第 6章 图形的数据结构
图形数据
计算机图形学
非图形数据
图形的几何结构：点、线、面、体的
位置，相对大小和关系。
图形的属性：图名、线型、颜色、纹
理、填充、字符样式等。
图形的物理性质：质量、比重、遍面
积、体积、重心、转动惯量、材质等。
图形的辅助属性：加工要求、用途、
分类、统计数据等。
图形的数据结构研究如何组织图形数据，以达到方便、高
效、快捷存储、处理图形数据满足图形构造、分析等需要。
包括,6.1复合图形元素 6.2图形的基本编辑功能
6.3图形系统的数据结构与数据处理流程
6.1复合图形元素
复杂图形由相对简单的图形按某种规则构造而成。而相对简单
的图形又由更简单的图形构造而成 ‥ ‥ ‥,最简单的图形元素可
以用一定得几何参数、属性参数或点阵参数形式明确表达。如：
二维图形系统
提供
简单图形元素
复合图形元素
点
直线段
圆与圆弧
椭圆和椭圆弧
自由曲线
字符
实面积多边形
图形组
复合图形元素 指复合图形在图形系统中作为一个整体参加图形的各种
基本操作时才被认定为一个复合图形元素。
重复图
一、图形组
图形组 -----由一组图形实体构成的复合图形元素，此时复合
图形作为一个整体参加图形的各种基本操作。有两个特性：
（ 1）整体参与操作
（ 2）递归定义
非图组情形 图组情形
与门 高通滤波 反相器三极管
二极管
电阻
电容
图形组的建立、撤销、调用
交互方式
编程方式
(1)图组的建立
(3)图组的撤销
(2)图组的调用
与非门
电阻 地
电
阻
反相器
三
极
管
与门
二
极
管
二
极
管
二
极
管
电
阻
滤波器
电
阻
电
容
与门 高通滤波 反相器 与非门电路分解成具有逻辑功能的二层结构
几何变换、定位和组装
选定并组合成图组，命名，具备
整体操作权限
取消图组的命名，释放各子图形成为独
立图形实体。并非删除图形。
二、重复图
重复图就是把一个或数个图形按规定方式重复多次产生的图形，
其中每次重复九对应一个变换。
背景图案 布艺印刷
重复图的特点：
（ 1）重复阵列
（ 2）嵌套
重复图的重复方式与重复次数形成重复规则
6.2图形的基本编辑功能
一、图形的增加操作
四、图形的修改操作
三、图形的查找操作
二、图形的删除操作
五、图形的基本运算操作
六、专业实用编辑功能
七、图形的文件操作
八、图层功能
图形元素的擦除、删除
图名查找（编程）图形的拾取（交互）
橡皮带技术（指线、曲线、关联修改）
几何运算、集合运算、光色运算等
圆角功能、拼写检查、晕化等虑镜
图形的拷贝、存盘、调用等
图层的建立、删除、切换、修改属性、
冻结、解冻、锁定、隐显等
6.3图形系统的数据结构与数据处理流程
图形系统
系统参数文件
图形文件
规格化视区
文件
物理设备的
图形文件
图形的磁盘文件，完整记录图形的数
据、系统工作状态与参数等。
记录经过裁剪后位于规格化坐标系的
屏幕视区中新图形数据，是全图形数
据的一部分。视区文件个数与开窗个
数对应。
各视区文件针对某种具体显示设备生
成的图形文件。保证设备坐标系下的
数据与自然坐标系和规格化坐标系下
的数据保持一致，并且显示文件克直
接发送给显示设备输出。
一、参数文件
参数文件：记录图形系统的工作状态和系统变量
图形的磁盘文件名
指向当前工作图层的指针，当前工作图层名
网格开关标志、网格间距、颜色
标尺的坐标轴开关标志，坐标轴刻度
单位开关标志，小数点位数
绘图界限开关标志，绘图界限的最大、最小坐标参数
窗口与视区个数
窗口坐标
视区坐标
‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥
图形文件表头指针
视区文件表头指针
显示文件表头指针
二、图形文件
图形文件：记录用户在自然坐标系中所定义图形数据与控制参数。
由图形名称对照表、图形元素对照表、图组的调用参数表、图层文
件表、删除实体表、图形文件表头等多张表格组成。
1、图形名称对照表
图形实体的内部名称
图形实体的外部名称
系统内部的每个对图形实体的自动编号，具
有为一性，便于识别。
为方便用户编程或交互给图形实体的别名。
图形名称对照表
保证图形的命名不与图形的内部名称发生冲
突，采用对照表形式，确定内外部名称的一
一对应关系。
表头指针 表个数 表尾指针
外部名称 1 内部名称 1 外部名称 2 内部名称 2 外部名称 n 内部名称 n
二、图形文件
2、图形元素表
记录简单图形元素、复合图形元素等基本图形元素的所属的几何参数。
（ 1）圆的几何参数表结构
（ 2）字符串的几何参数表结构
后向指针
x,y圆心坐标
r 圆的半径
后向指针
x,y 字符串起点坐标
Δx,Δy 字符间相对间隔
Θ 相对水平方向的旋转角
xscale,yscale 字符相对大小
n 字符串长度
ASCII1,ASCII2,…,ASCIIn
字符路径
(x,y)
Θ
Δx
Δy
水平方向
xscale
yscale
二、图形文件
（ 3）多边形的几何参数表结构
后向指针
填充颜色
填充图案指针
优先级
多边形指针
多边形数据结构
1
9
87
6
5
32
节点
编号
节点
分类
节点
坐标
出入
特性
交点
指针
经历
标志
链接
指针
1 顶点 x1,y1 0 0 0 2
2 顶点 x2,y2 0 0 0 3
3 顶点 x3,y3 0 0 0 1
节点
编号
节点
分类
节点
坐标
出入
特性
交点
指针
经历
标志
链接
指针
5 顶点 x5,y5 0 0 0 6
6 顶点 x6,y6 0 0 0 7
7 顶点 x7,y7 0 0 0 8
8 顶点 x8,y8 0 0 0 9
9 顶点 x9,y9 0 0 0 5
外环
内环
∧
二、图形文件
（ 4）图组的几何参数表
后向指针
N 组成该图组的子图个数
子图 1图名，子图 2图名,……,子图 n图名
便于递归定义，便于查询
二、图形文件
3、图组的调用参数表
图组的调用参数表 记录相对坐标系中定义的图组，在用户绝对坐标系
中进行定位、放大、旋转等几何变换的调用参数。
图组的调用参数表头指针
图组的调用参数表尾指针
图组的调用参数表个数
指向后一调用参数表
指向前一调用参数表 ∧
x,y 定位坐标
scale 比例系数
angle 旋转角度
指向后一调用参数表 ∧
指向前一调用参数表
x,y 定位坐标
scale 比例系数
angle 旋转角度
二、图形文件
4、图层文件表
图层文件表在系统初始化时建立，系统自动设为初始层 ---0图层，此图
层不同于其它图层，只能修改图层属性，不能删除此层，而其他图层
可由用户随时定义、修改和删除。
指向后一图层表指针
指向前一图层表指针 ∧
图层名
线型代码
线宽代码
颜色代码
可见性
图层上图形实体的个数
图层表头指针
图层表尾指针
图层表个数纪录
指向后一图层表指针
指向前一图层表指针 ∧
图层名
线型代码
线宽代码
颜色代码
可见性
图层上图形实体的个数
二、图形文件
5、图形实体表
图形实体表用于记录每个图形实体的有关控制、分析等参数和指针。
图形的内部的名称
实体表的后向 指针
实体表的前向指针
图层表指针
图形的状态标志
图形的实体种类
图形的相关参数或其指针，相关参数包
括面积、周长、最小外界矩形、中心等
图形元素（几何参数）表指针
图组调用参数表指针
7 6 5 4 3 2 1 0
状态标志字节
该位为 1，说明该图形实体为
组成的子图形
该位为 1，说明该图形实体为
组成重复图的子图形
其余位保留
6、删除实体表
删除实体表用于记录被删除的图形实体，利用此表实现恢复撤消等编
辑功能。其结构同于图形实体表。
二、图形文件
7、图形文件表头
图形文件表头包含了前面各表的表头数据，这样方便处理各表之间的检索。
图形实体表头指针
图形实体表尾指针
图形实体个数
删除实体表头指针
删除实体表尾指针
删除实体个数
图形名称对照表头指针
图形名称对照表尾指针
图形名称对照表个数
图组调用参数表头指针
图组调用参数表尾指针
图组调用参数表个数
图层表头指针
图层表尾指针
图层表个数
∧
∧ ∧
∧
∧
∧
∧
∧
∧
∧
图形元素表
图组
图形元素表
简单图形
三、规格化视区图形文件
记录经过裁剪后位于规格化坐标系的屏幕视区中新图形数据，是
全图形数据的一部分。视区文件个数与开窗个数对应。
作用：
1）进行快速重画图形操作，避免重新裁剪、窗
视变换带来的时间开销。
2）节省拾取时间，便于快速交互操作。
四、物理设备的图形显示文件
各视区文件针对某种具体显示设备生成的图形文件。保证设备坐标
系下的数据与自然坐标系和规格化坐标系下的数据保持一致，并且
显示文件克直接发送给显示设备输出。
一个通用图形系统中，各显示设备的显示文件的形成以及实现图形输出显
示这两个过程，主要由显示设备管理程序负责实现。功能包括：
一、完成显示设备的种类与型号的选择，以及相应显示设备的驱动的任务，
包括设备的初始状态测试，数据传送等任务。
二、完成具体显示设备要求的显示刻度、显示范围、坐标系原点与轴向的
调整，使设备坐标系与自然坐标系的四要素保持一致，并使规格化视区文
件转化成针对设备的图形数据文件。
三、将图形文件转换成显示文件。
四、将显示文件发送给设备输出显示。
五、交互式图形系统数据处理的基本流程
操
作
者 图形的几何变换
图形的集合变换
图组的调用
应用程序调用
系统参
数文件
用户交互信
息与系统状
态显示
变换生成相应
的图形数据 图形文件
窗口裁剪
窗视变换
规格化视区
图形文件
工作站
变换
生成各类物理设备
的图形显示文件
菜单式
交互操
作命令
工作站
选择
窗口漫游
图形运
算控制
输入控制
输出控制
绘图仪
打印机
显示器
键盘
手动输入
鼠标、数字化仪
半自动输入
扫描仪、数码相机
全自动输入
图形数据
计算机图形学
非图形数据
图形的几何结构：点、线、面、体的
位置，相对大小和关系。
图形的属性：图名、线型、颜色、纹
理、填充、字符样式等。
图形的物理性质：质量、比重、遍面
积、体积、重心、转动惯量、材质等。
图形的辅助属性：加工要求、用途、
分类、统计数据等。
图形的数据结构研究如何组织图形数据，以达到方便、高
效、快捷存储、处理图形数据满足图形构造、分析等需要。
包括,6.1复合图形元素 6.2图形的基本编辑功能
6.3图形系统的数据结构与数据处理流程
6.1复合图形元素
复杂图形由相对简单的图形按某种规则构造而成。而相对简单
的图形又由更简单的图形构造而成 ‥ ‥ ‥,最简单的图形元素可
以用一定得几何参数、属性参数或点阵参数形式明确表达。如：
二维图形系统
提供
简单图形元素
复合图形元素
点
直线段
圆与圆弧
椭圆和椭圆弧
自由曲线
字符
实面积多边形
图形组
复合图形元素 指复合图形在图形系统中作为一个整体参加图形的各种
基本操作时才被认定为一个复合图形元素。
重复图
一、图形组
图形组 -----由一组图形实体构成的复合图形元素，此时复合
图形作为一个整体参加图形的各种基本操作。有两个特性：
（ 1）整体参与操作
（ 2）递归定义
非图组情形 图组情形
与门 高通滤波 反相器三极管
二极管
电阻
电容
图形组的建立、撤销、调用
交互方式
编程方式
(1)图组的建立
(3)图组的撤销
(2)图组的调用
与非门
电阻 地
电
阻
反相器
三
极
管
与门
二
极
管
二
极
管
二
极
管
电
阻
滤波器
电
阻
电
容
与门 高通滤波 反相器 与非门电路分解成具有逻辑功能的二层结构
几何变换、定位和组装
选定并组合成图组，命名，具备
整体操作权限
取消图组的命名，释放各子图形成为独
立图形实体。并非删除图形。
二、重复图
重复图就是把一个或数个图形按规定方式重复多次产生的图形，
其中每次重复九对应一个变换。
背景图案 布艺印刷
重复图的特点：
（ 1）重复阵列
（ 2）嵌套
重复图的重复方式与重复次数形成重复规则
6.2图形的基本编辑功能
一、图形的增加操作
四、图形的修改操作
三、图形的查找操作
二、图形的删除操作
五、图形的基本运算操作
六、专业实用编辑功能
七、图形的文件操作
八、图层功能
图形元素的擦除、删除
图名查找（编程）图形的拾取（交互）
橡皮带技术（指线、曲线、关联修改）
几何运算、集合运算、光色运算等
圆角功能、拼写检查、晕化等虑镜
图形的拷贝、存盘、调用等
图层的建立、删除、切换、修改属性、
冻结、解冻、锁定、隐显等
6.3图形系统的数据结构与数据处理流程
图形系统
系统参数文件
图形文件
规格化视区
文件
物理设备的
图形文件
图形的磁盘文件，完整记录图形的数
据、系统工作状态与参数等。
记录经过裁剪后位于规格化坐标系的
屏幕视区中新图形数据，是全图形数
据的一部分。视区文件个数与开窗个
数对应。
各视区文件针对某种具体显示设备生
成的图形文件。保证设备坐标系下的
数据与自然坐标系和规格化坐标系下
的数据保持一致，并且显示文件克直
接发送给显示设备输出。
一、参数文件
参数文件：记录图形系统的工作状态和系统变量
图形的磁盘文件名
指向当前工作图层的指针，当前工作图层名
网格开关标志、网格间距、颜色
标尺的坐标轴开关标志，坐标轴刻度
单位开关标志，小数点位数
绘图界限开关标志，绘图界限的最大、最小坐标参数
窗口与视区个数
窗口坐标
视区坐标
‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥
图形文件表头指针
视区文件表头指针
显示文件表头指针
二、图形文件
图形文件：记录用户在自然坐标系中所定义图形数据与控制参数。
由图形名称对照表、图形元素对照表、图组的调用参数表、图层文
件表、删除实体表、图形文件表头等多张表格组成。
1、图形名称对照表
图形实体的内部名称
图形实体的外部名称
系统内部的每个对图形实体的自动编号，具
有为一性，便于识别。
为方便用户编程或交互给图形实体的别名。
图形名称对照表
保证图形的命名不与图形的内部名称发生冲
突，采用对照表形式，确定内外部名称的一
一对应关系。
表头指针 表个数 表尾指针
外部名称 1 内部名称 1 外部名称 2 内部名称 2 外部名称 n 内部名称 n
二、图形文件
2、图形元素表
记录简单图形元素、复合图形元素等基本图形元素的所属的几何参数。
（ 1）圆的几何参数表结构
（ 2）字符串的几何参数表结构
后向指针
x,y圆心坐标
r 圆的半径
后向指针
x,y 字符串起点坐标
Δx,Δy 字符间相对间隔
Θ 相对水平方向的旋转角
xscale,yscale 字符相对大小
n 字符串长度
ASCII1,ASCII2,…,ASCIIn
字符路径
(x,y)
Θ
Δx
Δy
水平方向
xscale
yscale
二、图形文件
（ 3）多边形的几何参数表结构
后向指针
填充颜色
填充图案指针
优先级
多边形指针
多边形数据结构
1
9
87
6
5
32
节点
编号
节点
分类
节点
坐标
出入
特性
交点
指针
经历
标志
链接
指针
1 顶点 x1,y1 0 0 0 2
2 顶点 x2,y2 0 0 0 3
3 顶点 x3,y3 0 0 0 1
节点
编号
节点
分类
节点
坐标
出入
特性
交点
指针
经历
标志
链接
指针
5 顶点 x5,y5 0 0 0 6
6 顶点 x6,y6 0 0 0 7
7 顶点 x7,y7 0 0 0 8
8 顶点 x8,y8 0 0 0 9
9 顶点 x9,y9 0 0 0 5
外环
内环
∧
二、图形文件
（ 4）图组的几何参数表
后向指针
N 组成该图组的子图个数
子图 1图名，子图 2图名,……,子图 n图名
便于递归定义，便于查询
二、图形文件
3、图组的调用参数表
图组的调用参数表 记录相对坐标系中定义的图组，在用户绝对坐标系
中进行定位、放大、旋转等几何变换的调用参数。
图组的调用参数表头指针
图组的调用参数表尾指针
图组的调用参数表个数
指向后一调用参数表
指向前一调用参数表 ∧
x,y 定位坐标
scale 比例系数
angle 旋转角度
指向后一调用参数表 ∧
指向前一调用参数表
x,y 定位坐标
scale 比例系数
angle 旋转角度
二、图形文件
4、图层文件表
图层文件表在系统初始化时建立，系统自动设为初始层 ---0图层，此图
层不同于其它图层，只能修改图层属性，不能删除此层，而其他图层
可由用户随时定义、修改和删除。
指向后一图层表指针
指向前一图层表指针 ∧
图层名
线型代码
线宽代码
颜色代码
可见性
图层上图形实体的个数
图层表头指针
图层表尾指针
图层表个数纪录
指向后一图层表指针
指向前一图层表指针 ∧
图层名
线型代码
线宽代码
颜色代码
可见性
图层上图形实体的个数
二、图形文件
5、图形实体表
图形实体表用于记录每个图形实体的有关控制、分析等参数和指针。
图形的内部的名称
实体表的后向 指针
实体表的前向指针
图层表指针
图形的状态标志
图形的实体种类
图形的相关参数或其指针，相关参数包
括面积、周长、最小外界矩形、中心等
图形元素（几何参数）表指针
图组调用参数表指针
7 6 5 4 3 2 1 0
状态标志字节
该位为 1，说明该图形实体为
组成的子图形
该位为 1，说明该图形实体为
组成重复图的子图形
其余位保留
6、删除实体表
删除实体表用于记录被删除的图形实体，利用此表实现恢复撤消等编
辑功能。其结构同于图形实体表。
二、图形文件
7、图形文件表头
图形文件表头包含了前面各表的表头数据，这样方便处理各表之间的检索。
图形实体表头指针
图形实体表尾指针
图形实体个数
删除实体表头指针
删除实体表尾指针
删除实体个数
图形名称对照表头指针
图形名称对照表尾指针
图形名称对照表个数
图组调用参数表头指针
图组调用参数表尾指针
图组调用参数表个数
图层表头指针
图层表尾指针
图层表个数
∧
∧ ∧
∧
∧
∧
∧
∧
∧
∧
图形元素表
图组
图形元素表
简单图形
三、规格化视区图形文件
记录经过裁剪后位于规格化坐标系的屏幕视区中新图形数据，是
全图形数据的一部分。视区文件个数与开窗个数对应。
作用：
1）进行快速重画图形操作，避免重新裁剪、窗
视变换带来的时间开销。
2）节省拾取时间，便于快速交互操作。
四、物理设备的图形显示文件
各视区文件针对某种具体显示设备生成的图形文件。保证设备坐标
系下的数据与自然坐标系和规格化坐标系下的数据保持一致，并且
显示文件克直接发送给显示设备输出。
一个通用图形系统中，各显示设备的显示文件的形成以及实现图形输出显
示这两个过程，主要由显示设备管理程序负责实现。功能包括：
一、完成显示设备的种类与型号的选择，以及相应显示设备的驱动的任务，
包括设备的初始状态测试，数据传送等任务。
二、完成具体显示设备要求的显示刻度、显示范围、坐标系原点与轴向的
调整，使设备坐标系与自然坐标系的四要素保持一致，并使规格化视区文
件转化成针对设备的图形数据文件。
三、将图形文件转换成显示文件。
四、将显示文件发送给设备输出显示。
五、交互式图形系统数据处理的基本流程
操
作
者 图形的几何变换
图形的集合变换
图组的调用
应用程序调用
系统参
数文件
用户交互信
息与系统状
态显示
变换生成相应
的图形数据 图形文件
窗口裁剪
窗视变换
规格化视区
图形文件
工作站
变换
生成各类物理设备
的图形显示文件
菜单式
交互操
作命令
工作站
选择
窗口漫游
图形运
算控制
输入控制
输出控制
绘图仪
打印机
显示器
键盘
手动输入
鼠标、数字化仪
半自动输入
扫描仪、数码相机
全自动输入
