二维图形变换

通过学习【向量分析】和【图形变换】,可以设计出一些方法来描述我们所遇见的各种几何对象,并学会如何把这些几何方法转换成数字。

一、向量

从几何角度看,向量是具有长度和方向的实体,但是没有位置。而点是只有位置,没有长度和方向。
在几何中把向量看成从一个点到另一个点的位移。

1、向量的基本知识
(1)向量的表示
二维图形变换原理及齐次坐标
从P点到Q点的位移用向量v=(3,-2)表示。
v是从点P到点Q的向量,两个点的差是一个向量:v=Q-P
换个角度,可以说点Q是由点P平移向量v得到的,或者说v偏移P得到Q:Q=P+v

(2)向量的基本运算
向量的加(减)法可以采用“平行四边形法则”
二维图形变换原理及齐次坐标

(3)向量线性组合
m个向量v1,v2,...,vm的线性组合具有如下形式的向量:
w=a1v1+a2v2+...+anvn

1>仿射组合
线性组合的[系数的和等于1],那么它就是仿射组合
a1+a2+...+am=1

2>向量的凸组合
a1+a2+...+am=1,[ai>=0(i=1,2,...,m)]

2、向量的点积和叉积

【点积得到一个标量,叉积产生一个新的向量。】

(1)向量的点积

a=(a1,a2)  b=(b1,b2)
二维图形变换原理及齐次坐标

二维图形变换原理及齐次坐标

点积最重要的应用就是计算两个向量的夹角,或者两条直线的夹角:二维图形变换原理及齐次坐标
二维图形变换原理及齐次坐标

可知,两个非零向量夹角与点积的关系:

二维图形变换原理及齐次坐标

(2)向量的叉积
两个向量的叉积是另一个三维向量。【叉积只对三维向量有意义】
最常用的属性是【它与原来的两个向量都正交】
二维图形变换原理及齐次坐标

【利用叉积求平面的法向量】
垂直于平面的直线所表示的向量为该平面的法向量。


二、图形坐标系

坐标系是建立图形与数之间对应联系的参考系

1、坐标系的分类

从维度上看,可分为一维、二维、三维坐标系。

从坐标轴之间的空间关系来看,可分为直角坐标系、极坐标系、圆柱坐标系、球坐标系等。
二维图形变换原理及齐次坐标

在计算机图形学中, 从物体(场景)的建模,到在不同显示设备上显示、处理图形时同样使用一系列的坐标系
二维图形变换原理及齐次坐标

2、计算机图形学中坐标系的分类

(1)世界坐标系

描述对象的空间被称为世界坐标系,即场景中物体在实际世界中的坐标。
世界坐标系是一个【公共坐标系】,是现实中物体或场景的统一参照系。

计算机图形系统中涉及的其他坐标系都是参照它进行定义的。

(2)建模坐标系(局部坐标系)

每个物体(对象)有他自己的局部中心和坐标系。
二维图形变换原理及齐次坐标

建模坐标系【独立于】世界坐标系来定义物体的几何特性。
一旦定义了“局部”物体,就可以很容易的将“局部”
物体放入世界坐标系内,使它由局部上升为全局
二维图形变换原理及齐次坐标

(3)观察坐标系
观察坐标系主要用于【从观察者的角度】对整个世界坐标系内的对象进行重新定位和描述。

依据【观察窗口的方向和形状】在世界坐标系中定义的坐标系——>观察坐标系
二维图形变换原理及齐次坐标

要建立观察坐标系,需要已知三个要素:
      观察者的位置
      观察者的方向
      世界坐标系的上向量
观察坐标系通常以【视点的位置为原点】,由视点的位置和观察的方向即可确定【z轴】。
确定于x轴垂直的平面,世界坐标系的上向量在该平面上的投影即【y轴】,由z轴和y轴,通过【左手定则】即可确定【x轴】。

(4)设备坐标系

在多数情况下,对于每一个具体的显示设备,都有一个单独的坐标系统。
【注意:设备坐标是整数】

(5)规范化坐标系

规范化坐标系【独立】于设备,能容易的转变为设备坐标系,是一个【中间坐标系】。

为使图形软件能在不同的设备之间移植,采用规范化坐标,【坐标轴取值范围是0-1】
二维图形变换原理及齐次坐标


三、图形变换

1、图形变换的用途

(1)由一个基本的图案,经过变换组合成另一个复杂图形;
(2)用很少的物体组成一个场景;
(3)可以通过图形变换组合得到动画效果。

2、图形变换的基本原理

(1)图形变化了,但原图形的连边规则没有变化;
二维图形变换原理及齐次坐标

(2)图形的变化,是因为顶点位置的改变决定的。
二维图形变换原理及齐次坐标

变换图形就是要变换图形的【几何关系】,即【改变顶点的坐标】;同时,保持图形的【原拓扑关系不变】。

仿射变换是一种【二维】坐标到【二维】坐标之间的线性变换。
(1)“平直性”——>直线经过变换之后依然是直线
(2)“平行性”——>平行线依然是平行线,且直线上【点的位置顺序不变】。

二维图形变换原理及齐次坐标
称为二维仿射变换,其中坐标x',y'都是原始坐标x和y的线性函数,参数a,b,c,d,m和n是函数的关系。

四、齐次坐标
假如变换前的点坐标为(x,y),变换后的点坐标为(x*,y*),这个变换过程可以写成如下矩阵形式:
二维图形变换原理及齐次坐标
其中1和2是等价的,对于向量(x,y,1),可以在几何意义上理解为是在【第三维为常数的】平面上的一个二维向量。

【这种用【三】维向量表示【二】维向量,或者一般而言,用一个n+1维的向量表示一个n维向量的方法称为齐次坐标表示法。】

n维向量的变换是在n+1维的空间进行的,变换后的n维结果是被反投回到感兴趣的特定的维空间内而得到的。
二维图形变换原理及齐次坐标

【为什么要采用齐次坐标】
   在笛卡尔坐标系内,向量(x,y)是位于z=0的平面上的点;而向量(x,y,1)是位于z=1的等高平面上的点。对于图形来说,没有实质性的差别,但是却给后面的矩阵运算提供了可行性和方便性。
   采用了齐次坐标表示法,就可以统一地把二维线性变换表示如下式所示的规格化形式:二维图形变换原理及齐次坐标

对于一个图形,可以用【顶点表】来描述图形的【几何关系】,用【连边表】来描述图形的【拓扑关系】。所以【对图形的变换】,最后是【只要变换图形的顶点表】。

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