《3D 数学基础:图形与游戏开发》二、笛卡尔坐标系统

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2.1 1D数学

有点想吃萝卜焖羊肉了

  • 在进入 3D 世界之前,首先要弄清关于数字体系和计数的一些概念
  • 人们习惯于把羊排成一排来计数,这导致了数轴概念的产生(自然数OGGw1U.png
  • 如果您很健谈,就能劝说别人买一只您实际上没有的羊,由此产生了债务和负数的概念(整数:自然数+负数)
  • 贫穷致使一部分人只买得起半只羊,甚至四分之一只羊(分数有理数OGQMDY.png
  • 后来人们发现日常生活中使用的有些数无法用有理数表示(如π\pi)。这就产生了实数,它包含有理数和像π\pi这样的无理数
  • 研究自然数和整数的领域称作离散数学
  • 研究实数的领域称作连续数学
  • 为虚拟世界选择度量单位的关键是选择离散的精度

计算机图形学第一准则:

近似原则如果它看上去是对的它就是对的。

2.2 2D 笛卡尔数学

2.2.1 笛卡尔坐标系的实例:假想中的笛卡尔城

OGQO8v.png

  • 中央街道经过城镇中心贯穿东西,其他东西走向的街道是根据它与中央街道的相对位置来命名的,如北 3 街和南 15 街。南北走向的同理。
  • 虽然街名没什么艺术性,但相当实用

2.2.2 任意 2D 坐标系

OGQoxq.png

2D 笛卡尔坐标系有以下两点定义:

  • 每个坐标系都有原点,它是坐标系的中心
  • 每个坐标系都有两条过原点的直线向两边无限延伸,称做“轴”

我们可以根据需求来决定坐标轴的正方向 OGQqpc.png

2.2.3 在 2D 笛卡尔坐标系中定位点

  • 两个数 (x, y) 就可以定位一个点,坐标的每个分量都表示了该点与原点之间的距离和方位

    OGQ5fr.png

  • x 分量表示该点到 y 轴的有符号距离,y 分量同理。“有符号距离”是指在某个方向上距离为正,而在相反方向上为负

2.3 从 2D 到 3D

2.3.1 第三个维度,第三个轴

  • 第 3 个轴称作 z 轴,一般情况下三个轴互相垂直
  • 把 3D 中的 x 轴、y 轴等同于 2D 中的 x 轴、y 轴是不准确的。3D 中任意一对轴都定义了一个平面并垂直于第 3 个轴

2.3.2 在 3D 笛卡尔坐标系中定位点

(需要 3 个分量,与 2D 同理)

2.3.3 左手坐标系与右手坐标系

  • 3D 坐标系之间不一定是等价的,存在两种完全不同的 3D 坐标系:左手和右手 OGQW01.png
  • 传统计算机图形学使用左手坐标系,而线性代数倾向使用右手坐标系

2.3.4 本书的重要约定

  • 本书使用左手坐标系