投影

官方数学老师·10 页·进阶(有基础,想深入原理)·0 次浏览·3 天前
正交投影透视投影视图变换几何直觉

投影

从正交到透视,看懂每种投影背后的几何直觉与矩阵推导

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正交投影透视投影视图变换几何直觉

投影

从正交到透视,看懂每种投影背后的几何直觉与矩阵推导

1第 1 页 · 投影

判断物体与投影面的空间位

上一页我们知道了什么是投影。具体到一个物体,它和投影面是什么关系?你把手伸到台灯和墙之间——手离墙越近影子越大,偏左偏右影子也跟着偏。这就是空间位置关系在起作用。

空间位置关系
物体相对投影面的方位,包含上下、前后、左右三个维度
三面对应三方位
水平面管上下、正面管前后、侧面管左右,各管一个方向
判断依据
看物体到投影面的垂直距离和所处方向
绘制依据
准确判断空间位置是正确绘制三视图的前提
手电筒照手投在墙上对应 →物体与投影面空间位置

手离墙远近、左右偏移决定影子大小和位置,逻辑与判断物体相对投影面的位置一致

2第 2 页 · 判断物体与投影面的空间位

投影

上一页我们聊了物体和投影面的空间位置关系——但'投影'本身到底是怎么回事?让我们从一个最熟悉的现象说起:影子。

投影的定义
物体上各点沿投影线落到投影面,形成对应点的集合
三要素
投影线、投影面、被投影物体,缺一不成立
平行投影
投影线互相平行,分正投影与斜投影两种
中心投影
投影线汇聚于一点,立体感强但尺寸会失真
正投影的核心地位
工程制图以此为基础,真实反映形状和大小
手电筒照物体投在墙上对应 →中心投影

灯泡=投影中心,光线=投影线,墙面=投影面,影子=投影结果

3第 3 页 · 投影

投影线

投影线:定义、要点与典型应用

投影线
投影线:定义、要点与典型应用
4第 4 页 · 投影线

投影面

上一页我们知道,投影线从物体出发、沿着一定方向射出去——那它最终落在哪?答案是:投影面。这页我们来认真认识这个'落点'。

投影面的本质
一个假想的、无限延展的平面,用来承接投影线形成的图形;不等同于实际图纸的边框
三投影面体系
由 V(正立面)、H(水平面)、W(侧立面)三个两两垂直的平面构成
投影轴与坐标系
三面两两相交形成 OX、OY、OZ 三条投影轴,构成长方体空间直角坐标系
物体定位基准
物体在三投影面体系中的位置,决定了三视图的形状与相互对应关系
房间的两面墙与地面对应 →三投影面体系

两面墙+地面天然两两垂直;物体放进去,光把影子同时投向墙和地——这就是三视图的原型

5第 5 页 · 投影面

平行投影

前面已经知道投影面是承接影子的平面。现在看太阳下的树影:光线近似沿同一方向落下。把“同一方向”推广到工程制图,就得到平行投影。

投影线平行
各投影线方向相同、互不相交,不向同一点汇聚。
方向与投影面
投影方向和投影面的相对位置会改变投影的形状与大小。
正投影
投影线垂直投影面,便于表达尺寸,并保留与投影面平行的面的真实形状。
斜投影
投影线与投影面斜交,立体感强,常用于产品展示和示意图。
太阳下的树影对应 →平行投影

远处太阳光可近似看作同一方向;树影各点沿相同方向落到地面,地面类似投影面。

6第 6 页 · 平行投影

中心投影

上页学了平行投影:投影线全部平行,物体比例不变。但你看到的铁轨在地平线相交、走廊越往里越窄——这些场景背后的投影规则不同。这就是中心投影。

投影中心
所有投影线都从同一个点出发,这个点叫投影中心,也叫视点
投影线会聚
投影线不再平行,而是从中心向四周散开,像一把打开的折扇
近大远小
物体离中心越近投影越大,越远越小,与真实视觉完全一致
灭点
原本平行的直线在投影中汇聚到一点,这是中心投影独有的标志
相机拍照对应 →中心投影

镜头对应投影中心,光线对应投影线,底片对应投影面,底片上的成像就是投影图

7第 7 页 · 中心投影

正投影

正投影:定义、要点与典型应用

正投影
正投影:定义、要点与典型应用
8第 8 页 · 正投影

本节要点

  • 投影的本质是「物体→投影线→投影面」的映射关系
  • 平行投影线互不相交,中心投影线汇聚于投影中心
  • 正投影是平行投影的特例:投影线垂直于投影面
  • 工程制图以正投影为基底,作图前先定投影面与方向
  • 易错:把「投影方向」与「观察方向」混为一谈
延伸主题:三视图的画法与方位关系透视投影与中心投影的异同投影在CAD与渲染中的应用
9第 9 页 · 本节要点

课后思考

先自己琢磨一会儿,再看参考答案——重点不在答对,而在顺着思路再想一遍。

1投影本质上是在做什么?用「光照射出影子」来类比投影,哪些地方讲得通,哪些地方讲不通?

参考答案从「视线/投影线穿过物体」切入。影子丢失了沿光线方向的深度信息,而正投影通过「多视图组合」补回深度——这正是影子类比讲不通的关键。

2工程图纸为什么坚持用正投影,而不用看起来更直观的中心投影?

参考答案中心投影近大远小,尺寸无法直接量取;正投影保留真实比例,便于标注尺寸和指导制造。绘画求「像」,工程求「准」——目标不同,方法就不同。

3如果投影面换成曲面(例如球面内侧),正投影、平行投影这些概念还成立吗?

参考答案概念本身可推广(仍是点-线-点的对应关系),但「平行线仍平行」「保持真实比例」这些性质会失效。地图投影(如墨卡托)就是球面投影的典型例子。

10第 10 页 · 课后思考