簡析計算機圖形學中數據結構的應用

高懷棟 林志剛 莆田學院

引言

所謂數據結構指的是一種具有結構特性的數據元素。研究數據結構可以幫助數據的邏輯結構與物理結構之間的關系，結合相應的運算算法，重新組成新的結構，并使原先的結構類型不產生變化。因此，對數據結構的研究顯然已經成為現階段眾多軟件系統的基礎內容。因為數據在數據結構的分解下分化為三個層次，明確邏輯結構，繼而劃分功能，得到運算算法。其研究內容十分復雜，同樣十分抽象。

一、圖形圖像處理分析

眾所周知，計算機的圖像處理軟件在處理圖像中有十分強大的處理效果，其處理的背后離不開眾多實物造型處理與圖像硬件處理等技術提供支持。同樣，這些技術對計算機的常規應用更有著極為密切且十分重要的關系。因此，提高對這些技術的應用質量可以顯著提高圖像處理中的美感、設計感和真實感，帶給用戶極佳的視覺體驗。那么計算機是如何做到的呢？首先，計算機利用光照模型等相關技術構建不同光源下以及不同敏感、距離的圖像效果，使其圖形呈現數字型結構。在此之下可以對數據進行修改，修改數據就等同于數據圖像，這時處理計算機數據顯然十分關鍵，需要在計算機處理圖像之際執行操作處理的工作人員必須具備專業的知識結構與處理能力，同時還要能夠不斷提高對圖像的操作能力。值得一提的是，在圖像的處理技術中遠遠不止這些簡單的處理，還可以變換圖像、對圖像進行編碼壓縮、對圖像進行增強或者復原圖像、分割圖像、分類圖像、描述頭像、識別圖像等。

二、數據結構在計算機圖形學中的應用分析

(一）幾何造型中應用的數據結構

利用計算機對圖像進行處理的技術離不開幾何造型技術，其幾何造型技術可以對目標構建相應的模型，從而能夠將目標圖像轉變為數據信息，再對數據進行修改達到處理、改變圖像的目的。因此，對于幾何造型技術可以將其分為三大內容，分別為對幾何圖形的呈現、運算與構建。現如今計算機信息技術越來越發達，其先進程度也十分高。同時隨著人們的審美需求不斷上升，對幾何造型的處理能力也越來越高，在一定程度上促進幾何造型技術的發展，并廣泛應用于眾多領域，共同促進人類文明的進步。尤其在建筑設計、機械設計、服裝設計以及室內設計等方面起到十分重要的意義與作用。

1.三維形體的兩種信息

對于三維形體的處理離不開構建數學模型，同時在計算機的幫助下對其進行重新定義與運算，確保形成的數據可以準確、全面的概括出三維形體的基本形態，需要三維形體的幾何信息與拓撲信息有著更充分的了解與掌握才能提高處理質量。

(1）幾何信息

所謂幾何信息指的是一個三維形體中的點線面利用幾何數據表示在歐氏三維空間中的位置與大小，同時在坐標系的幫助下，這些復雜的集合信息又可以利用坐標轉化數據，使之成為對等數據的坐標信息；而其三維形體的曲線與曲面等形態信息可以在昆氏曲面、貝塞爾曲線、B-樣條曲線與曲線擬合等的幫助下表示。而對于三維形體的變形操作便等同于對這些數據的修改工作，需要對原先的幾何數據應用矩陣運算。但實際上單單只有幾何信息是遠遠不夠的，在其中還需要應用到拓撲信息。

(2）拓撲信息

拓撲信息代表三維形體中的點線面在不同連接方式中的關系，同時其拓撲信息又由三個基本拓撲元素組成，分別為點、邊、面，總共有九種連接類型。在常規的幾何造型中不同的造型需要應用到不同的拓撲信息，比如線框圖一般應用兩種以上的拓撲元素關系，而幾何形體的拓撲元素與幾何信息有一定的關系，拓撲關系的異同和幾何信息的異同有一定的關系，其拓撲關系的改變離不開對其的運算推導。但實際上往往很多時候對于這些拓撲關系進行推導需要花費不少時間，對三維形體的處理效率有一定的影響作用，并且比較占用儲存內存。也正因為如此，很多時候圖像處理人員往往利用折中的方式對拓撲關系進行篩選，不同圖形數據結構有著十分明確的拓撲關系。

2.三維形體的幾何模型

(1）線框模型

對線框模型來講僅需要幾何形體的點、邊展示具體的幾何形體，比如常見的正方體便可以利用八個頂點以及十二個邊進行構建，需要在計算機中對正方體的頂點數據與邊數據進行整合與處理，才能在計算中構建正方體相應的線框模型。總的來說線框模型的好處有很多，其特點主要分為三點：其一，其數據結構往往十分簡單，因為所需要存儲的信息十分少，同時對計算機硬件的處理需要并不高。在計算機中生成相應的平面例題，利用簡單的棱與線便可以構建相應的平面立體模型；其二，在平面立體中的輪廓線與棱線在絕大多數情況下是相同的，所以一般的線框模型往往可以應用于多種線框圖，比如平視圖、透視圖、電路圖等，對一些管道建設等方面的圖案設計有著十分普遍的應用；其三，線框模型普遍是棱線組成，因此沒有信息在其中，所以線框模型不能對剖面圖、曲面例題等進行消隱處理與求交運算，同樣對一些重量與慣性矩等物理參量也不能進行計算。

(2）表面模型

所謂面即指線框模型中棱線與棱線之間包圍的區域，而表面模型即對常規的線框模型增加面信息，所以在表面模型的構建中可以應用兩種三表結構進行建立。第一種為頂點表、邊表與面表的結構，也就是對于具有頂點表與邊表的線框模型增加面表信息。而第二種則為頂點表、面表與環表單鏈的三表結構，在常規的線框模型基礎上利用指針將各個棱線進行連接，再提供相應的面信息，這種三標結構以單鏈表式的存儲結構存儲在計算機中。

(3）實體模型

實體模型指的是對表面模型增設實心形體，從而構建成實體模型。圖1 所展示的即三種實體定義方法：第一種是在實體表面門外一側的P 點，即a 部分；第二種為表面內指向實體外側的法線方向矢量，也被稱為外法矢，即b 部分；而第三種即在面表、環表中根據邊號與點好的有序排列使形體額度外法線方向沿著右方向旋轉的法則，形成所謂的外法矢，即c 部分。

圖1 實體在表面一側的三種表示方法

（二）消隱技術中應用的數據結構

消隱技術的存在意義是為了能夠確保實際圖形不會存在多種定義特征的現象，也是為了能夠使圖形的真實感變得更為強烈。因此，在應用計算機繪制三維形體中難免少不了應用消隱技術消除一些隱蔽的內容。應用消隱技術的計算方法主要是通過對三維形體表面的分量進行計算與判斷，如果所計算的分量≥0，即表面朝向是前方，需要對該面的棱邊進行繪制。反之則為后方，不需要對其進行繪制。

三、結束語

總之，隨著計算機圖形學的發展，使千萬領域受益，尤其是對數據結構來講可以顯著提高計算機對圖像的處理效率，使設計行業在數據結構的應用下得以實現行業領域的發展。但是從宏觀角度來看，計算機圖形學中數據結構的應用還有很多，本文篇幅有限不再贅述，相信在未來數據結構能夠帶給人類更多應用成果。