《平移和旋轉(zhuǎn)》課件2

平移和旋轉(zhuǎn)平移和旋轉(zhuǎn)是兩種基本的幾何變換。它們?cè)谟?jì)算機(jī)圖形學(xué)、游戲開(kāi)發(fā)和許多其他領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。課程概述幾何基礎(chǔ)平移和旋轉(zhuǎn)是幾何變換的重要組成部分，理解它們可以幫助理解更復(fù)雜的幾何概念。數(shù)學(xué)原理課程將從數(shù)學(xué)的角度分析平移和旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)，并引入矩陣表示等數(shù)學(xué)工具。實(shí)際應(yīng)用學(xué)習(xí)平移和旋轉(zhuǎn)在圖形處理、機(jī)器人學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。平移的定義和性質(zhì)11.定義平移是指將一個(gè)圖形沿一個(gè)方向移動(dòng)一定的距離。22.性質(zhì)平移變換保持圖形的形狀和大小不變。33.方向平移的方向可以是水平、垂直或斜向。44.距離平移的距離可以是任意長(zhǎng)度。平移變換的表示1矩陣表示用矩陣乘法表示平移變換。2向量表示用向量加法表示平移變換。3坐標(biāo)表示用坐標(biāo)點(diǎn)的變化表示平移變換。平移變換可以用多種方法表示，矩陣表示、向量表示和坐標(biāo)表示都是常見(jiàn)的表示方式。這些方法可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景選擇使用，方便理解和計(jì)算。平移變換的應(yīng)用圖形處理圖像移動(dòng)、縮放、旋轉(zhuǎn)游戲開(kāi)發(fā)角色移動(dòng)、場(chǎng)景變換機(jī)器人控制機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)視覺(jué)圖像配準(zhǔn)、目標(biāo)跟蹤旋轉(zhuǎn)的定義和性質(zhì)旋轉(zhuǎn)的定義旋轉(zhuǎn)是一種幾何變換，物體繞固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一定角度，改變其位置和方向。旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)中心是物體旋轉(zhuǎn)時(shí)保持靜止的點(diǎn)，是旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)角度旋轉(zhuǎn)角度是指物體旋轉(zhuǎn)的弧度，決定了物體旋轉(zhuǎn)的幅度。旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)方向是物體旋轉(zhuǎn)時(shí)繞旋轉(zhuǎn)中心順時(shí)針或逆時(shí)針的方向。旋轉(zhuǎn)變換的表示1矩陣表示旋轉(zhuǎn)矩陣可以用來(lái)表示二維或三維空間中的旋轉(zhuǎn)變換2歐拉角歐拉角是用三個(gè)角度來(lái)描述物體的旋轉(zhuǎn)3四元數(shù)四元數(shù)是用來(lái)表示三維空間中旋轉(zhuǎn)的另一種方法旋轉(zhuǎn)變換可以用多種方法來(lái)表示，最常見(jiàn)的方法包括矩陣表示、歐拉角和四元數(shù)。旋轉(zhuǎn)變換的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)變換在各種應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，從計(jì)算機(jī)圖形學(xué)到機(jī)器人控制，無(wú)處不在。1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)旋轉(zhuǎn)變換用于創(chuàng)建逼真的3D模型。2機(jī)器人學(xué)旋轉(zhuǎn)變換用于控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。3圖像處理旋轉(zhuǎn)變換用于圖像旋轉(zhuǎn)和校正。4動(dòng)畫制作旋轉(zhuǎn)變換用于創(chuàng)建動(dòng)態(tài)的動(dòng)畫效果。平移和旋轉(zhuǎn)的組合平移后旋轉(zhuǎn)先將物體沿某個(gè)方向平移，再繞某個(gè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一定角度，得到最終位置。旋轉(zhuǎn)后平移先將物體繞某個(gè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一定角度，再沿某個(gè)方向平移，得到最終位置。組合變換平移和旋轉(zhuǎn)可以組合在一起，形成復(fù)雜的變換，用于各種應(yīng)用場(chǎng)景。平移和旋轉(zhuǎn)的復(fù)合變換1平移和旋轉(zhuǎn)組合平移和旋轉(zhuǎn)的組合可以在同一個(gè)坐標(biāo)系中進(jìn)行。這兩種變換可以分別表示為矩陣，它們的組合可以通過(guò)矩陣乘法來(lái)實(shí)現(xiàn)。2順序影響結(jié)果平移和旋轉(zhuǎn)的順序會(huì)影響最終的結(jié)果。先平移后旋轉(zhuǎn)與先旋轉(zhuǎn)后平移通常會(huì)得到不同的結(jié)果。3應(yīng)用廣泛平移和旋轉(zhuǎn)的復(fù)合變換在圖形處理、動(dòng)畫、機(jī)器人學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。仿射變換的性質(zhì)線性變換仿射變換保持直線和平行線，并保持比例不變。在幾何圖形中，平行線仍然保持平行，線段的長(zhǎng)度比例保持不變。平移仿射變換可以包含平移操作，這意味著可以將圖形移動(dòng)到不同的位置，而形狀和大小保持不變。旋轉(zhuǎn)和縮放仿射變換可以包含旋轉(zhuǎn)和縮放操作，這意味著可以改變圖形的大小和方向，但保持圖形的整體形狀。保持凸性如果一個(gè)圖形是凸的，那么它的仿射變換也是凸的。這意味著仿射變換不會(huì)改變圖形的凸性性質(zhì)。仿射變換的矩陣表示1矩陣形式仿射變換可以使用一個(gè)3x3矩陣來(lái)表示。該矩陣包含平移和旋轉(zhuǎn)信息。2線性變換矩陣的第一行和第二行代表線性變換，包括縮放、旋轉(zhuǎn)和剪切。3平移向量矩陣的第三列代表平移向量，用于指定變換后的圖形在空間中的位置。坐標(biāo)系的變換1原點(diǎn)平移將原點(diǎn)移動(dòng)到新的位置。2坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，改變坐標(biāo)系的方向。3縮放變換改變坐標(biāo)軸的比例，縮放坐標(biāo)系的大小。4傾斜變換改變坐標(biāo)軸之間的角度，傾斜坐標(biāo)系。坐標(biāo)系的變換可以將不同坐標(biāo)系中的點(diǎn)映射到同一個(gè)坐標(biāo)系中，方便比較和分析。坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸是線性代數(shù)中的一個(gè)重要概念，它描述了坐標(biāo)系在空間中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。1旋轉(zhuǎn)矩陣描述坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的數(shù)學(xué)工具2旋轉(zhuǎn)角度定義旋轉(zhuǎn)的幅度3旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)軸經(jīng)過(guò)的點(diǎn)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的應(yīng)用非常廣泛，例如在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，可以利用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸來(lái)實(shí)現(xiàn)三維物體的旋轉(zhuǎn)。平移和旋轉(zhuǎn)的幾何意義平移和旋轉(zhuǎn)是幾何變換中最基本的兩種。平移是將一個(gè)圖形沿直線方向移動(dòng)，保持圖形的大小和形狀不變。旋轉(zhuǎn)是將一個(gè)圖形繞一個(gè)固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一定角度，保持圖形的大小和形狀不變。平移和旋轉(zhuǎn)的幾何意義非常直觀，它們分別代表了圖形在空間中的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。平移和旋轉(zhuǎn)在現(xiàn)實(shí)生活中有著廣泛的應(yīng)用，例如，飛機(jī)在空中飛行，汽車在路上行駛，以及鐘表指針的轉(zhuǎn)動(dòng)，都是平移和旋轉(zhuǎn)的體現(xiàn)。平移和旋轉(zhuǎn)的代數(shù)運(yùn)算平移運(yùn)算平移運(yùn)算可以通過(guò)向量加法表示。將一個(gè)點(diǎn)平移到另一個(gè)點(diǎn)，只需要將平移向量加到該點(diǎn)的坐標(biāo)上即可。旋轉(zhuǎn)運(yùn)算旋轉(zhuǎn)運(yùn)算可以通過(guò)矩陣乘法表示。將一個(gè)點(diǎn)繞一個(gè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一定角度，可以使用旋轉(zhuǎn)矩陣乘以該點(diǎn)的坐標(biāo)。平移和旋轉(zhuǎn)的組合運(yùn)算組合變換平移和旋轉(zhuǎn)可以組合在一起，形成更復(fù)雜的變換。矩陣乘法組合變換可以用矩陣乘法來(lái)表示。順序影響組合變換的順序會(huì)影響最終的結(jié)果。應(yīng)用場(chǎng)景組合變換在圖形處理、機(jī)器人學(xué)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。平移和旋轉(zhuǎn)的逆運(yùn)算1逆平移平移的逆運(yùn)算就是將圖形沿相反的方向平移相同的距離，可以看成是將原圖形的平移向量取反.2逆旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)的逆運(yùn)算就是將圖形繞同一個(gè)旋轉(zhuǎn)中心，旋轉(zhuǎn)相同的角度，但方向相反.3復(fù)合逆運(yùn)算多個(gè)平移和旋轉(zhuǎn)的復(fù)合變換的逆運(yùn)算，可以通過(guò)將各個(gè)變換的逆運(yùn)算按相反的順序進(jìn)行復(fù)合來(lái)實(shí)現(xiàn).平移和旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)綜合平移的性質(zhì)平移保持圖形的形狀和大小不變。平移是等距變換，即變換后圖形上的任意兩點(diǎn)之間的距離不變。平移是可逆的，即存在一個(gè)平移變換，將變換后的圖形變換回原始圖形。旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)旋轉(zhuǎn)保持圖形的形狀不變，但改變了圖形的位置和方向。旋轉(zhuǎn)是等距變換，即變換后圖形上的任意兩點(diǎn)之間的距離不變。平移和旋轉(zhuǎn)在圖形處理中的應(yīng)用圖形處理廣泛應(yīng)用于游戲、電影、動(dòng)畫等領(lǐng)域。平移和旋轉(zhuǎn)是圖形處理的基礎(chǔ)操作，可實(shí)現(xiàn)圖像的移動(dòng)、縮放和旋轉(zhuǎn)等。例如，在游戲開(kāi)發(fā)中，平移和旋轉(zhuǎn)用于控制角色的移動(dòng)和視角，在電影制作中，用于實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的變換和特效。平移和旋轉(zhuǎn)在機(jī)器人學(xué)中的應(yīng)用平移和旋轉(zhuǎn)是機(jī)器人學(xué)中至關(guān)重要的概念，用于控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和操作。6自由度機(jī)器人通常具有6個(gè)自由度，允許它們?cè)谌S空間中移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。100任務(wù)超過(guò)100種不同的機(jī)器人任務(wù)，例如焊接、組裝和搬運(yùn)。10M市場(chǎng)全球機(jī)器人市場(chǎng)價(jià)值超過(guò)100億美元，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年將持續(xù)增長(zhǎng)。通過(guò)平移和旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人能夠執(zhí)行各種任務(wù)，例如抓取物體、移動(dòng)零件和導(dǎo)航復(fù)雜環(huán)境。平移和旋轉(zhuǎn)在計(jì)算機(jī)視覺(jué)中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域中，平移和旋轉(zhuǎn)是基礎(chǔ)的幾何變換。它們被廣泛應(yīng)用于圖像處理和分析，例如：目標(biāo)識(shí)別、圖像配準(zhǔn)和三維重建等。平移變換可以用來(lái)調(diào)整圖像的位置，例如移動(dòng)圖像以進(jìn)行對(duì)齊或校正。旋轉(zhuǎn)變換可以用來(lái)改變圖像的視角，例如旋轉(zhuǎn)圖像以使其與參考圖像對(duì)齊。平移和旋轉(zhuǎn)在設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)品外觀調(diào)整制造工藝工件移動(dòng)，加工路線規(guī)劃數(shù)控加工工具路徑生成，精度控制裝配過(guò)程零件定位，精確裝配平移和旋轉(zhuǎn)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用平移和旋轉(zhuǎn)是建筑設(shè)計(jì)中常用的幾何變換方法。它們可以用來(lái)創(chuàng)建復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)，并幫助建筑師以多種方式查看和分析設(shè)計(jì)。例如，在建筑設(shè)計(jì)中，平移可以用來(lái)創(chuàng)建重復(fù)的元素，如窗戶、門、梁等。旋轉(zhuǎn)可以用來(lái)創(chuàng)建圓形或曲線形的建筑結(jié)構(gòu)，如圓形屋頂、螺旋樓梯等。平移和旋轉(zhuǎn)結(jié)合使用可以創(chuàng)造出更復(fù)雜、更有趣的建筑設(shè)計(jì)。平移和旋轉(zhuǎn)在遙感技術(shù)中的應(yīng)用遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用于地球觀測(cè)，例如地質(zhì)勘探、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、城市規(guī)劃等。平移和旋轉(zhuǎn)在遙感數(shù)據(jù)處理中至關(guān)重要，用于校正圖像幾何畸變，將不同時(shí)間、不同視角獲取的圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，并進(jìn)行影像融合。100M像素?cái)?shù)據(jù)量遙感圖像通常包含數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億像素。100傳感器類型不同的遙感傳感器擁有不同的成像原理和參數(shù)。10精度要求遙感應(yīng)用對(duì)圖像幾何精度有著較高的要求。平移和旋轉(zhuǎn)在交通運(yùn)輸中的應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用方式軌道交通列車沿軌道平移，轉(zhuǎn)向時(shí)通過(guò)輪軌之間的摩擦力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。汽車車輛行駛過(guò)程中的平移和轉(zhuǎn)向，以及停車時(shí)的旋轉(zhuǎn)。航空飛機(jī)的起飛、降落和飛行過(guò)程中，平移和旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用。船舶船舶的航行、停泊和轉(zhuǎn)向過(guò)程中的平移和旋轉(zhuǎn)。平移和旋轉(zhuǎn)在工程制圖中的應(yīng)用平移和旋轉(zhuǎn)在工程制圖中應(yīng)用廣泛，尤其是在機(jī)械圖紙的繪制和分析中。1投影平移和旋轉(zhuǎn)可用于將三維物體投影到二維平面上，形成二維圖形。2尺寸標(biāo)注平移和旋轉(zhuǎn)可用于準(zhǔn)確地標(biāo)注物體的尺寸和位置。3裝配圖平移和旋轉(zhuǎn)可用于將多個(gè)零件組裝成一個(gè)整體，方便機(jī)械設(shè)計(jì)人員進(jìn)行分析和評(píng)估。4仿真平移和旋轉(zhuǎn)可用于模擬機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)軌跡，幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)。平移和旋轉(zhuǎn)在醫(yī)學(xué)成像中的應(yīng)用醫(yī)學(xué)成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于診斷和治療疾病。平移和旋轉(zhuǎn)是醫(yī)學(xué)成像中的基本操作，通過(guò)移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)不同角度的觀察和分析。例如，在CT掃描中，掃描儀圍繞患者身體旋轉(zhuǎn)，生成不同角度的圖像，通過(guò)平移和旋轉(zhuǎn)這些圖像，醫(yī)生可以獲得患者身體內(nèi)部的