Преобразования в пространстве

Класс Spin3d предназначен для описания поворота ( или вращения ) в пространстве. У него 5 конструкторов. Первый (без параметров) соответствует повороту на 0 градусов. Второй требует два параметра: направление оси поворота и угол в радианах. Вектор направления необязательно должен быть единичным. Третий конструктор задаётся двумя направлениями ( тоже необязательно единичными ). При этом повороте первое направление переходит во второе. Четвёртый конструктор требует в качестве параметров ортонормированную тройку векторов и этот поворот будет соответствовать повороту при котором тройка векторов осей X, Y, Z перейдёт в заданную. Пятый констуктор имеет 4 параметра. Функция-член getReper в некотором смысле делает обратную операцию: для данного поворота выдаёт тройку векторов в которые перейдут оси X, Y, Z. Функция-член getAngle возвращает угол в радианах, а функция-член getAxis - единичный вектор оси поворота. Оператор ~ возвращает поворот обратный исходному. Оператор * является умножением в смысле теории групп и не является коммутативным. Он соответствует последовательному применению преобразований. Вначале правое, затем левое.

class Spin3d
{
    double t, x, y, z;
public:
    Spin3d () { t = 1.; x = y = z = 0.; }
    Spin3d ( Vector3d, double );
    Spin3d ( Vector3d v1, Vector3d v2 );
    Spin3d ( const Vector3d & x, const Vector3d & y, const Vector3d & z );
    Spin3d ( const double & a, const double & b, const double & c, const double & d );

    void getReper ( Vector3d & ax, Vector3d & ay, Vector3d & az ) const;
    double getAngle () const;
    Vector3d getAxis () const;

    Spin3d operator ~ () const
    {
        Spin3d s = *this;
        s.t = - t;
        return s;
    }

    friend Spin3d operator * ( const Spin3d & l, const Spin3d & r );
};

Класс Ortho3d предназначен для реализации ортогональных преобразований. У него 3 открытых конструктора. Первый - без параметров. Второй в качестве параметра использует объект класса Spin3d. Третий требует два параметра: направление оси поворота и угол в радианах. Направление необязательно должно быть единичным. Операторы () осуществляют преобразования различных геометрических объектов ( векторов, отрезков, плоскостей ). Функции getX, getY и getZ позволяют получить только одну координату преобразованного вектора. Оператор ~ возвращает преобразование обратное данному ( для ортогональных преобразований - это транспонированная матрица ).

class Ortho3d
{
    Vector3d x, y, z;
public:
    Ortho3d () : x(1,0,0), y(0,1,0), z(0,0,1) {}

    explicit Ortho3d ( const Spin3d & spin )
    {
        spin.getReper ( x, y, z );
    }

    Ortho3d ( Vector3d a, double b );

    double getX ( const Vector3d & p ) const { return x * p; }
    double getY ( const Vector3d & p ) const { return y * p; }
    double getZ ( const Vector3d & p ) const { return z * p; }

    Vector3d operator () ( const Vector3d & p ) const
    {
        return Vector3d ( x * p, y * p, z * p );
    }

    Segment3d operator () ( const Segment3d & p ) const
    {
        return Segment3d ( (*this) ( p.a ), (*this) ( p.b ) );
    }

    Plane3d operator() ( const Plane3d & p ) const
    {
        return Plane3d ( Vector3d ( x * p.norm, y * p.norm, z * p.norm ), p.dist );
    }

    Ortho3d operator ~ () const;
};

Класс Conform3d предназначен для реализации преобразований подобия, т.е. сохраняющих углы. Вначале применяются поворот (spin) и масштабирование (magn), а затем смещение (trans). Оператор ~ возвращает преобразование обратное данному. Операторы () осуществляют преобразования различных геометрических объектов ( векторов, отрезков, плоскостей ). Эти операторы не рекомендуется применять для массовых операций, т.к. они является более медленными по сравнению с аналогичными операторами класса Similar3d ( он описан ниже ).

class Conform3d
{
public:
    Spin3d   spin;
    Vector3d trans;
    double   magn;

    explicit Conform3d ( const Spin3d & s ) : spin ( s ), trans (0.,0.,0.), magn ( 1.) {}
    explicit Conform3d ( const Vector3d & t ) : trans (t), magn (1.) {}
    explicit Conform3d ( double m = 1 ) : trans(0.,0.,0.), magn(m) {}

    Conform3d ( const Spin3d & s, const Vector3d & t, double m = 1. ) : spin(s), trans(t), magn(m) {}

    Def<Conform3d> operator~ () const
    {
        Def<Conform3d> res;
        if ( magn != 0 )
        {
            res.spin = ~spin;
            res.magn = 1. / magn;
            res.trans = (-res.magn) * Ortho3d ( res.spin ) ( trans );
            res.isDef = true;
        }
        return res;
    }

    Vector3d operator() ( const Vector3d & v ) const
    {
        return spin ( v ) * magn + trans;
    }

    Segment3d operator () ( const Segment3d & p ) const
    {
        return Segment3d ( (*this) ( p.a ), (*this) ( p.b ) );
    }

    Plane3d operator() ( const Plane3d & p ) const
    {
        const Vector3d v = Ortho3d ( spin ) ( p.norm );
        return Plane3d ( v, magn * p.dist - v * trans );
    }
};

inline Conform3d operator * ( const Conform3d & l, const Conform3d & r )
{
    return Conform3d ( l.spin * r.spin, l ( r.trans ), l.magn * r.magn );
}
Класс Similar3d делает преобразования подобия для точек и плоскостей. Функции getX, getY и getZ позволяют получить только одну координату преобразованного вектора. Операторы () осуществляют преобразования различных геометрических объектов ( векторов, отрезков, плоскостей ).
class Similar3d
{
    double   magn;
    Vector3d ox, oy, oz;
    Vector3d ax, ay, az, trans;
public:
    explicit Similar3d ( const Spin3d & spin ) : magn ( 1. ), trans ( 0., 0., 0. )
    {
        spin.getReper ( ox, oy, oz );
        ax = ox;
        ay = oy;
        az = oz;
    }

    explicit Similar3d ( const Conform3d & c ) : magn ( c.magn ), trans ( c.trans )
    {
        c.spin.getReper ( ox, oy, oz );
        ax = ox * magn;
        ay = oy * magn;
        az = oz * magn;
    }

    double getX ( const Vector3d & p ) const { return ax * p + trans.x; }
    double getY ( const Vector3d & p ) const { return ay * p + trans.y; }
    double getZ ( const Vector3d & p ) const { return az * p + trans.z; }

    Vector3d operator () ( const Vector3d & p ) const
    {
        return Vector3d ( ax * p + trans.x, ay * p + trans.y, az * p + trans.z );
    }

    Segment3d operator () ( const Segment3d & p ) const
    {
        return Segment3d ( (*this) ( p.a ), (*this) ( p.b ) );
    }

    Plane3d operator() ( const Plane3d & p ) const
    {
        const Vector3d v ( ox*p.norm, oy*p.norm, oz*p.norm );
        return Plane3d ( v, magn * p.dist - v * trans );
    }

    void getReper ( Vector3d & x, Vector3d & y, Vector3d & z ) const
    {
        x = ox;
        y = oy;
        z = oz;
    }
};

Класс LinTran3d осуществляет линейные преобразования, т.е. такие для которых выполняется формула
p ( x + y ) = p ( x ) + p ( y ). Функция makeIdent устанавливает тождественное преобразавание. Операторы () осуществляют преобразования различных геометрических объектов ( векторов, плоскостей, отрезков, шаров и эллипсоидов ). Оператор *= преднаначен для умножения преобразования на число. Оператор ~ возвращает преобразование обратное данному. Оператор * преднаначен для композиции преобразований.

class LinTran3d
{
public:
    Vector3d x, y, z;

    LinTran3d () {}

    LinTran3d ( const Vector3d & a, const Vector3d & b, const Vector3d & c ) : 
      x ( a ), y ( b ), z ( c ) {}
    
    explicit LinTran3d ( const Spin3d & spin )
    {
        spin.getReper ( x, y, z );
    }

    LinTran3d & makeIdent ()
    {
        x.x = 1; x.y = 0; x.z = 0;
        y.x = 0; y.y = 1; y.z = 0;
        z.x = 0; z.y = 0; z.z = 1;
        return * this;
    }

    Vector3d operator () ( const Vector3d & p ) const
    {
        return Vector3d ( x * p, y * p, z * p );
    }

    Segment3d operator () ( const Segment3d & p ) const
    {
        return Segment3d ( (*this) ( p.a ), (*this) ( p.b ) );
    }

    Plane3d     operator() ( const Plane3d     & p ) const;
    Ellipsoid3d operator() ( const Sphere3d    & p ) const;
    Ellipsoid3d operator() ( const Ellipsoid3d & p ) const;

    LinTran3d & operator *= ( double d )
    {
        x *= d; y *= d; z *= d;
        return * this;
    }

    Def<LinTran3d> operator ~ () const;

    friend inline LinTran3d operator * ( const LinTran3d & l, const LinTran3d & r )
    {
        return LinTran3d ( l.x.x * r.x + l.x.y * r.y + l.x.z * r.z, 
                           l.y.x * r.x + l.y.y * r.y + l.y.z * r.z, 
                           l.z.x * r.x + l.z.y * r.y + l.z.z * r.z );
    }
};

Класс Affin3d предназначет для реализации афинных преобразований и состоит из линейного преобразования ( t ) и сдвига ( s ). Функция makeIdent устанавливает тождественное преобразавание. Операторы () осуществляют преобразования различных геометрических объектов ( векторов, отрезков, плоскостей, шаров и эллипсоидов ). Оператор ~ возвращает преобразование обратное данному. Оператор * является умножением в смысле теории групп и не является коммутативным.

class Affin3d
{
public:
    LinTran3d t;
    Vector3d s;

    Affin3d () {}

    Affin3d ( const Vector3d & a, const Vector3d & b, const Vector3d & c, const Vector3d & d ) : 
        t ( a, b, c ), s ( d ) {}

    Affin3d ( const LinTran3d & a, const Vector3d & b ) : t ( a ), s ( b ) {}

    explicit Affin3d ( const LinTran3d & a ) : t ( a ), s ( 0., 0., 0. ) {}
    
    explicit Affin3d ( const Spin3d & spin ) : t ( spin ), s ( 0., 0., 0. ) {}

    explicit Affin3d ( const Conform3d & conf ) : t ( conf.spin ), s ( conf.trans )
    {
        t *= conf.magn;
    }

    Affin3d & makeIdent ()
    {
        t.makeIdent();
        s.x = s.y = s.z = 0;
        return * this;
    }

    Vector3d operator () ( const Vector3d & p ) const
    {
        return t ( p ) + s;
    }

    Segment3d operator () ( const Segment3d & p ) const
    {
        return Segment3d ( (*this) ( p.a ), (*this) ( p.b ) );
    }

    Plane3d operator() ( const Plane3d & p ) const
    {
        Plane3d r = t ( p );
        r.dist -= s * r.norm;
        return r;
    }

    Ellipsoid3d operator() ( const Sphere3d    & p ) const;
    Ellipsoid3d operator() ( const Ellipsoid3d & p ) const;

    Def<Affin3d> operator ~ () const
    {
        const Def<LinTran3d> lin ( ~t );
        return lin.isDef ? Affin3d ( lin, lin ( -s ) ) : Def<Affin3d>();

    }

    friend inline Affin3d operator * ( const Affin3d & l, const Affin3d & r )
    {
        return Affin3d ( l.t * r.t, l ( r.s ) );
    }
};
Описание шаблона классов Def находится здесь.
Описание класса Vector3d находится здесь.
Описание классов Segment3d, Plane3d, Sphere3d и Ellipsoid3d находится здесь.

Примеры использования всех этих классов можно посмотреть в приложении DEMO.

Исходники находятся в файлах vector3d.h, vector3d.cpp.

Наверх