计算机图形学_第三章-5(形体表示)

（a）
（b）
（c） 图3.2.6 生成扫描体时维数不 一致的情况
（d）
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(b)构造实体几何表示(CSG).通过对体素定义 运算而得到新的形体的一种表示方法。体素 可以是立方体、圆柱、圆锥等，也可以是半 空间，其运算为变换或正则集合运算并、交、 差。
CSG表示可以看成是一棵有序的二叉树。 • 其终端节点或是体素、或是形体变换参数。 • 非终端结点或是正则的集合运算，或是变换（平 移和/或旋转）操作，这种运算或变换只对其紧 接着的子结点（子形体）起作用。
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• Brep表示的缺点是：
–数据结构复杂，需要大量的存储空间，维护内部数据 结构的程序比较复杂； –Brep表示不一定对应一个有效形体，通常运用欧拉操 作来保证Brep表示形体的有效性、正则性等。
• Brep表示覆盖域大，原则上能表示所有的形体， 而且易于支持形体的特征表示等，Brep表示已成 为当前CAD/CAM系统的主要表示方法。
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• 对形体的局部操作不易实现，例如，不能对基 本体素的交线倒圆角； • 由于形体的边界几何元素（点、边、面）是隐含 地表示在CSG中，故显示与绘制CSG表示的形体需 要较长的时间。
(c)特征表示
–从应用层来定义形体，因而可以较好的表达 设计者的意图。从功能上可分为形状、精度、 材料和技术特征。
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• 3．边界表示（BR表示或BRep表示）
–按照体－面－环－边－点的层次，详细记录 了构成形体的所有几何元素的几何信息及其相 互连接的拓扑关系。 –边界表示的一个重要特点是在该表示法中， 描述形体的信息包括几何信息（Geometry）和 拓扑信息（Topology）两个方面。
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• 面的形状可以是平面或曲面。平面可用平面方程 来描述，曲面可用控制多边形或型值点来描述， 也可用曲面方程（隐式、显式或参数形式）来描 述。对于参数曲面，通常在其二维参数域上定义 环，这样就可由一些二维的有向边来表示环，集 合运算中对面的分割也可在二维参数域上进行。
• 点是三维空间的一个位置 • 边可以是直线边或曲线边，边的端点可以重合。 • 环是由首尾相接的一些边组成，而且最后一条边的终 点与第一条边的起点重合；环也可以是一个孤立点。 外壳是一些点、边、环、面的集合； • 外壳是一些点、边、环、面的集合。 • 区域由一组外壳组成。 • 模型由区域组成。
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A
B
A
B
A a B b b a
悬边
C=A∩B
集合论的求交计算
C * =A * B
正则集合下的求交运算
图3.2.2 二个二维图形的交产 生一个退化的结果
图3.2.3 集合和正则的交运算
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• 为了能够处理非正则形体，产生了非正 则造型技术。 • 九十年代以来，基于约束的参数化、变 量化造型和支持线框、曲面、实体统一 表示的非正则形体造型技术已成为几何 造型技术的主流。
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6 7 2 3 7 2 3 3 5 0 1 1
（b）
（a）
具有子孙的节点 空节点 实节点 （c） 图3.2.4 清华大学计算机科学与技术系 用八叉树表示形体 计算机图形学基础
• 2．构造表示。通常有扫描表示、构造实 体几何表示和特征表示三种。
(a)扫描表示。基于一个基体（一般是一个封 闭的平面轮廓）沿某一路径运动而产生形体。
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(b)八叉树法表示形体.首先对形体定义一个外接立方 体，再把它分解成八个子立方体，并对立方体依次 编号为0，1，2，„，7。如果子立方体单元已经一 致，即为满（该立方体充满形体）或为空（没有形 体在其中），则该子立方体可停止分解；否则，需 要对该立方体作进一步分解，再一分为八个子立方 体。在八叉树中，非叶结点的每个结点都有八个分 支。 优点主要是： （1）形体表示的数据结构简单。
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左外环
右外环 边
图3.2.11
左 下 边
翼边数据结构
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右 边 下 右
上 边
边 上 左
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• 辐射边：为了表示非正则形体，1986年， Weiler提出了辐射边（Radial Edge）数据结 构。
– 辐射边结构的形体模型由几何信息和拓扑信息 两部分组成。
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应用系统
R
用户
特征造型器
特征模型
L W
H
H
H R
几何造型器
几何模型
（a）方块
图3.2.8 基于特征的造型系统
（b）圆柱 图3.2.9 特征形状表示
（c）圆锥
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• 构造表示的特点：
–构造表示通常具有不便于直接获取形体几何 元素的信息、覆盖域有限等缺点， –但是，便于用户输入形体，在CAD/CAM系统 中，通常作为辅助表示方法。
3.2形体在计算机内的表示 清华大学
• 3.2.1 引言 • 计算机中表示形体，通常用线框、表面 和实体三种模型。 • 对于任一形体，如果它是3维欧氏空间中 非空、有界的封闭子集，且其边界是二 维流形（即该形体是连通的），我们称 该形体为正则形体，否则称为非正则形 体。
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–5.体。体（Body）是面的并集。
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3.2.3.2 边界表示的数据结构
• 翼边数据结构：在1972年，由美国斯坦 福大学Baumgart作为多面体的表示模式 提出。
– 它用指针记录了每一边的两个邻面（即左外 环和右外环）、两个顶点、两侧各自相邻的 两个邻边（即左上边、左下边、右上边和右 下边），用这一数据结构表示多面体模型是 完备的，但它不能表示带有精确曲面边界的 实体。
• 拓扑信息描述形体上的顶点、边、面的连接关系， 拓扑信息形成物体边界表示的“骨架”。 • 形体的几何信息犹如附着在“骨架”上的肌肉。
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U
图3.2.10 边界表示
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• Brep表示的优点是：
–表示形体的点、边、面等几何元素是显式表 示的，使得绘制Brep表示的形体的速度较快， 而且比较容易确定几何元素间的连接关系； –容易支持对物体的各种局部操作，比如进行 倒角。 –便于在数据结构上附加各种非几何信息，如 精度、表面粗糙度础
3.2.3 形体的边界表示模型
• 3.2.3.1 边界表示的基本实体 • 边界模型表达形体的基本拓扑实体包括：
–1. 顶点 –2. 边。边有方向，它由起始顶点和终止顶 点来界定。边的形状（Curve）由边的几何 信息来表示，可以是直线或曲线，曲线边可 用一系列控制点或型值点来描述，也可用显 式、隐式或参数方程来描述。
（1）采用自顶向下的设计思想。在形体的表示上， 遵循了从大到小，分解表示的原则； （2）支持非流形形体的表示； （3）实体拓扑数据与几何数据双链表连接，存放 紧凑； （4）能够支持特征造型。
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3.2.3.3 欧拉操作
• 对于任意的简单多面体，其面(f)、边(e)、 顶点(v)的数目满足 欧拉公式 v-e+f=2 • 对于任意的正则形体，引入形体的其它 几个参数：形体所有面上的内孔总数(r)、 穿透形体的孔洞数(h)和形体非连通部分 总数(s)，则形体满足公式： v - e + f = 2(s-h) + r
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model region
中心线 剖切平面
shell
中心线
face use loop use edge use vertex use topology 图3.2.12
face loop
实体
edge vertex geometry 辐射边数据结构
图3.2.13 一个用辐射边结构表示的 非正则形体模型
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–3. 环。环（Loop）是有序、有向边（Edge） 组成的封闭边界。环有方向、内外之分，外 环边通常按逆时针方向排序，内环边通常按 顺时针方向排序。 –4.面。面（Face）由一个外环和若干个内环 （可以没有内环）来表示，内环完全在外环 之内。
• 若一个面的外法矢向外，称为正向面；反之，称 为反向面。
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差（-）
x
差（-）
平移
1
2
2
x
x

=体素
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图3.2.7 CSG表示
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• CSG树是无二义性的，但不是唯一的.
CSG表示的优点： • 数据结构比较简单，数据量比较小，内部数据 的管理比较容易； • CSG表示可方便地转换成边界（Brep）表示； • CSG方法表示的形体的形状，比较容易修改。 CSG表示的缺点： • 对形体的表示受体素的种类和对体素操作的种 类的限制，也就是说，CSG方法表示形体的覆盖 域有较大的局限性。
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• 清华大学国家CAD工程中心开发的几何造型系统GEMS5.0中，采 用的数据结构如图 体组
特征表示 线框 面组 单体(零件)