68911

Преобразования в пространстве

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

В трехмерном случае (3D) рассмотрим однородные координаты. Поступая аналогично тому, как это было сделано в размерности два, заменим координатную тройку (х, у, z), задающую точку в пространстве, на четверку чисел (х, у, z, 1).

Русский

2014-09-27

54.5 KB

3 чел.

ЛЕКЦИЯ 8

Преобразования в пространстве.

В трехмерном случае (3D) рассмотрим однородные координаты.

Поступая аналогично тому, как это было сделано в размерности два, заменим координатную тройку (х, у, z), задающую точку в пространстве, на четверку чисел (х, у, z, 1).

Каждая точка пространства (кроме начальной точки О) может быть задана четверкой одновременно не равных нулю чисел; эта четверка чисел определена однозначно с точностью до общего множителя.

Предложенный переход к новому способу задания точек дает возможность воспользоваться матричной записью и в более сложных, трехмерных задачах.

Любое аффинное преобразование в трехмерном пространстве может быть представлено в виде суперпозиции вращений, растяжений, отражений и переносов. Поэтому вполне уместно сначала подробно описать матрицы именно этих преобразований (ясно, что в данном случае порядок матриц должен быть равен четырем).

 Матрицы вращения в пространстве.

Матрица вращения вокруг оси  абсцисс на угол phi:

           1       0                0            0

           0   Cos(phi)    Sin(phi)     0

 [Rх]= 0  -Sin(phi)    Cos(phi)    0

           0        0                 0          1

Матрица вращения вокруг оси ординат на  угол phi: 

         Cos(phi)       0           -Sin(phi)    0

             0               1               0             0

 [Ry]=Sin(phi)       0            Cos(phi)    0       

             0               0              0              1

Матрица вращения вокруг оси аппликат на угол phi: 

         Cos(phi)     Sin(phi)     0        0

         -Sin(phi)    Cos(phi)     0       0

 [Ry]=  0                0              1        0    

            0                0              0        1

Матрица растяжения (сжатия):

где а > 0 - коэффициент растяжения (сжатия) вдоль

оси абсцисс;                                                               

b > 0 - коэффициент растяжения (сжатия) вдоль

оси ординат;

c > 0 - коэффициент растяжения (сжатия) вдоль си аппликат.

          a    0    0    0

          0    b    0    0

[D] =  0    0     c    0

          0    0     0    1

Матрицы отражения.

Матрица отражения относительно плоскости ху:

           1    0    0    0

           0    1    0    0

[Mz]=  0    0   -1    0

           0    0    0    1

Матрица отражения относительно плоскости  yz:

           -1    0     0      0

            0    1     0      0

[Mx]=   0    0     1      0

            0    0      0      1

Матрица отражения относительно плоскости zx:

            1    0     0      0

            0   -1     0      0

[My]=   0    0     1      0

            0    0      0      1

Матрица переноса (здесь (l,m,n) - вектор переноса):

            1    0    0   0

            0    1    0   0

[T]=      0    0    1   0

             l    m    n   1

Замечание. Как и в двумерном случае, все выписанные матрицы невырожденны.

Приведем   важный пример построения матрицы сложного преобразования по его геометрическому описанию.

Пример 1. Построить матрицу вращения на угол phi вокруг прямой L, проходящей через точку А(а, b, с) и имеющую направляющий вектор (I, т, п).Можно считать, что направляющий вектор прямой является единичным:

  2          2         2 

 L    +M     + N  =1.

Платоновы тела

Правильными многогранниками (Платоновыми телами) называются такие выпуклые многогранники, все грани которых суть правильные многоугольники и все многогранные углы при вершинах равны между собой.

Существует ровно 5 правильных многогранников (это доказал Евклид): правильный тетраэдр, гексаэдр (куб), октаэдр, додекаэдр и икосаэдр. Их основные характеристики приведены в следующей таблице.

Название многогранника

Число граней - Г

Число ребер - Р

Число вершин - В

Тетраэдр

4

6

4

Гексаэдр

6

12

8

Октаэдр

8

12

6

Додекаэдр

12

30

20

Икосаэдр

20

30

12

Нетрудно заметить, что в каждом из пяти случаев числа Г, Р и В связаны равенством Эйлера

Г + В = Р + 2.

Правильные многогранники обладают многими интересными свойствами. Здесь мы коснемся только тех свойств, которые можно применить для построения этих многогранников.

Для полного описания правильного многогранника вследствие его выпуклости достаточно указать способ отыскания всех его вершин.

Операции построения первых трех Платоновых тел являются особенно простыми.

Куб (гексаэдр) строится совсем несложно.

Используя куб, можно построить тетраэдр и октаэдр.

Для построения тетраэдра достаточно провести скрещивающиеся диагонали противоположных граней куба .

Тем самым вершинами тетраэдра являются любые 4 вершины куба, попарно не смежные ни с одним из его ребер.

Для построения октаэдра воспользуемся следующим свойством двойственности: вершины октаэдра суть центры (тяжести) граней куба

Координаты вершин октаэдра по координатам вершин куба легко вычисляются (каждая координата вершины октаэдра является средним арифметическим одноименных координат четырех вершин содержащей ее грани куба).

Додекаэдр и икосаэдр также можно построить при помощи куба.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

1718. Алгоритмизация и программирование циклических алгоритмов 112.5 KB
  Оператор цикла с предусловием While Wend. Повторяющаяся последовательность действий (в программе операторов). Оператор цикла For Next. Форматирование значений данных. Табулирование функций.
1719. Основы работы в табличном процессоре Microsoft Excel 178.39 KB
  Рабочие книги и рабочие листы. Создание таблиц, Ввод данных. Использование ссылок в формулах. Автоматическое заполнение ячеек. Команды отмены и повторения. Редактирование данных в ячейке. Изменение размеров строки или столбца.
1720. ГЛОБАЛИЗАЦИЯ КУЛЬТУРЫ И СПЕЦИФИКА ЕЕ ПРОЯВЛЕНИЯ В РОССИИ 1010.13 KB
  Теоретико-методологические основы анализа глобализации культуры. Специфика глобализационных процессов в Российской культуре. Метаобразование как новый качественный этап глобализации образования. Глобализация образования как феномен инновационной культуры.
1721. Согласование экспертных оценок при построении интегральных индикаторов 1006.32 KB
  Построение интегральных индикаторов, кластеризация объектов при построении индикаторов, нахождение алгоритма соглафования, предварительный анализ и кластеризация.
1722. Проектування фільтра на ПАХ 192.01 KB
  Ознайомлення з будовою, принципом дії і основними розрахунковими співвідношеннями для фільтрів на ПАХ, а також набути навичок їх проектування.
1723. Алмаз и его свойства 1.12 MB
  Бриллиант идеальной огранки. Идеальная огранка круглого бриллианта по Толковскому. Схема предпологаемого технологического процесса. Краткая характеристика операций технологического процесса. Анализ потерь по каждой операции. Технологическая инструкционная карта огранки.
1724. Финансовый анализ и контроль на предприятии 1.16 MB
  Роль финансового анализа в принятии управленческих решений. Виды финансового анализа и схема его проведения. Методы, приемы и система показателей при проведении финансового анализа Цели, задачи, функции и виды финансового контроля на предприятия. Контроль учредительных документов и уставного капитала предприятия. Решение задач финансового менеджмента на основе материалов контроля
1725. Информационные технологии в бухгалтерском учете 1.84 MB
  Правильная методическая основа построения планируемых и учетных показателей, охват учетом всех хозяйственных процессов и операций, достоверность, полнота, точность учетных данных, оперативность выполнения учетных операций, эффективность организации бухгалтерского учета.
1726. ПРАВОВОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПО ОКАЗАНИЮ ТУРИСТИЧЕСКИХ УСЛУГ 1003.65 KB
  Туристская деятельность как вид предпринимательской деятельности. Источники правового регулирования туристской деятельности. Агентский договор в сфере туристской деятельности. Органы публичной организации туристской деятельности. Методы публичной организации туристской деятельности.