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要谈坐标系变换,那么坐标系有哪些呢?依次有:物体坐标系,世界坐标系,相机坐标系,投影坐标系以及屏幕坐标系.我要讨论的就是这些坐标系间的转换。
这些坐标系不是凭空而来,他们都是为了完成计算机3D图形学最最最基本的目标而出现.
计算机3D图形学最最最基本的目标就是:将构建好的3D物体显示在2D屏幕坐标上.
初看好像就是将最初的物体坐标系转换到屏幕坐标系就可以了呀,为什么多出了世界坐标系,相机坐标系,投影坐标 系。这是因为:在一个大世界里有多个物体,而每个物体都有自己的坐标系,如何表述这些物体间相对的关系,这个多出了世界坐标系;如果只需要看到这个世界其 中一部分,这里就多出了相机坐标系;至于投影坐标系那是因为直接将3D坐标转换为屏幕坐标是非常复杂的(因为它们不仅维度不同,度量不同(屏幕坐标一般都 是像素为单位,3D空间中我们可以现实世界的米,厘米为单位),XY的方向也不同,在2D空间时还要进行坐标系变换),所以先将3D坐标降维到2D坐标, 然后2D坐标转换到屏幕坐标。
理解3D图形学的第一步:理解左手坐标系与右手坐标系
为什么会有左手坐标系与右手坐标系之分?
在3D空间(没错!就是3D)中,所有2D坐标系是等价的(就是通过一系列的仿射变换,可以互相转换)
而3D坐标系不是等价的,通过仿射变换,是无法将左手坐标系转换到右手坐标系;也就是说,物体坐标系用的就是左手坐标系,世界坐标系用的是右手 坐标系,那么物体可能就是不会是我们所希望的样子了,可能是倒立的,也可能是背对着我们的,所以我们要区分左手坐标系与右手坐标系。也许在4D空间,左右 手坐标系就可以互相变换了吧。
进入正题吧:
首先讨论的是物体坐标系->世界坐标系
前面说了为了描述多个物体间相对的关系,这里引进了世界坐标系,所以世界坐标系是个参考坐标系。
这一步的目的将所有的物体的点都转移到世界坐标系,这里主要涉及的是旋转,缩放,平移等。
不过我将详细说明为何及如何用矩阵来描述这些变换。
例:如果有两个坐标系C与C`, C`是C绕Z轴旋转θ得到的。下面是各坐标轴的变换:
注:此处Cz'的纵坐标应为1
如果是C坐标系的点P(x, y, z),而在C`的表示就是
注:此处Z’轴坐标应为z,为作者笔误,且C‘是C绕Z轴顺时针方向旋转
这时该如何建立矩阵呢? 答案就是区分你用的是行向量还是列向量.也许有人会问为什么不区分是左手坐标系还是右手坐标系呢?因为C可以变换到C`,那么他们一定是同在左手坐标系或右手坐标系,变换只能在可以互相转换的坐标系之间进行。
如果你用的是行向量:由于行向量只能左乘矩阵(注意乘与乘以的区别)
所以矩阵形式应该是这样
只有这样,在左乘矩阵时才能得到上面P`的形式。
如果你用的是列向量: 由于列向量只能右乘矩阵(注意乘与乘以的区别)
所以矩阵形式应该是这样
只有这样,在右乘矩阵时才能得到上面P`的形式。
至于如何旋转,缩放,平移我不在多说。
…………………………………
我们再讨论世界坐标系->相机坐标系
引进相机的目的就是只需看到世界的一部分,而哪些是可以在相机里看到的,就需要进行筛选。将物体转换到相机坐标系,这样相机坐标系进行筛选时就会简单很多。这里的重点是构建相机坐标系。
物体坐标系,世界坐标系是美工在绘制时就定义好了的。而相机坐标系是需要程序实时构建的。(当然这是通常情况下,如果你要建立一个世界,这个世界都是围绕 你转,要实时改变所有物体坐标系,固定相机坐标系(其实这时候相机坐标系就是世界坐标系),建立一个地心说的世界,我也没办法,你的思维也太不一样了。)
如何构建相机坐标系呢?首先我们要明确目标:我们是要构建3D坐标系(好像是废话),三个坐标轴要互相垂直(也好像是废话).
我们一般用UVN相机。例如:D3D的D3DXMatrixLookAtLH,D3DXMatrixLookAtRH,OGL的gluLookAt(右手坐标系).
如何建立呢UVN相机呢? 我们就要利用叉积这个工具了:两个不平行,不重叠的向量的叉积可以得到与这两个向量互相垂直的向量。
如果有了相机的位置与目标的位置那么我们可以确定一个Z轴(有人问为什么是Z轴,因为物体的远与近我们就习惯用Z值来表示的)。求Z轴时要注意 是左手坐标系还是右手坐标系,左右手坐标系XY轴方向相同时,Z轴的方向相反。所以左手坐标系是目标位置减去相机位置,而右手坐标系则是相机位置减去目标 位置。记得normalize
这是我们要得到X与Y轴了。如何求X,Y轴呢?
一般方法是:
1、选择一个临时Y轴,
2、对临时Y 与Z 轴进行叉积求得一个X轴
3、X轴再与Z轴进行叉积,得到一个Y轴。
有了XYZ就可以求出旋转的相机矩阵了。
如何选择一个Y轴呢?大多数情况下是(0,1,0),但是如果是相机位置E与目标位置T垂直,即(E-T=(0,+/-1,0)时),这时就不能用(0,1,0)了, 因为两个平行向量的叉积是零向量,所以我们就要另选一个Y轴。
但是我觉得我们可以改变方法。
如果不能选Y轴,我们就选择一个临时X轴,这个临时X轴就是(1,0,0)。
然后再对临时X轴与Z轴进行叉积求得一个Y轴。
最后Y轴再与Z轴进行叉积,得到X轴。
这样可以得到XYZ轴。
最后再根据行向量与列向量建立相机矩阵,再进行平移。
相机坐标系->投影坐标系 .
投影的目的就是:降维.
两种投影方式:正交投影与透视投影.
在我们TEAM中易颖已经写了,我就不多说了,大家去看他的文章。
投影坐标系->屏幕坐标系
这是最简单的。2D坐标变换。也不多说。
转载文章2:http://www.xingousi.com/computer/computergraphics.htm
计算机图形学透视投影变换原理及一点和两点透视
一、平行互分法
吴英凡所写的《透视作图的新方法——交点法体系》,其中谈到的平行互分法,还是有道理的。
其实简单点说,就是透视图上的两条“原来空间中的平行线”(在画面上透视投影为相交于灭点),通过其中一条透视投影直线的端点画另一条透视投影直线的平行线,必平行于画面;这第三条线在画面的透视投影的灭点必然在另一条透视投影线上。
二、透视投影变换学习总结
1、用多维数列表示低维空间坐标,加深理解齐次坐标表示法。
齐次坐标表示法可以方便地运算,同时形状不变。[x,y,z,0]表示一个无穷的点。
2、透视投影变换公式可以看成两个矩阵的乘积,其中一个做透视变换,另外一个作正投影
保留的z'值的确切含义:指的是在完全作完透视投影变换之前,仅作透视投影之后的一条线.
它的几何意义见李建平《计算机图形学原理教程》第44页。
3、左手和右手坐标系的坐标转换
“视点坐标系与一般的物体所在的世界坐标系不同,它遵循左手法则,即左手大拇指指向Z正轴,与之垂直的四个手指指向X正轴,四指弯曲90度的方向是Y正轴。而世界坐标系遵循右手法则的。”
4、视点坐标系的透视变换公式很重要!!王飞著计算机图形学书65页
5、z'值的确切含义:指的是在完全作完透视投影变换之前,仅作透视投影之后的一条线
三、两点透视的变换矩阵:
王飞编著《计算机图形学基础》的道理是:
从平面图形的平移、旋转、错切开始推导,两点透视的变换矩阵可以看成是:
物体本身有一个物体坐标系——xw,yw,zw,视点作为原点又构成一个视点坐标系——xe,ye,ze,物体坐标系z轴朝上,y轴朝向远处;而视点坐标系y轴朝上,z轴朝向远处。
这样,最终的二点透视状态可以这样取得,首先把物体的位置的物体坐标系表示法转化为视点坐标系的表示法(第一个矩阵),然后围绕视点坐标系的y轴旋转(第二个矩阵),然后在x,y,z方向上平移(第三个矩阵),最后做透视变换(第四个矩阵),它的原文是把平移放在第二步,我在平移之前转动,目的是保证了物体旋转的轴在离它不远的地方:
我使用的矩阵变换如下,原文是是把平移放在第二步:
[xw,yw,zw,1]* * * *
最后所得结果是一个新的矩阵,
[xe ye ze 1]=[cos *xw-sin *yw+l zw+m 2sin *xw+2cos *yw+2n-d (sin *xw+cos*yw+n)/d]
把最后一项变成1,可得
=[(cos *xw-sin *yw+l)*d/(sin *xw+cos *yw+n (zw+m)*d/(sin *xw+cos *yw+n) (2sin*xw+2cos *yw+2n-d)*d/(sin *xw+cos *yw+n) 1 ]
即:
Xe= (cos *xw-sin *yw+l)*d/(sin *xw+cos *yw+n)
Ye=(zw+m)*d/(sin *xw+cos *yw+n)
Ze=(2sin *xw+2cos *yw+2*n-d)*d/(sin *xw+cos *yw+n)
实际上我的delphi程序里面是这样的:
xe:=trunc((cos(angle)*eee[ii][k].X-sin(angle)*eee[ii][k].Y+l)*d/(sin(angle)*eee[ii][k].X+cos(angle)*eee[ii][k].Y+n));
ye:=trunc((hhh[ii][k]+m)*d/(sin(angle)*eee[ii][k].X+cos(angle)*eee[ii][k].Y+n)); //透视变换
//ze可以考虑使用作为消隐
Ze:=trunc((2*sin(angle)*xw+2*cos(angle)*yw+2*n-d)*d/(sin(angle)*xw+cos(angle)*yw+n));
四、通过变换过的两点透视的结果xe,ye,zw和 *,反求原来的物体坐标xw,yw
即:xe,ye,zw和 已知,求出xw,yw
根据:
Xe= (cos *xw-sin *yw+l)*d/(sin *xw+cos *yw+n) (1)
Ye=(zw+m)*d/(sin *xw+cos *yw+n) (2)
Ze=(2sin *xw+2cos *yw+2n-d)*d/(sin *xw+cos *yw+n) (3)
(1)除以(2)得
Xe/Ye= (cos *xw-sin *yw+l)/ (zw+m)
(Xe*(zw+m))/Ye=cos *xw-sin *yw+l
(Xe*(zw+m))/(Ye* cos )=xw-tan *yw+l/cos
Xw=(Xe*(zw+m))/ (Ye* cos ) - (ye*l)/(Ye* cos )+( sin *yw*ye)/ (Ye* cos )
Xw=(Xe*(zw+m)+ sin *yw*ye- ye*l)/ (Ye* cos ) (4)
由(2)得
Ye*(sin *xw+cos *yw+n)= (zw+m)*d
Ye*(sin *xw)+ye* cos *yw+n*ye=(zw+m)*d
把(4)代入上式得
Ye* sin *( Xe* (zw+m)+ sin *yw*ye- ye*l)/ (Ye* cos ) +ye* cos *yw+n*ye=(zw+m)*d
约去ye,得
sin *( Xe* (zw+m)+ sin *yw*ye- ye*l)/ cos +ye* cos *yw+n*ye=(zw+m)*d
tan *( Xe* zw+xe*m+ sin *yw*ye- ye*l) +ye* cos *yw+n*ye=(zw+m)*d
tan * Xe* zw+xe*m * tan - ye*l* tan + sin * tan *yw *ye +ye* cos *yw+n*ye=(zw+m)*d
(sin * tan *ye +ye* cos )*yw+ tan * Xe* zw +xe*m * tan - ye*l* tan +n*ye=(zw+m)*d
最后得
Yw=[(zw+m)*d- tan * Xe* zw- xe*m * tan + ye*l* tan - n*ye]/ (sin * tan *ye +ye* cos ) (5)
而前面已经得到
Xw=(Xe*(zw+m)+ sin *yw*ye- ye*l)/ (Ye* cos ) (4)
实际上相当于opengl里面的逆变换,从鼠标选中的屏幕位置来确定对应的三维空间中位置,opengl使用gluUnProject和gluUnProject4来计算。
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