68886

Перетворення на площині

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Представлення графічних зображень здійснюється крапками і лініями. Можливість перетворення крапок і ліній є основою комп’ютерної графіки. При використанні комп’ютерної графіки можна змінювати масштаб зображення, обертати його, зміщувати і трансформувати для поліпшення наочності зображення об’єкту.

Украинкский

2014-09-26

83.5 KB

1 чел.

ЛЕКЦІЯ 6

Перетворення на площині

Представлення графічних зображень здійснюється крапками і лініями.

Можливість перетворення крапок і ліній є основою комп'ютерної графіки. При використанні комп'ютерної графіки можна змінювати масштаб зображення, обертати його, зміщувати і трансформувати для поліпшення наочності зображення об'єкту.

Аффінне перетворення на площині.

У комп'ютерній графіці все, що відноситься до двомірного випадку, позначається символом 2d (2-dimension).

Користуватимемося декартовою системою координат - це зручний спосіб скріплення геометричного об'єкту (т.м) - з числами X, Y - її координатами, які дозволяють кількісно описувати геометричні фігури.

y                                                           y             y*        x*

         M (x, y)         

                    M* (x*, y*)                                     M (x, y)

                         x                                                              x

                                                                                               

У декартовій системі координат перетворення можна розглядати двояко:

         -змінюється положення крапки, а система координат та ж;

         -зберігається крапка, а змінюється координатна система.

Надалі розглядатимемо перший випадок: у заданій системі прямокутних координат перетвориться точка площини.

 Перетворені координати описуються співвідношеннями:

          X* = ax + by + ;

          Y* = cx + dy + ;    загальне аффінне перетворення,

      де a, b, c, d, , довільні числа.

Для переміщення крапки на площині необхідно описати закон зміни її координат.

Існує декілька окремих випадків перетворень, використовуючи які досягається необхідні переміщення на площині. Такими перетвореннями є:

       -паралельне перенесення;

       -обертання;

        -зеркальне відображення;

        - розтягування або стискування.

Вибір цих випадків визначається двома обставинами:

  -кожне з приведених перетворень має простий і наочний геометричний сенс;

  -будь-яке перетворення на площині можна представити як послідовне виконання (суперпозицію) простих перетворень: паралельне перенесення, обертання, розтягування і віддзеркалення.

1) Паралельне перенесення.

       Y                                                     y  

                                M*                                              M*

                                                                   M   

               

                      M                                                         O*  

                                   X                        O                            X

Переводить крапку С з координатами X і Y в точку М* з координатами X* і Y*.

     X* = x + ;

     Y* = y + ;

Приклад: переміщення прямої на площині

2). Дзеркальне віддзеркалення.

     y                                                                 y

                    M                              M*               M

                          x                                                              x

                    M*

       x* = +x;                                               x* = –x;

       y = –y;                                                 y* = y;

  щодо осі абсцис           щодо осі ординат

3) Розтягування (стискування)

     y                                                        y                             

                    M                                                     M*              x* = a * x;

                                                                                                  y* = d * y;

             M*                                                  M

                                 x                                                        x

                                

Розтягування або стискування залежить від значень а і d.

                M

                      M*

                                 x

      O

Якщо a>1 і d<1, то прямокутник розтягується по Х і стискується

  по Y.

Якщо a>1 і d>1, то прямокутник розтягується по X і Y.

Для ефективного використання цих відомих формул в комп'ютерній графіці  зручніше користуватися матричним записом:

      -значення координат точки М можна розглядати як                                                                               

елементи матриці [x, y] - вектор-рядок або        x   – вектор-стовпець.

                                                                               y

      -так розтягування:

       a   0      x        x*                x* = a * x;

       0   d      y   =   y*                y* = d * y;

              віддзеркалення:

    x      1   0                               x* = x;

    y      0  -1     вісь абсцис      y* = –y;

    x      -1  0                               x* = –x;

    y       0  1      вісь ординат     y* = y;

4) Обертання                                                         

Перед отриманням матриці обертання розглянемо перетворення одиничного квадрата .

 y

                                            0   0    – т. А

 D            C                       1    0    – т. В

                                            1   1    – т. С

                                            0   1    – т. D

 A            B             x

Застосування загального матричного перетворення  до одиничного квадрата приводить до наступного результату:

a   b    

c  d

0  0                     0      0                A*

1  0    a  b           a       b                B*

1  1    c  d    =   a+c  b+d              C*

         0  1                     c       d                D*

Результати:

-початок координат не піддається перетворенню; A=a*=[0 0]

-координата В* визначається першим рядком загальної матриці перетворення;

-координата D* визначається другим рядком загальною матрицею перетворення.

Таким чином, якщо координати точка В* і точка D* відомі, то загальна матриця перетворення визначена.

Розглянемо обертання одиничного квадрата навколо початку координат. Обертання проти годинникової стрілки береться за позитивне.

               y

                                                 BB* ;                 x* = 1 * cos

                    C*                                                      y* = 1 * sin

                                                   D – D* ;               x* = -1 * sin

D*                                     C                                    y* = 1 *  cos

                                   B*

                          

                          

               A  A*              B               x

Загальну матрицю обертання можна записати:

              

   x  y     cos   sin                           x* = x * cos – y * sin;

             -sin  cos                            y* = x * sin + y * cos;

Таким чином, отримали:

обертання(rotation)

x         cos    -sin                          x* = x * cos – y * sin;                 

        y         sin       cos                        y* = x * sin + y * cos;

- розтягування (dilatation)

          x      a  0                          x* =a*x; 

          y      0  d                          y*= d*y;

віддзеркалення(reflection)

          x      1   0                        x* =x;              по осі абсцис

          y      0  -1                        y* = -y;

перенесення(translation);            x* = x +  

                                                    y* = y +

Кожне з приведених перетворень координат можна так само описати формулами:

    x* = ax + by + ;

    y* = cx + dy + ;  – загальні аффінні перетворення;

–при a=d=1 и b=c=0 – отримуємо перенесення;

–при a=d=cos и –b=c=sin, ==0 – обертання;

–при a=1, d=–1, c=b==віддзеркалення;

–при b=c==розтягування (стискування);

У матричному описі основних перетворень відсутня операція паралельного перенесення, тобто за допомогою матриці описані:

        x* = ax + by;

        y* = cx + dy; – відсутні.

 і  , а зміна координати по X залежить від трьох параметрів                     

a,b, і по Y залежить від трьох параметрів с, d і .

Значить, щоб охопити матричним підходом чотири прості перетворення, необхідно перейти до опису довільної крапки не парою чисел (x,y), а трійкою чисел [x,y,1] і [x*,y*,1]

Матриця перетворення після цього стає матрицею розміру 2*3

a  b  

c  d    ,

де  і  викликає зсув x* і y* відносно x і у.

Оскільки матриця 2*3 не є квадратною, то вона не має зворотної матриці.

Тому її доповнюють до квадратної, розміру 3*3.

         a  b  

         c  d      – третя компонента векторів положення крапок не                 

0  0  1               змінює.

              

     Використовуючи цю матрицю

          x        a  b          x*

          y        c  d     =  y*

          1        0  0  1       1

отримуємо перетворений вектор [x*, y*, 1].

У загальному випадку [X, Y, H].

Перетворення було виконане так, що

           [X, Y, H] = [x*, y*, 1]

Перетворення, що має місце в тривимірному просторі, в нашому випадку обмежено площиною H=1.

Пряма OМ* перетинає площину H=1 в точці M*(x*,y*,1), яка однозначно визначає точку M(x, у) координатної площини XY.

Представлення двомірного вектора тривимірним або в загальному випадку n-вимірного вектора (n+1) -вимірним називають однорідним координатним відтворенням.

У однорідних координатах запис буде у вигляді:

                                 a  c  0

[x, y, H]=[x, y, 1] *   b  d  0

                                               1   ,

де x = x*, y = y*, H = 1.

У загальному випадку H не дорівнює 1 і перетворені звичайні координати виходять за рахунок нормалізації однорідних координат, тобто

                 X* = x/H;  Y* = y/H.

Основна матриця перетворення розміру для однорідних двомірних координат має вигляд:

a  b  

c  d  

m  n  s

І може бути розділена на чотири частини

a, b, c, d – здійснює зміну масштабу, зрушення і обертання;

 і виконує зсув;

m і nотримання проекції;

sпроводить повну зміну масштабу.

Оскільки при H, яке не дорівнює, ми отримуємо зображення в тривимірному просторі, то для простоти обчислень в 2d використовуваний H=1 і матрицю узагальнену на чотири перетворення:

x*      x        a  b                   x* = ax + by + ;

y*  =  y   *    c  d                  y* = cx + dy + ;

1        1        0  0  1                         1 = 1.

Для того, щоб реалізувати те або інше переміщення по заданих геометричних характеристиках, треба знайти елементи відповідної матриці, використовується матриці:

-обертання (rotation):

       cos  -sin  0                               cos   sin    0

       sin   cos  0        зворотна       -sin  cos   0

        0        0      1                                   0       0       1

розтягування (dilatation):

    a  0  0                                 1/a  0    0                x* = ax;

    0  d  0           зворотна        0  1/d  0                y* = dy;

    0  0  1                                   0   0   1

 

віддзеркалення (reflection):

     1  0  0                         1   0  0                           x* = x;

     0 –1 0      зворотна    0 –1  0                          y* = -y;

     0  0  1                          0  0  1

перенесення (translation):

     1  0                           1  0  -                          x* = x + ;

     0  1       зворотна     0  1 -                          y* = y + .

     0  0  1                          0  0  1

 

Двомірне обертання навколо довільної крапки.

Вище було розглянуто обертання зображення біля початок координат.

Однорідні координати забезпечують поворот зображення навколо крапок, відмінних від початку координат.

У загальному випадку алгоритм обертання навколо довільної крапки наступний:

     -перенос центру обертання в початок координат;

     -поворот відносно початку координат;

     -перенос точки обертання в початкове положення.

Приклад: побудувати матрицю перетворення при повороті на кут  j навколо точки M(m,n), не співпадаючої з початком координат.

           Y

                        

                       M

                                         x

1) Перенесемо площину на вектор M(-m, -n) для поєднання точки повороту з початком координат:

                   1  0  -m

         T_=    0  1  -n

                   0  0   1

2) Поворот на кут :

            cos  -sin  0

     R=  sin   cos  0

              0        0      1

3).Перенесем площину на вектор M(m, n) для обертання точки повороту в початок координат:

             1  0  m

      T=   0  1  n

             0  0  1

Результуюча матриця:

                            1  0  m         cos  -sin  0

M=T * R * T_=    0  1  n     *   sin    cos 0    =  

                            0  0  1            0         0     1

         

      cos  -sin  m         1  0  -m         cos  -sin   -mcos + nsin + m

 =   sin    cos  n     *    0  1  -n   =    sin    cos  -msin – ncos + n    

        0         0      1          0  0   1            0         0                    1                    

    x*       x

    y*   =  y   *  M

    1         1        

                   T * R –T_

 X* = xcos – ysin – mcos + nsin + m;

 Y* = xsin + ycos – msin – ncos + n;

Приклад: побудувати матрицю перетворення при розтягуванні уздовж координатних осей з коефіцієнтами а і d.

                     1  0  -m

 1).    T_ =    0  1  -n    

                     0  0  1       

 

                     a  0  0

 2).    D =      0  d  0

                     0  0  1      

                   1  0  m

 3).    T =    0  1  n

                   0  0  1        

                1  0  m         -a  0  0          1  0  -m

      M=     0  1  n    *     0  d  0     *    0  1  -n    ;

                0  0  1           0  0  1          0  0  1          

                   a   0   -am + m

          M=   0   d   -dn + n

                   0   0         1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

68626. Текстовый процессор Microsoft Word: создание и редактирование математических формул 246.17 KB
  Цель и содержание работы: изучить основные возможности редактора формул. Теоретическое обоснование Если нужно набрать в документе какую-нибудь формулу лучше всего воспользоваться редактором формул который состоит из различных шаблонов упрощающих ввод формул Рисунок 1.
68627. Текстовый процессор Microsoft Word: графика 264.05 KB
  Графическим объектом называют рисунок, который хранится на диске. Для создания простейших графических объектов выберите свободное место и нажмите кнопку вызова панели инструментов рисования (если ее нет в нижней части экрана). Графические объекты, создаваемые инструментами данной панели, имеют характер векторных объектов.
68628. Вычисления в электронных таблицах в MS Excel 91.02 KB
  Все функции несмотря на их разнообразие имеют одинаковый стандартный формат: имя функции и находящийся в круглых скобках перечень аргументов разделенных точками с запятой. Регистр при вводе функции не учитывается. Excel автоматически запишет имя функции прописными буквами.
68629. Построение диаграмм и графиков функций в MS Excel 65.58 KB
  Диаграммы графически представляют данные числового типа широко используются для анализа и сравнения данных представления их в наглядном виде позволяют показать соотношение различных значений или динамику изменения ряда данных. Числовым данным рабочего листа соответствуют элементы диаграммы...
68630. Системы счисления и кодирования; двоичная арифметика 481.18 KB
  Во всех этих числах встречается символ I единица. В этой последовательности десятичная точка запятая отделяет целую часть числа от дробной если число целое точка опускается. Крайний левый разряд числа называется старшим разрядом а крайний правый – младшим разрядом этого числа.
68631. Логические основы ЭВМ 28.37 KB
  Данное практическое занятие содержит информацию об основных понятиях математической логики: логических выражениях и операциях над ними правилах построении таблицы истинности для логического выражения о законах логики приводятся правила преобразования логических выражений.
68632. Текстовый процессор Microsoft Word: основы издательской работы 124.17 KB
  Цель и содержание работы: научиться создавать колонтитулы многоколонный текст и различные стили оформления. Теоретическое обоснование Microsoft Word2007 профессиональный текстовый редактор по своим возможностям приближающийся к настольным редакционно-издательским системам.