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法线

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多边形(polygon)及其两個法向量(normal vector)
曲面(surface)上的點與切平面(tangent plane)上的點具有相同的法線(normal)

三维平面法线,或稱法向量(英語:Normal)是垂直于该平面的三维向量。曲面在某点P处的法线为垂直于该点切平面(tangent plane)的向量。

法線是与多边形(polygon)的曲面垂直的理論線,一個平面(plane)存在無限個法向量(normal vector)。在電腦圖學(computer graphics)的領域裡,法線決定著曲面與光源(light source)的浓淡处理(Flat Shading),对于每个点光源位置,其亮度取决于曲面法线的方

法线的计算

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对于像三角形这样的多边形来说,多边形两条相互不平行的边的叉积就是多边形的法线。

用方程ax+by+cz=d{\displaystyle ax+by+cz=d}表示的平面,向量(a,b,c){\displaystyle (a,b,c)}就是其法线。

如果S曲线坐标x(s,t)表示的曲面,其中st实数变量,那么用偏导数叉积表示的法线为

xs×xt{\displaystyle {\partial \mathbf {x} \over \partial s}\times {\partial \mathbf {x} \over \partial t}}

如果曲面S隐函数表示,点集合(x,y,z){\displaystyle (x,y,z)}满足F(x,y,z)=0{\displaystyle F(x,y,z)=0},那么在点(x,y,z){\displaystyle (x,y,z)}处的曲面法线用梯度表示为

F(x,y,z){\displaystyle \nabla F(x,y,z)}

如果曲面在某点没有切平面,那么在该点就没有法线。例如,圆锥顶点以及底面的边线处都没有法线,但是圆锥的法线是几乎处处存在的。通常一个满足Lipschitz连续的曲面可以认为法线几乎处处存在。

法线的唯一性

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曲面(surface)上的法線向量場(vector field of normals)

曲面法线的法向不具有唯一性(uniqueness),在相反方向的法线也是曲面法线。曲面在三維的邊界(topological boundary)內可以分區出inward-pointing normal 與 outer-pointing normal, 有助於定義出法線唯一方法(unique way)。定向曲面的法线通常按照右手定则来确定。

法线的变换

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变换矩阵可以用来变换多边形,也可以变换多边形表面的切向量(tangent vector)。設n′W n。我們必須發現W

W n 垂直(perpendicular)於M t

(Wn)(Mt)=0{\displaystyle \iff (Wn)\cdot (Mt)=0}
(Wn)T(Mt)=0{\displaystyle \iff (Wn)^{T}(Mt)=0}
(nTWT)(Mt)=0{\displaystyle \iff (n^{T}W^{T})(Mt)=0}
nT(WTM)t=0{\displaystyle \iff n^{T}(W^{T}M)t=0}

很明白的選定W s.t.WTM=I{\displaystyle W^{T}M=I}, 或W=M1T{\displaystyle W={M^{-1}}^{T}} 將可以滿足上列的方程式,按需求,再以Wn{\displaystyle Wn} 垂直於(perpendicular)Mt{\displaystyle Mt}, 或一個n′ 垂直於t′

应用

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几何学术语
直线曲线
平面圖形
立體圖形
曲面
高維空間
圖形關係
三角形關係
作圖
分支
理論
检索自“https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=法线&oldid=88078100
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