文章编号:100623080(2009)0520798205基于物体影子反求特定时空郑鹏飞,林大钧(华东理工大学机械与动力工程学院,上海200237)摘要:根据物体在太阳光照射下将产生影子的自然现象,研究物体影子的形成原理,通过分析物体实形与其影子关系建立数学模型。进一步利用影子的形成原理进行逆向变换,通过VisualBasic和VisualLisp编程实现反求算法,研制了计算机反求实验平台,实现对影子的反求,并通过实验反求实际模型,比较分析数据误差从而验证算法的有效性,最后提出了一种新的反求方法。中图分类号:TP391文献标志码:AReversingSpecificTimeandSpaceBasedontheShadowofObjectsZHENGPeng2fei,LINDa2jun(SchoolofMechanicalandPowerEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China)Abstract:Accordingtothenaturalphenomenonthatproducesashadowofobjectsunderdirectsunlight,theprincipleofformationofashadowwasstudied,throughanalyzingtherelationshipbetweenactualshapeofobjectsanditsshadow,andthentheirmathematicalmodelwasbuilt.Furtherusingthisprincipletomakereasonablereversetransformation,thecomputerexperimentplatformofreversewasdevelopedbyprogrammingVisualBasicandVisualLisprealizingreversealgorithm.Thecomputerexperimentplatformwasappliedforreversing3Dmodelbasedonitsshadow,andthroughtheexperimentalreversingactualmodel.Comparingandanalyzingwitherrorbetweenrealandexperimentaldata,theexperimentresultsshowthatthisalgorithmiseffective,andfinallyanewmethodofreverseisintroducedhere.Keywords:shadow;reversedesign;coordinatetransformation;automaticcalculation凭借各种物体在光线照射下产生的阴影,人们可以更清晰地看出它们的形状和空间组合关系。物体在自然光线照射下产生的阴影还与时间有关。当观察方向与光源方向重合时,观察者看不到任何阴影。但当两者不一致时,就会出现阴影。阴影可设计的供热、空调以及太阳能计算等领域都有重要影响。DavidFRogers[1]提出了扫描转换阴影算法、多步可见面阴影算法、阴影体算法等计算投射阴影的方法。本文探索新的反求思路,提出一种基于物体影子反求物体形状的方法。再用对比分析法,观察和计算反求效果来验证该方法的有效性。收稿日期:2008209204作者简介:郑鹏飞(19842),男,浙江兰溪人,硕士研究生,主要研究方向:计算机图形学、反求工程。E2mail:pfzheng@126.com通讯联系人:林大钧,E2mail:ldj1953@ecust.edu.cn影子的形成原理及物体影子与时空的关系而变化。一般来说,中午时分太阳运行到最高点,此1时影子形状最小,影子即为物体的基面,早上和傍晚影子比较长,且方位和形状是对称的。因太阳每天升起的时间不唯一,二十四节气时尤为明显,而且在物体在光线的照射下,迎光面会比较明亮,背光面显得比较阴暗。由于物体通常是不透光的,所以被物体遮挡的光线会在该物体自身或其他载体上产生影区,即通常所见的影子。影子的形成必须具备3个要素:光源、物体和承影面(本文中为地面)。光源一般可分为两种:发散光,如灯光向四周辐射;平行光,如太阳光则可视为相互平行。在太阳光照射的自然环境中,物体影子的形同一天不同的地域(不同的经纬度)升起的时间也不相同,所以需要记录下拍摄物体的时间和地点(为实验方便,假设被拍摄物体位于地球公转平面内)。图1为拍摄的太阳光线、时间与影子形状三者之间关系的实验结果,反映了2008年7月23日,浙江省金华地区(经度:119°39′纬度:29°06′)拍摄的长方体木块(尺寸:35mm×29mm×49mm)及其影子与太阳照射光线的角度随时间变化的关系。其中α为太阳入射光线与地面的夹角;β为包含太阳入射光线的铅垂面与画面的夹角。图1影子与时空关系图Fig.1Variationoftheobjectsshadowandspace2timerelationaldiagram模型。如图2所示,现取物体上的一点P进行研反求建模2究,将其视为一根直立地面的杆的顶点,点Q为其在地面上的影子。由图可知杆的成影过程:根据影子的形成原理,可建立影子形成的数学(1)将杆顶点P向z=0的地面作垂直投影,得β。连接QP两点,QP即为受光与背光面临界位置处...