HOOPS 3D可视化入门教程三：基本概念和数据结构.docx

慧都控件网HOOPS 3D可视化入门教程三：基本概念和数据结构上篇文章介绍了 HOOPS 的主要模块，这篇文章将要向大家介绍HOOPS的数据结构以及穿插其中的一些基本概念。这些内容主要包含在3dGS模块内。一、保留模式HOOPS采用保留绘图模式（retainedmode）。所谓保留模式是相对于传统的非保留模式而言的。做过OpenGL编程的人都知 道，OpenGL的绘制都是通过调用一系列绘图命令来实现的，通常是在一个叫updateGL的函数里。除非你自己把相关绘图信息保存起来，否则出了这个 函数OpenGL就不认帐了，也就是说你无法从OpenGL里面再获取你曾经绘制的一些图元信息。而保留模式则不这样，它把绘制过的命令和图形会保存起 来，放在特定的数据结构中，从而使得我们可以事后随时读取这些数据。相比于非保留模式，保留模式能够提供更高的效率（因为数据都在内部，下次绘制时不需要 再读取），更快的交互（通过特定的基于数据结构的算法，可以加速选取、高亮等等交互操作），还有更方便的编程接口。当然凡事都有两面性，保留模式也有它的 缺点，其中之一就是它增加了程序的内存消耗（用于存储那个数据结构）。但我们认为这样的代价是完全值得的。二、基于段的数据结构HOOPS的 数据结构简单讲是基于段（segment）的树状结构。最上层是根段，为“/”。该数据结构和Linux文件系统有着一曲同工之妙，有Linux使用经验 的同学将会很容易理解。Linux的根目录的符号也是“/”，所有文件系统中的文件或者文件夹的路径都以该符号开头。文件夹有名字，段也有名字。如同文件 夹内可以有文件和子文件夹，segment下可以有subsegment。这样的层次结构可以很好地构建我们想要的图形。打开一个段的HOOPS函数是HC_Open_Segment，它有一个参数，就是这个段的名字。我们可以传一个空字符串给它，从而创建一个匿名 段。如果已经存在这个名字的段，则该函数会打开这个段，否则就自动创建一个新段。打开后，我们就可以在该段内做任何我们想要做的操作。操作结束，记得用HC_Close_Segment来关闭这个段。HOOPS采用和OpenGL一样的上下文机制，那就是“状态机（StateMachine）”。所谓状态机，形象地讲就是一旦改变了状态，则接 下去不论程序运行到哪里，该状态将一直保存，直到下次改变状态。在HOOPS中，打开一个段实际上就意味着进入了一个状态机，直到你关闭这个段，你所有的 操作都将在这样一个上下文中进行。具体来讲就是，打开一个段，然后你可以跳转到任意的程序位置完成具体的绘制任务，然后关闭段，这一系列操作没有必要在一 个函数中完成。这无疑大大增加了我们编程的灵活性。举个例子，我们想要绘制一所房子，房子有房顶、窗户还有门，我们可以用如下代码：HC_Open_Segment(“/”);HC_Open_Segment(“house”);HC_Open_Segment(“roof”);HC_Close_Segment();HC_Open_Segment(“door”);HC_Open_Segment(“windows”);HC_Open_Segment(“window1”);HC_Close_Segment();HC_Open_Segment(“window2”);HC_Close_Segment();HC_Open_Segment(“window3”);HC_Close_Segment();HC_Close_Segment();HC_Close_Segment();HC_Close_Segment();实际上我们创建了如下的树状结构：创建了段之后，我们需要有相应的方法能够找到这个段，这时就会用到段的路径。和Linux上的文件路径类似，段的路径也分为两种：相对路径和绝对路 径。我们打开一个段，进入该段的状态机，如果要打开它下面的子段，就可以用相对路径。HOOPS会自动地在该段下面找给出的段名，如果找不到，则会报错。 绝对路径则是从根段名“/”开始，逐步地把段名添加上去，直到我们想要找的段为止，完整的路径就是绝对路径。例如我们要找第三扇窗户，相对于house的 相对路径是：”windows/window3”，而绝对路径是：”/house/windows/window3。我们可以用“.”和“.”来分别指代当前目录和父目录，这又跟Linux上的路径使用习惯是一致的。这种简称只能用于相对路径中。为了能够更方便地提供段的路径，HOOPS中还有一套特有的符号，叫做“wildcards”，可以同时指代多个不同的路径，有以下几种：1.逗号wildcard。这个是最简单的一种。有时候我们需要同时对多个可枚举的段进行统一处理，例如我们想用同一种颜色来装饰roof和door（虽然这种做法很少见），我们就可以用这样的一个路径来同时指代这两个段：/house/(door,roof)。2.通配符。可以用“*”来匹配0个或多个字符，“%”来匹配单个字符，这个跟我们用Windows系统搜索功能是一样的，也和正则表达式相一致。3.递归wildcards。其实上面两个并不是HOOPS所独有的，在其他也有见到。但是HOOPS还有一个它特有的符号，那就是“”，该符 号可以指代一个段名或者一串路径上的段名。例如我们可以用/house/window1来指代第一扇窗户，而不用去管当中到底隔了多少个段。该种方法 非常长适合于我们不清楚house到window1之间到底存在着怎样的父子结构。虽然方面，但是如果我们确切地知道window1的完整路径，那就不要 这么写了，因为HOOPS是通过自顶向下的方式搜索得到window1，所以需要消耗一定的计算量。另外，该符号还可以递归地表示一个段的所有子段以及子 段的子段。如果我们要对一个段内的所有子段进行某项修改，那么这个wildcards真是再合适不过了。三、几何信息（Geometry）segment像文件夹一样，它本身并没有实质的东西，而只是一个容器。真正绘制出车的形状，还需要具体的几何信息。因此，段内部除了可以存储子段 外，还可以存储Geometry。HOOPS中的Geometry丰富多样，囊括了点、边、面、壳（shell）、网络（mesh）等等基本上大家能够想 到的图元。这些基本几何通过相互组合，可以组成更加复杂的图像信息，这是一个自底向上的组建过程。例如我们可以通过下面的方式插入一个点和一条直线：HC_Open_Segment(“myseg”);HC_Insert_Marker(0,1,1);HC_Insert_Line(-1,-1,-1,2,2,2);HC_Close_Segment();HC_Insert_Marker需要传入三个浮点参数，也就是一个点的三维坐标。HC_Insert_Line需要传入六个参数，为一个线段的起始点和终止点的三维坐标。我们可以用下面的代码插入一个多边形的面：HC_POINTpts4=HC_POINT(0,0,0),HC_POINT(1,0,0),HC_POINT(1,1,0),HC_POINT(0,1,0);HC_Open_Segment(“mypolygon”);HC_Insert_Polygon(4,pts);HC_Close_Segment();HC_Insert_Polygon需要传入两个参数，分别是多边形顶点个数以及存放顶点三维坐标的数组。该函数代表了HOOPS中一类参数，就是 对一群点进行操作。需要注意的是，这类函数在内部会对传入的三维坐标数组进行拷贝，所以如果你传入的坐标数组是动态申请出来的，在调用完该类函数之后，必 须手动地将其释放掉。除了基本的点、线、多边形等，HOOPS还提供了两个相对高级的图元，分别是Shell和Mesh。在进行大型场景构建时，这两个图元是非常常用 的，例如我们用三角网格构建一个人的模型，那么这个三角模型就是一个shell。shell有三个层次的图元组成，分别是node（点）、edge（边） 和face（面），这三部分相互连接形成一个整体。mesh和shell非常类似，同样由点边面三部分组成，唯一的区别是mesh它不能形成一个封闭的类 似于人这样的模型，它只能是一张面，而且只能是一张四边形面，例如一张四边形纸。这样的区别使得在处理特定的模型时，如果mesh能够满足应用需要，那么 mesh将会比shell表现得高效得多。下面举例创建一个立方体，并在它的一个面上接一个金字塔体：HC_POINTpts=HC_POINT(0,0,1),HC_POINT(1,0,1),HC_POINT(1,1,1),HC_POINT(0,1,1),HC_POINT(0,0,2),HC_POINT(1,0,2),HC_POINT(1,1,2),HC_POINT(0,1,2),HC_POINT(0.5,0.5,2.5);intflist=4,0,3,2,1,4,0,1,5,4,4,1,2,6,5,4,2,3,7,6,4,3,0,4,7,3,4,5,8,3,5,6,8,3,6,7,8,3,7,4,8;HC_Open_Segment(mymodel);HC_Insert_Shell(9,pts,41,flist);HC_Close_Segment();HC_Insert_Shell需要四个参数，分别是shell的顶点个数，顶点数组，面列表数组的长度，面列表数组指针。顶点个数和数组很好理 解，就是具体的各个顶点的三维坐标。面列表是这样的格式：面顶点个数n,第一个顶点序号,第二个顶点序号,第n个顶点序号。例如flist第一 行，4表示该面由四个顶点构成，也就是一个四边形。然后，0,3,2,1表示由pts这个数组中的第0、3、2、1号点构成这个面。需要注意的是 HC_Insert_Shell的第三个参数实质flist这个数组本身的长度，而不是将要构建的shell上面的个数。例如这个例子中面的个数为9，但 flist的长度为41。效果如下图所示：四、段的属性上文中，我们在HOOPS中创建了一个房子，假设我们现在已经用几何图元将房子给绘制出来了，但是光有结构还不行，至少我们还需要给它上色，或许我 们还会通过贴上不同的纹理来表示不同的材料。HOOPS的段结构中除了可以存放Geometry，还可以存放属性Attribute。我们常用的属性包 括：可见性（Visibility），颜色（Color），可选择性（Selectability），点、边、字体的大小，光照（light），渲染属性 （rendition）等等。甚至可以添加我们自定义的属性（Userdefinedattribution）。可以说，HOOPS的属性功能是非常 全面而强大的。和插入几何一样，要修改一个segment的属性，我们需要进入该segment的状态机，亦即要首先打开这个段。下面以house模型为例：HC_Open_Segment(“house”);HC_Open_Segment(“roof”);/addroofgeometryhere.HC_Set_Color(“geometry=red”);HC_Close_Segment();HC_Open_Segment(“door”);/adddoorgeometryhere.HC_Set_Color(“geometry=grey”);HC_Close_Segment();HC_Close_Segment();这样，我们将屋顶和门分别设置成了红色和灰色。又比如刚才我们自创的那个集合模型，这回，我们要让它不再空白一片了，我们给它点颜色看看（J）：HC_Open_Segment(mymodel);HC_Set_Color(faces=grey,edges=green);HC_Set_Visibility(edges=on);HC_Insert_Shell(9,pts,41,flist);HC_Close_Segment();我们设置了mymodel这个段的两个属性，颜色和可见性。在设置颜色中，我们设置面为灰色，而设置边为绿色；在设置可见性上，我们设置边为可见。 为什么不设置面为可见呢？因为在HOOPS中，有些是默认可见的，而有些是默认不可兼得；而shell的面是默认可见的，edges则恰好是默认不可见 的。下面是新的效果图，怎么样，和之前不一样了吧？记住这个模型，往后的教程中我们还会多次用到，比如给它贴上漂亮的纹理、光照等等，还有动画。上面在设置颜色时，我们用一个字符串命令同时设置了面和边的颜色。这种格式化的字符串在HOOPS中被大量应用，几乎接受字符串作为参数的 HOOPS函数中都有这样的格式化命令。faces和edges对于HC_Set_Color函数来说，是可以设置颜色的对象，而等号后面是具体的值，中 间用逗号分隔。如果没有显式地说明设置对象，那么就是everything，也就是所有对象。该格式化字符串有很多相关使用技巧，具体可以参看HOOPS 的帮助文档，下面仅举几个例子来说明格式化字符串的基本用法：1.“red,faces=green”，设置所有几何图元为红色，只有面为绿色；2.“markers=edges=black”，点和边为黑色；3.“!edges=(r=0.5g=0.5b=0.5)”，非边的图元颜色都设置为灰色。至于设置对象是复数还是单数是无所谓的，即edges和edge的作用效果完全一样。五、属性的继承属性（Attribute）是可以被继承的，就像面向对象的编程语言里面类的继承一样。对于绝大多数属性来说，继承的方向是子段从父段中继承属性。 这种特性有时候对我们来说可以提供极大的方便。回想我们之前创建的house，它有三扇窗户，一般来说，一座房子的窗户颜色都是一样的，如果没有属性的继 承，那么我们大概就需要针对每一个窗户段设置它的颜色属性。对于我们这座小房子来说，这还可以接受，可是某天你发达了，让你构建一桩拥有成千上万扇窗户的 摩天大楼，那恐怕就是场灾难了。有了属性的继承，世界还是美好的。我们可以在windows这个段设置颜色，那么所有该段下面的子段都自动继承了该颜色属 性，再不用我们单独去设置了。然而，问题也随之出现。整幢大楼里毕竟有些窗户所在的房间住着不寻常的人，而这些窗户我们希望显示出不一样的颜色，以彰显这些人的显赫身份。那如何 避免这些窗户继承父段的颜色呢？我们可以单独设置这些窗户的颜色，HOOPS在绘制这些窗时，会优先使用单独设置在这些段上的颜色；如果没有单独设置（如 同绝大多数窗户），那么HOOPS才会自动地去读取父段的该属性，直到最上层的根节点“/”。如果根节点也没有设置该属性，HOOPS就会报错。对于绝大 多数的属性来说，HOOPS正是遵循这种“追根溯源”的方式来确定一个属性的值的。虽然这种直接覆盖的属性占大多数，但是有些属性不是直接覆盖得到的，例如旋转矩阵。要计算一个图元最终在世界坐标上的位置，我们需要从根节点开始，逐步地累加旋转矩阵，一直到该段，这样计算所得的旋转矩阵才是最后真正的旋转矩阵。虽然我们能够控制一个特定的段的属性，但是有时候我们还是想要强制整个段表现为同一种属性，而不管底下各个子段是否单独设置了该属性。有些属性就提 供了这样的功能，其中之一就是颜色属性。当我们用鼠标选中了某一个segment之后，我们希望整个段都显示一种高亮色，而不管该段内部子段的单独颜色。 这时，我们需要用到颜色的属性锁。可以通过调用下面的代码来对颜色加锁：HC_Open_Segment(“myseg”);HC_Set_Color(red);HC_Set_Rendering_Options(attributelock=color);HC_Close_Segment();这样，myseg这个段的颜色就被锁定为红色。如果后续操作中我们不再需要对颜色进行锁定，则可以使用HC_UnSet_Rendering_Option(“attributelock”)。六、特殊的段包含段和样式段上面介绍的段都是HOOPS中的普通类型的段。此外，HOOPS还有包含段（includedsegment）和样式段（stylesegment）。这些段的功能实际上都可以用普通段来实现，但是正因为引入了这些特殊类型的段，我们可以将HOOPS的数据结构设计得更为精巧和高效，我们的程序结构性也更好。再回顾我们之前给的house模型。我们在房子上添加了三扇窗户。一般来说，一幢房子上的窗户长得都是差不多的，因此我们想到是否可以只设计窗户一 次，而三次重复使用呢？可以的，HOOPS里面使用的就是包含段（includedsegment）。包含段实际上就是一次定义，多次重复使用，它提高 了代码的使用率，也提高了内存使用率。实际上包含段和C/C+语言中的头文件是很像的，我们编写一次头文件，然后在需要用到的地方通过#include 就可以将其包含进来，而不需要另外再写。包含机制除了提高效率之外，还能够方便后续的维护，例如当我们想要更新窗户的样式时，只需要在定义处修改一次，由 于三处窗户都是包含该窗户的，所以这三处就自动加载了新的样式。我们不再需要一个个地分别去修改，既提高了效率，又减少了出错的可能。包含段通常是针对含有几何信息的段（当然，由于包含段本质上还是普通的段，因此它可以包含属性），而样式段则仅包含属性。有些时候，我们需要重用的 可能仅仅是一套样式，例如颜色、大小、光照等，对于具体的几何图元我们却兴趣不大，这个时候就可以用到HOOPS的样式段。下面的代码演示了如何使用 Stylesegment：HC_Open_Segment(“mystyle”);HC_Set_Color(“edges=red,faces=(diffuse=(r=0.5g=0.2b=0.3)”);HC_Close_Segment();HC_Open_Segment(“myseg1”);HC_Style_Segment(“mystyle”);/Insertmygeometry.HC_Close_Segment();HC_Open_Segment(“myseg2”);HC_Style_Segment(“mystyle”);/Insertmyanothergeometry.HC_Close_Segment();这段创建了一个样式段，两个普通段，这两个普通段插入了不同的几何图元，但是使用了同样的样式段，所以它们显示出来后都是红色的边，紫色的面。七、键值键值（通常是HC_KEY类型）是HOOPS中一个非常重要的概念。HC_KEY本质上是一个32位带符号的整型。前文中我们说，可以通过段的名字 以及路径（相对路径或者绝对路径）来索引一个段，于此同时我们也可以用键值来索引段。HC_Open_Segment会返回一个long型的整数，就是打 开的这个段的键值。注意，新版本的HOOPS取消了在API谓词前的K变形，而所以之前这些K变形函数都返回