background image

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

1

Rzutowanie równoległe 

i perspektywiczne

Wykład 2

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Plan wykładu

1. Układ współrzędnych, zasady rzutowania 

2. Rzutowanie równoległe

3. Rzutowanie perspektywiczne

4. Ogólny przypadek rzutowania

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Układ współrzędnych, zasady rzutowania

x

y

z

rzutnia (ekran)

obserwator

Lewoskrętny układ współrzędnych i rzutnia:

y

x

z

oś

x

z

y

oś

z

y

x

oś

Jeśli  patrzymy  z  dodatniego  kierunku  osi  w  stronę środka  układu 

współrzędnych,  to  obrót  o  90° w  kierunku  zgodnym  z  ruchem  wskazówek 
zegara, przekształci jedną dodatnią oś w drugą. Wartości współrzędnej 
większe dla punktów leżących dalej od obserwatora.

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Układ współrzędnych, zasady rzutowania

Zadanie rzutowania:

Dane:

opis obiektu w układzie współrzędnych

xyz

.

płaszczyzna rzutowania (rzutnia  

Π

Π

Π

Π

).

Jak uzyskać obraz obiektu na rzutni ?

Stosuje się zwykle jeden z dwóch sposobów  rzutowania.

1. Rzutowanie równoległe

2. Rzutowanie perspektywiczne

background image

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

2

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Układ współrzędnych, zasady rzutowania

x

y

z

rzutnia

obserwator

Π

Π

Π

Π

P

1

P

2

P

1

P

2

Rzutowanie równoległe

Punkty 

P

1

P

2

zostały  przeniesione  na  rzutnię,  wzdłuż

prostych  równoległych.  Punkty  przecięcia  prostych  rzutowania 
z rzutnią są obrazami rzutowanych punktów.

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Układ współrzędnych, zasady rzutowania

x

y

z

rzutnia

obserwator 

(środek projekcji)

P

1

P

2

P

1

P

2

Π

Π

Π

Π

Punkty   

P

1

P

2

zostały  przeniesione  na  rzutnię,  wzdłuż

prostych przecinających się w jednym punkcie (środku projekcji). 
Punkty  przecięcia  prostych  rzutowania  z  rzutnią są obrazami 
rzutowanych punktów.

Rzutowanie perspektywiczne

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie równolegle

Wyróżnia się zwykle dwa przypadki :

proste rzutowania przecinają rzutnię pod kątem prostym 
(rzut pionowy),  

proste rzutowania przecinają rzutnię pod kątem innym niż kąt 
prosty (rzut ukośny).

1.  Rzut pionowy

Proste rzutowania przecinają rzutnię pod kątem prostym.

Obiekt - sześcian jednostkowy 

Rzutnia 

Π

Π

Π

Π

- płaszczyzna (

x-y

)

Przykład:

x

y

z

(2,1,2)

(1,1,1)

(2,1,1)

(1,2,1)

(2,2,1)

(

1,2,2

)

(

2,2,2

)

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie równolegle

Jeśli proste rzutowania przecinają rzutnię pod kątem prostym, 

to rzut obiektu wygląda następująco.

x

y

z

(2,1,2)

(1,1,1)

(2,1,1)

(1,2,1)

(2,2,1)

(

1,2,2

)

(

2,2,2

)

x

y

Jeśli rzutnią

Π

Π

Π

Π

jest płaszczyzna 

(x-y),

to równania opisujące 

związek między współrzędnymi  rzutowanego punktu 

(x, y, z)

współrzędnymi jego rzutu 

(x

p

, y

p

, z

p

)

przyjmują postać:

background image

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

3

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie równolegle

0

z

y

y

x

x

p

p

p

=

=

=

Własności obrazów wykonanych techniką rzutu pionowego:

rzuty odcinków równoległych do rzutni mają taką samą
długość jak te odcinki,

rzuty odcinków prostopadłych do rzutni są punktami. 

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie równolegle

Zastosowanie rzutu pionowego - rysunek techniczny.

Definiując  rzutnie  jako  płaszczyzny   

(x-y),  (x-z),  (y-z)

,  bądź

płaszczyzny  do  nich  równoległe,  można  uzyskać

rzuty 

z przodu, z boku, z góry itd.

Dla przykładu:

z

y

x

z

rzut z boku

rzut z góry

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie równolegle

(x

p

, y

p

)

(x, y, z )

x

y

z

Π

Π

Π

Π

α

Φ

(x, y)

L

2. Rzut ukośny

Proste rzutowania przecinają rzutnię pod kątem innym niż

kąt prosty.

Jak jednoznacznie zorientować proste rzutowania względem 

rzutni ?

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie równolegle

Aby  jednoznacznie  zorientować prostą rzutowania  względem 

rzutni, prócz kąta 

α

α

α

α

trzeba zadać dodatkowy parametr np. kąt 

Φ

.

(x

p

, y

p

)

(x, y, z )

x

y

z

Π

Π

Π

Π

α

Φ

(x, y)

L

Z rysunku widać, że

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

sin

L

y

y

cos

L

x

x

p

p

+

=

+

=

podstawiając 

1

L

1

L

z

tg

=

=

α

α

α

α

i dalej

1

L

z

=

uzyskuje się równania

background image

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

4

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie równolegle

+

=

+

=

+

=

+

=

α

α

α

α

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

α

α

α

α

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

tg

sin

z

y

)

sin

L

(

z

y

y

tg

cos

z

x

)

cos

L

(

z

x

x

1

p

1

p

Parametrami definiującymi rzut ukośny są wiec kąt 

Φ

i odległość

lub para kątów 

Φ

α

.

α

α

α

α

tg

/

1

L

1

=

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie równolegle

Dla przykładu sześcianu jednostkowego, można pokazać

interpretację parametrów rzutowania na utworzonym obrazie.

Π

Π

Π

Π

L

1

Φ

x

y

Powyższy rysunek wyjaśnia także metodę konstrukcji rysunkowej 

rzutu ukośnego sześcianu.

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie równolegle

Przykład:

Wyprowadzone  wcześniej  równania  pozwalają na  wykonywanie 

rzutów ukośnych dla dowolnych zestawów parametrów 

L

1

Φ

W praktyce stosuje się jednak najczęściej pewne typowe zestawy 

parametrów rzutowania.

Wykonane zostaną cztery rzuty ukośne sześcianu jednostkowego.

x

y

z

(2,1,2)

(1,1,1)

(2,1,1)

(1,2,1)

(2,2,1)

(

1,2,2

)

(

2,2,2

)

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie równolegle

o

1

45

,

1

tg

/

1

L

=

=

=

α

α

α

α

α

α

α

α

1.

(rzut kawaleryjski)

o

30

=

Φ

Φ

Φ

Φ

o

45

=

Φ

Φ

Φ

Φ

background image

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

5

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie równolegle

o

1

63

,

2

/

1

tg

/

1

L

=

=

α

α

α

α

α

α

α

α

2.

(rzut gabinetowy)

o

30

=

Φ

Φ

Φ

Φ

o

45

=

Φ

Φ

Φ

Φ

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie perspektywiczne

Jak  na  płaszczyźnie  zobrazować obiekty  trójwymiarowe,  aby 

obserwator  patrzący  na  taki  obraz  odniósł wrażenie,  że  widzi 
świat trójwymiarowy ?

Niektóre czynniki jakie należy uwzględnić przy próbie 

osiągnięcia wrażenia „przestrzenności” na obrazie płaskim:

Geometria obrazu

- obiekty, które są w rzeczywistości dalej, wydają się mniejsze,                    

- linie, które są w rzeczywistości równoległe, wydają się zbieżne.                   

Wpływ oświetlenia sceny na to, co widzi obserwator 

- oświetlenie powierzchni obiektów sceny,                    

- interakcje świetlne pomiędzy obiektami, cienie.                    

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie perspektywiczne

Przykład (miniatura średniowieczna):

La Somme le Roy (1290)
British Museum, London

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie perspektywiczne

Filip Brunelleschi (1377-1446) - architekt, rzeźbiarz 

Baptysterium św. Jana

Kopuła katedry we Florencji

Filip  Brunelleschi jest  uważany  za  odkrywcę świadomie 

stosowanej metody rzutu perspektywicznego. Narysował on obraz 
perspektywiczny baptysterium św. Jana, posługując się systemem 
dwóch  zwierciadeł. 

background image

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

6

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie perspektywiczne

Paweł Uccello (1397-1475) - malarz 

P. Uccello – Bitwa pod san Romano

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie perspektywiczne

Masaccio (1401-1428) - malarz 

Masaccio – Grosz czynszowy

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie perspektywiczne

Rafael Santi (1483-1520) - malarz 

Rafael – Szkoła ateńska 

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie perspektywiczne

Urządzenie do wykonywania rzutów perspektywicznych:
Albrecht  Dürer (1471- 1528)

Pouczenie o mierzeniu cyrklem i linią - 1525 r.       

Przy pomocy trzech nici możesz przenieść na obraz każdą rzecz, którą [tymi nićmi] można dosięgnąć narysować na desce. 

Czyń tedy  tak:  jeśli  jesteś w  sali,  wbij  w  ścianę dużą szpilę z  dużym  uchami  przyjmij,  że  to  jest  oko.  Przez  to  [ucho] 
przeci
ągnij mocną nić i zawieś u dołu na niej ołowiany ciężarek: Potem postaw stół lub deskę tak daleko jak zechcesz od ucha 
szpili,  w  której  jest  ni
ć.  Ustaw  na  tym  [stole]  prostą [pionową]  ramę poprzecznie  do  ucha  szpili  ,  wyżej  lub  niżej,  w  jaką
zechcesz stronę, a w tej ramie niech będą drzwiczki, które można by otwieraći zamykać. Przybij do nich dwie nici, które by 
były  tak  długie  jak  pionowa  rama  jest  szeroka  i  długa,  u  góry  i  po
środku  ramy  i  zostaw  by  tak  wisiały.  Potem  zrób  długi 
metalowy sztyft, który na przedzie, na ostrzu miałby uch igielne; przewlecz przeze
ń długą nić, która przeciągnięta jest przez 
ucho szpili w 
ścianie i przenieś igłę i długą nić przez ramę na zewnątrz. Daj ją komuś innemu do ręki i pilnuj dwóch innych 
nici, które wisz
ą przy ramie. 

A teraz używaj ich tak: połóż lutnię czy cokolwiek ci się podoba tak daleko od ramy, jak zechcesz byleby leżała bez zmiany 

tak długo jak będziesz jej potrzebował. Każ teraz pomocnikowi naciągać igłę z nicią do najbardziej istotnych punktów lutni. 
A ile razy zatrzyma si
ę ona na którymś z tych punktów i napnie długą nić, naciągnij zawsze dwie nici przy ramie na krzyż, w 
miejscu [gdzie przechodzi] długa  ni
ć, i  przylepiaj je w  obu miejscach woskiem do ramy, a do  pomocnika wołaj  by popuścił
dług
ą nić. Wtedy  zamykaj drzwiczki i wrysowuj  na desce  ten sam punkt w miejscu gdzie  nici się krzyżują. Potem  otwieraj 
znów  drzwiczki  i  czy
ń tak  samo  z  innym  punktem  - aż wypunktujesz  całą zupełnie  lutnię na  desce.  Potem  połącz  liniami 
wszystkie punkty lutni, które znajduj
ą się na desce - wówczas zobaczysz, co z tego wyjdzie. Możesz w ten sposób odrysować
i inne rzeczy.

background image

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

7

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie perspektywiczne

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie perspektywiczne

Jak wyrazić związek między współrzędnymi punktu 

(x, y, z )

a współrzędnymi jego rzutu 

( x

p

, y

p

)

przy pomocy równań ?

rama

drzwiczki

ucho

ciężarek

długa nić

krótkie 

nici

(x, y, z)

(x

p

,y

p

)

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie perspektywiczne

x

y

z

d

środek projekcji

(x’, y’, z’)

(x, y, z )

(x

p

, y

p

, 0)

Zależność pomiędzy współrzędnymi punktu 

(x, y, z )

a punktu 

(x

, y

, z

)

opisuje układ równań parametrycznych:

u

)

d

z

(

z

z

1

u

0

yu

y

y

xu

x

x

+

=

=

=

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie perspektywiczne

Aby wyznaczyć współrzędne punktu rzutu 

(x

p

, y

p

, 0 )

należy więc 

obliczyć

u

, dla którego 

0

u

)

d

z

(

z

z

=

+

=

Rozwiązaniem równania jest

d

z

z

u

+

=

Podstawiając obliczone 

u

do układu równań parametrycznych 

opisujących  współrzędne  punktu 

(x’,  y’,  z’)

otrzymuje  się

równania

+

=

+

=

d

z

d

y

y

d

z

d

x

x

p

p

background image

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

8

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Rzutowanie perspektywiczne

Jak wyglądają obrazy perspektywiczne ?

Przykład:

x

y

z

(2,1,2)

(1,1,1)

(2,1,1)

(1,2,1)

(2,2,1)

(

1,2,2

)

(

2,2,2

)

d = 3

y

y

x

x

d = 20

d = 20

y

y

x

x

Gdy 

→ ∞

rzut perspektywiczny staje się rzutem pionowym.

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Ogólny przypadek rzutowania

W poprzednich rozważaniach rzutnia leżała na płaszczyźnie

(x-y).

Co zrobić gdy rzutnia jest usytuowana inaczej ?
Jaki będzie w takim przypadku efekt rzutowania ?

Sformułowanie problemu:

1. Dany jest układ prostokątny współrzędnych zewnętrznych

(world coordinates) i opisany w tym układzie obiekt.

2. W układzie współrzędnych zewnętrznych opisany jest drugi  

układ współrzędnych prostokątnych zwany układem  
obserwatora (viewing coordinates).

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Ogólny przypadek rzutowania

x

w

z

w

y

w

x

v

y

v

z

v

obiekt

Model syntetycznej kamery:

x

w

, y

w

, z

w

– układ zewnętrzny

x

v

, y

v

, z

v

– układ obserwatora

Rozwiązanie:

1.  Zapisać obiekt  w  układzie  współrzędnych  obserwatora

(przeliczyć współrzędne  obiektu  z  układu 

(x

w

,  y

w

,  z

w

)

na

układ 

(x

v

, y

v

, z

v

).

2.  Wykonać rzutowanie  (np.  perspektywiczne)  na  płaszczyznę

(x

v

- y

v

)

.

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Ogólny przypadek rzutowania

Aby  wykonać krok  1  najlepiej  jest  określić

transformacje 

złożoną (z transformacji elementarnych). Składanie transformacji 
elementarnych 

może 

odbywać

się

według 

następującej 

procedury:

1. Przesunięcie środka układu obserwatora do środka

układu współrzędnych zewnętrznych.

2. Obrót przesuniętego układu obserwatora wokół osi 

x

w

tak aby oś

z

v

znalazła się na płaszczyźnie 

(x

v

-z

v

).

3. Obrót układu obserwatora wokół osi 

y

v

, tak by oś

z

v

pokryła

się z osią

z

w

.

4. Obrót układu obserwatora wokół osi 

z

w

, aby osie

x

v

i  

y

v

pokryły się z osiami

x

w

i  

y

w

.

background image

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

9

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Ogólny przypadek rzutowania

Zastosowanie dla rzutu perspektywicznego:

Klasyfikacja rzutów perspektywicznych

Kryterium klasyfikacji - liczba osi układu współrzędnych 

zewnętrznych 

( x

w

, y

w

, z

w

)

, które przecinają rzutnię

( x

v

- y

v

).

x

w

obiekt

z

w

y

w

x

v

y

v

z

v

z

w

obiekt

x

w

y

w

x

v

y

v

z

v

jedna oś (

z

w

) przecina rzutnię

trzy osie przecinają rzutnię

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Ogólny przypadek rzutowania

Jak wyglądają obrazy perspektywiczne dla różnych położeń

rzutni ?

1. Perspektywa jednopunktowa (rzutnia 

(x

- y

v

)

leży na 

płaszczyźnie 

(x

w

- y

w

)

). 

Pozorny punkt 

zbieżności

Na  obrazie  perspektywicznym  proste,  na  których  leżą obrazy 

niektórych  krawędzi  sześcianu  zbiegają się w  jednym  punkcie 
(pozorny punkt zbieżności, vanishing point).

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Ogólny przypadek rzutowania

Canaletto (1735 - 45) - Plac św. Marka w Wenecji 

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Ogólny przypadek rzutowania

2. Perspektywa dwupunktowa. Dwie osie układu  współrzędnych

zewnętrznych 

( x

w

, y

w

, z

w

)

przecinają rzutnię

( x

v

- y

v

)

P

1

P

2

Sześcian jednostkowy w perspektywie dwupunktowej

Na obrazie perspektywicznym sześcianu pojawiły się dwa 

pozorne punkty zbieżności.

background image

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

10

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Ogólny przypadek rzutowania

E. Hopper (1923) - The Mansard Roof

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Ogólny przypadek rzutowania

3. Perspektywa trójpunktowa. Trzy osie układu  współrzędnych

zewnętrznych 

( x

w

, y

w

, z

w

)

przecinają rzutnię

( x

v

- y

v

)

Sześcian jednostkowy w perspektywie trójpunktowej

Na obrazie perspektywicznym sześcianu można zaznaczyć trzy 

pozorne punkty zbieżności.

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Ogólny przypadek rzutowania

G. O'Keefe (1926) - City Night

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Ogólny przypadek rzutowania

Przykład:

Pietro Lorenzetti (1432) - Birth of Mary

Hans Memling (1490) - Flower still-life