thumb|right|Havainnekuva stereo­grafisesta projektiosta pohjoisnavalta pallon alla olevalle tasolle Stereografinen projektio on geometrinen kuvaus, joka kuvaa koko pallopinnan tasolle yhtä pistettä lukuun ottamatta. Tällöin pallopinnalta valitaan yksi kiinteä piste projektiopisteeksi, ja jokaista muuta pallopinnan pistettä vastaa se piste, jossa tämän projektiopisteen ja annetun pisteen kautta kulkeva suora leikkaa tason.

Tämä kuvaus on määritelty kaikissa pallonpinnan pisteissä paitsi projektiopisteessä. Funktio on määrittelyjoukossaan sileä ja bijektio. Se on myös konforminen, koska siinä kulmat pysyvät alkuperäisen suuruisina. Toisaalta se ei kuvaa tarkasti pinta-alaa, varsinkaan projektiopisteen lähellä.

Intuitiivisesti stereo­grafinen funktio on siis tapa kuvata pallopinta tasolle, mitä tosin ei mitenkään voida tehdä niin, että kaikkien pallopinnan alueiden muodot ja koot säilyisivät. Koska pallopinta ja taso esiintyvät monilla matematiikan aloilla, on stereo­grafisella projektiollakin monia erilaisia sovelluksia: sitä käytetään kompleksianalyysissä, karttaprojektiona, geologiassa ja valokuvauksessa. Käytännössä stereo­grafinen projektio voidaan toteuttaa tietokoneella tai käsin erityisellä tavalla ruudutetulla paperilla, jota sanotaan stereo­grafiseksi verkoksi, lyhemmin stereoverkoksi tai Wulffin verkoksi.

Historia thumb|right|Rubensin laatima kuva François d'Aguilonin teoksessa "Opticorum libri sex philosophis juxta ac mathematicis utiles". Kuva esittää, miten stereo­grafinen projektio saadaan aikaan. right|thumb|Planisfääri thumb|right|Rumold Mercatorin maailmankartta vuodelta 1595 thumb|right|Joan Blaeun maailmankartta vuodelta 1664

Stereografisen funktion tunsivat ainakin jo Hipparkhos ja Ptolemaios, mutta mahdollisesti se tunnettiin Egyptissä jo ennen heitä. Sitä nimitettiin alkujaan planisfääriprojektioksi. Ptolemaioksen teos Planisphaerium on vanhin säilynyt kirjallinen lähde, jossa sitä kuvataan. Sitä käytettiin varsinkin tähti­kartoissa. Erästä tähtikartta­tyyppiä sanotaan nykyisinkin planisfääriksi.

Stereografista projektiota käytettiin 1500-luvulta lähtien yleisesti myös maapallon kartoissa. Tällöin projektio­pisteet olivat päiväntasaajalla. Maapallo jaettiin kahteen pallon­puoliskoon, joiden keskipisteet olivat päivän­tasaajalla vastakkaisilla puolilla maapalloa, ja kumpikin kuvattiin tällä projektiolla omalle ympyrän­muotoiselle alueelleen. Ensimmäinen tällaisen maailman­kartan laati tiettävästi Gualterius Lud vuonna 1507, myöhemmistä vastaavan­laisista kartoista tunnetuimpia ovat Jean Rozen vuonna 1542 ja Rumold Mercatorin vuonna 1595 laatimat. Varsinkin 1600-luvulla projektio oli maailman­kartoissa hyvin suosittu.

François d'Aguilon antoi stereo­grafiselle projektiolle sen nykyisen nimen vuonna 1613 teoksessaan Opticorum libri sex philosophis juxta ac mathematicis utiles ("Kuusi sekä filosofeille että matemaatikoille hyödyllistä kirjaa optiikasta").

Vuonna 1695 Edmond Halley, jota kiinnosti ennen kaikkea projektion käyttö tähtikartoissa, julkaisi ensimmäisen matemaattisen todistuksen sille, että tämä kuvaus on konforminen. Hän käytti tähän Isaac Newtonin vähän aikaisemmin keksimiä differentiaali- ja integraalilaskennan menetelmiä.

Määritelmä thumb|right|Yksikköpallon stereo­grafinen projektio pohjoisnavalta tasolle z 0. Pallopinnan pistettä P vastaa sen ja pohjoisnavan kautta kulkevan suoran sekä tason leikkauspiste P′. Tässä osiossa käsitellään projektiota yksikköpallon pohjoisnavalta päiväntasaajan kautta tasolle. Projektion muita muotoja käsitellään jäljempänä muissa osioissa.

Kolmiulotteisessa avaruudessa yksikköpallo on niiden pisteiden (x, y, z) joukko, jotka toteuttavat yhtälön . Kuvittelemalla pallo karttapalloksi voidaan pistettä (0,0,1) (tai piste­joukkoa ) sanoa "pohjois­navaksi". Seuraavassa käytetään pallo­pinnan muiden pisteiden kuin pohjois­navan joukolle merkintää M. Taso z  0 kulkee pallon keski­pisteen kautta, ja edellisen rinnastuksen mukaisesti sen ja pallo­pinnan leikkausta voidaan sanoa "päiväntasaajaksi" eli "ekvaattoriksi". Vastaavalla tavalla käytetään jäljempänä muitakin maan­tieteellisiä termejä kuten pohjoinen ja eteläinen pallonpuolisko, leveyspiiri ja pituuspiiri eli meridiaani.

Jokaista M:n pistettä O kohti on yksi ja vain yksi suora, joka kulkee navan N ja pisteen P kautta, ja se leikkaa päivän­tasaaja­tason x  0 yhdessä ja vain yhdessä pisteessä P′. Tämä piste määritellään pisteen P stereo­grafiseksi projektioksi kyseisellä tasolla.

Kun pallopinnan pisteille käytetään karteesisia koordinaatteja (x, y, z) ja tason pisteelle koordinaatteja (X, Y), projektio ja sen käänteiskuvaus voidaan esittää yhtälöillä:

Kun pallopinnalla käytetään pallokoordinaatteja (φ, θ) (missä φ on leveyspiiri tai atsimuutti, 0 ≤ φ ≤ π) ja θ pituuspiiri tai zeniittikulma, 0 ≤ θ ≤ 2π) ja tasolla napa­koordinaatteja (R, Θ), projektio ja sen käänteis­kuvaus ovat:

(Pallopinnalla zeniittikulma ja atsimuutti merkitsevät oleellisesti samaa kuin leveys- ja pituuspiiri maapallolla, mutta kulmayksikkönä käytetään tässä radiaania, ei astetta. Lisäksi zeniittikulma luetaan etelänavalta, ei päiväntasaajalta mitattuna.)

Tässä φ:n käsitetään saavan arvo π, kun R = 0. Trigonometristen funktioiden muunnoskaavojen avulla nämä yhtälöt voidaan kirjoittaa moneen muuhunkin muotoon. Jos pallopinnalla käytetään sylinteri­koordinaatteja (r, θ, z) ja tasolla napakoordinaatteja (R, Θ), projektio ja sen käänteiskuvaus ovat:

Ominaisuuksia Edellä määritellyssä stereo­grafisessa projektiossa yksikköpallon "etelänapa" (0, 0 −1) kuvautuu tason origoon (0, 0), päiväntasaaja yksikköympyrälle, eteläinen pallonpuolisko ympyrän sisäpuolelle ja pohjoinen pallonpuolisko sen ulkopuolelle.

Projektio ei ole määritelty projektiopisteessä N = (0, 0, 1). Tämän pisteen pienet ympäristöt kuvautuvat tasoalueille, jotka ovat kaukana origosta (0, 0). Mitä lähempänä piste P on projektiopistettä (0, 0, 1), sitä kauempana sen kuvapiste on tason pisteestä (0, 0). Tästä syystä on tapana sanoa, että piste (0, 0, 1) kuvautuu tasolla "äärettömyyteen" ja että taso voidaan täydentää pallopinnaksi lisäämällä siihen yksi "äärettömän kaukainen piste". Tämä ajattelutapa on osoittautunut käyttökelpoiseksi projektiivisessa geometriassa ja kompleksianalyysissä. Topologisella tasolla se osoittaa, että pallopinta on homeorfinen tason yhden kompaktisoinnin kanssa.

Karteesisissa koordinaateissa pallopinnan piste P(x, y, z) ja sen tasolla oleva kuvapiste P′(X, Y) ovat joko molemmat rationaalipisteitä tai kumpikaan ei ole:

thumb|left|Tason karteesinen ruudukko näyttää pallopinnalla vääristyneeltä. Ruudukon viivojen vastineet leikkaavat toisensa pallopinnallakin kohtisuorasti, mutta niiden välisten ruutujen pinta-alat kasvavat pohjoisnapaa kohti. thumb|left|Pisteen kautta kulkevien suorien ja sitä kiertävien ympyröiden muodostama ristikko näyttää pallopinnalla vääristyneeltä. Viivat leikkaavat sielläkin toisensa kohtisuorasti, mutta niiden välisten sektorien pinta-alat kasvavat pohjoisnapaa kohti. Stereografinen projektio on konformikuvaus, mikä merkitsee, että siinä kulmat, joissa käyrät leikkaavat toisensa, säilyvät ennallaan, kuten oheiset kuviot osoittavat. Sitä vastoin pinta-alat eivät säily: yleensä alueen pinta-ala pallopinnalla ei ole yhtä suuri kuin sitä vastaavan alueen pinta-ala tasolla. Pinta-ala-alkio X,Y -koordinaateissa on:

Ainoastaan yksikköympyrän kohdalla infinitesimaalisten alueiden pinta-ala säilyy. Origon (0,0) välittömässä läheisyydessä olevien pienten alueiden pinta-ala on tasolla vain neljäsosa siitä, mikä se on pallopinnalla, ja kaukana origosta pinta-alamittakaava lähestyy ääretöntä.

Metriikka (X, Y) -koordinaateissa on: , mikä on ainoa Bernhard Riemannin geometrian perusteita käsittelevässä, Göttingenissä vuonna 1854 julkaistussa artikkelissa Über die Hypothesen welche der Geometrie zu Grunde liegen esiintyvä matemaattinen kaava.

Mikään kuvaus pallopinnalta tasolle ei voi olla sekä konforminen että säilyttää myös pinta-alat, Jos säilyttävä. Jos sellainen kuvaus olisi olemassa, se olisi lokaalinen isometria ja siinä säilyisi myös Gaussin kaarevuus. Kun pallopinnalla ja tasolla kuitenkin on erilainen Gaussin kaarevuus, tämä on mahdotonta.

Stereografisen projektion konformisuudesta seuraa joukko mielenkiintoisia geometrisia ominaisuuksia. Pallopinnan ympyrät, jotka eivät kulje projektiopisteen kautta, kuvautuvat tasolla ympyröiksi. Pallopinnan ympyrät, jotka kulkevat projektiopisteen kautta, kuvautuvat sen sijaan suoriksi. Tämän vuoksi suoria sanotaankin joskus "äärettömyyspisteen kautta kulkeviksi ympyröiksi" tai "ääretönsäteisiksi ympyröiksi".

Stereografisen projektion käänteiskuvauksessa kaikki tason suorat kuvautuvat pallopinnalle projektiopisteen eli äärettömyyspisteen kautta kulkeviksi ympyröiksi. Yhdensuuntaiset suorat, jotka eivät leikkaa toisiaan, kuvautuvat pallopinnalle ympyröiksi, jotka sivuavat toisiaan kyseisessä pisteessä. Niinpä tason kaikkien suorien vastineet pallopinnalla kohtaavat toisensa jossakin; joko ne leikkaavat toisensa kahdessa pisteessä tai ne sivuavat toisiaan projektiopisteessä. (Hieman samantapaisia huomioita voitaisiin tehdä reaalisesta projektiivisesta tasosta, mutta siinä suorien leikkaus­ominaisuudet ovat toisenlaisia.)

Pallopinnan loksodromit kuvautuvat tasolle käyriksi, joiden yhtälö on muotoa

missä parametri a on loksodromin "tiiviys". Toisin sanoen loksodromit kuvautuvat logaritmisiksi spiraaleiksi. Tällainen spiraali leikkaa origon kautta kulkevat säteittäiset suorat kaikkialla yhtä suurissa kulmissa, samoin kuin pallopinnalla loksodromi leikkaa meridiaanit kaikkialla yhtä suurissa kulmissa.

thumb|Inversio stereo­grafisella projektiolla Stereografinen prjektio liittyy tason inversioon yksinkertaisella tavalla. Olkoot P ja Q kaksi pallopinnan pistettä ja P′ ja Q′ niiden kuvapisteet tasolla. Silloin P′ ja Q′ ovat toistensa kuvapisteet tason inversiossa yksikköympyrän suhteen, jos ja vain jos P ja Q ovat toistensa peilikuvat ekvaattoritason suhteen.

Toisin sanoen jos : P on pallopinnan piste, ei kuitenkaan pohjoisnapa N eikä sen antipodi eli etelänapa S, P′ on P:n kuvapiste stereo­grafisessa projektiossa, jonka projektiopiste on P ja P″ on P:n kuvapiste stereo­grafisessa projektiossa, jonka projektiopiste on N, niin P′ ja P″ ovat toistensa kuvapisteet inversiossa yksikköympyrän suhteen.

Wulffin verkko thumb|left|Wulffin verkko eli stereoverkko, jolla laaditaan stereo­grafisen projektion mukaisia kaavioita

Stereografisen projektion mukaisia kaavioita voidaan tulostaa tietokoneella käyttämällä edellä esitettyjä kaavoja. Jos niitä kuitenkin on piirrettävä käsin, nämä kaavat ovat hankalia. Sen sijaan käytetään yleisesti tarkoitukseen suunniteltua kuvioitua paperia. Tällaisella viivaverkolla varustettua paperia sanotaan stereoverkoksi tai Wulffin verkoksi, venäläisen mineralogi George Wulffin (Juri Viktorovich) mukaan. Wulffin verkko saadaan aikaan piirtämällä pallonpuoliskolle leveys- ja pituuspiirien verkko ja projisoimalla nämä käyrät sitten levylle.

Kaaviossa se seikka, että stereo­grafinen projektio vääristää pinta-aloja, näkyy vertaamalla lähellä keskipistettä olevaa verkon sektoria reunojen läheisyydessä oleviin. Sektorien pinta-ala pallopinnalla on sama. Tasolla reunassa olevan sektorin pinta-ala on lähes neljä kertaa niin suuri kuin keskellä olevan. Jos verkon tiheyttä suurennetaan, tämä suhde lähestyy arvoa 4.

Wulffin verkossa leveys- ja pituuspiirit leikkaavat toisensa kohtisuorasti. Tämä on suora seuraus stereo­grafisen projektion konformisuudesta. (Tosin konformisuus on vahvempi ominaisuus kuin leveys- ja pituuspiirien kohtisuoruuden säilyminen. On olemassa sellaisiakin kuvauksia pallopinnalta tasolle, joissa leveys- ja pituuspiirit leikkaavat toisensa kohtisuorasti, mutta muut kulmat eivät pysy muuttumattomina; sellaisia ovat esimerkiksi neliökartta ja Gall-Petersin projektio.)

thumb|right|Havainnollistus vaiheista 1–4 pisteen kuvaamisesta Wulffin verkostoon