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数据结构在计算机图形学中的应用

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  摘  要:计算机对于数据的组织形式,以及对于数据的储存方式被称为数据结构。将计算机的字符处理系统升级为计算机的图像处理系统是计算机图形学需要研究的重要内容,计算机图形学需要将数字信息转换为图像信息,并且能够将图形信息恰当地在计算机的显示屏上面展示出来的一种科学技术。计算机图形的产生、处理技巧以及图形的输出等技术都是其中的难点。计算机需要处理的图形信息是相互之间存在着某些关联关系的数据元素的一个集合,通过将图形的数据结构建立起来,让计算机在生成、处理以及输出方面的准确性、完整性以及时效性得到较好的保障。该文主要以计算机图形学作为研究的主体,针对数据结构在其中的一些重要应用展开分析和探讨。
  关键词:数据结构  计算机  图形学  多方面应用
  中图分类号:TP391                                 文献标识码:A                          文章编号:1672-3791(2018)03(c)-0018-02
  1  数据结构概述
  计算机起源于国外,在中国的发展时间相对较晚,数据结构在我国的不同版本的资料中的相关定义会有一定的差别。有的资料中描述称抽象数据结构的物理实现就是数据结构,有些资料中描述称数据结构就是数据对象,而数据对象又是由一個个的数据元素组成,数据结构包含着数据元素与数据元素之间错综复杂的关系。为了能够更快、更加方便地处理信息,一般需要就外界接收到的各种信息转换为计算机可识别的信息,简称为计算机的机器语言。在转换的过程中,计算机需要将所有的图形数据组织起来,它们由一个个元素拼接,每个元素之间存在着一定的联系,当然在组织数据的过程中也是必须按照计算机的规则来组织。计算机的图形数据就是这些按照一定的规则组织在一起,相互之间关联起来的数据元素。
  2  计算机关于图形图像的处理分析
  计算机在对于图像的处理过程中,会涉及到很多的技术,比如实物造型处理以及图像的硬件处理等技术,这些技术都是计算机使用过程中比较重要的技术,对于这些技术的合理运用能够明显提高图形设计和制造的真实度以及美感,给用户提供更好的视觉感受。通过将几何方式应用到大概模型当中来实现这样的目标,采用光照模型等技术来构建出一系列的光源、敏感以及远近的效果。对于所呈现出来的数字型结构的图形,可以对数据进行简单的修改来实现对于图形图像的简单调整,在对图形的处理过程中,计算机数据的处理非常关键。在使用计算机对于图形图像的处理过程中,能够很好地掌握图形的概念以及几何编辑处理的工作能力,不断地提升自己对于图形的操作能力。图形处理过程中涉及的内容主要有图形数据化构造模型,适当地调整线条以及色彩,同时还能实现对于图形的旋转和平移等。
  计算机图形图像处理技术被广泛应用到生活和工作的多个领域中,比如工农生产以及设计等领域。在建筑的设计以及室内平面设计中,CAD以及CAM技术有着非常重要的作用。而在汽车零件的外形设计中,网络分析以及电子领域等的应用也是非常的广泛。CAD技术可能是工程建筑设计师必备的一项技能,该技术能够很好地实现工程建筑图纸的平面化管理,构建三维的框架,对于相关的信息进行分类以及编辑。在实现了良好的用户界面之后,能够带来好的视觉感受以及提升计算机用户的满意度。例如著名的Apple公司对于用户界面就是非常的讲究,有着非常强大的图形工作软件,在计算机和移动端都有着非常广泛的应用。
  3  数据结构在图形学中的应用
  下面我们主要介绍数据结构在计算机图形学中的几何造型以及消隐技术中的合理应用,让计算机对于图形图像的处理更加方便快捷,达到意想不到的效果。
  3.1 数据结构在几何造型中的应用
  几何造型技术在计算机的辅助设计技术中是非常重要的组成部分,几何造型技术主要的功能就是构建目标物体模型,将图形图像转换为数据信息,能够更好地实现对于图形图像的微调,更好地被用户所掌握和使用。几何造型技术主要包括以下内容:计算机中几何形体的呈现、对几何形体的运算以及几何形体的构建。随着社会经济的快速发展以及科学技术不断地创新,人们对于计算机图形图像处理技术的需求越来越大,这就导致计算机图形图像处理技术的发展更快,并且该技术的应用也更加的广泛来满足社会群体的需要,如今在建筑设计、数控、机械设计、室内设计、服装设计等工作和生活的各个方面都有着很好的应用,并且发挥着至关重要的作用。
  3.1.1 三维形体基础信息
  首先,利用计算机构建三维形体的演示模型,如果计算机需要对于三维形体的信息进行读取,就需要能够识别出该三维形体,因此需要将三维形体以计算机规定的方式进行定义以及运算,这样就可以方便地对该数据形式进行读取以及修改,可以在图形的处理过程中进行各种不同的处理,实现形体的描述完整性以及准确性。同时在这个过程中还需要提供一些重要的非图片信息以便更好地实现控制。
  (1)三维形体的几何信息。
  图形信息由几何信息和拓扑信息组成,该节将主要介绍几何信息,下节主要介绍拓扑信息。几何信息指的是三维形体的点线面在欧氏空间三维形体中所呈现出来的点线面的大小和坐标相关的几何数据信息。通常的做法就是利用数学的方式将三维形体的几何信息在指定的坐标系中标注展示出来,使用坐标值来表示各个点,点之间形成不同的直线,直线之间联系起来形成不同的平面。三维形体被定义之后,三维形体的旋转以及三维形体的缩放比例、三维形体的移动、三维形体的各种变换都可以很方便地通过集合数据的变动来进行描述,这样就可以很直观地对三维形体进行掌握,能够更好地对于三维形体进行控制。   (2)三维形体的拓扑信息。
  只有几何信息描述的三维形体是不够完整和准确的,托普信息是非常重要的三维形体信息,也是必不可少的。托普信息其实就是三维形体点线面之间联系的描述信息,其中的信息主要包括相互连接、边界关系以及相互邻近等信息。三维形体的点线面就是三维形体的基础拓扑信息,三维形体的三种基础拓扑信息的连接,从属的拓扑关系共有9种,可以算是包括了各种所需要的拓扑关系,在实际的应用中根据需要选择恰当的拓扑关系来进行描述。通常情况下,一个完整的三维形体所包括的拓扑关系信息至少2种或者2种以上。从中不难发现,三维形体的拓扑信息和几何信息的关系是非常密切的,其中的一种信息不存在,另外一种信息的存在是没有任何意义的,而在拓扑关系不一样的情况下,所需要的几何信息也是存在着差别的。
  3.1.2 计算机三维形体中的几何模型
  (1)线框模型。只有三维形体的顶点和边所构建的形体被称为线框模型。计算机在构建立方体时就是使用的这种模型,这种相对而言比较简单,只需要在计算机中录入立方体的顶点和边就可以构建出线框模型状态的立方体,通过这种方式构建的三维形体可以很方便地输出线框图,其中的数据结构也是非常的简单,但是对于大部分的复杂问题就无能为力了,例如解决求交和消隐方面问题时,就达不到需求。
  (2)表面模型。以线框模型作為基础,在此之上增加面的信息就会形成表面模型。通常来说,建立表面模型的方式有2种,其中一种就是顶点+边+面的方式,即在线框模型之上加上面的信息;另外一种就是通过添加的指针把线有序的连接起来,从而呈现出面的相关信息,这一种方式相对而言比较复杂,可以表示为顶点+面+环表单链三表结构。
  (3)实体模型。实体模型主要就是在表面模型的基础上增加实心部分。实体模型主要就是定义实体存在于表面的哪个位置。
  3.2 数据结构在消隐技术中的恰当应用
  为了让计算机图形不会产生多种意义,并且能够充分地展现出真实感,在三维形体的立体图中需要消除那些看不见的线和面,这样的绘制和显示更加准确,这样的计算机绘图方式就是消隐技术。消隐技术主要包括:数据结构、图形绘制以及消隐算法。
  消隐算法:对于三维形体表面指向体外法矢的分量计算,然后通过对于计算值进行比对,可以知道该面为朝前面还是朝后面,朝前面就需要画出各个边,而朝后面是不可见的,不需要画出这个面的边。
  数据结构:消隐数据结构主要有面表、面环表以及顶点表。三维形体的各个面的棱边数存储在面表,如果从体内看,组成形体各个面顺时针方向排列的顶点编号存储在面环表中,顶点表中储存的是形体模型各个顶点在三维坐标系中的坐标值。
  图形绘制:在完成了消隐算法和数据结构之后就是编制程序完成消隐操作。
  4  结语
  数据结构是计算机组织数据以及存储数据的形式,数据元素与数据元素之间存在着各种不同的联系。在计算机图形图像技术之前,处理系统主要以符号为主,计算机图形图像技术出现之后,数据结构在其中起着至关重要的作用,对于计算机图形学的出现有着重要的意义。
  计算机图形图像技术还会不断的发展,在社会的各个领域应用也会越来越多,那么数据结构在计算机图形学中的应用也会越来越丰富,不断地解决其中的各种复杂的问题,促进计算机图形学的发展。
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