Вывод формул центральной перспективной проекции

Для получения формул центральной перспективной проекции расположим оси системы координат, проекционную плоскость и центр проекции как показано на рис. 19.

Будем имитировать на экране то, что как будто бы реально находится в пространстве за ним. Заметим, что система координат, изображенная на рис. 19 – лево­сторонняя. Будем считать, что плоскость экрана монитора совпадает с проекционной плоскостью. Прежде чем переходить к собственно вычислениям следует сделать одно важное замечание. Поскольку поверхность любого трехмерного объекта содержит бесконечное число точек, то необходимо задать способ описания поверхности объекта конечным числом точек для представления в компьютере. А именно, будем использовать линейное представление объектов в трехмерном пространстве с помощью отрезков прямых и плоских многоугольников. При этом отрезки прямых после перспективного преобразования переходят в отрезки прямых на проекционной плоскости. Доказательство этого достаточно простое и здесь не приводится. Это важное свойство центральной перспективы позволяет проецировать, т.е. производить вычисления только для конечных точек отрезков, а затем соединять
проекции точек линиями уже на проекционной плоскости.

Точка проецируется на экран как . Расстояние от наблюдателя до проекционной плоскости равно k. Определим координаты точки на экране. Обозначим их и . Из подобия треугольников и находим, что

(1)

аналогично для x: .

Напомним, что k -это расстояние, а наблюдатель находится в точке .

Если точку наблюдения поместить в начало координат, а проекционную плоскость на расстояние , как показано на рис. 21, то формулы для и примут вид:

, (2)

Формулы (1) более удобны при необходимости простым образом приближать или удалять наблюдателя от проекционной плоскости. Формулы (2) требуют меньше времени для вычислений за счет отсутствия операции сложения.

Рассмотрим далее некоторые факторы. влияющие на восприятие человеком трехмерности. Одним из простых способов представления трехмерных объектов являются так называемые проволочные изображения. Кривые линии при этом апроксимируются отрезками прямых. Это наиболее быстрый и простой способ изображения.

Для усиления эффекта трехмерной глубины в проволочных изображениях объектов удаляют невидимые линии. Линии или их части, закрытые поверхностями объекта, не изображаются. Для этого применяется специальный алгоритм, что требует уже больших вычислений. Передача глубины может осуществляться изменением уровня яркости. Объекты, которые находятся ближе к наблюдателю, изображаются ярче, чем те, которые расположены дальше от него. Движение объектов также дает дополнительный эффект глубины. Например, вращение объектов вокруг вертикальной оси позволяет отличить точки, находящиеся на разном расстоянии от оси за счет различия линейной скорости вращения точек. Это так называемый кинетический или динамический эффект глубины.

Более тонко трехмерность объектов может быть представлена за счет различий отражательных способностей поверхностей, их рельефа и текстуры, а также расчета теней, отбрасываемых поверхностями объекта. Одним из редко используемых, но наиболее эффективных способов достижения эффекта трехмерности является стереоскопия. При этом отдельно для правого и левого глаза наблюдателя формируются изображения, которые незначительно отличаются друг от друга, подобно тому, как это происходит в реальности. Это вызывает так называемый бинокулярный эффект, который заключается в том, что наш мозг сливает два отдельных образа в один, интерпретируемый как трехмерный. Эти два раздельных изображения называются стереопарой.

Технически этот метод реализуется, например, с помощью очков со специальными поляризованными стеклами. На экран монитора поочередно выводятся изображения для левого и правого глаза. А стекла очков становятся поочередно, соответственно, прозрачными или непрозрачными. При достаточно частой смене изображений смены состояний прозрачности и непрозрачности не ощущается. Поскольку при изменении положения головы центр проекции остается на месте, то создается псевдо-трехмерный эффект. Синхронизация смены кадров на экране и поляризации линз очков происходит с помощью специальных датчиков, расположенных на очках и мониторе.