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(직교 좌표계에서 넘어옴)

좌표계(座標系, coordinate system)는 기준점(원점)과 기준 방향을 정해 두고, 공간 안의 점의 위치를 몇 개의 수(좌표)로 나타내는 체계이다.

같은 점이라도 어떤 좌표계를 쓰느냐에 따라 좌표가 달라진다. 직선 축을 기준으로 거리를 재는 직교 좌표계가 가장 흔하고, 원점에서의 거리와 각도로 나타내는 극 좌표계, 그것을 3차원으로 늘린 원통·구면 좌표계가 있다. 컴퓨터 그래픽스와 CAD, 지리정보시스템, 로봇 제어는 문제에 맞는 좌표계를 고르고 서로 바꾸어 쓴다.

좌표계 점을 나타내는 값 특징
직교 좌표계(Cartesian, 데카르트 좌표계) 2차원 (x, y), 3차원 (x, y, z) 서로 직각인 축을 따라 원점에서 떨어진 거리로 나타낸다 → 카테시안 평면
극 좌표계(Polar) (r, θ) 원점으로부터의 거리 r 과 기준 축에서 잰 각도 θ 로 나타내는 2차원 좌표계. 원·회전 운동을 다루기 쉽다
원통 좌표계(Cylindrical) (r, θ, z) 극 좌표에 높이 z 를 더한 3차원 좌표계. 원기둥 모양의 물체·회전체에 쓴다
구면 좌표계(Spherical) (ρ, θ, φ) 원점까지의 거리와 두 각(방위각·천정각)으로 나타내는 3차원 좌표계. 지구 위의 위치(경도·위도)도 이와 같은 생각이다
  • 극 → 직교 : x = r cos θ, y = r sin θ
  • 직교 → 극 : r = √(x² + y²), θ = tan⁻¹(y / x)
  • 원통 → 직교 : x = r cos θ, y = r sin θ, z = z
  • 구면 → 직교 : 원점에서 점 P 까지의 거리를 D, P 에서 xy 평면에 내린 수선의 발과 원점을 이은 선이 x 축과 이루는 각(방위각)을 θ, z 축과 원점-P 연결선이 이루는 각(천정각)을 ø 라 하면
x = D sin ø cos θ, y = D sin ø sin θ, z = D cos ø
  • 직교 → 구면 :
D = √(x² + y² + z²), θ = tan⁻¹(y / x), ø = cos⁻¹(z / D) = tan⁻¹(√(x² + y²) / z)
  • P 를 xy 평면에 비춘 그림자의 길이가 D sin ø 이고, 이것을 θ 로 x·y 에 나누는 것이 핵심이다. 천정각 대신 xy 평면에서 위로 잰 앙각 β(위도와 같은 각)를 쓰면 sin 과 cos 이 바뀌어 x = D cos β cos θ, y = D cos β sin θ, z = D sin β 다
  • θ 는 사분면을 가려야 하므로 프로그램에서는 tan⁻¹ 대신 atan2(y, x) 로 구한다

그래픽스의 좌표계

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그래픽스에서는 기하학적 종류와 별개로 무엇을 기준으로 하느냐에 따라 좌표계를 나눈다.

좌표계 기준 쓰임
모델 좌표계(지역 좌표계) 물체 하나의 원점 물체를 모델링할 때. 물체마다 따로 있다
월드 좌표계(세계 좌표계) 장면 전체의 원점 여러 물체를 한 장면에 배치할 때
뷰 좌표계(카메라 좌표계) 보는 사람의 눈 위치와 방향 장면을 어느 방향에서 볼지 정할 때
장치 좌표계(화면 좌표계) 출력 장치의 픽셀 위치 모니터·프린터에 실제로 그릴 때
  • 모델 좌표 → 월드 좌표 → 뷰 좌표 → 장치 좌표로 차례로 바꾸는 것이 렌더링 파이프라인의 좌표 변환이다. 각 단계의 이동·회전·크기 변환은 행렬로 나타낸다 → 아핀 변환
  • 원점으로부터의 거리와 각도로 좌표를 나타내는 것은 극 좌표계다. 모델 좌표계는 기준점이 어디냐에 따른 구분이고, 직교 좌표계는 축 방향의 거리로 나타낸다