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Abbildungen im Raum mithilfe von Matrizen (1)

1. Projektion auf eine Ebene:

Ein beliebiger Punkt P wird auf eine gegebene Ebene E projiziert.

Projektion in die x_1,x_2-Ebene

a) Bestimmung der Projektionsmatrix für eine Projektion in die x1x2-Ebene

Ein typisches Beispiel:

Der Schattenwurf eines gegebenen Punktes P (z.B. Schornstein eines Hauses, siehe Abbildung)

auf eine gegebene Ebene E.

Gleichung der Ebene E:x3=0

Richtung der Sonnenstrahlen: v→=(v1v2v3)

Ein beliebiger Punkt des Hauses: P(a|b|c)

Gesucht wird zum Punkt P des Hauses der Bildpunkt P′ des Schattens in der Ebene E.

Erstelle die Gleichung einer Hilfsgeraden h durch P mit der Richtung v→.

h:x→=(abc)+r⋅(v1v2v3)

Die Hilfsgerade h wird mit der Ebene E geschnitten.

h∩E:

z=0⇒c+r⋅v3=0⇒r=−cv3

Der Wert für r wird in h eingesetzt und man erhält die Koordinaten von P′.

x→P′=(abc)−cv3⋅(v1v2v3)=(a−c⋅v1v3b−c⋅v2v30)⇒P′(a−c⋅v1v3|b−c⋅v2v3|0)

Die Projektion in die Ebene E kann auch durch eine 3x3 Matrix A beschrieben werden.

Es ist:

(a−c⋅v1v3b−c⋅v2v30)=(10−v1v301−v2v3000)⋅(abc)⇒Ax1x2=(10−v1v301−v2v3000)

Die Matrix Ax1x2 ist die Projektionsmatrix.

Alle Punkte des Raumes werden mit der Matrix Ax1x2 in die Ebene Ex1x2 abgebildet.

MerkeProjektion auf eine Ebene E

Es gilt:

  • Jeder Bildpunkt P′ liegt in der Ebene E.

  • Alle Punkte der Ebene sind sogenannte Fixpunkte, d.h. es sind Punkte, die bei einer Abbildung auf sich selbst abgebildet werden.

  • Bei einer Projektion in die Ebene E gilt immer: A⋅A=A

b) Bestimmung der Projektionsebene

Gegeben ist eine Projektionsmatrix (Nachweis mit der Beziehung A⋅A=A),

z.B. die Matrix A=(10−v1v301−v2v3000)

Gesucht ist die Ebene, die die Fixpunkte enthält, d.h. die Ebene, in die projiziert wird.

Fixpunktgleichung: A⋅x→=x→

(10−v1v301−v2v3000)⋅(x1x2x3)=(x1x2x3)

Man erhält drei Gleichungen:

(I):x1−v1v3⋅x3=x1⇒−v1v3⋅x3=0⇒x3=0

(II):x2−v2v3⋅x3=x2⇒−v2v3⋅x3=0⇒x3=0

(III):0=x3

Also dreimal die Gleichung x3=0.

Das ist die gesuchte Ebenengleichung E, in die projiziert wird.

c) Bestimmung der Projektionsrichtung

Man wählt einen beliebigen Punkt im Raum, z.B. den Punkt Q mit den Koordinaten (q1|q2|q3) und projiziert ihn mit der Matrix A in die Ebene E, d.h. man erhält den Bildpunkt Q′.

(10−v1v301−v2v3000)⋅(q1q2q3)=(q1−v1v3⋅q3q2−v2v3⋅q30)⇒OQ′→=(q1−v1v3⋅q3q2−v2v3⋅q30)

Die Projektionsrichtung ist der Vektor QQ′→=OQ′→−OQ→=(q1−v1v3⋅q3q2−v2v3⋅q30)−(q1q2q3)=(−v1v3⋅q3−v2v3⋅q3−q3)=−q3v3⋅(v1v2v3)

Die Projektionsrichtung ist also der Vektor v→=(v1v2v3).

d) Die Projektionsmatrix für eine Projektion in die x2x3-Ebene

Ax2x3=(000−v2v110−v3v101)

e) Die Projektionsmatrix für eine Projektion in die x1x3-Ebene

Ax1x3=(1−v1v200000−v3v21)


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