Краткие теоретические сведения.

Каждая точка пространства (кроме начальной точки О) может быть задана четверкой одновременно не равных нулю чисел ((x,y,z,1) или, более обще, (hx,hy,hz,h), где ). Эта четверка определена однозначно с точностью до общего множителя. Предложенный подход дает возможность воспользоваться матричной записью и в более сложных , трехмерных задачах.

Как известно, любое аффинное преобразование в трехмерном пространстве может быть представлено в виде суперпозиции вращений растяжений, отражений и переносов. Поэтому достаточно подробно описать матрицы только этих последних преобразований.

A. Матрицы вращения в пространстве.

Матрица вращения вокруг оси абсцисс на угол q:

Матрица вращения вокруг оси ординат на угол w:

Матрица вращения вокруг оси аппликат на угол x:

Б. Матрица растяжения (сжатия):

здесь a>0 - коэффициент растяжения (сжатия) вдоль оси абсцисс,b>0-коэффициент растяжения (сжатия) вдоль оси ординат,y>0-коэффициент растяжения (сжатия) вдоль оси аппликат.

В. Матрица отражения .

Матрица отражения относительно плоскости xOy:

Матрица отражения относительно плоскости yOz:

Матрица отражения относительно плоскости zOx:

Г. Матрица переноса :

Здесь (r,q,v)-вектор переноса.

Заметим, что, как и в двумерном случае , все выписанные матрицы не вырождены.

Ортографическая проекция - картинная плоскость совпадает с одной из координатных плоскостей или параллельна ей. Матрица проектирования вдоль оси Х на плоскость YOZ имеет вид

В случае , если плоскость проектирования параллельна координатной плоскости, необходимо умножить матрицу [Px] на матрицу сдвига . Имеем

Аналогично записываются матрицы проектирования вдоль 2-х координатных осей:

Аксонометрическая проекция - проектирующие прямые перпендикулярны картинной плоскости .

Различают три вида проекций в зависимости от взаимного расположения плоскости проектирования и координатных осей:

- триметрия-нормальный вектор картинной плоскости образует с ортами координатных осей попарно различные углы(рис.15);

- диметрия-два угла между нормалью картинной плоскости и координатными осями равны (рис. 16).

- изометрия-все три угла между нормалью картинной плоскости и координатными осями равны (рис. 17).

Каждый из трех видов указанных проекций получается комбинацией поворотов, за которой следует параллельное проектирование.

Перспективные (центральные) проекции строятся более сложно . Предположим что центр проектирования лежит на оси Z - C (0,0,c) а плоскость проектирования совпадает с координатной плоскостью XOY (рис. 19) . Возьмем в пространстве произвольную точку M(x,y,z), проведем через нее и точку С прямую и запишем ее параметрические уравнения . Имеем:

X`= xt , Y`=yt, Z`= c+(z-c)t

Найдем координаты точки пересечения этой прямой с плоскостью XOY. Из того , что z`=0, получаем

Тот же самый результат мы получим, привлекая матрицу

В самом деле,

Mатрица проектирования, конечно, вырождена ; матрица же соответствующего перспективного преобразования(без проектирования) имеет следующий вид

Язык С++ предоставляет очень удобные средства, позволяющие заметно упростить работу с векторами и преобразованиями в пространстве.

Рассмотрим реализацию работы с векторами.

// Файл vector.h

#ifndef VECTOR

#define VECTOR

#include <math.h>

class Vector

{

public:

double x, y, z;

Vector () {};

Vector ( double v ) { x = y = z = v; };

Vector ( const Vector& v ) { x = v.x; y = v.y; z = v.z; };

Vector ( double vx, double vy, double vz ) { x = vx; y = vy; z = vz; };

Vector& operator = ( const Vector& v ) { x = v.x; y = v.y; z = v.z;

return *this; }

Vector& operator = ( double f ) { x = y = z = f; return *this; };

Vector operator - () const;

Vector& operator += ( const Vector& );

Vector& operator -= ( const Vector& );

Vector& operator *= ( const Vector& );

Vector& operator *= ( double );

Vector& operator /= ( double );

friend Vector operator + ( const Vector&, const Vector& );

friend Vector operator - ( const Vector&, const Vector& );

friend Vector operator * ( const Vector&, const Vector& );

friend Vector operator * ( double, const Vector& );

friend Vector operator * ( const Vector&, double );

friend Vector operator / ( const Vector&, double );

friend Vector operator / ( const Vector&, const Vector& );

friend double operator & ( const Vector& u, const Vector& v )

{ return u.x * v.x + u.y * v.y + u.z * v.z; };

friend Vector operator ^ ( const Vector&, const Vector& );

double operator ! () { return (double) sqrt ( x * x + y * y + z * z ); };

double& operator [] ( int n ) { return *( &x + n ); };

int operator < ( double v ) { return x < v && y < v && z < v; };

int operator > ( double v ) { return x > v && y > v && z > v; };

};

class Ray

{

public:

Vector Org;

Vector Dir;

Ray () {};

Ray ( Vector& o, Vector& d ) { Org = o, Dir = d; };

Vector Point ( double t ) { return Org + Dir * t; };

};

inline Vector Vector :: operator - () const

{

return Vector ( -x, -y, -z );

}

inline Vector operator + ( const Vector& u, const Vector& v )

{

return Vector ( u.x + v.x, u.y + v.y, u.z + v.z );

}

inline Vector operator - ( const Vector& u, const Vector& v )

{

return Vector ( u.x - v.x, u.y - v.y, u.z - v.z );

}

inline Vector operator * ( const Vector& u, const Vector& v )

{

return Vector ( u.x * v.x, u.y * v.y, u.z * v.z );

}

inline Vector operator * ( const Vector& u, double f )