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射影幾何/經典/射影變換/射影平面的變換

來自華夏公益教科書

二維射影變換是一種自同構,將射影平面對映到自身。

平面變換可以用以下方式合成地定義:點X在“主觀”平面上必須變換到點T,該點也在主觀平面上。變換使用這些工具:一對“觀察點”PQ,以及一個“客觀”平面。主觀平面和客觀平面以及這兩個點都位於三維空間中,這兩個平面可以在某條線上相交。

畫出經過點PX的直線l1。直線l1與客觀平面在點R處相交。畫出經過點QR的直線l2。直線l2與射影平面在點T處相交。然後TX的射影變換。

xy平面為“主觀”平面,平面m為“客觀”平面。設平面m由以下式子描述

其中常數mn是偏斜率,bz截距。

設有一對“觀察”點PQ

設點X位於“主觀”平面上

X必須變換到點T

也在“主觀”平面上。

分析結果是一對方程,一個用於橫座標 Tx,另一個用於縱座標 Ty

二維變換最多有九個自由度:PxPyPzQxQyQzmnb。注意公式 (12) 和 (13) 有相同的分子,並且可以透過交換mn,以及交換xy(包括PQ 的下標)從Tx 獲得Ty

三線性分數變換

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使得

同時設

使得

公式 (14) 和 (15) 共同描述了三線性分數變換。

三線性變換的複合

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如果一個變換由公式 (14) 和 (15) 給出,那麼這樣的變換可以用九個係數來表徵,這些係數可以排列成一個係數矩陣

如果有一對平面變換 T1T2,它們的係數矩陣分別為 ,那麼這兩個變換的複合是另一個平面變換 T3

使得

T3 的係數矩陣可以透過將 T2T1 的係數矩陣相乘得到

給定由以下公式定義的 T1

並且給定由以下定義的 T2

然後可以透過將 T1 代入 T2 來計算 T3

用相同的 trinomial 乘以分子和分母

xy 和 1 的係數分組

T3 的六個係數與透過以下乘積獲得的係數相同

其餘三個係數可以透過以下方式驗證

用相同的 trinomial 乘以分子和分母

xy1的係數分組

所得到的三個剩餘係數與透過公式 (16) 獲得的係數相同。證畢。

直線的平面變換

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由公式 (14) 和 (15) 給出的三線性變換將一條直線

變換成另一條直線

其中 nc 是常數,等於

證明

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給定 y = m x + b,然後將其代入公式 (14) 和 (15) 得出

如果Ty = n Tx + cnc 為常數,則

使得

計算表明

因此

現在我們應該得到c

將分子中的兩個分數相加。

將分子括號中的二項式展開,然後抵消相等且相反的項。

將分子分解成兩項,其中只有一項包含“數目”(x)。在分母中還有一個“數目”。現在目標是使這兩項都抵消。

對分子進行因式分解

含有未知數項的因式相互抵消,因此

是一個常數。 Q.E.D.

比較cn,注意到它們的denominator相同。 此外,n可以透過交換以下係數從c得到

n的分子和分母之間也存在以下對稱性

c的分子和分母也具有交換對稱性:

nc之間的交換對稱性可以分解成二項式

所有這些交換對稱性相當於在係數矩陣中交換成對的行。

圓錐曲線的平面變換

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像方程(14)和(15)給出的三線性變換T 將把一個圓錐曲線

轉換成另一個圓錐曲線

證明

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設有一個由方程(17)描述的圓錐曲線和一個由方程(15)和(16)描述的平面變換T,它將點(x,y) 轉換成點(Tx,Ty)

可以找到一個逆變換T′,它將點(Tx,Ty) 轉換回點(x,y)。這個逆變換有一個係數矩陣

方程(17)可以用逆變換表示

方程兩邊乘以三項式的平方可以“消去”分母

展開三項式乘積並收集TxTy 的公共冪

公式 (19) 與公式 (18) 形式相同。

剩下要做的就是用非帶撇係數表示帶撇係數。為此,將克萊姆法則應用於係數矩陣 MT,以獲得逆變換的帶撇矩陣。

其中 *Δ* 是未加撇的係數矩陣的行列式。

等式 (20) 允許用未加撇的係數表示加撇的係數。但將這些替換應用於等式 (19) 中的加撇係數後,可以注意到行列式 *Δ* 自己抵消了,因此可以完全忽略它。所以