图形数据模型(数据库)

时间：2022-11-25 10:30:01 | 来源：信息时代

时间：2022-11-25 10:30:01 来源：信息时代

    图形数据模型 : 图形在数据库中表达、生成的方式,图形是一个虚拟概念,而图形数据模型可以量化并可视化表达图形。
1. 图形模型
图形模型就是图形在计算机中表达的方法。在计算机图形系统中,图形的表示和生成都必须考虑到图形信息的数据结构和生成图形的算法,即首先应建立起图形的模型。常用的图形模型有线框模型、表面模型和实体模型。一般说,任一个图形模型总是包含有图形的几何信息、拓扑信息和其他辅助信息三部分。几何信息是指形体中各元素的形状和尺寸。拓扑信息用来说明各组成部分的相互连接关系。随着具体应用领域的不同,对图形的描述有时还需要有其他一些信息,如色彩、线型、花纹或重心等,这些都称为辅助信息。

表1 图形数组表示

顶点	坐标
A	(-0.5,0.707)
B	(-1,0)
C	(-0.5,-0.707)
D	(0.5,-0.707)
E	(1,0)
F	(0.5,0.707)

在表1中,用数组表示的数据结构适用于那些不增加、不减少也不改变其形状的图形数据,称为静态结构。实际上,在更多的应用场合,特别是在交互式图形系统中,都需要动态的数据结构,这样才能满足对图形进行部分修改和作各种组合的要求。常用的动态结构是线性链表,用指针来连接线性链表中的数据元素(图1)。于是,对图形的修改就转变为图2所示的用带指针的数据进行装配连接的操作。

图1 修改前的结构

图2 修改后的结构

在图3中(a)与(b)有相同的集合信息,即六个对应点A、B、C、D、E、F具有相同的坐标,但(a)与(b)具有不同的拓扑信息,即(a)中六点的连接顺序是A、B、C、D、E、F、A,而(b)中分为右边和左边两个三角形,连接顺序分别为A、C、E、A和B、D、F、B。对(a)来说用一个顶点数组VA(6×2)和一个连接数组CA(6),对(b)来说用一个顶点数组VB(6×2)和一个连接数组CB(2×3)就可以分别构成相应的最基本的数据结构。

图3 结点拓扑

图形系统的数据又分为几个层次。图元和图段是最基本的两个层次。图元是图形系统中用来构造图形的最基本的元素,如GKS中就有六种基本的图元,在有些专用的图形系统中,用户还可定义自己所需要的图元。图段是由在逻辑上有联系的一组图元组成,常用来构造复杂图形中的子图形。一幅完整的图形,通常是以文件的形式存储在计算机中,图形文件是由一系列图段和对这些图段所作的操作和各图段的参数等组成。
在一般的交互式支撑软件系统中,用户通过一系列的操作命令的参数设置,可以在屏幕上生成所需要的图形,在这个过程中图形支撑软件同时生成一系列表格,以存储与该图形相应的几何信息,拓扑信息和其他辅助信息。如用户交互式方法在I-DEAS软件上作成一幅一般机械零件图时,该系统内部就自动生成40多个表格,以存储相应的信息。
总之,图形数据具有很大的复杂性,不像一般字符和数字那样有较好的一致性,图形数据含有几何信息、拓扑信息和其他辅助信息,并且具体的图形数据结构又与图形的表示方法和生成图形的具体算法有着一定的关系,在人机交互处理时,图形数据结构又必须适应实时的、动态的和随机变化的要求。一幅三维的立体图,如果再做裁剪、消隐和光照处理时,更需要大量的运算。另外,图形数据还具有量大的特点,由图元、图段和子图形构成的一幅复杂的图形占有内存是相当大的。
2. 常用的图形模型
(1)线框造型: 是CAD/CAM技术发展过程中较早应用的三维模型,这种模型表示的是物体的棱边。线框模型由物体上的点、直线和曲线组成,这种模型系统的开发始于20世纪60年代初期,当时,主要是为自动化设计绘图。初期的线框仅仅是二维的,点、直线、圆弧和某些二次曲线是线框模型的基本元素,用户需要逐线地构造模型。一些更高级的系统,其中最早的是麦道公司的CADD系统,允许用户对模型提出问题,造型系统用基本的几何性质回答。这些线框模型并不是解析地表示实体,用户有责任对模型进行解释,同时把实体的性质赋予模型; 后来在二维线框模型的基础上发展了三维线框模型,构造三维线框模型是引入三维结构,但仍限于二维同样的点、直线和曲线,但模型有了深度,可以做三维的平移、旋转,且能产生出立体感。这就减少了用户在某些解释方面的责任,但体积和其他物性自动计算分析方法和功能仍然没有。线框模型在计算机内部是以边表和点表来表达和存储的,实际物体是边表和点表相应的三维映像,计算机可以自动实现视图变换和空间尺寸协调。线框模型具有数据结构简单、对硬件要求不高、易于掌握等特点。这种模型曾广泛应用于工厂或车间布局,管道敷设,运动机构的模拟干涉检查。但线框模型存在着严重的缺陷,比如图形含义不确切,不能进行物体几何特性(体积、面积、重量、惯性矩等)计算,不便于消除隐藏线等方面的要求。
(2) 曲面造型:又叫表面造型。表面模型是通过在线框模型的基础上添加面的信息,利用表面模型,就可以对物体做剖面、消隐,获得NC加工所需的表面信息等。对一些复杂的物体表面,如汽车车身、飞机机身、模具型面等曲面。与自由曲线的定义相似,所谓自由曲面是指不能用基本立体要素(棱柱、棱锥、球、一般回转体、有界平面等)描述的呈自然形状的曲面,必须根据空间自由曲线和自由曲面的理论进行计算。
(3)实体造型: 是以立方体、圆柱体、球体、锥体、环状体等多种基本体素为单元元素,通过集合运算(拼合或布尔运算),生成所需要的几何形体。这些形体具有完整的几何信息,是真实而唯一的三维物体。所以,实体造型包括两部分内容: 即体素定义和描述,以及体素之间的布尔运算(并、交、差)。布尔运算是构造复杂实体的有效工具。目前常用的实体造型方法主要有: 边界表示法、构造实体几何法和扫描法。早在20世纪60年代初,就提出了实体造型的概念,但由于当时理论研究和实践都不够成熟,实体造型技术发展缓慢。70年代初出现了简单的具有一定实用性的基于实体造型CAD/CAM系统,实体造型在理论研究方面也相应取得了进展,如1973年,英国剑桥大学的I.C. Baird曾提出采用六种体素作为构造机械零件的积木块的方法,但仍然不能满足实体造型技术发展的需要。在实践中人们认识到,实体造型只用几何信息表示是不充分的,还需要表示形体之间相互关系、拓扑信息。到70年代后期,实体造型技术在理论、算法和应用方面逐渐成熟。进入80年代后,国内外不断推出实用的实体造型,在实体模型CAD、实体机械零件设计、物性计算、三维形体的有限元分析、运动学分析、建筑物设计、空间布置、计算机辅助NC程序的生成和检验、部件装配、机器人、电影制片技术中的动画、电影特技镜头、景物模拟、医疗工程中的立体断面检查等方面得到广泛的应用。