一、什么是HOOPS 3D Graphics System？

（HOOPS/3DGS）是一款高性能的三維圖形工具包，專為Windows、UNIX操作系統(tǒng)以及互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的開發(fā)人員設(shè)計。它通過高度優(yōu)化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法，極大簡化了二維與三維、交互式、矢量與光柵圖形在CAD/CAM/CAE、科學(xué)可視化和地理信息系統(tǒng)（GIS）等應(yīng)用中的開發(fā)流程。

HOOPS/3DGS提供了以下關(guān)鍵功能和組件：

• 一套子程序庫，用于創(chuàng)建、管理、查詢和編輯圖形信息，并與應(yīng)用程序代碼鏈接，可選擇靜態(tài)或動態(tài)鏈接方式；
• 豐富的演示示例和集成代碼，幫助開發(fā)者快速學(xué)習(xí)并集成HOOPS/3DGS；
• 應(yīng)用程序開發(fā)者可以將自身業(yè)務(wù)邏輯與HOOPS/3DGS圖形接口及用戶界面集成，實現(xiàn)交互式圖形應(yīng)用的開發(fā)。

二、系統(tǒng)架構(gòu)簡介

是基于數(shù)據(jù)庫架構(gòu)的保留模式圖形系統(tǒng)。它通過封裝圖形信息并與接口層結(jié)合，實現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、編輯、操作與查詢。其架構(gòu)充分體現(xiàn)了面向?qū)ο笤O(shè)計的核心原則，如數(shù)據(jù)封裝、消息傳遞、實例化與屬性繼承等。

雖然HOOPS/3DGS并非以傳統(tǒng)類庫形式實現(xiàn)，但其設(shè)計理念與面向?qū)ο蟮拈_發(fā)思想高度一致。HOOPS/3DGS庫可直接集成到應(yīng)用程序構(gòu)建流程中，通過其API管理幾何對象，參與程序整體運行。

HOOPS/3DGS圖形系統(tǒng)由兩個主要部分組成：

• 圖形對象數(shù)據(jù)庫（線段樹）
• 渲染管線（結(jié)構(gòu)化設(shè)備接口，HDI）

HOOPS/3DGS 線段樹和渲染管道

三、保留模式圖形系統(tǒng)的優(yōu)勢

與即時模式圖形系統(tǒng)（直接渲染圖元）不同，HOOPS/3DGS屬于保留模式系統(tǒng)，將圖形信息存儲在專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。這種架構(gòu)帶來了以下顯著優(yōu)勢：

• 性能優(yōu)化：系統(tǒng)保留了所有圖形基元的副本，可實現(xiàn)更高效的修改、遍歷與渲染。例如，通過邊界體積檢測可快速判斷哪些圖元不在視圖范圍內(nèi)，避免無用渲染；
• 精準(zhǔn)拾取：支持光標(biāo)選擇操作（拾取），通過顯示列表無需重新發(fā)送圖元即可判斷用戶點擊位置；
• 窗口系統(tǒng)支持：即使窗口被遮擋后重繪，也能直接從顯示列表恢復(fù)圖像，而無需重新計算；
• 高級渲染支持：如光線追蹤或輻射度等全局渲染算法需完整圖形數(shù)據(jù)副本，保留模式為此提供基礎(chǔ)。

四、圖形數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

使用“段（segment）”來組織圖形數(shù)據(jù)。段是幾何對象和其屬性的容器，段之間通過父子關(guān)系形成樹狀結(jié)構(gòu)，支持屬性繼承。一個父段可以擁有多個子段，每個子段只能有一個父段。

段可以被多次引用或包含于多個位置，稱為“包含”。某些段還可作為“樣式段”統(tǒng)一應(yīng)用于其他段。

這種樹狀結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是一個有向無環(huán)圖（DAG），通過對幾何體屬性進行聚類，提高渲染效率，最大限度減少顯示上下文切換，提升吞吐能力。

五、坐標(biāo)系統(tǒng)

HOOPS/3DGS使用笛卡爾坐標(biāo)系表示空間中的點，所有坐標(biāo)均為三維（x, y, z）。若z值為0，表示二維圖元，此時系統(tǒng)會自動使用優(yōu)化的二維渲染方式。

系統(tǒng)默認(rèn)使用單精度浮點數(shù)（32位）表示坐標(biāo)值，也支持通過專用模塊使用雙精度浮點數(shù)（64位）進行高精度幾何計算。

六、數(shù)據(jù)引用與插入

在保留模式下，插入圖形數(shù)據(jù)通常意味著復(fù)制數(shù)據(jù)。但為避免大型數(shù)據(jù)（如網(wǎng)格、殼體、圖像）重復(fù)占用內(nèi)存，HOOPS/3DGS支持通過引用方式插入幾何體。此方式僅傳遞數(shù)據(jù)地址，而非復(fù)制內(nèi)容，提升了性能與資源利用率。

七、編程語言支持

HOOPS/3DGS支持C、C++、C#和Java調(diào)用，滿足不同語言環(huán)境下的開發(fā)需求。

八、數(shù)據(jù)庫遍歷與顯示更新

HOOPS/3DGS通過“數(shù)據(jù)庫遍歷”將圖形數(shù)據(jù)從段結(jié)構(gòu)中提取出來，傳輸至渲染管線。調(diào)用Update_Display即可啟動遍歷流程，系統(tǒng)會自動遍歷需要繪制的段及其子段，并發(fā)送對應(yīng)圖形信息進行渲染。

系統(tǒng)還支持多種更新機制以優(yōu)化性能：

• 選擇性遍歷：僅更新發(fā)生變化的部分，或直接從緩存中重繪受損區(qū)域；
• 增量更新：支持逐步添加新圖形，而非全局重繪；
• 限時更新：可設(shè)置最大更新時間段，控制性能；
• 驅(qū)動器選擇更新：可以僅更新某一輸出設(shè)備，如僅更新打印驅(qū)動器而非屏幕；
• 異步更新：更新可在后臺線程執(zhí)行，提升用戶體驗。

HOOPS/3DGS的渲染核心是結(jié)構(gòu)化設(shè)備接口（HDI），它接收數(shù)據(jù)庫中的圖形信息，根據(jù)目標(biāo)設(shè)備（如OpenGL、GDI、Xlib等）進行轉(zhuǎn)換與優(yōu)化。

HDI按層處理信息，確保圖形渲染在各種硬件和系統(tǒng)平臺上一致且高效。例如，在2D硬件上通過軟件渲染實現(xiàn)3D效果，在某些場景下其速度甚至超過硬件。

HOOPS/3DGS結(jié)構(gòu)化設(shè)備接口（HDI）架構(gòu)

十、控制流程概述

典型的HOOPS應(yīng)用程序流程如下：

• 用戶在界面中發(fā)出操作請求；
• 應(yīng)用程序更新HOOPS/3DGS中的數(shù)據(jù)；
• 系統(tǒng)遍歷線段樹，將數(shù)據(jù)發(fā)送至渲染管線；
• 渲染輸出至設(shè)備（顯示器、打印機等）；
• 用戶查看結(jié)果后，進行下一步操作。

這個流程循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)高效的人機交互。

十一、面向?qū)ο笤O(shè)計理念

雖然HOOPS/3DGS并非傳統(tǒng)的類庫，但其設(shè)計充分體現(xiàn)了面向?qū)ο笏枷耄ǎ?/span>

• 接口封裝與數(shù)據(jù)隱藏；
• 屬性繼承與實例化復(fù)用；
• 結(jié)構(gòu)靈活，便于擴展和演化。

的架構(gòu)早于C++標(biāo)準(zhǔn)化，但至今仍能不斷演進和集成新API，正是因為其堅實的面向?qū)ο笤O(shè)計基礎(chǔ)。

               

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