3D数学

### 3D 数学概念和技术在计算机图形学中的应用 对于希望深入理解三维 (3D) 计算机图形学的人来说,掌握一系列特定的数学工具至关重要。这些工具不仅帮助构建虚拟世界,还支持复杂场景的真实感渲染。 #### 坐标系与变换 为了描述物体的位置和方向,在3D空间中通常采用笛卡尔坐标系。通过平移、旋转以及缩放操作可以改变对象的空间位置或大小。矩阵乘法被广泛应用于表示这类几何转换[^1]。 #### 向量运算 向量用于表达点之间的位移或者力的方向等物理属性。两个重要运算是点积(dot product) 和叉积(cross product),它们分别用来计算角度关系和平面法线矢量[^2]。 #### 投影映射 从3D模型到二维屏幕的过程称为投影。透视投影模仿人类视觉效果,使得远处的对象看起来更小;而正交投影则保持所有距离不变,适用于工程制图等领域。 #### 曲面建模 曲面由多个顶点连接而成的小平面片近似构成。贝塞尔曲线(Bezier curves) 及其扩展形式——B样条(B-splines), 是定义光滑连续表面的有效方法之一。 ```python import numpy as np def bezier_curve(P0, P1, P2, t): """Calculate point on quadratic Bezier curve.""" return ((1-t)**2 * P0 + 2*(1-t)*t*P1 + t**2 * P2) # Example usage with three points defining a Bezier curve segment. points = [ np.array([0., 0.]), np.array([1., 2.]), np.array([3., 1.]) ] for i in range(101): # Generate 100 evenly spaced values between 0 and 1 inclusive pos = bezier_curve(*points, i/100.) print(f"At parameter value {i/100:.2f}, position is ({pos[0]:.4f},{pos[1]:.4f})") ``` #### 光照模型 模拟光线如何照射并反射自不同材质表面上的效果是实现逼真画面的关键因素。Phong光照模型结合了环境光(Ambient Light)、漫反射(Diffuse Reflection) 和镜面高光(Specular Highlighting)[^1]。
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