4.6. Проекция точки на поверхность

Проекция точки на плоскость.

Проекция точки на плоскость является частным случаем общей задачи нахождения проекции точки на поверхность. В силу простоты вычисления проекции точки на касательную к поверхности плоскость используется в качестве нулевого приближения при решении общей задачи.

Рассмотрим задачу проецирования точки на плоскость, заданную радиус-вектором

(4.6.1)

Будем считать, что векторы не коллинеарные. Допустим, что в общем случае векторы не ортогональны и имеют не единичную длину. Плоскость проходит через точку в которой параметры равны нулю, а векторы определяют параметрические направления. Заданная точка имеет единственную проекцию на плоскость (4.6.1). Построим единичную нормаль к плоскости

Рис. 4.6.1. Проекция точки на плоскость s(u, v)

Вычислим радиус-вектор проекции точки на плоскость как разность радиус-вектора проецируемой точки и составляющей вектора параллельной нормали к плоскости,

(4.6.3)

Далее найдем параметры соответствующие проекции точки на плоскость. Для вычисления параметров проекции точки найдем длины проекций вектора на векторы , которые обозначим через

(4.6.4)

На рис. 4.6.1 показаны векторы плоскости ее начальная точка и проекция заданной точки.

Параметры и длины проекций связаны уравнениями

где косинус угла между векторами определяется по формуле (1.7.13).

Из системы этих уравнений найдем параметры проекции точки на плоскость

(4.6.6)

где — коэффициенты первой основной квадратичной формы плоскости (1.7.8), они же ковариантные компоненты метрического тензора поверхности, — контравариантные компоненты метрического тензора поверхности. Если векторы ортогональные, то формулы (4.6.6) и (4.6.7) примут вид

Расстояние от точки до ее проекции на плоскость в общем случае вычисляется как длина вектора . Расстояние от точки до ее проекции на плоскость можно определить, не вычисляя проекцию точки, а вычислив проекцию вектора на нормаль к плоскости

(4.6.8)

Частные случаи.

Проекции точки на некоторые аналитические поверхности могут быть найдены без привлечения численных методов. Например, чтобы найти проекции точки на поверхность кругового цилиндра, конуса, сферы или тора, нужно перевести проецируемую точку в местную систему координат поверхности, где легко найти параметры проекций. Аналогично могут быть найдены проекции на поверхности выдавливания и вращения. В некоторых частных случаях положения проецируемой точки ее проекции могут быть легко найдены и на другие поверхности.

Общий случай.

Рассмотрим задачу проецирования точки на поверхность в общем случае. Пусть требуется найти все проекции точки на поверхность . Каждая искомая точка поверхности удовлетворяет системе двух уравнений

(4.6.9)

Система уравнений (4.6.9) содержит две неизвестные величины — параметры u и v. Эта задача решается так же, как и задача нахождения проекций заданной точки на кривую.

На первом этапе определим нулевые приближения параметров поверхности для проекций точки, а на втором этапе найдем точные значения параметров, определяющие проекции заданной точки на поверхность

Пройдем по поверхности с шагами вычисляемыми по формулам (4.2.4) и (4.2.5), описанным выше способом движения по параметрической области. Обозначим параметры точек, через которые мы пройдем, через . В каждой точке будем вычислять скалярные произведения векторов

(4.6.10)

Если искомое решение лежит вблизи точки с параметрами , то будут иметь разные знаки, а также и будут иметь разные знаки. Смена знаков скалярных произведений говорит о том, что рядом находится искомое решение. За нулевое приближение параметров примем значения Начиная с нулевого приближения параметров, одним из методов решения нелинейных уравнений найдем решение задачи с заданной точностью. Например, в методе Ньютона на итерации приращения параметров проекции найдутся из системы линейных уравнений

где частные производные радиус-вектора по параметрам. Следующее приближение параметров проекции точки равны . Процесс уточнения параметров закончим, когда на очередной итерации выполнятся неравенства , где — заданная погрешность. Таким же образом найдем все остальные корни системы уравнений (4.6.9).

Если требуется найти только ближайшую проекцию заданной точки на поверхность, то можно пройти по тем же точкам геометрического объекта и выбрать из них ближайшую к заданной точке. Параметры ближайшей точки и следует выбрать в качестве нулевого приближения решения задачи.

Проекция точки на поверхность в заданном направлении.

В определенных случаях возникает задача определения проекции точки на поверхность не по нормали к ней, а вдоль заданного направления. Пусть направление проецирования задано вектором единичной длины q. Построим прямую линию

(4.6.12)

проходящую через заданную точку и имеющую направление заданного вектора. Проекции точки на поверхность в заданном направлении определим как точки пересечения поверхности с прямой (4.6.12), проходящей через заданную точку в заданном направлении.