在图形学中,向量和点是最基本的概念。向量表示方向和长度,而点表示位置。
常见名词 1.UV坐标 UV坐标(UV Coordinates)是计算机图形学中用于描述纹理映射(Texture Mapping)的坐标系统。它专门用于指定纹理图像(Texture Image)上的像素如何映射到三维模型或二维图形的表面上。
“UV”中的“U”和“V”是坐标轴的名称,类似于笛卡尔坐标系中的“X”和“Y”。不过,UV坐标是专门为纹理映射设计的,与三维空间中的“X”“Y”“Z”坐标轴是独立的。
例如,在一个二维纹理图像中,左上角的UV坐标通常是(0, 0),右下角的UV坐标是(1, 1)。通过UV坐标,可以将纹理图像的各个部分精确地映射到模型的表面,从而实现复杂的纹理效果。
2.网格变换 网格变换(Mesh Transformation)是一种图形处理技术,它通过调整网格(Mesh)的顶点位置和纹理映射(UV坐标)来实现复杂的视觉效果。网格变换可以用于创建变形、扭曲、拉伸、折叠等效果,广泛应用于2D和3D图形中。
3.基向量 基向量是向量空间中的一组向量,它们线性无关且能张成整个向量空间。
在三维空间中,基向量通常指的是三个正交的单位向量,分别沿着x轴、y轴和z轴方向。这些基向量是:
基向量
任何三维向量都可以表示为这三个基向量的线性组合。例如,向量 v=(x,y,z) 可以表示为:v=xi+yj+zk
基向量定义了坐标系的方向。在标准的笛卡尔坐标系中,i、j 和 k 分别表示x轴、y轴和z轴的方向。
在图形学和线性代数中,变换矩阵的每一列表示了变换后基向量的新位置。通过观察变换矩阵的列,我们可以直观地理解变换对空间的影响。
4.齐次坐标 齐次坐标(Homogeneous Coordinates)是图形学中常用的一种坐标表示方法,它允许我们使用矩阵运算来表示和执行平移、旋转、缩放等几何变换。在齐次坐标中,一个n维的点或向量被表示为一个(n+1)维的向量。
在二维图形学中,齐次坐标通过在普通坐标的基础上增加一个额外的维度来实现。一个二维点 (x,y) 在齐次坐标中可以表示为 (x,y,1),而一个二维向量 (x,y) 在齐次坐标中可以表示为 (x,y,0)。二维平移矩阵通常表示为一个3×3的矩阵,如下所示:
二维矩阵
5.三角函数 三角函数是数学中的一组函数,它们描述了直角三角形中角度与边长之间的关系。在直角三角形中,我们有三个基本的三角函数:正弦(sin)、余弦(cos)和正切(tan) 。
正弦(sin):正弦函数定义为直角三角形中,一个锐角的对边与斜边的比值。即:sinθ=斜边/对边 余弦(cos):余弦函数定义为直角三角形中,一个锐角的邻边与斜边的比值。即:cosθ=斜边/邻边 正切(tan):正切函数定义为直角三角形中,一个锐角的对边与邻边的比值。即:tanθ=邻边/对边
三角函数中的一些特殊值:
特殊值
6.矩阵变换 平移(Translation):将一个点或向量在空间中移动特定的距离。在二维空间中,平移矩阵可以表示为:
平移
tx、ty分别表示在x轴和y轴方向上的平移距离。将一个点 (x,y) 用齐次坐标表示为 (x,y,1),然后与平移矩阵相乘,得到平移后的点:
平移的结果
线性代数 线性代数是数学的一个分支,主要研究向量空间、线性方程组、矩阵运算以及线性变换等内容。它在图形学中扮演着极其重要的角色,是实现图形变换、几何建模、光照计算等核心功能的数学基础。
1.知识点 1.1 向量(Vectors)
定义:向量是有大小和方向的量,通常用箭头表示。 运算:加法、减法、数乘、点积(内积)、叉积(外积)。 应用:表示点的位置、方向、速度等。例如,点的位置可以用向量表示,方向向量用于计算光照和反射。
1.2 矩阵(Matrices)
定义:矩阵是一个由行和列组成的矩形数组。 运算:加法、减法、乘法、转置、逆矩阵。 应用:矩阵用于实现几何变换(平移、旋转、缩放)、坐标变换、投影等。
1.3 线性方程组(Systems of Linear Equations)
定义:多个线性方程的集合,通常用矩阵形式表示。 求解方法:高斯消元法、矩阵求逆、克拉默法则。 应用:用于求解交点、碰撞检测、插值等问题。
1.4 行列式(Determinants)
定义:矩阵的一个标量值,反映矩阵的某些性质(如是否可逆)。 应用:用于判断矩阵是否可逆,计算面积和体积,以及叉积的计算。
1.5 特征值与特征向量(Eigenvalues and Eigenvectors) 定义:矩阵的特征值和特征向量满足 Av=λv。 应用:用于主成分分析(PCA)、图像压缩、变形分析等。
1.6 向量空间(Vector Spaces) 定义:满足一定代数运算规则的向量集合。 应用:用于定义坐标系、基底变换等