transformace je posunutí plus lineární transformace má svou matici vzhledem k homogenním souřadnicím [1]

Podobné dokumenty
transformace Idea afinního prostoru Definice afinního prostoru velké a stejně orientované.

Afinní transformace Stručnější verze

Matice. Je dána matice A R m,n, pak máme zobrazení A : R n R m.

[1] Motivace. p = {t u ; t R}, A(p) = {A(t u ); t R} = {t A( u ); t R}

Vlastní číslo, vektor

Soustavy linea rnı ch rovnic

Geometrické transformace pomocí matic

[1] Determinant. det A = 0 pro singulární matici, det A 0 pro regulární matici

Rovinné přetvoření. Posunutí (translace) TEORIE K M2A+ULA

7 Analytické vyjádření shodnosti

VI. Maticový počet. VI.1. Základní operace s maticemi. Definice. Tabulku

1 Připomenutí vybraných pojmů

x 2 = a 2 + tv 2 tedy (a 1, a 2 ) T + [(v 1, v 2 )] T A + V Příklad. U = R n neprázdná množina řešení soustavy Ax = b.

Afinita je stručný název pro afinní transformaci prostoru, tj.vzájemně jednoznačné afinní zobrazení bodového prostoru A n na sebe.

Vektorový prostor. Př.1. R 2 ; R 3 ; R n Dvě operace v R n : u + v = (u 1 + v 1,...u n + v n ), V (E 3 )...množina vektorů v E 3,

[1] x (y z) = (x y) z... (asociativní zákon), x y = y x... (komutativní zákon).

Základy matematiky pro FEK

1 Báze a dimenze vektorového prostoru 1

Matice. Modifikace matic eliminační metodou. α A = α a 2,1, α a 2,2,..., α a 2,n α a m,1, α a m,2,..., α a m,n

Necht tedy máme přirozená čísla n, k pod pojmem systém lineárních rovnic rozumíme rovnice ve tvaru

6 Samodružné body a směry afinity

[1] Vzhledem ke zvolené bázi určujeme souřadnice vektorů...

Soustavy. Terminologie. Dva pohledy na soustavu lin. rovnic. Definice: Necht A = (a i,j ) R m,n je matice, b R m,1 je jednosloupcová.

V: Pro nulový prvek o lineárního prostoru L platí vlastnosti:

6. ANALYTICKÁ GEOMETRIE

Vektory a matice. Obsah. Aplikovaná matematika I. Carl Friedrich Gauss. Základní pojmy a operace

1 Linearní prostory nad komplexními čísly

Lineární algebra : Změna báze

ALGEBRA. Téma 4: Grupy, okruhy a pole

(ne)závislost. α 1 x 1 + α 2 x α n x n. x + ( 1) x Vektoru y = ( 1) y říkáme opačný vektor k vektoru y. x x = 1. x = x = 0.

Lineární zobrazení. 1. A(x y) = A(x) A(y) (vlastnost aditivity) 2. A(α x) = α A(x) (vlastnost homogenity)

Matematika B101MA1, B101MA2

Matice. Předpokládejme, že A = (a ij ) je matice typu m n: diagonálou jsou rovny nule.

Necht L je lineární prostor nad R. Operaci : L L R nazýváme

Eukleidovský prostor a KSS Eukleidovský prostor je bodový prostor, ve kterém je definována vzdálenost dvou bodů (metrika)

MATICE. a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n A = = [a ij]

Matice lineárních zobrazení

6. Lineární nezávislost a báze p. 1/18

DEFINICE Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

Matematika (CŽV Kadaň) aneb Úvod do lineární algebry Matice a soustavy rovnic

Definice 13.1 Kvadratická forma v n proměnných s koeficienty z tělesa T je výraz tvaru. Kvadratická forma v n proměnných je tak polynom n proměnných s

6.1 Vektorový prostor

0.1 Úvod do lineární algebry

6. Vektorový počet Studijní text. 6. Vektorový počet

Základní pojmy teorie množin Vektorové prostory

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Skalární součin. študenti MFF 15. augusta 2008

Euklidovský prostor. Euklides. Euklidovy postuláty (axiomy)

Vektorové podprostory, lineární nezávislost, báze, dimenze a souřadnice

Kapitola 11: Vektory a matice:

označme j = (0, 1) a nazvěme tuto dvojici imaginární jednotkou. Potom libovolnou (x, y) = (x, 0) + (0, y) = (x, 0) + (0, 1)(y, 0) = x + jy,

0.1 Úvod do lineární algebry

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ LDF MT MATEMATIKA VEKTORY, MATICE

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ LDF MT MATEMATIKA VEKTORY, MATICE

Základy teorie matic

P 1 = P 1 1 = P 1, P 1 2 =

Lineární algebra Operace s vektory a maticemi

Maticí typu (m, n), kde m, n jsou přirozená čísla, se rozumí soubor mn veličin a jk zapsaných do m řádků a n sloupců tvaru:

[1] LU rozklad A = L U

Katedra aplikované matematiky FEI VŠB Technická univerzita Ostrava luk76/la1

Lineární zobrazení. V prvním z následujících tvrzení navíc uvidíme, že odtud plynou a jsou tedy pak rovněž splněny podmínky:

Lineární algebra : Skalární součin a ortogonalita

Matematika I 12a Euklidovská geometrie

Lineární algebra : Lineární prostor

Matematika B101MA1, B101MA2

Kapitola 11: Vektory a matice 1/19

Operace s maticemi

8.3). S ohledem na jednoduchost a názornost je výhodné seznámit se s touto Základní pojmy a vztahy. Definice

Dá se ukázat, že vzdálenost dvou bodů má tyto vlastnosti: 2.2 Vektor, souřadnice vektoru a algebraické operace s vektory

Michal Zamboj. December 23, 2016

Teorie informace a kódování (KMI/TIK) Reed-Mullerovy kódy

Poznámka. V některých literaturách se pro označení vektoru také používá symbolu u.

3 Lineární kombinace vektorů. Lineární závislost a nezávislost

Lineární algebra : Vlastní čísla, vektory a diagonalizace

Lineární algebra - I. část (vektory, matice a jejich využití)

Vybrané kapitoly z matematiky

příkladů do cvičení. V textu se objeví i pár detailů, které jsem nestihl (na které jsem zapomněl) a(b u) = (ab) u, u + ( u) = 0 = ( u) + u.

Matematika 1 MA1. 1 Analytická geometrie v prostoru - základní pojmy. 4 Vzdálenosti. 12. přednáška ( ) Matematika 1 1 / 32

PROSTORY SE SKALÁRNÍM SOUČINEM. Definice Nechť L je lineární vektorový prostor nad R. Zobrazení L L R splňující vlastnosti

1 Determinanty a inverzní matice

Četba: Texty o lineární algebře (odkazy na webových stránkách přednášejícího).

Drsná matematika I 5. přednáška Vektory a matice

Lineární algebra : Násobení matic a inverzní matice

grupa těleso podgrupa konečné těleso polynomy komutativní generovaná prvkem, cyklická, řád prvku charakteristika tělesa

METRICKÉ A NORMOVANÉ PROSTORY

z = a bi. z + v = (a + bi) + (c + di) = (a + c) + (b + d)i. z v = (a + bi) (c + di) = (a c) + (b d)i. z v = (a + bi) (c + di) = (ac bd) + (bc + ad)i.

Lineární algebra : Skalární součin a ortogonalita

Úvod do lineární algebry

A[a 1 ; a 2 ; a 3 ] souřadnice bodu A v kartézské soustavě souřadnic O xyz

maticeteorie 1. Matice A je typu 2 4, matice B je typu 4 3. Jakých rozměrů musí být matice X, aby se dala provést

Algebraické struktury s jednou binární operací

Michal Zamboj. January 4, 2018

α β ) právě tehdy, když pro jednotlivé hodnoty platí β1 αn βn. Danou relaci nazýváme relace

Symetrické a kvadratické formy

Geometrické vidění světa KMA/GVS ak. rok 2013/2014 letní semestr

Lineární algebra : Lineární (ne)závislost

ALGEBRA. Téma 5: Vektorové prostory

1 Kvadratické formy. 2 Matice kvadratické formy. Definice Necht B je bilineární forma na V. Q B : V R. Q B (x) = B(x, x), x V

Vlastní čísla a vlastní vektory

Operace s maticemi. 19. února 2018

Linearní algebra příklady

Transkript:

[1] Afinní transformace je posunutí plus lineární transformace má svou matici vzhledem k homogenním souřadnicím využití například v počítačové grafice Evropský sociální fond Praha & EU. Investujeme do vaší budoucnosti a) afinita, 13, b) P. Olšák, FEL ČVUT, c) P. Olšák 2010, d) BI-LIN, e) L, f) 2009/2010, g)l. Viz p. d. 4/2010

Idea afinního prostoru BI-LIN, afinita, 13, P. Olšák [2] Lineární prostor V volných vektorů: dvě orientované úsečky reprezentují stejný volný vektor, pokud jsou rovnoběžné, stejně velké a stejně orientované. Sčítání a násobení konstantou v lineárním prostoru V provedeme pomocí vhodně zvolených reprezentatnů stejně jako v U O. Kromě vektorů z V budeme v afinním prostoru pracovat s množinou bodů X. Nové operace: bod1 + vektor = bod2. Na bod1 navážeme reprezentanta vektoru a koncový bod tohoto vektoru je výsledek operace. bod1 bod2 = vektor. Výsledkem je vektor s reprezentantem, který má počáteční bod2 a koncový bod1.

Definice afinního prostoru BI-LIN, afinita, 13, P. Olšák [3] Definice: Necht V je lineární prostor a X je libovolná množina. Dvojici množin (X, V) nazýváme afinní prostor, pokud kromě operací + a na V je definována operace + : X V X s vlastnostmi: (1) P + o = P P X ( o V je nulový vektor), (2) (P + u ) + v = P + ( u + v ) P X, u V, v V, (3) P X, Q X existuje jediný u V tak, že P = Q + u Vektor u z vlastnosti (3) značíme P Q nebo QP. Množina X a lineární prostor V mohou být jakékoli takové, aby šlo definovat operaci + s uvedenými vlastnostmi. Dobrá a postačující představa afinního prostoru je lineární prostor V volných vektorů a množina X bodů.

BI-LIN, afinita, 13, P. Olšák [4] Souřadnicový systém afinního prostoru Dimenze afinního prostoru je dimenze lineárního prostoru V. Nadále budeme předpokládat afinní prostory s konečnou dimenzí (zejména s dimenzí 3 nebo 2). Zvolme bázi (B) prostoru V a dále bod O X. Dvojici (O, B) nazýváme souřadnicovým systémem afinního prostoru. Vektor u V má souřadnice vzhledem k (O, B) definovány jako jeho souřadnice vzhledem k bázi (B). Bod P X má souřadnice vzhledem k (O, B) definovány jako souřadnice vektoru OP. Tomuto vektoru říkáme radiusvektor bodu P.

BI-LIN, afinita, 13, P. Olšák [5] Vlastnosti souřadnic v afinním prostoru Necht C je zobrazení souřadnic, u, v V, P, Q X, α R. Pak (1) C( u + v ) = C( u ) + C( v ) (2) C(α u ) = α C( u ) (3) C(Q + u ) = C(Q) + C( u ) (4) C(P Q) = C(P) C(Q) Důkaz: (1) a (2): jsou to obvyklé souřadnice vektoru. (3), (4): stačí souřadnice bodů vyjádřit jako souřadnice jejich radiusvektorů.

Homogenní souřadnice BI-LIN, afinita, 13, P. Olšák [6] Necht má afinní prostor dimenzi n. Homogenní souřadnice vektoru v souřadnicovém systému (O, B) je uspořádaná (n + 1)-tice; prvních n složek obsahuje souřadnice vektoru, poslední složka obsahuje nulu. Homogenní souřadnice bodu v souřadnicovému systému (O, B) je uspořádaná (n + 1)-tice; prvních n složek obsahuje souřadnice bodu, poslední složka obsahuje jedničku. Pozorování: Tvrzení z předchozí strany [5] o souřadnicích platí i v případě, že C značí homogenní souřadnice.

Matice v homogenních souřadnicích BI-LIN, afinita, 13, P. Olšák [7] Zobrazení A : X X, pro které existuje matice A R n+1,n+1 s vlastností: homogenní homogenní souřadnice A bodu P vzhledem = souřadnice bodu A(P) vzhledem k (O, B) k (O, B) se nazývá transformace s maticí A v homogenních souřadnicích. Pozorování: Matice A musí být tvaru: ( ) A t A = o 1 kde A R n,n, t R n,1, o R 1,n je nulový vektor.

Vlastnosti matice v homogenních souřadnicích BI-LIN, afinita, 13, P. Olšák [8] ( ) ( ) A t p o 1 1 = ( ) A p + t tj. bod je transformován lineární transformací s maticí A a následně posunut o t. ( ) ( ) ( ) A t u A = u o 1 0 0 tj. vektor je pouze transformován lineární transformací s maticí A. 1

Příklad 2D BI-LIN, afinita, 13, P. Olšák [9] Obecná matice transformace v homogenních souřadnicích má tvar: a b c d e f. 0 0 1 Je tedy určena šesti parametry. Bod se souřadnicemi (x, y) přejde při transformaci s touto maticí na bod se souřadnicemi (x, y ): x a b c x ax + by + c y = d e f y = dx + ey + f, 1 0 0 1 1 1 takže bod se transformuje lineárně a posune o vektor (c, f ).

Příklad 3D BI-LIN, afinita, 13, P. Olšák [10] Obecná matice transformace v homogenních souřadnicích má tvar: a b c d e f g h i j k l. 0 0 0 1 Je určena dvanácti parametry. Transformace bodu probíhá podle následujícího vzorce: x a b c d x ax + by + cz + d y z = e f g h i j k l y z = ex + fy + gz + h ix + jy + kz + l 1 0 0 0 1 1 1

BI-LIN, afinita, 13, P. Olšák [11] Skládání transformací součin matic Věta: Necht A a B jsou matice transformací A a B v homogenních souřadnicích ( ) ( ) A t B s A =, B = o 1 o 1 Pak složená transformace B A má matici: ( ) ( ) ( ) B s A t B B A = = A B t + s. o 1 o 1 o 1 Poznámka: Je (B A)(x) = (B(A(x)). Důkaz věty se provede analogicky, jako důkaz věty o složeném lineárním zobrazení.

BI-LIN, afinita, 13, P. Olšák [12] Inverzní transformace inverzní matice Věta: Má-li transformace A regulární matici A v homogenních souřadnicích, pak je prostá a na a A 1 má matici A 1 v homogenních souřadnicích. Pozorování: Je-li A = ( ) A t, pak A 1 = o 1 ( ) (A ) 1 (A ) 1 t o 1 Inverzní matice k A existuje, právě když A je regulární.

BI-LIN, afinita, 13, P. Olšák [13] Příklad: elementární transformace ve 2D Změna měřítka má matici v homogenních souřadnicích: a 0 0 0 b 0. 0 0 1 Rotace o úhel α má matici v homogenních souřadnicích: cos α sin α 0 sin α cos α 0, 0 0 1 Posunutí o vektor se souřadnicemi (t x, t y ) má matici v homogenních souřadnicích: 1 0 t x 0 1 t y 0 0 1 Další transformace vznikají skládáním těchto transformací.

Příklad BI-LIN, afinita, 13, P. Olšák [14] Najdeme matici (v homogenních souřadnicích) rotace o úhlel α kolem bodu (2, 3). Uvedená transformace je složením následujících transformací: posunutí o vektor ( 2, 3), rotace o úhel α, posunutí o vektor (2, 3). Matice výsledné transformace je součinem matic: ( posunutí o (2, 3) ) ( rotace o úhel α ) ( posunutí o ( 2, 3) ) = = 1 0 2 0 1 3 0 0 1 cos α sin α 0 sin α cos α 0 0 0 1 1 0 2 0 1 3 = 0 0 1

Příklad, pokračování BI-LIN, afinita, 13, P. Olšák [15] cos α sin α 2 cos α + 3 sin α + 2 = sin α cos α 2 sin α 3 cos α + 3. 0 0 1 Takže bod o souřadnicích (x, y) přechází po této transformaci na bod o souřadnicích (x y ), pro který platí: x y = 1 0 0 1 = cos α sin α 2 cos α + 3 sin α + 2 sin α cos α 2 sin α 3 cos α + 3 (cos α) x (sin α) y 2 cos α + 3 sin α + 2 (sin α) x + (cos α) y 2 sin α 3 cos α + 3 1 x y = 1

Afinní transformace BI-LIN, afinita, 13, P. Olšák [16] Definice: Necht (X, V) je afinní prostor. Transformace A : X X se nazývá afinní, pokud existuje lineární transformace A : V V tak, že A(P + u ) = A(P) + A ( u ) P X, u V. Zvolme bod O X. Protože pro každý P X platí P = O + OP, je A(P) = A(O) + A ( OP), takže každá afinní transformace je jednoznačně určena hodnotou A(O) a lineární transformací A : V V. Protože každá lineární transformace A : V V je jednoznačně určena hodnotami na bázi (B) = ( b 1, b 2,..., b n ), je každá afinní transformace jednoznačně určena hodnotami v n + 1 bodech: O, O + b 1, O + b 2,..., O + b n.

Matice afinní transformace BI-LIN, afinita, 13, P. Olšák [17] je její matice v homogenních souřadnicích. Je třeba ukázat: Každá transformace, která má matici v homogenních souřadnicích, je afinní. Každá afinní transformace má matici v homog. souřadnicích. Puntík první: Je dána matice A nějaké transformace v homogenních souřadnicích vzhledem k (O, B). Matice hledaného zobrazení A je také matice A. Jsou-li p souřadnice bodu P X a u souřadnice vektoru u V, pak ( ) ( ) ( ) p + u p u A = A + A. 1 1 0 Puntík druhý: Hledaná matice obsahuje ve sloupcích homogenní souřadnice obrazů báze následované homogenními souřadicemi obrazu bodu O. Taková matice určuje hodnoty afinní transformace na bodech O, O+ b, takže určuje afinní transformaci jednoznačně.

Vlastnosti afinní transformace BI-LIN, afinita, 13, P. Olšák [18] Skládání afinních transformací je afinní transformace Afinní transformace je prostá právě když je na právě když má regulární matici v homogenních souřadnicích. Je-li afiní transformace prostá, pak její inverze je také afiní transformace. Prostá afinní transformace zobrazuje rovnoběžné přímky na rovnoběžné přímky.

Příklad BI-LIN, afinita, 13, P. Olšák [19] Je dána afinní tansformace ve 2D prostoru taková, že posune počátek souřadnicového systému do bodu (3, 2) a transformuje první bázový vektor na vektor se souřadnicemi ( 1, 2), druhý bázový vektor transformuje na vektor se souřadnicemi (4, 1). Najdeme matici v homogenních souřadnicích této transformace. Podle předchozího matice obsahuje homogenní souřadnice obrazů báze a v posledním sloupci homogenní souřadnice obrazu počátku. Tedy 1 4 3 A = 2 1 2. 0 0 1 Pronásobíme-li pixelové souřadnice každého pixelu touto maticí, dostáváme pixelové souřadnice obazu: maticovým násobením můžeme tansformovat dvourozměrný obrázek.