三维模型数据库技术研究

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1、精品论文三维模型数据库技术研究刘国伟，贾庆轩，孙汉旭，宋荆洲，高欣（北京邮电大学自动化学院，北京，100876）摘要：针对数据库的过去、现在和未来进行了分析, 论述了每个阶段的研究特点。对关系数 据库如何实现三维模型的存储、以及oracle数据库的LOB数据类型进行详细和全面的论述, 并 介绍了数据库接口技术及典型的模型数据库系统. 并给出了目前研究中存在的主要问题并指 出了今后的研究方向.关键词：数据库；三维模型；LOB 数据；接口技术；0. 引言随着多媒体技术及 Internet 的迅速发 展，三维数据模型来源不断扩大， 大容量 高速存储系统为三维模型的海量存储提供 了基本保障,模型数据库

2、的研究将对工业生 产、医学数据管理、机械制造和生产、航 空航天领域、罪犯识别系统、等方面提供 了有力的支持。三维 CAD 系统在工业中的应用极大 地提高了工程人员设计效率和设计质量并 已成为先进制造系统中的关键技术而三维 CAD 系统除了处理原始的设计数据文本 数据外还必须处理复杂的几何和拓扑的数 据对象因此建立高性能的数据存储机制才 能够有效地使用和管理设计。1. 数据库技术的过去现在和未 来1.1 数据库发展简史从20 世纪60 年代起， 数据库的发展 经历了以下3 个阶段：(1) 1969 年 IBM 公司研制了基于层次 模型数据库管理系统 IMS ( Information Manag

3、ement System )，并作为商品化软件 投入市场。 IMS 作为层次型数据库管理系 统的代表, 标志着数据库及相关技术的诞 生， 具有重要意义1。(2)20 世纪 60 年代到 70 年代初， 网本课题得到北京市自然科学基金资助项目（3062014）；教育部新世纪人才支持计划（NCET-05-0115）的资助。状数据模型替代层次数据模型。 由于 IMS是将数据组织成层次的形式来管理, 有很 大的局限性。为了试图克服这种局限性, 美 国数据库 系统语言 协会 CODA SYL (Conference On Data System Language) 下 属的数据库任务组 DBTG (Da

4、taBase Task Group ) 对数据库的方法和技术进行了系 统研究, 并提出了著名的 DBTG 报告2. 该报告确定并建立了数据库系统的许多基 本概念、方法和技术， 报告成为网状数据 模型的典型技术代表， 它奠定了数据库发 展的基础, 并有着深远的影响。(3) 1970 年 IBM 公司的 E. F. Codd 发 表了著名的基于关系模型的数据库技术的 论文“ 大型共享数据库数据的关系模 型”， 并获得 1981 年 ACM 图灵奖, 标志 着关系型数据库模型的诞生。由于关系模 型的单易理解及其所具有的坚实理论基础, 整个 20 世纪 70 年代和 80 年代的前半期， 数据库界集中

5、围绕关系数据库进行了大量 的研究和开发工作， 对关系数据库概念的 实用化投入了大量的精力3。1.2 数据库的研究现状由于数据 库设计的 主要任务 是在 DBMS 的支持下, 按照应用的要求, 为某一 部门或组织设计一个结构合理、使用方便、 效率较高的数据库及其应用系统. 因此数 据库模型设计在数据库技术的研究中占据 重要地位, 设计的成功与否直接关系到整 个数据库系统的开发4.自 20 世纪 80 年代以来， 关系系统- 1 -6逐渐代替网状系统和层次系统而占领了市场。 由于关系模 型具有严格的数学基础， 概念清晰简单， 非过程化程度高， 数据独立性强， 对数 据库的理论和实践产生了很大的影响

6、， 成 为最为流行的数据库模型。随着科学技术 的进步和数据技术的发展， 数据库应用领 域不断扩大， 已从传统的商务数据处理扩 展到许许多多新的应用领域， 从而对数据 库技术提出了许多新的要求。 在这种情形 下，数据库技术以及关系数据库技术如何 发展就成为数据库界所关注的最大热点.与 此同时， 面向对象中的封装、继承、对象 标识等概念备受人们的重视， 用对象可以 自然、直观地表达工程领域的复杂结构对 象， 用封装操作来增强数据处理能力5。 这样， 人们开始尝试以面向对象概念为基 本出发点来研究和建立数据库系统， 导致 了在数据库系统中全面引入对象概念的面 向对象数据库(OODB) 的产生。1.3

7、 数据库研究的发展趋势1.3.1 面向对象化 面向对象数据库系统是数据库技术与面向对象技术相结合的产物。 它同传统的关系数据库系统相比具有处理多媒体数 据、复杂对象的能力, 因而更适用于涉及多 媒体数据、时态数据、空间数据、复杂对 象的数据库等新的应用领域. 但由于关系 数据库在传统数据库应用领域仍占据主导 地位， 因而将二者结合， 发展一种分布 式对象关系数据库是未来的趋势6。1.3.2 智能化尽管“智能数据库”( IDB) 是刚发展起 来的新兴领域，许多相关问题仍未解决， 但人工智能(AI) 和数据库技术相结合肯定 是数据技术未来发展的方向。 目前， 有 关专家认为一个智能数据库至少应同时

8、具 备演绎能力和主动能力， 即把演绎数据库 和主动数据库的基本特征集成在一个系统 之中， 所以 IDB 应具有下列特点：(1) 提供表达各种形式的应用知识的手段；(2) 为用户象专家系统一样提供解释；(3) 主动规则, 恰当地为快速变化作出 反应；(4) 更普遍, 更灵活地实现完整性控 制、安全性控制、导出数据处理、报警等。1.3.3 数据大型化海量化 随着计算机应用水平的不断提高和网络技术的发展， 数据库中的数据量及各种多媒体、三维大模型数据的剧增， 要求有 更高效的数据存储和管理模式. 同时随着 计算机网络技术及Internet 应用的日趋普 及，势必要求数据库系统的应用平台向Web 平台

9、迁移,最终达到全球数据信息共享的目 的，如何处理海量的数据及实现数据共享 将是未来的研究趋势。2. 数据库接口技术目前常见的数据库接口包括：OOBC（开放数据库互连）、 DAO（数据访间对 象）、 OLE DB（对象链接嵌入数据库）、 ADO( AdivoX 教据对象），以下对这些数据 库接日作简单介绍。1ODBC 是一种用来在相关或不相关 的数据库管理系统( DBMS)中存取数据的 标准应用程序接口(API) 用这些 API 编写 的应用程序独立于数据库管理系统, 实现 应用程序对不同 DBMS 的共享7。通过 ODBC API，应用程序可以存取份存在多种 不同数据库管理系统( DBMS )

10、中的数据。 而不论每个 DBMS 使用了何种据存储格式 和编程接口。ODBC 的体系结构如下图 1 所示8：应用程序 ODBC 接口 驱动程序管理器驱动程序驱动程序驱动程序数据源数据源数据源 图 1 ODBC 的体系结构图2DAO 就是 DatabaseAccess Object 的英文缩写。在VB中提供了与 Jet 数据库引擎接口的方法DAO模型。 DAO 模型是设计关系数据库系统结构的 对象类的集合。它们提供了完成管理一个 关系型数据库系统所需的全部操作的属性 和方法，这其中包括创建数据库，定义表、 字段和索引，建立表间的关系等。DAO的 基于COM的自动化接口提供了比基于函数 的人API

11、更多的功能， DAO提供了一种数 据库编程的对象模型9。3 .OLE DB 提供了一种统一的方法来 访问所有不同种类的数据源。OLE DB 可以 在不同的数据源中进行转换。利用 OLE DB 客户端的开发人员在进行数据访问时只需 把精力集中在很少的一些细节上而不必 弄懂大量不同数据库的访问协议。OLE DB 是一套通过 COM 接口访问数据的 ActiveX 接口。这个 OLE DB 接口相当通用，足以 提供一种访问数据的统一手段而不管存 储数据所使用的方法如何。同时，OLE DB 还允许开发人员继续利用基础数据库技术 的优点，而不必为了利用这些优点而把数 据移出来。 OLE DB 属于低层的

12、数据库编 程接口10，还结合了 ODBC 对关系型数据 库的操作功能进行了扩展。4 .ADO 是 ActiveX 数据对象(ActiveX Data Object ) ，这是 Microsoft 开发数据库应用程序的面向对象的新接口。 ADO 访问数据库是通过访问 OLE DB 数据提供程 序来进行的，提供了一种对 OLE DB 数据 提供程序的简单高层访问接口。作为最新 的数据库访问模式，ADO 是简单易用所 以微软己经 明确表示今 后把重点故 在 ADO 上。所以人 ADO 已经成为了当前数 据库开发的主流11。3. 三维模型数据库3.1 三维模型存储与读取方法SQL3.0 作为关系数据库

13、的标准语言提 供了大字段数据的存储及其开发接口，把 三维模型转化为二进制流的格式存入关系 数据库中。目前主流的关系数据库如 Oracle9.0、SQL Server 2003 等数据库应用软件都 实现了对大字段的存储与访问功能。其中Oracle 9.0 提供的开发借口有 OCI(OracleCall Interface) ， (Oracle Call Interface) ，OO4O (Oracle Objects for OLE)，PRO 3 C/ C+ +12。但各种借口技术实现机制和执行 效率不一，所以，在开发数据库应用程序 时应根据具体情况决定采用哪种方法。OCI(Oracle Cal

14、l Interface ) 和 OCCI（Oracle C+ Call Interface）是Oracle提供 的2套API，用以在第三方语言（如C/C+） 的过程或函数中访问Oracle DB Server。二 者具有一些共同的优点13，例如：（1）高效性：编写出来的代码具有很高的 运行效率。（2）灵活性：几乎可以控制数据库访问的 所有方面。（3 ）支持用户自定义的数据结构(Oracle object types)。（4）对LOB提供事务级的支持。 建立OCI/OCCI应用程序的基本过程如图2 所示。源文件 宿主语言编译器目标文 件的打开,读取,关闭等方法。OException 类： 封装了

15、对数据库操作的异 常处理,可以获得操作异常的相关返回代码 信息。 因此OO4O在开发性、可视化以及和Oracle 的连接能力方面比较好, 其开发流程如图3所示15：VC 客户应用程序宿主语言连接 器OCI/OCCI 库文件客户端OO4O应用程序Oracle 服务器图 2 建立 OCI/OCCI 应用程序的流程服务器Oracle 数据库OO4O 是 Oracle 公司推出的一个基于COM 的数据库连通性工具， 它能够无缝 地联合并优化对 Oracle 数据库的访问, 同 时具有一个易于使用的界面。OO4O 由一个 进程内自动化服务器、一个 Oracle 数据控 件和 OO4O 库类组成。在 Vi

16、sual C + + 环 境下使用 OO4O 来访问 Oracle 数据库是通 过 OO4O C + + 类库实现的， 它封装了访 问 Oracle 数据库的一系列类。虽然这些类 是通过 OLE 技术实现的， 但 C + + 开发 人员可以在程序中直接使用它们而不必需 要 OLE 的知识。OO4O C + + 类库完全支 持对 LOB 大对象 的操作 。 提供了 ODatabase、ODy2naset、OBlob、OClob、 OBfile、OException 六个类，使用这六个 类的方法就可以方便地实现对 LOB 的访 问14。其中：ODatabase 类：封装了与数据库建立连接, 控制事

17、务的提交和回滚,以及执行 SQL 语 句的方法。ODynaset 类：封装了创建、管理和维护数 据库中数据集合的方法。OBlob ,OClob 类：封装了对数据库中 LOB 对象的打开,读取,写入,删除、关闭等方法。 OBfile 类：封装了对数据库中对 Bfile 对象大对象数据 LOB图3 VC与Oracle的连接方式PRO*C/C+ 是 Oracle 公司提供的在 第三代高级程序设计语言中嵌入 SQL 语 句来访问数据库的一种预编译程序。VC 程 序员用 C 或 C + + 语言编写嵌入 SQL 语 句的 PRO * C 预编译源程序后运行 PRO * C/ C + + 预编译器, 把嵌

18、入的 SQL 语句转 换为标准的 Oracle 调用并生成 C/ C + + 源 程序16， 然后就可以将这些源程序加入 用户的工程文件中，供其它程序模块调用。对于 Oracle 中 LOB 的操作,PRO * C/ C + + 提供了新的嵌入 SQL 语句,包括读 取、写入、删除、拷贝等。使用时首先提 供一个分配了的定位符指针来表示数据库 表中的 LOB 对象, 执行 SELECT 语句将 LOB 定位符选到定位符指针变量中,然后 就可以在嵌入 SQL 语句中用这个变量来 存取 LOB 对象了。虽然用 PRO * C/ C + + 来开发应用灵活，功能强大，对 LOB 对象 的存取速度快,但

19、是由于采用预编译技术， 开发步骤比较复杂,调试过程不易17。3.2 方法比较从实现机制上我们可以看到, OO4O 需要通过 3 个中间层才能和数据库通信接 口建立联系, 而 PRO 3 C/ C + + 和 OCI 是 直接与通信接口联系,因此建立在 PRO 3 C/ C + + 和 OCI 上的应用程序其执行效率相 对高一些 18 。但是 , 从开发效 率上来 说,OO4O 由于有强大的类库支持而使得编 程实现非常方便,而采用 OCI 方法时,开发 人员需要掌握各种 OCI 函数独特的调用语 法格式。PRO 3 C/ C + + 则存在采用预编译 技术,开发步骤比较复杂,调试过程不易。表1

20、给出了综合比较结果：表 1 综合比较结果表方法OCIOO4OPR O*C/C+实现机制Oracle 函数 调用基于COM/DCO M欲编译 技术支持多层 体系否是否执行效率好良好好开发效率较难简单较难异常处理 能力较强强较强1) 典型应用 在装配系统中，采用三维模型数据库来名称数据类型大小小 数位模型 IDVARCHAR2100模型名称VARCHAR2100模型类型VARCHAR230模型属性VARCHAR230模型文件BLOB纹理文件BLOB存储装配模型及其装配信息，实现对模型 的虚拟装配，拓宽虚拟装配的应用领域。设计 数据库定义表格如下：表2 数据库定义表此表设计了BLOB类型数据用于存储

21、模型的二进制流。因为三维模型对应的纹理图 像是独立于模型之外的，因此，数据库关 系表中分别设计了模型与纹理的二进制的 存储字段(BLOB)来分别存储模型数据与纹 理数据。同时，为了提高管理和查询、检 索的效率，还设计了模型类型和模型名称 字段19。2) 目前研究中存在的问题 通过对三维模型数据库的主要技术的分析以及对目前大量的数据库应用系统的广泛 调查，三维模型数据库研究中仍存在如下主要问题20：(1) 模型存储的速度问题，对于大模型的存 储，目前数据库的存储速度仍然是个问题。 这需要计算机硬件与数据库接口技术的提 高来解决。(2) 大量模型存储的管理问题，对于存储到 数据库中的大量模型，能否

22、提供一种高效 的模型管理方法是未来模型数据库需要解 决的问题。4. 结论目前有关基于数据库的文章浩如烟 海， 限于时间和文献检索的范围， 本文 只是对数据库中的模型存储技术和接口技 术进行了综述, 希望起到抛砖引玉的作用。 三维模型数据库把模型存储、模型读取、 数据管理三个关键的技术结合起来， 是一 个有前途的发展方向， 模型数据库是模型 处理技术和传统数据库技术相结合的产 物， 模型数据库的产生拓展了传统数据库 技术的应用， 又为机械工业生产提供了有 力的支持。参考文献1殷宏,张宏军理论层模型库管理系统的实现研 究J.计算机工程与应用, 2001,37(5):50-53 2陈国红.数据库技术

23、及其发展趋势J.纺织高校基础科学学,2001,09:244-248 3姚云鸿.信息数据库的发展趋势J.中国信息导 报, 1998,(6):527. 4吴会松.对几种数据库系统结构的设计评注J.计算机时代,1997,(2):14-175RONALD J Norman. 面向对象系统分析与设计M. 北京: 清华大学出版社, 2000. 62-636 AlGore. The digital earth: Understanding our planet in the 21st century Z. at the California Science Center, Los Angeles, Cali

24、fornia,1998-01-31.7蔡长安.VC+环境下的ODBC数据库接口与编程技术J.江苏大学学报（自然科学 版）,2003,3(31):45-488余敬涛ODBC 数据库接口调用与应用实例J.甘肃科技,2003,7:35-379段治川论数据库接口技术J.科技信息,2005,5：3-410焦广伦急于COM组件的ADO数据库接口J.电子测量技术,2003,02:29-3011王保山基于C 语言的通用数据库接口设计.铁路计算机应用,2006,05(110):9-1212李彬,史晓娟,王小椿三维CAD 数据存储技术 研究J. 工程图学学报,2001,02:35-3913李乾富,黄书强.VC+6

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26、J, 计算机应用研究,2005,01:177-17919吕希奎,易思蓉,何丽.OpenGL环境下的模型数 据库管理与复杂三维建模.工程图学学报,2007,02:12-1520 许飞龙.数据库新技术21 世纪数据库发展 方向J.现代计算机, 2000,(3):13-17Research on Three-Dimensional Model DatabaseLiu Guowei, Jia Qingxuan, Sun Hanxu, Song Jingzhou, Gao XinBeijing University of Posts and Telecommunications, Beijing （10

27、0876）AbstractAims at the past, present and the future of Database system , discusses the characteristics of each stage for the Database system; Detailedly and comprehensively discusses On the relational database model ofhow to implement three-dimensional and LOB data types of oracle database storage

28、; Introduces the database interface technology and typical model database system ;Points out that the key problems andthe direction of future research through summarizing.Keywords: Database system；Three-dimensional model；LOB data；Interface technology;作者简介：刘国伟， 1981 年生，男，辽宁昌图县人，北京邮电大学自动化学院硕士研究生，研究方向为 虚拟现实与显示技术；贾庆轩，山东菏泽人，1964 年出生，北京邮电大学虚拟技术研究中心主任，教授，研究方向 为虚拟现实技术、机械设计与制造。