3D transformacije in gledanje

3D transformacije in gledanje

Premikanje predmeta - translacija

Vrtenje rotacija okrog središča

Vrtenje rotacija okrog tečaja

Povečava -pomanjšanje Povečava v eni smeri Enakomerna povečava

Striženje (shear)

Povečanje D transformacij na 3D Primer: D skaliranje: [x' y' ] = [x y ] * [Sx ] [ Sy ] [ ] 3D skaliranje: [x y z ] = [x y z ]* [Sx ] [ Sy ] [ Sz ] [ ] Narišemo samo x in y.

Transformacija točk in predmetov = z y x P P P P = z y x Q Q Q Q Homogena predstavitev = z y x z y x P P P M Q Q Q = 34 33 3 3 4 3 4 3 m m m m m m m m m m m m M

Osnovne 3D afine transformacije Transla Translacija cija Povečava Povečava (scalling) (scalling) x x x T T T z y x S S S

Rotacije Okoli osi x: Okoli osi y: Okoli osi z R R R x y z ( β ) ( β ) ( β ) cos = sin cos = sin cos sin = ( β ) sin( β ) ( β ) cos( β ) ( β ) sin( β ) ( β ) cos( β ) ( β ) sin( β ) ( β ) cos( β )

) cos( ) sin( ) sin( ) cos( 3D Rotacije Okoli osi x Okoli osi y Okoli osi z ) cos( ) sin( ) sin( ) cos( ) cos( ) sin( ) sin( ) cos( Opazka: to je enako kot pri D rotaciji

Sestavljanje (veriženje): Enako kot v D ( P) = ( M M )( P) W = M Sestavljanje rotacij Vrstni red je pomemben 3D matrik vrtenja ne smemo zamenjati

Še nekaj primerov 3D transformacij Zrcaljenje preko ravnine xy Enakomerna povečava Translacija v smeri x S S S m

= s r q p n i h g m f e d l c b a M Splošna oblika 3D transformacijske matrike n m l i h g f e d c b a ( ) r q p s povečava, striženje, vrtenje, zrcaljenje Translacija Perspektivna preslikava Splošna povečava

Še več o rotacijah

Več o rotacijah oziroma usmeritvi usmeritev

Interpolacija O O.5 O

Veriženje O O

Koti rotacije okrog fiksnih osi Y Z X R x ( ). R y ( ). R z ( 3 ). P

Predstavitev fiksnih kotov Koti, za katere zavrtimo predmet okrog fiksnih osi Usmeritve določa množica 3 urejenih parametrov ki predstavljajo urejene rotacije okrog fiksnih osi: najprej okrog x, nato y nato z Več možnih zaporedij, ki ne uporabijo nujno vse 3 osi

Predstavitev fiksnih kotov Vrtenje za,45, 9 bi zapisali kot Rz(9) Ry(45), Rx(), saj hočemo najprej rotacijo okrog, ki jo uporabimo na točki P. RzRyRx P Do problema pride, če se dve osi vrtenja poravnata med seboj. Temu pojavu pravimo kardanska zapora ( Gimbal Lock )

Primeri fiksnih kotov rotacije Primer (,9,) Y Rotacija okoli osi z Primer (-45,9,) Y X X Z Z

Primeri fiksnih kotov rotacije Na primer (,9,) Y Y X X Z Z

Primeri fiksnih kotov rotacije Primer (-45,9,) Y Y X X Z Z

Kardanska zapora (gimbal lock) Poravnanje dveh ali več osi vrtenja predmeta pomeni izgubo prostostne stopnje. Predmet se ne bo vrtel tako, kot smo si zamislili.

Kardanska zapora Vrtenje za kot 9 stopinj okoli osi y v bistvu pomeni, da se prva os vrtenja poravna s tretjo. Inkrementalne spremembe v x,z pripeljejo do enakega rezultata: izgubimo prostostno stopnjo

Eulerjevi koti An Euler angle is a rotation about a single axis. Any orientation can be described composing three rotation around each coordinate axis. Roll, pitch and yaw

Eulerjev teorem Poljubna rotacija (ali zaporedje rotacij) okrog neke točke je ekvivalentna eni sami rotaciji okrog neke osi skozi to točko. Eulerjevi koti, β, β, β 3 M = R z ( β3) Ry ( β ) Rx ( β) Poljubno 3D rotacijo lahko dosežemo z vrtenji okoli osi x, y in z

Rotacija točke okrog poljubne osi v 3D Imamo podano: u = vektor enote v smeri osi vrtenja β = kot vrtenja okoli u y P vrtimo v Q u β P Q φ yz z xz x

Rotacija točke okrog poljubne osi v 3D P vrtimo v Q y u β P Q φ yz z xz x M = R y ( xz ) Rz ( φ yz ) Rx( β ) Rz ( φ yz ) Ry ( xz ) xz = kot, projiciran na ravnino xz φ yz = kot, projiciran na ravnino yz

Imamo podano: u = vektor enote v smeri osi vrtenja β = kot vrtenja okoli u + + + + + + ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( z x z y y z x x y z y z y x y x z z x y x u c c su u u c su u u c su u u c u c c su u u c su u u c su u u c u c c Kjer je c cos(β) in s sin(β) Rotacija točke okrog poljubne osi v 3D

Eulerjevi koti Splošna rotacija je kombinacija treh osnovnih rotacij: okoli osi x (x roll), okoli osi y (y roll) in okoli osi z (z roll).

Eulerjevi koti in matrike vrtenja = = = cos sin sin cos ) ( cos sin sin cos ) y - roll( cos sin sin cos ) ( 3 3 3 3 3 roll z roll x + + = ),, ( 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 c c c s s s c s s c s c c s c c s s s s c c s s s s c c c R

Spet naletimo na kardansko zaporo! Rotacija za kot 9 o povzroči izgubo prostostne stopnje z z z y π/ y 3 y x x x x x

Interpolacija Eulerjevih kotov nenaravno gibanje!

Cilj Iščemo parametrizacijo, pri kateri Obstaja med dvema ključnima rotacijama preprosta in neomajna rotacija Je gibanje neodvisno od izbire koordinatnega sistema

Kot in os Katerokoli usmeritev lahko podamo s četvorčkom kot, vektor(x,y,z), pri čemer kot pove, za koliko se zavrtimo okoli osi, ki jo definira vektor Ločeno lahko interpoliramo tako kot kot os Ni problemov s kardansko zaporo! Ne moremo pa učinkovito sestavljati rotacij. Moramo najprej pretvoriti v matrično obliko!

Kot in os Α (Ax,Ay,Az,) Y Z X Eulerjev rotacijski teorem

Kot in os Α (Ax,Ay,Az,) Y Z X Α Eulerjev rotacijski teorem

Kvaternioni

Kvaternioni q =[s,v]=[s,x,y,z] Α (cos(/),sin(/)*a)

Kvaternioni Razširjajo koncept rotacij iz 3D na 4D. Izognejo se problemu kardanske zapore in omogočajo mehke in zvezne rotacije. V bistvu lahko smatramo, da dodajo še en kot vrtenja sferičnim koordinatam (na primer kotom Longitude (zemljepisna dolžina), Latitude (zemljepisna širina) in Rotation) Kvaternion je definiran s 4 realnimi števili x y z w. Ta izračunamo s kombinacijo treh koordinat osi vrtenja in kota vrtenja.

Kakšno zvezo imajo kvaternioni in 3D animacija? Rešitev problema s kardansko zaporo" Namesto vrtenja predmeta z zaporedjem rotacij omogoča kvaternion vrtenje predmeta preko ene same poljubne osi. Ker je os vrtenja podana kot enotin vektor, lahko uporabimo vektorsko matematiko ali sferične koordinate (longitude/latitude). Interpolacija kvaternionov: mehko in napovedljivi učinki rotacije.

Motivacija Iskanje najbolj naravnega in kompaktnega načina za predstavitev rotacij in usmeritev Interpolacija usmeritve, ki vodi v naravno gibanje Zaključena matematična oblika, ki obravnava rotacije in usmeritve (razširitev kompleksnih števil)

Definicija kvaternionov Razširitev kompleksnih števil Četvorčki realnih števil s,x,y,z ali [s,v] s je skalar v je vektortor Isti podatki kot pri podajanju kota in osi, vendar v drugi obliki Lahko gledamo kot na originalno usmeritev ali kot na rotacijo nekega predmeta

Od kvaternionov k matriki vrtenja ( ) W Z Y X Q = + + + = Y X XW YZ YW XZ XW YZ Z X ZW XY YW XZ ZW XY Z Y M

Matematika s kvaternioni Točka v prostoru je podana tako: Multiplikativna identiteta Pri čemer velja Kvaternion enotne dolžine

Lastnosti kvaternionov Konjugacija in absolutna vrednost sta podobni kot pri kompleksnih številih q = ( s, v) q = q* q = s + v x + v y + v z Kvaternioni niso komutativni q = (s,v ) q = (s,v ) q *q = (s s v.v, s v + s v + v x v ) Inverzna vrednost: Kvaternion enote: q = q q * q q = q = q

Rotacija s kvaternioni S pomočjo kvaternionske matematike želimo vrteti vektor v Vektor predstavimo kot [,v] Rotacijo s pomočjo kvaternionov predstavimo kot q q v = = Rot [ ( ) ( ) ( )] ( x, y, z ) = cos,sin x, y z,, ( ) Rot v = q v q

Rotacija s kvaternioni Rotacija P=(,r) okrog vektorja enote n za kot s pomočjo enotnega kvaterniona q=(s,v) R [ P] = qpq = (,( s v v) r + v( v r) + sv r) q toda q=(cos½, sin½ n) kjer je n = R q [ P] = (, (cos ( n r)cos sin ) = (, cos r sin ) r + n( n r)sin + + ( cos ) n ( n r) + ( n r)sin )

Veriženje rotacij rotacija s pomočjo q nato z uporabo q je kot rotacija z uporabo q *q ) * *( )* * ( ) * *( )* * ( )* * * *( = = q q P q q q q P q q q q P q q Rotacija s kvaternioni

Rotacije v praksi Rotacije najlažje izrazimo v Eulerjevih kotih ali kot pare os kot Med različnimi vrstami predstavitev lahko prehajamo (jih pretvarjamo) Izberemo tisto predstavitev, ki je za dano nalogo najbolj primerna Vnos podatkov:eulerjevi koti interpolacija: kvaternioni Sestavljanje rotacij: kvaternioni, matrika usmeritve

Dodatna gradiva, vezana na OpenGL

Trije načini uporabe transformacij Brute Force: Calculate D or 3D transformation matrices then perform Q = M P and draw Q points Using glmatrixmult: Calculate 3D transformation matrices, then glmatrixmode(gl_modelview); glloadidentity(); glmatrixmultd(m); glmatrixmultd(n); Draw P points Using Opengl transformations: Calculate 3D transformation matrices, then glmatrixmode(gl_modelview); glloadidentity(); glrotated(angle,,,); gltranslated(dx,dy,dz); glscaled(sx,sy,sz); Draw P points

OpenGL transformacije Transformacije OpenGL lahko izvedemo bodisi na matriki modelview ali na projekcijski matriki Tekočo matriko nastavimo na modelview ali na projection z naslednjim ukazom: glmatrixmode(gl_modelview) or glmatrixmode(gl_projection)

Uporaba glmatrixmult glmatrixmult{fd}(const TYPE*M) Pri tem je m m5 m m6 M = m3 m7 m4 m8 m m m m 9 m m m m 3 4 5 6 Vse matrike in točke izrazimo v 3D Izračunamo vsak element transformacijske matrike in to shranimo v enodiman zionalno polje M[6] CT = CT*M Nrišemo originalne točke P

Primer Izračunamo transformacijsko matriko M Uporabimo MatrixMult za posodobitev CT Narišemo točke P void mydisplay(void) { Point p[], pl[4]; double M[6], M[6]; int i; // data p[].x = -.; p[].y = 3.; p[].z =.; p[].r = ; p[].x = -; p[].y = -; p[].z = ; p[].r = ;

//transformation matrix by column M[] = cos(*3.459/8); M[] = -sin(*3.459/8); M[] = ; M[3] = ; M[4] = sin(*3.459/8); M[5] = cos(*3.459/8); M[6] = ; M[7] = ; M[8] = ; M[9] = ; M[] = ; M[] = ; M[] = ; M[3] = ; M[4] = ; M[5] = ; //transformation matrix by column M[] = ; M[] = ; M[] = ; M[3] = ; M[4] = ; M[5] = ; M[6] = ; M[7] = ; M[8] = ; M[9] = ; M[] = ; M[] = ; M[] = 3; M[3] = ; M[4] = ; M[5] = ;

//draw transformed shape CT = CT(M)(M) } glcolor3f(.,.,.); glmatrixmode(gl_modelview); glloadidentity(); glmatrixmultd(m); glmatrixmultd(m); glbegin(gl_polygon); for(i=;i<;i++) glend(); glflush(); glvertexd(p[i].x,p[i].y); Opazka: rišemo originalne točke P, ne transformiranih točk Q, ker je matrika Modelview avtomatično uporabljena na vseh P točkah

Transformacije OpenGL glrotated (angle,,,) gltranslated (dx,dy, dz) glscaled (sx,sy,sz) Naknadno množenje trenutne transformacijske matrike CT = CT*Rotate*Translate*Scale Pripelje do Q(x,y,z) = CT*Rotate*Translate*Scale*P(x,y,z) Isti vrstni red kot pri MatrixMult

Shranjevanje CT za kasnejšo uporabo Po več zaporednih matričnih množenjih se lahko kopičijo napake zaokrožanja Morda si želimo povratka na prejšnji CT For(I=; I<num; I=++) { glpushmatrix(); gltranslate ( ); glrotate( ); drawfigure(); glpopmatrix(); } //remember the CT //restore the CT

Nastavitev kamere v OpenGL za paralelne projekcije glmatrixmode(gl_projection); glloadidentity(); glortho(left,right,bottom, top, near,far); Volumen gledanja (view volume) postavimo z definiranjem parametrov left, right, bottom, top, near, far

Pozicioniranje in usmeritev kamere glmatrixmode(gl_modelview); glloadidentity(); glulookat (eye.x,eye.y,eye.z,look.x,look.y,look.z,up.x,up.y,up.z); To nastavimo pred uporabo transformacij.