A kvetezkben a projektv geometria alapjaival, a homogn koordintkkal s azokkal egyszerstett, mr trgyalt transzformcikkal ismerkednk meg, mintegy kiegsztsknt az eddigiekhez. Ersen elmleti alapon s a teljessg ignye nlkl trgyaljuk a megfelel rszeket, ezrt a cikk elssorban azoknak ajnlhat akik mr mlyebben megismerkedtek a matematika rejtelmeivel. | |
Mott:" A semmibl teremtettem egy j, ms vilgot."
A kvetezkben a projektv geometria alapjaival, a homogn koordintkkal s azokkal egyszerstett, mr trgyalt transzformcikkal ismerkednk meg, mintegy kiegsztsknt az eddigiekhez. Ersen elmleti alapon s a teljessg ignye nlkl trgyaljuk a megfelel rszeket, ezrt a cikk azoknak ajnlhat akik mr mlyebben megismerkedtek a matematika rejtelmeivel. Viszont azok szmra is hasznos is lehet, akiknek mg mindez nem mond tl sokat, de ksbbi tanulmnyaik sorn taln j hasznt vehetik. Ebben az sszelltsban elssorban az a clunk, hogy a klnbz skbeli, s trbeli transzformcikhoz olyan matematikai formalizmust talljunk, melyet egyszeren s hatkonyan lehet algoritmizlni szmtgpes rendszerekben. Az affin transzformcik s a vetletkpzs mveleteinek egysges, kzs lershoz a homogn koordintk lersval juthatunk. Ksznhetjk ezt Bolyai Jnosnak!
Projektv geometria fogalma
Az euklideszi trrel mr mindenki megismerkedhetett tanulmnyai sorn, algebrai alapjt pedig a Descartes koordintarendszer
jelenti. Ezzel a rendszerrel mi magunk is bven foglalkoztunk mr a sorozaton bell. De sajnos az euklideszi trben nem minden pont vetthet centrlisan. A centrlis projekcira lyukas (idelis trelemek)! Gondoljunk csak bele, hogy mi trtnik azokkal a pontokkal, amik prhuzamosak a kpskkal. Ilyenkor a pontokat jellemez vettsugarak is prhuzamosak a kpskkal, s nem felel meg kppont az euklideszi geometriban. Ezek a pontok a "vgtelenbe vetlnek". Termszetesen erre a problmra megoldst jelent a projektv geometria, ahol is a lyukas tereket "betmkdik", "idelis trelemekkel". A projekti geometria teht felfoghat az euklideszi geometria s az idelis pontok egyestseknt. Felvetdhet a krds, hogy miknt is lehet betmkdni a lyukas tereket az euklideszi geometriban? A tr minden egyes egyenest a kznsges pontokon tlmenen egy idelis ponttal egsztjk ki. Definici szerint prhuzamos egyenesekhez egy idelis pont tartozik meyekben ezek "metszik" egymst.Egy sk idelis pontjai egy idelis egyenesen vannak . Prhuzamos skok idelis egyenesei megegyeznek. A tr idelis egyenesei egy skban vannak, a tr idelis sikjban. Az idelis trelemeket "vgtelen" tvoli trelemeknek is szoktk nevezni. A szmtgpes grafikban az idelis trelemek bevezetse azrt nagyon fontos, mert a prhuzamos s nem prhuzamos trelemek kezelse ezzel a mdszerrel egysgesen megoldhat. A projektiv geometriban az algebrai alapot a homogn koordintk jelentik.
Homogn koordintk fogalma
Egy mondatban megfogalmazva arrol van sz, hogy a 3D-s helyvektorainkat egy formlis lpssel ngydimenziss egsztjk ki. A tr egy P pontjhoz vezet
r=(x,y,z)
vektort ezen tl
(w*x, w*y, w*z,w)
alakban rjuk. Termszeten w egy nem nulla tetszleges szm.
Ebbl az rsmdbl brmikor visszatrhetnk az eredeti 3D-s koordintkhoz, gy hogy a vektor els hrom koordintjt elosztjuk a negyedikkel. Ezek alapjn P(x,y,z) pont homogn koordinti a (w*x, w*y, w*z,w) szmngyes lesz. A definci alapjn viszont P pontnak rengeteg homogn koordintja lehet, a szerint hogy w-nek milyen rtket vlasztunk. Emiatt rdemes w-nek egy konkrt rtket vlasztani, mondjuk az egyet. Ekkor az x,y,z,1 koordintangyest a P pont normalizlt homogn koordintinak nevezzk. Sajnos a 3D-s tr homogn koordintit szemlletesen nem tudjuk bemutatni, de 2D-s koordintk esetn mr megoldhat az brzols. Ekkor a skbl ki kell lpnnk a trbe, gy hogy az (x,y) alapskkal felvesznk egy prhuzamos skot a trbeli koordintarendszerben, ahol a felvett sk elmetszi z-tengelyt az egyben. Ekkor az (x,y) skban lv pontunkat merlegesen felvetjk z=1 skra. A lnyege ennek a rendszernek
vzlatosan ez volna.
Hogy mi rtelme van mindennek? A vlaszt erre nehz rviden megadni, de az biztos, hogy nem csupn formlis konstrukci. Ezt matematikailag az euklideszi tr gynevezett projektiv lezrsa teszi szksgess. Ami alatt az rtjk, hogy a teret kiegsztjk idelis trelemekkel. Azrt fontos jobban megismerkednnk a homogn koordintk fogalmval mert a szmtgpes grafikban az idelis vagy "vgtelen" tvoli trelemek bevezetsvel a prhuzamos s nem prhuzamos trelemek kezelse egysges mdon megoldhatv vlt. Ami ltal sokkban leegyszersdtek a transzformcik programalgoritmusai!
A homogn koordintk teht az n dimenzis tr egy pontjnak helyzett n+1 koordinta segtsgvel rja le, oly mdon, hogy egy tetszleges nulltl eltr rtkkel az eredeti n dimenzis trben rtelmezett koordintkat megszorozzuk s ezt a konstanst tekintjk az n+1-dik koordintnak. Az n dimenzis tr egy pontja (x1, x2, x3, ..., xn) homogn koordintkkal kifejezve (xh1, xh2, xh3, ..., xhn, w). Az eredeti n dimenzis s a homogn koordintk kztti kapcsolatot az xhi = xi * w sszefggs fejezi ki. gy egy n dimenzis trben rtelmezett pontnak vgtelen szm homogn koordints megfelelje ltezik. Pldul a sk koordintk (2D) esetn egy pontnak a homogn koordints trben (3D) egy az orign thalad egyenes felel meg.
A legegyszerbb, ha a homogn koordints alakra trtn ttrsnl a szorzt egynek vlasztjuk, ekkor a homogn s az n dimenzis tr koordinti megegyeznek. Erre azrt van szksg mert a definici alapjn gy egy tetszleges P pontnak vgtelen sok homogn koordintja van, aszerint hogy w-nek milyen rtket vlasztunk A normalizlt s a szoksos trbeli koordintk kztt a fenti megfeleltets klcsnsen egyrtelm. Azaz ha P pont koordintja trben (x, y, z), akkor ennek megfelel homogn koordintk a kvetkezek lesznek, (x, y, z ,1). Viszont ha P pont homogn koordintja (x, y, z, 1) akkor ennek megfelel trbeli koordintk a kvetkezek lesznek, (x, y, z). Az eddig megismert transzformcik, az eltols kivtelvel mind elvgezhetk mtrixszorzssal is. Ez azrt fontos, mert ezeknek a mtrixoknak a sorozatos szorzatval, egyms utn tbb transzformci is vgrehajthat.
A kpet csak a mr emltett eltols rontja el. Pontosan azrt, hogy egysgesen lehessen kezelni az eltolst, a forgatst, a nyrst, kell a homogn koordints megadshoz folyamodnunk. Ugyanis egy hromdimenzis eltolst nem erltethetnk egy 3x3-as mtrixba, mert egyszeren nincsen hely szmra. Ha azonban a mtrixot 4x4-esre bvtjk ki akkor mr az eltolst is mtrixszorzssal kezelhetjk. Ehhez persze a vektorunkat is ki kell bvteni ngydimenziss. Pontosan ezrt fontos a homogn koordints megads.
Mert gy mr minden geometriai transzformcit mtrix mveletek segtsgvel hajthatunk vgre, tbb egyms utn vgrehajtand transzformci eredjt egy transzformcis mtrixba foglalhatjuk ssze, hasznlatuk s az alkalmazott mdszerek knnyen ltalnosthatk az n dimenzis trre, vgtelenbe lev pontokat vges koordintkkal fejezhetnk ki.

Geometriai szmtsok homogn koordintk segtsgvel
Pont s egyenes viszonya
A 2D-s trben egy egyenes ltalnos alakjt az a*x + b* y + c = 0 egyenlettel adhatjuk meg. Az y = m * x + b nem az egyenes ltalnos alakja, mivel ezzel a kifejezssel nem tudjuk lerni az y tengellyel prhuzamos egyeneseket! Egy 2D-s pont koordinti akkor elgti ki az egyenes egyenlett, ha pont az egyenesre esik. A pont homogn koordintit hasznlva az egyenes egyenletnek bal oldala az egyenes egytthatibl alkotott vektor (e) s a pont homogn koordintibl alkotott vektor (p) skalris szorzata. Az <e p> skalris szorzat eredmnynek eljele megadja, hogy a pont az egyenes melyik oldalra esik, az rtke pedig arnyos a pont s az egyenes tvolsgval.
Kt ponton tmen egyenes (2D)
Legyen p1 s p2 kt nem egybees 2D-s pont homogn koordints vektora. A kt ponton thalad egyenes egyenletnek egytthati megegyeznek a p1 s p2 vektorok vektorilis szorzatnak koordintival (e = p1 x p2).

Mivel xh1 = x1 *w1, yh1 = y1 * w1 s xh2 = x2 * w2, yh2 = y2 * w2, az a, b, c egytthatkbl kiemelhetnk w1 * w2-t s egyszersthetnk vele.

Az egyenes egytthatinak helyessgt knnyen ellenrizhetjk, a <p1 e> s <p2 e> skalris szorzatok eredmnye nulla.
Kt egyenes metszspontja (2D)
Vegyk szre, hogy a 2D tr legegyszerbb ktdimenzis alakzata (egyenes) s a kettdimenzis pont homogn koordints alakja hrom elem vektorral rhat le. Ezek alapjn a kt egyenes metszspontjnak kiszmtsra is alkalmazhat a kt ponton tmen egyenes egytthatinak kiszmtshoz felrt sszefggs.

A kettdimenzis trbe a homogn koordintval (w) val oszts utn juthatunk vissza.

A homogn koordintk alkalmazsval a kt ponton thalad egyenes s a kt egyenes metszspontjnak meghatrozsa ugyanannak a matematikai problmnak a megoldst jelenti. Ez az llts az n dimenzis trre is ltalnosthat. Ezt a dualits ttelnek nevezzk. A ktdimezis trben a pont s az egyenes, a hromdimenzis trben a pont s a sk az egymsnak megfelel elem.
Pont s egyenes tvolsga
Egy pont homogn koordints vektora s egy e egyenes egytthat vektornak a skalris szorzata a pont s az egyenes tvolsgval arnyos. A skalris szorzat normlsval a tvolsgot is megkaphatjuk. A p (xh, yh, w) pont s az e (a, b, c) egyenes tvolsga (t):

Egy ponton thalad s adott egyenesre merleges egyenes egyenlete
Adott egy p pont homogn koordints vektora s egy e egyenes egytthat vektora. A keresett egyenes egytthat vektort jelljk f (d, e, f)-el. Az f egyenesnek t kell mennie a p ponton <p f> = 0. Az f egyenes merleges e-re, ha irnyvektoraik skalris szorzata 0 (a*c+b*d=0).
3 ponton tmen sk (3D)
Prbljuk meg ltalnostani a a kett dimenziban alkalmazott kt ponton tmen egyenes egyenlett. A hromdimenzis trben egy pont homogn koordints alakjt ngy koordintval rhatjuk le p (xh, yh, zh, w), egy sk ltalnos egyenlete a * x + b * y + c * z + d = 0. Ksztsk el a ngydimenzis tr egysgvektor irnyaibl s a hrom trbeli pont homogn koordintibl alkotott mtrixot s kpezzk az egyes i, j, k, l irnyokhoz tartoz aldeterminnsokat, ezek adjk a sk egyenletnek egytthatit (ezzel tulajdonkppen a 3D-s tr vektorilis szorzatt ltalnostottuk).
2D-s transzformcik
Az elemi 2D-s geometriai transzformcik 3x3-as mtrixok segtsgvel rhatk fel. Egy pont transzformci utni koordintit a pont homogn koordints vektora s a transzformcis mtrix szorzata adja. A transzformcis mtrix 4 rszre bomlik
1 forgats s mretarny vltoztats az x s y tengely mentn
2 eltols
3 projektv transzformci
4 mretarny vlts mindkt koordintatengely mentn
Eltols

Sklzs
Az x s y tengely mentn eltr mretszorz belltsa
Az x s y tengely mentn azonos mretszorz belltsa

A sklzs segtsgvel az x illetve y tengely menti tkrzst is vgrehajthatunk (Sx=-1, Sy=1 az x tengely menti tkrzs).
Orig krli forgats
A pozitv forgsi irny az ramutat irnyval ellenttes.

Projektv transzformci - Egyenesekre vonatkoz transzformcik
A p pontot az M transzformci mtrix a p' pontba viszi t (pT'=pTM). Az e egyenes egytthatit az M transzformci utn az e'=M-1e sszefggs alapjn kaphatjuk meg.
Transzforncik konkatenlsa
Egy pontra tbb elemi transzformcit alkalmazva a kvetkez sszefggs addik

Mivel a mtrix szorzs asszociatv (csoportosthat) a kvetkez alakban a felrhatjuk

Azaz a transzformcis mtrixok szorzatt elre kiszmthatjuk s egy ered M transzformcis mtrixot rhatunk fel.Figyelembe kell venni, hogy a mtrix szorzs nem kommutatv mvelet, gy a transzformcis mtrixok sorrendjt nem szabad felcserlni.

Transzformcik ellentettje
Egy M transzformci ellentetjt a transzformcis mtrix inverzvel fejezhetjk. Az eddig felrt elemi transzformcik mindegyike invertlhat (rangjuk 3).

Az egyes elemi transzformcik ellentett transzformcija s az eredeti transzformcis mtrix inverze azonos. Pldul a 30 fokos forgats transzformcis mtrixnak az inverze a mnusz 30 fokos forgats transzformcis mtrixval azonos.
Pldul egy tetszleges pont krli elforgatst hrom elemi transzformci felhasznlsval hajthatjuk vgre.
- a koordintarendszer origjnak eltolsa a forgats kzppontjba
- forgats az orig krl
- a koordintarendszer visszatolsa az eredeti helyzetbe, az 1 transzformci inverze
Lekpzsi transzformci
A szmtgpes grafikban gyakran kell transzformlnunk a vilg koordintarendszer (ez az a koordintarendszer, melyben a geometriai alakzatok jellemz pontjainak koordintit troljuk) s a kperny koordintarendszer kztt. Jellmzen a vilg koordintarendszer egy tglalap alak, koordintatengelyekkel prhuzamos tartomnyt kpezzk le a kp koordintarendszer egy tglalap alak tartomnyba.

A lekpzsi transzformci elemi transzformcii, a vilg koordintarendszer origjnak eltolsa a megjelentend rsz bal fels sarkba (a kperny koordintarendszer pozitv y tengelye lefel mutat), a koordintarendszer tkrzse az x tengelyre, mretvltoztats a tengelyek mentn, eltols a kperny koordintarendszerben. Az ily mdon ltrehozott lekpzsi transzformci inverzvel a kperny koordintkat (egr mutat pozcija) vissza tudjuk transzformlni a vilg koordintarendszerbe. Tovbbi problmt jelent, hogy a megjelentsre kivlasztott tglalapon kvli rszeket nem szabad megjelenteni. Ennek megoldst az ablakvgsi mdszereknl trgyaljuk.
3D-s transzformcik
Eltols

Sklzs
Az x, y s z tengely mentn eltr mretszorz belltsa

Az x, y s z tengely mentn azonos mretszorz belltsa

Az X, Y, Z tengely krli forgats alfa szggel
A hromdimenyis transzformcik esetn az elemi forgatsi transzformci a tengely krli forgats. Ennek megfelelen hromfle forgatsi transzformci rhat fel.
Az X tengely krli forgats alfa szggel

Az Y tengely krli forgats alfa szggel

A Z tengely krli forgats alfa szggel

Perspektv transzformci
A perspektv transzformci a hromdimenzis koordintkbl ktdimenzis koordintkat llt el. Az ilyen dimenzi cskkent transzformcinak nem ltezik inverze. A hromdimenzis testek brzolsnl ltalban meg kell oldani a takart vonalak vagy takart felletek problmjt is. Ehhez szksg van a kpsktl mrt tvolsgra is, ezrt olyan transzformcit vezetnk be, mely a perspektv mlysget is megrzi.

Transzformci az eltnsi pontok alapjn

Prespektv traszformci tetszleges nzpont s kpsk helyzet esetn
Adott a nzpont (Xe, Ye, Ze) s a kpsk kzppontjnak (Xk, Yk, Zk) helyzete.
- Az orig eltolsa a nzpontba
- Forgats az x s y tengely krl, hogy a z tengely a nzpont s a kpsk kzppont egyenesbe kerljn
- Perspekttv transzformci
Bolyai Jnos j, ms vilga
BOLYAI JNOS minden idk egyik legnagyobb s legeredetibb gondolkods matematikusa volt s a legforradalmibb tudomnyos alkotk kz tartozott. desapja Bolyai Farkas hadmrnk volt, fia 1802 december 15.-n szletett Kolozsvron. Tavaly volt a 200. vfordulja, s orszgszerte megemlkeztek rla. Sajnos mi akkor ezt ne tettk meg, de gy gondolom minden vben megtehetjk, az irnta val tisztelet jell, hiszen feledni gysem lehet e tragikus sors lngszt.
"Bolyai Jnos 12 ves kortl szakadatlanul foglalkozott a "parallelk" hatalmas problmjval.1823-ban ezeket a sorokat rta Temesvrrl desapjnak:"A felttelem mr megvan, ll, hogy mihelyt rendbe szedem, elksztem,'s md lesz , a'parallelkrl egy munkt adok ki;....des-Apm meg-esmeri; most tbbet nem szlhatok, csak annyit, hogy "A SEMMIBL EGY J MS VILGOT TEREMTETTEM" De mi is ez a nagy felfedezs amely alapjaiban "megrengette" az akkori vilgot? Az antik grgk nagy tallmnya a GEOMETRIA. Az antik grg geometria alkalmazhatsga elssorban annak ksznhet, hogy lltsait "nhny alapigazsgbl" vezeti le. Nem szksges teht a termszet minden jelensgt kzvetlen tapasztalatbl megismerni, elg csupn nhny elemi, minden ember szmra nyilvnval alapigazsg-gynevezett- Axioma-megismerse tapasztalat alapjn. Utna mr minden egyb tapasztalatilag alig hozzfrhet tnyt az aximk igazsgra tmaszkodva pusztn gondolkods tjn be tudunk bizonytani.
Az elmondottak alapjn, elg vilgos, hogy a geometria tudomnyban minden aximkon mlik. De a geometria aximi kztt, amelyeket Eukleidsz, alexandriai matematikus lltott ssze i.e.300 krl, az "V.posztultum, vagy XI. axima nven szerepel egy olyan llts is, amelynek igazsga egyltalban nem nyilvnval, mint a tbbi axim. Ez skra vonatkoztatva, gy mondhat ki: ha a P pont nincs az E egyenesen, akkor a P ponton egyetlen E-vel prhuzamos egyenes halad keresztl. De mi is az a prhuzamos? Ugyanazon kt sk egyenest akkor nevezzk prhuzamosnak, ha sohasem metszik egymst. A gyakorlatban ezt csak gy tudnnk bebizonytani, hogy vgig jrnnk az egyik egyenest. De ezt a vgtelen hossz utat lehetetlen megtenni.
Az V. posztultumnak az az lltsa teht, hogy az E egyeneshez csak egy prhuzamost hzhatunk nem nyilvnval, ezrt ez a posztultum kir a tbbi axioma kzl. 2000 vig "gytrte" ez az axioma a vilg tudsait, mg megszletett az a gondolat, hogy az V.posztultum taln nem is "alapigazsg" hanem a tbbi axima "kvetkezmnye". Fel kellene fedezni teht az V.posztultum "bizonytst" a tbbi axima alapjn. A nagy krdsre 2000 vig senki sem tallta meg a vlaszt. Bolyai Jnos elszr mint eltte sokan msok: feltette, hogy az V. posztultum hamis, s azt remlte, hogy ebbl valamilyen ellentmondsra bukkan, ami azt igazoln, hogy feltevse helytelen, vagyis az V. posztultum lltsa mgiscsak igaz. Bolyai is kereste a "hibt", mint annyian eltte, Saccheri, Lambert, Lagrange vagy Bolyai Farkas.
Kereste s nem tallta! Ekkor jtt r arra a rendkvli jelentsg gondolatra, hogy azrt nem tall ilyen hibt, mert "Nincs ilyen Hiba!" Bolyai Jnos lngesze szrevette, hogy a geometria kzvetlenl nem azt rja le, milyen a vilg, hanem csak eszkze a vilg megismersnek: azt rja le milyen lehet a vilg. A geometria rendet csinl a vilgrl alkotott felfogsunkban s megmutatja az utat, amerre jrnunk kell. Teht az V.posztultum elhagysval a megmarad aximkbl felpthet egy olyan geometriai tudomny, amely " j, ms vilg" lehetsgt is felleli de magba foglalja klnleges esetknt az V.posztultumot elfogad eukleidszi geometrit is, de egy msik nem eukleidszi geometrit is tartalmaz, amelyben mr az V.posztultum nem alapigazsg.
Ezt az j eukleidszi s nem eukleidszi geometrit foglal tudomnyt nevezte el Bolyai Jnos ABSZOLT GEOMERINAK. Az abszolt geometria a tudomnyos kutatsok eltt j lehetsgeket trt fel. Az egsz matematikt megrzta ez az j, nagyszer felfedezs. Bolyai tisztban volt j ms vilga forradalmi merszsgvel is, amely szinte cfolhatatlanul bebizonytotta az eukleidszi geometria megingathatatlannak ltsz igazsgait. Tbb rsos elzmny utn ez jelent meg apja "TENTAMEN" cm knyve fggelkeknt "A P P E N D I X" cmen.
Az "Appendix-ben" fellltott ttelek tbbsge "abszolt igaz", mert egyarnt rvnyes az eukleidszi s a prhuzamossgi axima tagadsra flptett gynevezett hiperbolikus geometriban. ris volt a tudsok kztt, ugyanakkor trhetetlen szndk az igazabb, jobb vilgot keresk kztt. Vilgra szl felfedez, aki minden erejvel kutatta az igazsgot, s a magyar np bszke szeretettel leli maghoz az igazsgrt oly sokat szenvedett lnglelk fit."
Felhasznlt s ajnlott irodalom:
Foley, van Dam, Feiner, and Hughes: "Szmtgpes grafika: Alapelvek s gyakorlat" c.
Dr. Szirmay-Kalos Lszl: Szmtgpes grafika, 2001
Scharnitzky Viktor: Vektorgeometria s lineris algebra, 1999 (alap!)
L. Ammeraal: Programming Principles in Computer Graphics
Brczy-Barnabs: Differencilszmts, 2001
Turcsnyi Tams, Debreceni Egyetem, 2000
Kozk Rolland, Szegedi Tudomnyegyetem
Budai Attila: Szmtgpes grafika, 1999
Fzi Jnos: Grafikai Alkalmazsok Delphi Nyelven, 2000
Fzi Jnos: 3 dimenzis grafika s animci IBM PC-n
Fzi Jnos: Interaktv grafika, 1997
Internetes publikcik