圖形數(shù)據(jù)模型(數(shù)據(jù)庫)

時間：2022-11-25 10:30:01 | 來源：信息時代

時間：2022-11-25 10:30:01 來源：信息時代

    圖形數(shù)據(jù)模型 : 圖形在數(shù)據(jù)庫中表達(dá)、生成的方式,圖形是一個虛擬概念,而圖形數(shù)據(jù)模型可以量化并可視化表達(dá)圖形。
1. 圖形模型
圖形模型就是圖形在計(jì)算機(jī)中表達(dá)的方法。在計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)中,圖形的表示和生成都必須考慮到圖形信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和生成圖形的算法,即首先應(yīng)建立起圖形的模型。常用的圖形模型有線框模型、表面模型和實(shí)體模型。一般說,任一個圖形模型總是包含有圖形的幾何信息、拓?fù)湫畔⒑推渌o助信息三部分。幾何信息是指形體中各元素的形狀和尺寸。拓?fù)湫畔⒂脕碚f明各組成部分的相互連接關(guān)系。隨著具體應(yīng)用領(lǐng)域的不同,對圖形的描述有時還需要有其他一些信息,如色彩、線型、花紋或重心等,這些都稱為輔助信息。

表1 圖形數(shù)組表示

頂點(diǎn)	坐標(biāo)
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,用數(shù)組表示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)適用于那些不增加、不減少也不改變其形狀的圖形數(shù)據(jù),稱為靜態(tài)結(jié)構(gòu)。實(shí)際上,在更多的應(yīng)用場合,特別是在交互式圖形系統(tǒng)中,都需要動態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),這樣才能滿足對圖形進(jìn)行部分修改和作各種組合的要求。常用的動態(tài)結(jié)構(gòu)是線性鏈表,用指針來連接線性鏈表中的數(shù)據(jù)元素(圖1)。于是,對圖形的修改就轉(zhuǎn)變?yōu)閳D2所示的用帶指針的數(shù)據(jù)進(jìn)行裝配連接的操作。

圖1 修改前的結(jié)構(gòu)

圖2 修改后的結(jié)構(gòu)

在圖3中(a)與(b)有相同的集合信息,即六個對應(yīng)點(diǎn)A、B、C、D、E、F具有相同的坐標(biāo),但(a)與(b)具有不同的拓?fù)湫畔?即(a)中六點(diǎn)的連接順序是A、B、C、D、E、F、A,而(b)中分為右邊和左邊兩個三角形,連接順序分別為A、C、E、A和B、D、F、B。對(a)來說用一個頂點(diǎn)數(shù)組VA(6×2)和一個連接數(shù)組CA(6),對(b)來說用一個頂點(diǎn)數(shù)組VB(6×2)和一個連接數(shù)組CB(2×3)就可以分別構(gòu)成相應(yīng)的最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

圖3 結(jié)點(diǎn)拓?fù)?/p>
圖形系統(tǒng)的數(shù)據(jù)又分為幾個層次。圖元和圖段是最基本的兩個層次。圖元是圖形系統(tǒng)中用來構(gòu)造圖形的最基本的元素,如GKS中就有六種基本的圖元,在有些專用的圖形系統(tǒng)中,用戶還可定義自己所需要的圖元。圖段是由在邏輯上有聯(lián)系的一組圖元組成,常用來構(gòu)造復(fù)雜圖形中的子圖形。一幅完整的圖形,通常是以文件的形式存儲在計(jì)算機(jī)中,圖形文件是由一系列圖段和對這些圖段所作的操作和各圖段的參數(shù)等組成。
在一般的交互式支撐軟件系統(tǒng)中,用戶通過一系列的操作命令的參數(shù)設(shè)置,可以在屏幕上生成所需要的圖形,在這個過程中圖形支撐軟件同時生成一系列表格,以存儲與該圖形相應(yīng)的幾何信息,拓?fù)湫畔⒑推渌o助信息。如用戶交互式方法在I-DEAS軟件上作成一幅一般機(jī)械零件圖時,該系統(tǒng)內(nèi)部就自動生成40多個表格,以存儲相應(yīng)的信息。
總之,圖形數(shù)據(jù)具有很大的復(fù)雜性,不像一般字符和數(shù)字那樣有較好的一致性,圖形數(shù)據(jù)含有幾何信息、拓?fù)湫畔⒑推渌o助信息,并且具體的圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)又與圖形的表示方法和生成圖形的具體算法有著一定的關(guān)系,在人機(jī)交互處理時,圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)又必須適應(yīng)實(shí)時的、動態(tài)的和隨機(jī)變化的要求。一幅三維的立體圖,如果再做裁剪、消隱和光照處理時,更需要大量的運(yùn)算。另外,圖形數(shù)據(jù)還具有量大的特點(diǎn),由圖元、圖段和子圖形構(gòu)成的一幅復(fù)雜的圖形占有內(nèi)存是相當(dāng)大的。
2. 常用的圖形模型
(1)線框造型: 是CAD/CAM技術(shù)發(fā)展過程中較早應(yīng)用的三維模型,這種模型表示的是物體的棱邊。線框模型由物體上的點(diǎn)、直線和曲線組成,這種模型系統(tǒng)的開發(fā)始于20世紀(jì)60年代初期,當(dāng)時,主要是為自動化設(shè)計(jì)繪圖。初期的線框僅僅是二維的,點(diǎn)、直線、圓弧和某些二次曲線是線框模型的基本元素,用戶需要逐線地構(gòu)造模型。一些更高級的系統(tǒng),其中最早的是麥道公司的CADD系統(tǒng),允許用戶對模型提出問題,造型系統(tǒng)用基本的幾何性質(zhì)回答。這些線框模型并不是解析地表示實(shí)體,用戶有責(zé)任對模型進(jìn)行解釋,同時把實(shí)體的性質(zhì)賦予模型; 后來在二維線框模型的基礎(chǔ)上發(fā)展了三維線框模型,構(gòu)造三維線框模型是引入三維結(jié)構(gòu),但仍限于二維同樣的點(diǎn)、直線和曲線,但模型有了深度,可以做三維的平移、旋轉(zhuǎn),且能產(chǎn)生出立體感。這就減少了用戶在某些解釋方面的責(zé)任,但體積和其他物性自動計(jì)算分析方法和功能仍然沒有。線框模型在計(jì)算機(jī)內(nèi)部是以邊表和點(diǎn)表來表達(dá)和存儲的,實(shí)際物體是邊表和點(diǎn)表相應(yīng)的三維映像,計(jì)算機(jī)可以自動實(shí)現(xiàn)視圖變換和空間尺寸協(xié)調(diào)。線框模型具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單、對硬件要求不高、易于掌握等特點(diǎn)。這種模型曾廣泛應(yīng)用于工廠或車間布局,管道敷設(shè),運(yùn)動機(jī)構(gòu)的模擬干涉檢查。但線框模型存在著嚴(yán)重的缺陷,比如圖形含義不確切,不能進(jìn)行物體幾何特性(體積、面積、重量、慣性矩等)計(jì)算,不便于消除隱藏線等方面的要求。
(2) 曲面造型:又叫表面造型。表面模型是通過在線框模型的基礎(chǔ)上添加面的信息,利用表面模型,就可以對物體做剖面、消隱,獲得NC加工所需的表面信息等。對一些復(fù)雜的物體表面,如汽車車身、飛機(jī)機(jī)身、模具型面等曲面。與自由曲線的定義相似,所謂自由曲面是指不能用基本立體要素(棱柱、棱錐、球、一般回轉(zhuǎn)體、有界平面等)描述的呈自然形狀的曲面,必須根據(jù)空間自由曲線和自由曲面的理論進(jìn)行計(jì)算。
(3)實(shí)體造型: 是以立方體、圓柱體、球體、錐體、環(huán)狀體等多種基本體素為單元元素,通過集合運(yùn)算(拼合或布爾運(yùn)算),生成所需要的幾何形體。這些形體具有完整的幾何信息,是真實(shí)而唯一的三維物體。所以,實(shí)體造型包括兩部分內(nèi)容: 即體素定義和描述,以及體素之間的布爾運(yùn)算(并、交、差)。布爾運(yùn)算是構(gòu)造復(fù)雜實(shí)體的有效工具。目前常用的實(shí)體造型方法主要有: 邊界表示法、構(gòu)造實(shí)體幾何法和掃描法。早在20世紀(jì)60年代初,就提出了實(shí)體造型的概念,但由于當(dāng)時理論研究和實(shí)踐都不夠成熟,實(shí)體造型技術(shù)發(fā)展緩慢。70年代初出現(xiàn)了簡單的具有一定實(shí)用性的基于實(shí)體造型CAD/CAM系統(tǒng),實(shí)體造型在理論研究方面也相應(yīng)取得了進(jìn)展,如1973年,英國劍橋大學(xué)的I.C. Baird曾提出采用六種體素作為構(gòu)造機(jī)械零件的積木塊的方法,但仍然不能滿足實(shí)體造型技術(shù)發(fā)展的需要。在實(shí)踐中人們認(rèn)識到,實(shí)體造型只用幾何信息表示是不充分的,還需要表示形體之間相互關(guān)系、拓?fù)湫畔?。?0年代后期,實(shí)體造型技術(shù)在理論、算法和應(yīng)用方面逐漸成熟。進(jìn)入80年代后,國內(nèi)外不斷推出實(shí)用的實(shí)體造型,在實(shí)體模型CAD、實(shí)體機(jī)械零件設(shè)計(jì)、物性計(jì)算、三維形體的有限元分析、運(yùn)動學(xué)分析、建筑物設(shè)計(jì)、空間布置、計(jì)算機(jī)輔助NC程序的生成和檢驗(yàn)、部件裝配、機(jī)器人、電影制片技術(shù)中的動畫、電影特技鏡頭、景物模擬、醫(yī)療工程中的立體斷面檢查等方面得到廣泛的應(yīng)用。