可以将三维物体正交平行投影于xoz和yoz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方向易于测量的特点,因此作为主要的工程施工图纸。
2斜交平行投影(oblique P.P.)的投影线与投影面成α交角。
在讨论透视投影变换时,投影中心设在z轴的负轴上。投影中心c到位于投影平面上的坐标原点o之距为d。
为求透视投影变换公式,先列出直线PC的参数方程:
x′=x-xu
y′=x-yu z′=z-(z+d)u
其中参数u的变化范围在0~1之间。当u=0,(x′,yz,′)等于(x,y,z),即p点;当u=1时,(x′,y′,z)等于(0,0,-d),即c点,因此,u值表示直线pc上的位置。直线pc与投影平面xoy之交点处z′=0,即u=z/(z+d)。将u值代入另两个参数方程,便得透视投影变换公式:
xp=x·d/(z+d)
yp=y·d/(z+d)
zp=0
矩阵运算的形式为:
( (d, +INF)
(-d, 0] ( (-INF, 0]
[0, +INF) ( [0, d)
透视前方的有效Z值范围为(-INF, d)
二、取景变换
1.问题的提出
投影的局限性(Z=0)
2.视点坐标系
复合变换
变换矩阵
3.世界坐标系到观察坐标系的转化
乘变换矩阵,与三维图形的几何变换类似
三、视域裁剪
1.问题的提出
2.前截面、后截面
3.空间无穷平面对空间平面多边形的裁剪
4.视域(长方体或四棱锥)
5.平面矩形区域对平面多边形的裁剪
四、输出图形
1.视点坐标到设备坐标的转换
比例、平移、倒置
2.输出图元
五、三维观察的一般过程
确定视点与视域
WC到VC的转换
前后截面裁剪
平行或透视投影
矩形域裁剪
VC到DC的转换
若考虑提高计算速度:
确定视点与视域
前后截面裁剪
WC到VC的转换
平行或透视投影
VC到DC的转换
矩形域裁剪
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