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射影几何/经典/射影变换/射影平面的变换

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二维射影变换是一种自同构,将射影平面映射到自身。

平面变换可以用以下方式合成地定义:点X在“主观”平面上必须变换到点T,该点也在主观平面上。变换使用这些工具:一对“观察点”PQ,以及一个“客观”平面。主观平面和客观平面以及这两个点都位于三维空间中,这两个平面可以在某条线上相交。

画出经过点PX的直线l1。直线l1与客观平面在点R处相交。画出经过点QR的直线l2。直线l2与射影平面在点T处相交。然后TX的射影变换。

xy平面为“主观”平面,平面m为“客观”平面。设平面m由以下式子描述

其中常数mn是偏斜率,bz截距。

设有一对“观察”点PQ

设点X位于“主观”平面上

X必须变换到点T

也在“主观”平面上。

分析结果是一对方程,一个用于横坐标 Tx,另一个用于纵坐标 Ty

二维变换最多有九个自由度:PxPyPzQxQyQzmnb。注意公式 (12) 和 (13) 有相同的分子,并且可以通过交换mn,以及交换xy(包括PQ 的下标)从Tx 获得Ty

三线性分数变换

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使得

同时设

使得

公式 (14) 和 (15) 共同描述了三线性分数变换。

三线性变换的复合

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如果一个变换由公式 (14) 和 (15) 给出,那么这样的变换可以用九个系数来表征,这些系数可以排列成一个系数矩阵

如果有一对平面变换 T1T2,它们的系数矩阵分别为 ,那么这两个变换的复合是另一个平面变换 T3

使得

T3 的系数矩阵可以通过将 T2T1 的系数矩阵相乘得到

给定由以下公式定义的 T1

并且给定由以下定义的 T2

然后可以通过将 T1 代入 T2 来计算 T3

用相同的 trinomial 乘以分子和分母

xy 和 1 的系数分组

T3 的六个系数与通过以下乘积获得的系数相同

其余三个系数可以通过以下方式验证

用相同的 trinomial 乘以分子和分母

xy1的系数分组

所得到的三个剩余系数与通过公式 (16) 获得的系数相同。证毕。

直线的平面变换

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由公式 (14) 和 (15) 给出的三线性变换将一条直线

变换成另一条直线

其中 nc 是常数,等于

证明

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给定 y = m x + b,然后将其代入公式 (14) 和 (15) 得出

如果Ty = n Tx + cnc 为常数,则

使得

计算表明

因此

现在我们应该得到c

将分子中的两个分数相加。

将分子括号中的二项式展开,然后抵消相等且相反的项。

将分子分解成两项,其中只有一项包含“数目”(x)。在分母中还有一个“数目”。现在目标是使这两项都抵消。

对分子进行因式分解

含有未知数项的因式相互抵消,因此

是一个常数。 Q.E.D.

比较cn,注意到它们的denominator相同。 此外,n可以通过交换以下系数从c得到

n的分子和分母之间也存在以下对称性

c的分子和分母也具有交换对称性:

nc之间的交换对称性可以分解成二项式

所有这些交换对称性相当于在系数矩阵中交换成对的行。

圆锥曲线的平面变换

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像方程(14)和(15)给出的三线性变换T 将把一个圆锥曲线

转换成另一个圆锥曲线

证明

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设有一个由方程(17)描述的圆锥曲线和一个由方程(15)和(16)描述的平面变换T,它将点(x,y) 转换成点(Tx,Ty)

可以找到一个逆变换T′,它将点(Tx,Ty) 转换回点(x,y)。这个逆变换有一个系数矩阵

方程(17)可以用逆变换表示

方程两边乘以三项式的平方可以“消去”分母

展开三项式乘积并收集TxTy 的公共幂

公式 (19) 与公式 (18) 形式相同。

剩下要做的就是用非带撇系数表示带撇系数。为此,将克莱姆法则应用于系数矩阵 MT,以获得逆变换的带撇矩阵。

其中 *Δ* 是未加撇的系数矩阵的行列式。

等式 (20) 允许用未加撇的系数表示加撇的系数。但将这些替换应用于等式 (19) 中的加撇系数后,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