數據結構在計算機圖形學中的應用

吳洋毅

摘? 要：計算機對于數據的組織形式，以及對于數據的儲存方式被稱為數據結構。將計算機的字符處理系統升級為計算機的圖像處理系統是計算機圖形學需要研究的重要內容，計算機圖形學需要將數字信息轉換為圖像信息，并且能夠將圖形信息恰當地在計算機的顯示屏上面展示出來的一種科學技術。計算機圖形的產生、處理技巧以及圖形的輸出等技術都是其中的難點。計算機需要處理的圖形信息是相互之間存在著某些關聯關系的數據元素的一個集合，通過將圖形的數據結構建立起來，讓計算機在生成、處理以及輸出方面的準確性、完整性以及時效性得到較好的保障。該文主要以計算機圖形學作為研究的主體，針對數據結構在其中的一些重要應用展開分析和探討。

關鍵詞：數據結構? 計算機? 圖形學? 多方面應用

中圖分類號：TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2018）03（c）-0018-02

1? 數據結構概述

計算機起源于國外，在中國的發展時間相對較晚，數據結構在我國的不同版本的資料中的相關定義會有一定的差別。有的資料中描述稱抽象數據結構的物理實現就是數據結構，有些資料中描述稱數據結構就是數據對象，而數據對象又是由一個個的數據元素組成，數據結構包含著數據元素與數據元素之間錯綜復雜的關系。為了能夠更快、更加方便地處理信息，一般需要就外界接收到的各種信息轉換為計算機可識別的信息，簡稱為計算機的機器語言。在轉換的過程中，計算機需要將所有的圖形數據組織起來，它們由一個個元素拼接，每個元素之間存在著一定的聯系，當然在組織數據的過程中也是必須按照計算機的規則來組織。計算機的圖形數據就是這些按照一定的規則組織在一起，相互之間關聯起來的數據元素。

2? 計算機關于圖形圖像的處理分析

計算機在對于圖像的處理過程中，會涉及到很多的技術，比如實物造型處理以及圖像的硬件處理等技術，這些技術都是計算機使用過程中比較重要的技術，對于這些技術的合理運用能夠明顯提高圖形設計和制造的真實度以及美感，給用戶提供更好的視覺感受。通過將幾何方式應用到大概模型當中來實現這樣的目標，采用光照模型等技術來構建出一系列的光源、敏感以及遠近的效果。對于所呈現出來的數字型結構的圖形，可以對數據進行簡單的修改來實現對于圖形圖像的簡單調整，在對圖形的處理過程中，計算機數據的處理非常關鍵。在使用計算機對于圖形圖像的處理過程中，能夠很好地掌握圖形的概念以及幾何編輯處理的工作能力，不斷地提升自己對于圖形的操作能力。圖形處理過程中涉及的內容主要有圖形數據化構造模型，適當地調整線條以及色彩，同時還能實現對于圖形的旋轉和平移等。

計算機圖形圖像處理技術被廣泛應用到生活和工作的多個領域中，比如工農生產以及設計等領域。在建筑的設計以及室內平面設計中，CAD以及CAM技術有著非常重要的作用。而在汽車零件的外形設計中，網絡分析以及電子領域等的應用也是非常的廣泛。CAD技術可能是工程建筑設計師必備的一項技能，該技術能夠很好地實現工程建筑圖紙的平面化管理，構建三維的框架，對于相關的信息進行分類以及編輯。在實現了良好的用戶界面之后，能夠帶來好的視覺感受以及提升計算機用戶的滿意度。例如著名的Apple公司對于用戶界面就是非常的講究，有著非常強大的圖形工作軟件，在計算機和移動端都有著非常廣泛的應用。

3? 數據結構在圖形學中的應用

下面我們主要介紹數據結構在計算機圖形學中的幾何造型以及消隱技術中的合理應用，讓計算機對于圖形圖像的處理更加方便快捷，達到意想不到的效果。

3.1 數據結構在幾何造型中的應用

幾何造型技術在計算機的輔助設計技術中是非常重要的組成部分，幾何造型技術主要的功能就是構建目標物體模型，將圖形圖像轉換為數據信息，能夠更好地實現對于圖形圖像的微調，更好地被用戶所掌握和使用。幾何造型技術主要包括以下內容：計算機中幾何形體的呈現、對幾何形體的運算以及幾何形體的構建。隨著社會經濟的快速發展以及科學技術不斷地創新，人們對于計算機圖形圖像處理技術的需求越來越大，這就導致計算機圖形圖像處理技術的發展更快，并且該技術的應用也更加的廣泛來滿足社會群體的需要，如今在建筑設計、數控、機械設計、室內設計、服裝設計等工作和生活的各個方面都有著很好的應用，并且發揮著至關重要的作用。

3.1.1 三維形體基礎信息

首先，利用計算機構建三維形體的演示模型，如果計算機需要對于三維形體的信息進行讀取，就需要能夠識別出該三維形體，因此需要將三維形體以計算機規定的方式進行定義以及運算，這樣就可以方便地對該數據形式進行讀取以及修改，可以在圖形的處理過程中進行各種不同的處理，實現形體的描述完整性以及準確性。同時在這個過程中還需要提供一些重要的非圖片信息以便更好地實現控制。

（1）三維形體的幾何信息。

圖形信息由幾何信息和拓撲信息組成，該節將主要介紹幾何信息，下節主要介紹拓撲信息。幾何信息指的是三維形體的點線面在歐氏空間三維形體中所呈現出來的點線面的大小和坐標相關的幾何數據信息。通常的做法就是利用數學的方式將三維形體的幾何信息在指定的坐標系中標注展示出來，使用坐標值來表示各個點，點之間形成不同的直線，直線之間聯系起來形成不同的平面。三維形體被定義之后，三維形體的旋轉以及三維形體的縮放比例、三維形體的移動、三維形體的各種變換都可以很方便地通過集合數據的變動來進行描述，這樣就可以很直觀地對三維形體進行掌握，能夠更好地對于三維形體進行控制。

（2）三維形體的拓撲信息。

只有幾何信息描述的三維形體是不夠完整和準確的，托普信息是非常重要的三維形體信息，也是必不可少的。托普信息其實就是三維形體點線面之間聯系的描述信息，其中的信息主要包括相互連接、邊界關系以及相互鄰近等信息。三維形體的點線面就是三維形體的基礎拓撲信息，三維形體的三種基礎拓撲信息的連接，從屬的拓撲關系共有9種，可以算是包括了各種所需要的拓撲關系，在實際的應用中根據需要選擇恰當的拓撲關系來進行描述。通常情況下，一個完整的三維形體所包括的拓撲關系信息至少2種或者2種以上。從中不難發現，三維形體的拓撲信息和幾何信息的關系是非常密切的，其中的一種信息不存在，另外一種信息的存在是沒有任何意義的，而在拓撲關系不一樣的情況下，所需要的幾何信息也是存在著差別的。

3.1.2 計算機三維形體中的幾何模型

（1）線框模型。只有三維形體的頂點和邊所構建的形體被稱為線框模型。計算機在構建立方體時就是使用的這種模型，這種相對而言比較簡單，只需要在計算機中錄入立方體的頂點和邊就可以構建出線框模型狀態的立方體，通過這種方式構建的三維形體可以很方便地輸出線框圖，其中的數據結構也是非常的簡單，但是對于大部分的復雜問題就無能為力了，例如解決求交和消隱方面問題時，就達不到需求。

（2）表面模型。以線框模型作為基礎，在此之上增加面的信息就會形成表面模型。通常來說，建立表面模型的方式有2種，其中一種就是頂點+邊+面的方式，即在線框模型之上加上面的信息;另外一種就是通過添加的指針把線有序的連接起來，從而呈現出面的相關信息，這一種方式相對而言比較復雜，可以表示為頂點+面+環表單鏈三表結構。

（3）實體模型。實體模型主要就是在表面模型的基礎上增加實心部分。實體模型主要就是定義實體存在于表面的哪個位置。

3.2 數據結構在消隱技術中的恰當應用

為了讓計算機圖形不會產生多種意義，并且能夠充分地展現出真實感，在三維形體的立體圖中需要消除那些看不見的線和面，這樣的繪制和顯示更加準確，這樣的計算機繪圖方式就是消隱技術。消隱技術主要包括：數據結構、圖形繪制以及消隱算法。

消隱算法：對于三維形體表面指向體外法矢的分量計算，然后通過對于計算值進行比對，可以知道該面為朝前面還是朝后面，朝前面就需要畫出各個邊，而朝后面是不可見的，不需要畫出這個面的邊。

數據結構：消隱數據結構主要有面表、面環表以及頂點表。三維形體的各個面的棱邊數存儲在面表，如果從體內看，組成形體各個面順時針方向排列的頂點編號存儲在面環表中，頂點表中儲存的是形體模型各個頂點在三維坐標系中的坐標值。

圖形繪制：在完成了消隱算法和數據結構之后就是編制程序完成消隱操作。

4? 結語

數據結構是計算機組織數據以及存儲數據的形式，數據元素與數據元素之間存在著各種不同的聯系。在計算機圖形圖像技術之前，處理系統主要以符號為主，計算機圖形圖像技術出現之后，數據結構在其中起著至關重要的作用，對于計算機圖形學的出現有著重要的意義。

計算機圖形圖像技術還會不斷的發展，在社會的各個領域應用也會越來越多，那么數據結構在計算機圖形學中的應用也會越來越豐富，不斷地解決其中的各種復雜的問題，促進計算機圖形學的發展。

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