简析计算机图形学中数据结构的应用

2020-01-08高怀栋林志刚莆田学院

数码世界 2020年1期

高怀栋林志刚莆田学院

引言

所谓数据结构指的是一种具有结构特性的数据元素。研究数据结构可以帮助数据的逻辑结构与物理结构之间的关系，结合相应的运算算法，重新组成新的结构，并使原先的结构类型不产生变化。因此，对数据结构的研究显然已经成为现阶段众多软件系统的基础内容。因为数据在数据结构的分解下分化为三个层次，明确逻辑结构，继而划分功能，得到运算算法。其研究内容十分复杂，同样十分抽象。

一、图形图像处理分析

众所周知，计算机的图像处理软件在处理图像中有十分强大的处理效果，其处理的背后离不开众多实物造型处理与图像硬件处理等技术提供支持。同样，这些技术对计算机的常规应用更有着极为密切且十分重要的关系。因此，提高对这些技术的应用质量可以显著提高图像处理中的美感、设计感和真实感，带给用户极佳的视觉体验。那么计算机是如何做到的呢？首先，计算机利用光照模型等相关技术构建不同光源下以及不同敏感、距离的图像效果，使其图形呈现数字型结构。在此之下可以对数据进行修改，修改数据就等同于数据图像，这时处理计算机数据显然十分关键，需要在计算机处理图像之际执行操作处理的工作人员必须具备专业的知识结构与处理能力，同时还要能够不断提高对图像的操作能力。值得一提的是，在图像的处理技术中远远不止这些简单的处理，还可以变换图像、对图像进行编码压缩、对图像进行增强或者复原图像、分割图像、分类图像、描述头像、识别图像等。

二、数据结构在计算机图形学中的应用分析

(一）几何造型中应用的数据结构

利用计算机对图像进行处理的技术离不开几何造型技术，其几何造型技术可以对目标构建相应的模型，从而能够将目标图像转变为数据信息，再对数据进行修改达到处理、改变图像的目的。因此，对于几何造型技术可以将其分为三大内容，分别为对几何图形的呈现、运算与构建。现如今计算机信息技术越来越发达，其先进程度也十分高。同时随着人们的审美需求不断上升，对几何造型的处理能力也越来越高，在一定程度上促进几何造型技术的发展，并广泛应用于众多领域，共同促进人类文明的进步。尤其在建筑设计、机械设计、服装设计以及室内设计等方面起到十分重要的意义与作用。

1.三维形体的两种信息

对于三维形体的处理离不开构建数学模型，同时在计算机的帮助下对其进行重新定义与运算，确保形成的数据可以准确、全面的概括出三维形体的基本形态，需要三维形体的几何信息与拓扑信息有着更充分的了解与掌握才能提高处理质量。

(1）几何信息

所谓几何信息指的是一个三维形体中的点线面利用几何数据表示在欧氏三维空间中的位置与大小，同时在坐标系的帮助下，这些复杂的集合信息又可以利用坐标转化数据，使之成为对等数据的坐标信息；而其三维形体的曲线与曲面等形态信息可以在昆氏曲面、贝塞尔曲线、B-样条曲线与曲线拟合等的帮助下表示。而对于三维形体的变形操作便等同于对这些数据的修改工作，需要对原先的几何数据应用矩阵运算。但实际上单单只有几何信息是远远不够的，在其中还需要应用到拓扑信息。

(2）拓扑信息

拓扑信息代表三维形体中的点线面在不同连接方式中的关系，同时其拓扑信息又由三个基本拓扑元素组成，分别为点、边、面，总共有九种连接类型。在常规的几何造型中不同的造型需要应用到不同的拓扑信息，比如线框图一般应用两种以上的拓扑元素关系，而几何形体的拓扑元素与几何信息有一定的关系，拓扑关系的异同和几何信息的异同有一定的关系，其拓扑关系的改变离不开对其的运算推导。但实际上往往很多时候对于这些拓扑关系进行推导需要花费不少时间，对三维形体的处理效率有一定的影响作用，并且比较占用储存内存。也正因为如此，很多时候图像处理人员往往利用折中的方式对拓扑关系进行筛选，不同图形数据结构有着十分明确的拓扑关系。

2.三维形体的几何模型

(1）线框模型

对线框模型来讲仅需要几何形体的点、边展示具体的几何形体，比如常见的正方体便可以利用八个顶点以及十二个边进行构建，需要在计算机中对正方体的顶点数据与边数据进行整合与处理，才能在计算中构建正方体相应的线框模型。总的来说线框模型的好处有很多，其特点主要分为三点：其一，其数据结构往往十分简单，因为所需要存储的信息十分少，同时对计算机硬件的处理需要并不高。在计算机中生成相应的平面例题，利用简单的棱与线便可以构建相应的平面立体模型；其二，在平面立体中的轮廓线与棱线在绝大多数情况下是相同的，所以一般的线框模型往往可以应用于多种线框图，比如平视图、透视图、电路图等，对一些管道建设等方面的图案设计有着十分普遍的应用；其三，线框模型普遍是棱线组成，因此没有信息在其中，所以线框模型不能对剖面图、曲面例题等进行消隐处理与求交运算，同样对一些重量与惯性矩等物理参量也不能进行计算。

(2）表面模型

所谓面即指线框模型中棱线与棱线之间包围的区域，而表面模型即对常规的线框模型增加面信息，所以在表面模型的构建中可以应用两种三表结构进行建立。第一种为顶点表、边表与面表的结构，也就是对于具有顶点表与边表的线框模型增加面表信息。而第二种则为顶点表、面表与环表单链的三表结构，在常规的线框模型基础上利用指针将各个棱线进行连接，再提供相应的面信息，这种三标结构以单链表式的存储结构存储在计算机中。

(3）实体模型

实体模型指的是对表面模型增设实心形体，从而构建成实体模型。图1 所展示的即三种实体定义方法：第一种是在实体表面门外一侧的P 点，即a 部分；第二种为表面内指向实体外侧的法线方向矢量，也被称为外法矢，即b 部分；而第三种即在面表、环表中根据边号与点好的有序排列使形体额度外法线方向沿着右方向旋转的法则，形成所谓的外法矢，即c 部分。

图1 实体在表面一侧的三种表示方法

（二）消隐技术中应用的数据结构

消隐技术的存在意义是为了能够确保实际图形不会存在多种定义特征的现象，也是为了能够使图形的真实感变得更为强烈。因此，在应用计算机绘制三维形体中难免少不了应用消隐技术消除一些隐蔽的内容。应用消隐技术的计算方法主要是通过对三维形体表面的分量进行计算与判断，如果所计算的分量≥0，即表面朝向是前方，需要对该面的棱边进行绘制。反之则为后方，不需要对其进行绘制。