Dr. Kovács Emőd
Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ
Tartalom
Ponttranszformáción olyan megfeleltetést értünk, mely az alakzat minden egyes pontjához egyértelműen hozzárendel egy pontot. Olyan eljárásoknál kell ezt alkalmazni, amelyekben a tárggyal összefüggésben annak valamilyen hasonmása keletkezik. Tipikus példa erre minden leképezési folyamat (például a fényképezés), ahol a tárgyhoz, annak egyes pontjaihoz egy kép pontjait rendeljük. Ide értjük azokat az eseteket is, amikor a tárgy deformációkat szenved. Az általunk tárgyalt legbővebb transzformáció a projektív transzformáció.
A térbeli ponttranszformációk általános alakja, ahol p a transzformálandó, p’ a
transzformált pontba mutató helyvektor, pedig a
-es transzformációs
mátrix:
ahol
Először az úgynevezett elemi transzformációkat tárgyaljuk, ezekből lehet összetett transzformációkat létrehozni. Minden transzformáció esetén megadjuk az inverz transzformációt is. A leírásnál elsősorban Juhász Imre könyvére támaszkodunk (lásd [48], [96]).
Azokat a transzformációkat, ahol bármely szakasz képe ugyanolyan hosszúságú szakasz
egybevágósági transzformációnak nevezzük. Ilyen tulajdonságú transzformáció az identitás, az
elforgatás, az eltolás és a tükrözés. Az eltolást és elforgatást összefoglalóan mozgásnak szokás
nevezni, ugyanis ilyen esetben van olyan térbeli „mozgás” amivel az egybevágó alakzatok egymással
„fedésbe” hozhatók. Az egybevágósági transzformációk közös jellemzője, hogy a reprezentáló
mátrixok bal felső -as minor mátrixa ortonormált mátrix –azaz sorai
és oszlopai páronként merőleges egységvektorok– és determinánsa mozgás esetén 1,
tükrözésnél pedig -1.
Az identitás esetén minden ponthoz önmagát rendeljük hozzá, tehát a pontok koordinátái nem változnak. Itt a tárgy mozdulatlan.
Az eltolás esetén a P ponthoz megadott irányban és távolságban levő P’ pontot rendeljük
hozzá. Ez esetben az eltolást egy vektorral adhatjuk meg. Legyen a vektor koordinátája
5.1. ábra. Síkbeli eltolás.[108]
A P’ pont koordinátáját megkapjuk, ha a P pont megfelelő koordinátáihoz hozzáadjuk a d vektor megfelelő koordinátáit:
Ugyanez homogén koordinátás alakban és mátrix szorzással felírva:
adódik az eltolás mátrixa illetve inverze:
Az eltolás hatására a tárgy önmagával párhuzamosan a d vektornak megfelelő irányba és távolságra tolódik el.
Térbeli forgatásnál szükség van egy e egyenesre, mely körül forgatunk, valamint egy
(theta) szögre, hogy milyen mértékkel. Az
egy irányított szög, ami azt jelenti, hogy
pozitív szög esetén az óramutató járásával ellentétesen, míg negatív szög esetén az
óramutató járásával megegyezően forgatunk. Egyenes körüli elforgatás esetén az egyenes pontjai
fixpontok, azaz a forgatás során a képpont megegyezik az eredeti ponttal. Ha a P pontot az e egyenes
nem tartalmazza, akkor a képe az a P’ pont lesz, melyre teljesül, hogy P és P’ pontnak az e
egyenestől vett távolsága megegyezik, valamint PeP’ szög nagysága és iránya a megadott
szög.
A legegyszerűbb, ha a forgatás tengelyének valamelyik koordináta-tengelyt választjuk. Amennyiben a z tengelyt választjuk, akkor a pontnak és a képpontnak a z tengelytől vett távolsága nem változik. Ezen térbeli elforgatás visszavezethető egy origó körüli síkbeli elforgatásra, ahol az elforgatás szöge megegyezik a térbeli elforgatás szögével. Síkbeli elforgatás esetén pedig:
5.2. ábra. Síkbeli elforgatás.[107]
Ennek megfelelően a z tengely körüli elforgatás mátrixa:
Ha az elforgatás tengelyének az x vagy az y tengely valamelyikét választjuk, akkor a mátrix a következőképpen módosul:
Vegyük észre, hogy az y tengely körüli forgatás esetén a főátló felett a
előjele pozitív ellentétben a másik két forgatással! A forgatás pozitív irányát úgy
határozzuk meg, hogy a forgástengelynek kiválasztott koordináta tengely pozitív oldaláról
nézünk az origóba. A forgás tengely pontonként fix, tehát a másik két tengely elforgatásánál
vesszük figyelembe, hogy az óramutató járásával megegyező, vagy ellentétes irányba forgatunk.
Az óramutató járásával ellentétes irányt (counter clock-wise) nevezzük pozitív illetve a
megegyező irány (clock-wise)negatív forgatásnak. Tehát így értelmezhetünk negatív forgatási
szöget is. A forgatás inverzét megkaphatjuk, ha a szög ellentétét használjuk, azaz a forgatás
mátrixában a
helyett
-t, míg
helyett
-t írunk:
Forgatási mátrix esetében az inverz mátrix megegyezik (otrogonális mátrixok) a transzponált mátrixszal:
A térbeli tükrözés esetén szükség van egy s síkra, amelyre vonatkoztatva végezzük el a tükrözést. A tér egy P pontjához úgy rendeljük hozzá a képét, hogyha P illeszkedik az s síkra, akkor a képe önmaga; ha a P nem illeszkedik az s síkra, akkor azt a P’ pontot rendeljük hozzá, amelyre fennáll, hogy a P-P’ szakasz felezőmerőleges síkja az s sík.
Elemi tükrözési transzformációk esetén a tükrözést a koordinátasíkokra hajtjuk végre. Ha az (x,y) síkra történik a tükrözés, akkor a pontnak az x, valamint y tengelytől való távolsága nem változik, viszont a z tengelytől való távolsága az ellentéte lesz az eredeti ponthoz tartozónak. Ennek megfelelően ennek a tükrözésnek a mátrixa:
Az (y,z), valamint (x,z) síkokra vonatkozó tükrözésnél - ugyanilyen gondolatmenet alapján – az első, illetve a második oszlopban lesz -1.
A tükrözés inverzének mátrixa megegyezik a tükrözés mátrixával. Ez abból következik, hogyha egy pontot ugyanarra a síkra nézve kétszer tükrözünk, akkor a kétszeres tükrözést követően visszakapjuk az eredeti pontot.