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 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 )
{
return Vector ( u.x * f, u.y * f, u.z * f );
}
inline Vector operator * ( double f, const Vector& v )
{
return Vector ( f * v.x, f * v.y, f * 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 )
{
return Vector ( u.x / f, u.y / f, u.z / f );
}
inline Vector& Vector :: operator += ( const Vector& v )
{
x += v.x;
y += v.y;
z += v.z;
return *this;
}
inline Vector& Vector :: operator -= ( const Vector& v )
{
x -= v.x;
y -= v.y;
z -= v.z;
return *this;
}
inline Vector& Vector :: operator *= ( const Vector& v )
{
x *= v.x;
y *= v.y;
z *= v.z;
return *this;
}
inline Vector& Vector :: operator *= ( double v )
{
x *= v;
y *= v;
z *= v;
return *this;
}
inline Vector& Vector :: operator /= ( double v )
{
x /= v;
y /= v;
z /= v;
return *this;
}
inline Vector Normalize ( Vector& v ) { return v / !v; }
Vector RndVector ();
Vector& Clip ( Vector& v );
#endif
----------------------------------------------------------------------------
// Файл vector.срр
#include
#include
#include "vector.h"
Vector operator ^ ( const Vector& u, const Vector& v )
{
return Vector ( u.y * v.z - u.z * v.y,
u.z * v.x - u.x * v.z,
u.x * v.y - u.y * v.x );
}
Vector RndVector ()
{
Vector v ( rand () - 0.5 * RAND_MAX,
rand () - 0.5 * RAND_MAX,
rand () - 0.5 * RAND_MAX );
return Normalize ( v );
}
Vector& Clip ( Vector& v )
{
if ( v.x < 0.0 ) v.x = 0.0;
else
if ( v.x > 1.0 ) v.x = 1.0;
if ( v.y < 0.0 ) v.y = 0.0;
else
if ( v.y > 1.0 ) v.y = 1.0;
if ( v.z < 0.0 ) v.z = 0.0;
else
if ( v.z > 1.0 ) v.z = 1.0;
return v;
}
С этой целью создается класс Vector, содержащий в себе компоненты вектора, и для этого класса переопределяются основные знаки операций.
- - унарный минус и поэлементное вычитание векторов;
+ - поэлементное сложение векторов;
* - умножение вектора на число;
* - поэлементное умножение векторов;
/ - деление вектора на число;
/ - поэлементное деление векторов;
& - скалярное произведение векторов;
^ - векторное произведение;
! - длина вектора;
[] - компонента вектора.
При этом стандартные приоритеты операций сохраняются.
Кроме этих операций определяются также некоторые простейшие функции для работы с векторами:
Normalize – нормирование вектора;
RndVector – получение почти равномерно распределенного случайного единичного вектора;
Clip – отсечение вектора.
С использованием этого класса можно в естественной и удобной форме записывать сложные векторные выражения.
Аналогичным образом вводится класс Matrix, служащий для представления матриц преобразований в трехмерном пространстве. Для этого класса также производится переопределение основных знаков операций.
//Файл matrix.h
#ifndef __MATRIX__
#define __MATRIX__
#include "vector.h"
class Matrix
{
public:
double x [4][4];
Matrix () {};
Matrix ( double );
Matrix& operator += ( const Matrix& );
Matrix& operator -= ( const Matrix& );
Matrix& operator *= ( const Matrix& );
Matrix& operator *= ( double );
Matrix& operator /= ( double );
void Invert ();
void Transpose ();
friend Matrix operator + ( const Matrix&, const Matrix& );
friend Matrix operator - ( const Matrix&, const Matrix& );
friend Matrix operator * ( const Matrix&, double );
friend Matrix operator * ( const Matrix&, const Matrix& );
friend Vector operator * ( const Matrix&, const Vector& );
};
Matrix Translate ( const Vector& );
Matrix Scale ( const Vector& );
Matrix RotateX ( double );
Matrix RotateY ( double );
Matrix RotateZ ( double );
Matrix Rotate ( const Vector&, double );
Matrix MirrorX ();
Matrix MirrorY ();
Matrix MirrorZ ();
#endif
//---------------------------------------------------------------------------
// Файл matrix.cpp
#include #include "matrix.h"Matrix :: Matrix ( double v ){ int j; for ( int i = 0; i < 4; i++ ) for ( j = 0; j < 4; j++ ) x [i][j] = ( i == j ) ? v : 0.0; x [3][3] = 1;}void Matrix :: Invert ()
{
Matrix Out ( 1 );
for ( int i = 0; i < 4; i++ ) {
double d = x [i][i];
if ( d != 1.0 ) {
for ( int j = 0; j < 4; j++ ) {
Out.x [i][j] /= d;
x [i][j] /= d;
}
}
for ( int j = 0; j < 4; j++ ) {
if ( j != i ) {
if ( x[j][i] != 0.0 ) {
double mulby = x[j][i];
for ( int k = 0; k < 4; k++ ) {
x [j][k] -= mulby * x [i][k];
Out.x [j][k] -= mulby * Out.x [i][k];
}
}
}
}
}
*this = Out;
}
void Matrix :: Transpose ()
{
double t;
int j;
for ( int i = 0; i < 4; i++ )
for ( j = 0; j < 4; j++ )
if ( i != j ) {
t = x [i][j];
x [i][j] = x [j][i];
x [j][i] = t;
}
}
Matrix& Matrix :: operator += ( const Matrix& A )
{
int j;
for ( int i = 0; i < 4; i++ )
for ( j = 0; j < 4; j++ )
x [i][j] += A.x [i][j];
return *this;
}
Matrix& Matrix :: operator -= ( const Matrix& A )
{
int j;
for ( int i = 0; i < 4; i++ )
for ( j = 0; j < 4; j++ )
x [i][j] -= A.x [i][j];
return *this;
}
Matrix& Matrix :: operator *= ( double v )
{
int j;
for ( int i = 0; i < 4; i++ )
for ( j = 0; j < 4; j++ )
x [i][j] *= v;
return *this;
}
Matrix& Matrix :: operator *= ( const Matrix& A )
{
Matrix res = *this;
int j;
for ( int i = 0; i < 4; i++ )
for ( j = 0; j < 4; j++ ) {
double sum = 0;
for ( int k = 0; k < 4; k++ )
sum += res.x [i][k] * A.x [k][j];
x [i][j] = sum;
}
return *this;
}
Matrix operator + ( const Matrix& A, const Matrix& B )
{
Matrix res;
int j;
for ( int i = 0; i < 4; i++ )
for ( j = 0; j < 4; j++ )
res.x [i][j] = A.x [i][j] + B.x [i][j];
return res;
}
Matrix operator - ( const Matrix& A, const Matrix& B )
{
Matrix res;
int j;
for ( int i = 0; i < 4; i++ )
for ( j = 0; j < 4; j++ )
res.x [i][j] = A.x [i][j] - B.x [i][j];
return res;
}
Matrix operator * ( const Matrix& A, const Matrix& B )
{
Matrix res;
int j;
for ( int i = 0; i < 4; i++ )
for ( j = 0; j < 4; j++ ) {
double sum = 0;
for ( int k = 0; k < 4; k++ )
sum += A.x [i][k] * B.x [k][j];
res.x [i][j] = sum;
}
return res;
}
Matrix operator * ( const Matrix& A, double v )
{
Matrix res;
int j;
for ( int i = 0; i < 4; i++ )
for ( j = 0; j < 4; j++ )
res.x [i][j] = A.x [i][j] * v;
return res;
}
Vector operator * ( const Matrix& M, const Vector& v )
{
Vector res;
res.x = v.x * M.x [0][0] + v.y * M.x [1][0] + v.z * M.x [2][0] + M.x [3][0];
res.y = v.x * M.x [0][1] + v.y * M.x [1][1] + v.z * M.x [2][1] + M.x [3][1];
res.z = v.x * M.x [0][2] + v.y * M.x [1][2] + v.z * M.x [2][2] + M.x [3][2];
double denom = v.x * M.x [0][3] + v.y * M.x [1][3] +
v.z * M.x [2][3] + M.x[3][3];
if ( denom != 1.0 )
res /= denom;
return res;
}
Matrix Translate ( const Vector& Loc )
{
Matrix res ( 1 );
res.x [3][0] = Loc.x;
res.x [3][1] = Loc.y;
res.x [3][2] = Loc.z;
return res;
};
Matrix Scale ( const Vector& v )
{
Matrix res ( 1 );
res.x [0][0] = v.x;
res.x [1][1] = v.y;
res.x [2][2] = v.z;
return res;
};
Matrix RotateX ( double Angle )
{
Matrix res ( 1 );
double Cosine = cos ( Angle );
double Sine = sin ( Angle );
res.x [1][1] = Cosine;
res.x [2][1] = - Sine;
res.x [1][2] = Sine;
res.x [2][2] = Cosine;
return res;
};
Matrix RotateY ( double Angle )
{
Matrix res ( 1 );
double Cosine = cos ( Angle );
double Sine = sin ( Angle );
res.x [0][0] = Cosine;
res.x [2][0] = - Sine;
res.x [0][2] = Sine;
res.x [2][2] = Cosine;
return res;
};
Matrix RotateZ ( double Angle )
{
Matrix res ( 1 );
double Cosine = cos ( Angle );
double Sine = sin ( Angle );
res.x [0][0] = Cosine;
res.x [1][0] = - Sine;
res.x [0][1] = Sine;
res.x [1][1] = Cosine;
return res;
};
Matrix Rotate ( const Vector& axis, double angle )
{
Matrix res ( 1 );
double Cosine = cos ( angle );
double Sine = sin ( angle );
res.x [0][0] = axis.x * axis.x + ( 1 - axis.x * axis.x ) * Cosine;
res.x [0][1] = axis.x * axis.y * ( 1 - Cosine ) + axis.z * Sine;
res.x [0][2] = axis.x * axis.z * ( 1 - Cosine ) - axis.y * Sine;
res.x [0][3] = 0;
res.x [1][0] = axis.x * axis.y * ( 1 - Cosine ) - axis.z * Sine;
res.x [1][1] = axis.y * axis.y + ( 1 - axis.y * axis.y ) * Cosine;
res.x [1][2] = axis.y * axis.z * ( 1 - Cosine ) + axis.x * Sine;
res.x [1][3] = 0;
res.x [2][0] = axis.x * axis.z * ( 1 - Cosine ) + axis.y * Sine;
res.x [2][1] = axis.y * axis.z * ( 1 - Cosine ) - axis.x * Sine;
res.x [2][2] = axis.z * axis.z + ( 1 - axis.z * axis.z ) * Cosine;
res.x [2][3] = 0;
res.x [3][0] = 0;
res.x [3][1] = 0;
res.x [3][2] = 0;
res.x [3][3] = 1;
return res;
};
Matrix MirrorX ()
{
Matrix res ( 1 );
res.x [0][0] = -1;
return res;
};
Matrix MirrorY ()
{
Matrix res ( 1 );
res.x [1][1] = -1;
return res;
};
Matrix MirrorZ ()
{
Matrix res ( 1 );
res.x [2][2] = -1;
return res;
}
В следующей библиотеке была реализована работа с трехмерными объектами: гранью, графическим объектом и пространством. Реализованы следующие возможности:
поворот объектов вокруг координатных осей;
зеркальное отображение объектов по отношению к координатным осям;
центральное и параллельное проектирование;
масштабирование объектов;
удаление невидимых поверхностей;
перемещение объектов в пространстве.
//Файл 3dworks.h
#ifndef __3DWORKS__#define __3DWORKS__#include
#include
#include "vector.h"
#include "matrix.h"
#define OneSd 0
#define TwoSds 1
#define MaxPoints 10
#define MaxFacets 10
#define MaxObjects 10
class Polygon
{
public:
int PointNumber;
Vector * Point;
Vector Normal;
Vector Center;
int Color;
int TwoSides;
Polygon () {};
Polygon ( Vector *, int, int, int );
void Draw ( const Vector& );
void Move ( const Vector& );
void Rotate ( double, double, double );
void PolyScale ( const Vector& );
void PolyMirrorX ();
void PolyMirrorY ();
void PolyMirrorZ ();
};
class GrObject
{
public:
int FacetNumber;
Polygon * Facet;
Vector Coords;
GrObject () {};
GrObject ( Polygon *, int, const Vector& );
void Move ( const Vector& );
void Rotate ( double, double, double );
void ObjScale ( const Vector& );
void ObjMirrorX ();
void ObjMirrorY ();
void ObjMirrorZ ();
};
struct BSPNode
{
Polygon * Poly;
double d;
BSPNode * Left;
BSPNode * Right;
};
class Space
{
public:
int ObjectNumber;
GrObject * Object [MaxObjects];
Space () { ObjectNumber = 0; };
Space ( GrObject *, int );
void Add ( GrObject * );
void Draw ( const Vector& );
};
int IsVisible ( const Polygon&, const Vector& );
void DrawBSPTree ( BSPNode *, const Vector& );
#endif
//----------------------------------------------------------------------------
//Файл 3dworks.cpp
#include "3dworks.h"// Polygon's methodsPolygon :: Polygon ( Vector * PointArr, int PointNum, int Col, int TS ){ if ( PointNum Tree -> d ) {
if ( Tree -> Right != NULL ) DrawBSPTree ( Tree -> Right, PrCntr );
Tree -> Poly -> Draw ( PrCntr );
if ( Tree -> Left != NULL ) DrawBSPTree ( Tree -> Left, PrCntr );
}
else {
if ( Tree -> Left != NULL ) DrawBSPTree ( Tree -> Left, PrCntr );
Tree -> Poly -> Draw ( PrCntr );
if ( Tree -> Right != NULL ) DrawBSPTree ( Tree -> Right, PrCntr );
}
}
Далее представлена демонстрационная программа, которая выполняет все вышеперечисленные операции с тетраэдром.
//Файл 3dgame.cpp
#include #include #include
#include
#include
#include
#include "3dworks.h"
void DrawObject ( GrObject* Obj, const Vector& v )
{
for ( int i = 0; i < Obj->FacetNumber; i++ )
if ( IsVisible ( Obj->Facet[i], v )) Obj->Facet[i].Draw ( v );
}
main ()
{
Vector Poly1[3], Poly2[3], Poly3[3], Poly4[3];
Polygon O[4];
Vector A ( -50, 0, 0 ),
B ( 0, 0, 50 ),
C ( 50, 0, 0 ),
D ( 0, 100, 0 ),
PrCenter ( 0, 0, 1000 );
Poly1[0] = A; Poly2[0] = B;
Poly1[1] = D; Poly2[1] = D;
Poly1[2] = B; Poly2[2] = C;
Poly3[0] = C; Poly4[0] = C;
Poly3[1] = A; Poly4[1] = D;
Poly3[2] = B; Poly4[2] = A;
Polygon * P1 = new Polygon ( Poly1, 3, 11, OneSd );
Polygon * P2 = new Polygon ( Poly2, 3, 12, OneSd );
Polygon * P3 = new Polygon ( Poly3, 3, 13, OneSd );
Polygon * P4 = new Polygon ( Poly4, 3, 14, OneSd );
O[0] = *P1; O[1] = *P2;
O[2] = *P3; O[3] = *P4;
delete P1; delete P2;
delete P3; delete P4;
GrObject * Obj = new GrObject ( O, 4, Vector ( 0 ) );
double fi = 0.1, psi = 0.1, step = 0.1;
int ch = 0, Page = 3;
int driver = DETECT, mode, res;
initgraph ( &driver, &mode, "" );
if ( ( res = graphresult () ) != grOk ) {
printf ( "nGraphics error: %sn", grapherrormsg ( res ) );
exit ( 1 );
}
setgraphmode ( 1 );
DrawObject ( Obj, PrCenter );
do {
setactivepage ( Page % 2 );
clearviewport ();
if ( kbhit ())
{
switch ( ch = getch() ) {
case '+': Obj->ObjScale ((1.1,1.1,1.1)); break;
case '-': Obj->ObjScale ((0.9,0.9,0.9)); break;
case 'x': Obj->ObjMirrorX (); break;
case 'y': Obj->ObjMirrorY (); break;
case 'z': Obj->ObjMirrorZ (); break;
};
if ( ch == 0 )
{
switch ( ch = getch () ) {
case 72 : fi -= step; break;
case 80 : fi += step; break;
case 75 : psi += step; break;
case 77 : psi -= step; break;
};
};
};
Obj->Rotate ( fi, psi, 0 );
DrawObject ( Obj, PrCenter );
setvisualpage ( Page++ % 2 );
if ( fi == 0 && psi == 0 ) while ( !kbhit ());
} while ( ch != 27 );
delete Obj;
closegraph ();
}