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3D模型可视化引擎HOOPS Visualize组件技术详解（1）：3D图形系统HOOPS 3D Graphics System

工业3D开发JOJO 2025-06-20 工业3D设计 32 views

一、什么是HOOPS 3D Graphics System？

HOOPS 3D Graphics System（HOOPS/3DGS）是一款高性能的三维图形工具包，专为Windows、UNIX操作系统以及互联网应用程序的开发人员设计。它通过高度优化的数据结构与算法，极大简化了二维与三维、交互式、矢量与光栅图形在CAD/CAM/CAE、科学可视化和地理信息系统（GIS）等应用中的开发流程。

HOOPS/3DGS提供了以下关键功能和组件：

一套子程序库，用于创建、管理、查询和编辑图形信息，并与应用程序代码链接，可选择静态或动态链接方式；
丰富的演示示例和集成代码，帮助开发者快速学习并集成HOOPS/3DGS；
应用程序开发者可以将自身业务逻辑与HOOPS/3DGS图形接口及用户界面集成，实现交互式图形应用的开发。

二、系统架构简介

HOOPS/3DGS是基于数据库架构的保留模式图形系统。它通过封装图形信息并与接口层结合，实现图形数据的创建、编辑、操作与查询。其架构充分体现了面向对象设计的核心原则，如数据封装、消息传递、实例化与属性继承等。

虽然HOOPS/3DGS并非以传统类库形式实现，但其设计理念与面向对象的开发思想高度一致。HOOPS/3DGS库可直接集成到应用程序构建流程中，通过其API管理几何对象，参与程序整体运行。

HOOPS/3DGS图形系统由两个主要部分组成：

图形对象数据库（线段树）
渲染管线（结构化设备接口，HDI）

HOOPS/3DGS 线段树和渲染管道

三、保留模式图形系统的优势

与即时模式图形系统（直接渲染图元）不同，HOOPS/3DGS属于保留模式系统，将图形信息存储在专门的数据结构中。这种架构带来了以下显著优势：

性能优化：系统保留了所有图形基元的副本，可实现更高效的修改、遍历与渲染。例如，通过边界体积检测可快速判断哪些图元不在视图范围内，避免无用渲染；
精准拾取：支持光标选择操作（拾取），通过显示列表无需重新发送图元即可判断用户点击位置；
窗口系统支持：即使窗口被遮挡后重绘，也能直接从显示列表恢复图像，而无需重新计算；
高级渲染支持：如光线追踪或辐射度等全局渲染算法需完整图形数据副本，保留模式为此提供基础。

四、图形数据库结构

HOOPS/3DGS使用“段（segment）”来组织图形数据。段是几何对象和其属性的容器，段之间通过父子关系形成树状结构，支持属性继承。一个父段可以拥有多个子段，每个子段只能有一个父段。

段可以被多次引用或包含于多个位置，称为“包含”。某些段还可作为“样式段”统一应用于其他段。

这种树状结构本质上是一个有向无环图（DAG），通过对几何体属性进行聚类，提高渲染效率，最大限度减少显示上下文切换，提升吞吐能力。

五、坐标系统

HOOPS/3DGS使用笛卡尔坐标系表示空间中的点，所有坐标均为三维（x, y, z）。若z值为0，表示二维图元，此时系统会自动使用优化的二维渲染方式。

系统默认使用单精度浮点数（32位）表示坐标值，也支持通过专用模块使用双精度浮点数（64位）进行高精度几何计算。

六、数据引用与插入

在保留模式下，插入图形数据通常意味着复制数据。但为避免大型数据（如网格、壳体、图像）重复占用内存，HOOPS/3DGS支持通过引用方式插入几何体。此方式仅传递数据地址，而非复制内容，提升了性能与资源利用率。

七、编程语言支持

HOOPS/3DGS支持C、C++、C#和Java调用，满足不同语言环境下的开发需求。

八、数据库遍历与显示更新

HOOPS/3DGS通过“数据库遍历”将图形数据从段结构中提取出来，传输至渲染管线。调用Update_Display即可启动遍历流程，系统会自动遍历需要绘制的段及其子段，并发送对应图形信息进行渲染。

系统还支持多种更新机制以优化性能：

选择性遍历：仅更新发生变化的部分，或直接从缓存中重绘受损区域；
增量更新：支持逐步添加新图形，而非全局重绘；
限时更新：可设置最大更新时间段，控制性能；
驱动器选择更新：可以仅更新某一输出设备，如仅更新打印驱动器而非屏幕；
异步更新：更新可在后台线程执行，提升用户体验。

九、渲染管线：HDI（结构化设备接口）

HOOPS/3DGS的渲染核心是结构化设备接口（HDI），它接收数据库中的图形信息，根据目标设备（如OpenGL、GDI、Xlib等）进行转换与优化。

HDI按层处理信息，确保图形渲染在各种硬件和系统平台上一致且高效。例如，在2D硬件上通过软件渲染实现3D效果，在某些场景下其速度甚至超过硬件。

HOOPS/3DGS结构化设备接口（HDI）架构

十、控制流程概述

典型的HOOPS应用程序流程如下：

用户在界面中发出操作请求；
应用程序更新HOOPS/3DGS中的数据；
系统遍历线段树，将数据发送至渲染管线；
渲染输出至设备（显示器、打印机等）；
用户查看结果后，进行下一步操作。

这个流程循环往复，实现高效的人机交互。

十一、面向对象设计理念

虽然HOOPS/3DGS并非传统的类库，但其设计充分体现了面向对象思想，包括：

接口封装与数据隐藏；
属性继承与实例化复用；
结构灵活，便于扩展和演化。

HOOPS的架构早于C++标准化，但至今仍能不断演进和集成新API，正是因为其坚实的面向对象设计基础。

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