上篇文章介紹了 HOOPS 的主要模塊，這篇文章將要向大家介紹HOOPS的數據結構以及穿插其中的一些基本概念。這些內容主要包含在3dGS模塊內。
《HOOPS 3D可視化入門教程一：簡介及安裝部署》
《HOOPS 3D可視化入門教程二：模塊介紹》

一、保留模式

HOOPS采用保留繪圖模式（retained mode）。所謂保留模式是相對于傳統的非保留模式而言的。做過OpenGL編程的人都知道，OpenGL的繪制都是通過調用一系列繪圖命令來實現的，通常是在一個叫updateGL的函數里。除非你自己把相關繪圖信息保存起來，否則出了這個函數OpenGL就不認帳了，也就是說你無法從OpenGL里面再獲取你曾經繪制的一些圖元信息。而保留模式則不這樣，它把繪制過的命令和圖形會保存起來，放在特定的數據結構中，從而使得我們可以事后隨時讀取這些數據。相比于非保留模式，保留模式能夠提供更高的效率（因為數據都在內部，下次繪制時不需要再讀取），更快的交互（通過特定的基于數據結構的算法，可以加速選取、高亮等等交互操作），還有更方便的編程接口。當然凡事都有兩面性，保留模式也有它的缺點，其中之一就是它增加了程序的內存消耗（用于存儲那個數據結構）。但我們認為這樣的代價是完全值得的。

二、基于段的數據結構

HOOPS的數據結構簡單講是基于段（segment）的樹狀結構。最上層是根段，為“/”。該數據結構和Linux文件系統有著一曲同工之妙，有Linux使用經驗的同學將會很容易理解。Linux的根目錄的符號也是“/”，所有文件系統中的文件或者文件夾的路徑都以該符號開頭。文件夾有名字，段也有名字。如同文件夾內可以有文件和子文件夾，segment下可以有sub segment。這樣的層次結構可以很好地構建我們想要的圖形。

打開一個段的HOOPS函數是HC_Open_Segment，它有一個參數，就是這個段的名字。我們可以傳一個空字符串給它，從而創建一個匿名段。如果已經存在這個名字的段，則該函數會打開這個段，否則就自動創建一個新段。打開后，我們就可以在該段內做任何我們想要做的操作。操作結束，記得用HC_Close_Segment來關閉這個段。

HOOPS采用和OpenGL一樣的上下文機制，那就是“狀態機（State Machine）”。所謂狀態機，形象地講就是一旦改變了狀態，則接下去不論程序運行到哪里，該狀態將一直保存，直到下次改變狀態。在HOOPS中，打開一個段實際上就意味著進入了一個狀態機，直到你關閉這個段，你所有的操作都將在這樣一個上下文中進行。具體來講就是，打開一個段，然后你可以跳轉到任意的程序位置完成具體的繪制任務，然后關閉段，這一系列操作沒有必要在一個函數中完成。這無疑大大增加了我們編程的靈活性。

舉個例子，我們想要繪制一所房子，房子有房頂、窗戶還有門，我們可以用如下代碼：

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 ();

實際上我們創建了如下的樹狀結構：

創建了段之后，我們需要有相應的方法能夠找到這個段，這時就會用到段的路徑。和Linux上的文件路徑類似，段的路徑也分為兩種：相對路徑和絕對路徑。我們打開一個段，進入該段的狀態機，如果要打開它下面的子段，就可以用相對路徑。HOOPS會自動地在該段下面找給出的段名，如果找不到，則會報錯。絕對路徑則是從根段名“/”開始，逐步地把段名添加上去，直到我們想要找的段為止，完整的路徑就是絕對路徑。例如我們要找第三扇窗戶，相對于house的相對路徑是：”windows/window3”，而絕對路徑是：”/house/windows/window3。

我們可以用“.”和“..”來分別指代當前目錄和父目錄，這又跟Linux上的路徑使用習慣是一致的。這種簡稱只能用于相對路徑中。

為了能夠更方便地提供段的路徑，HOOPS中還有一套特有的符號，叫做“wildcards”，可以同時指代多個不同的路徑，有以下幾種：

1. 逗號wildcard。這個是最簡單的一種。有時候我們需要同時對多個可枚舉的段進行統一處理，例如我們想用同一種顏色來裝飾roof和door（雖然這種做法很少見……），我們就可以用這樣的一個路徑來同時指代這兩個段：/house/(door,roof)。

2. 通配符。可以用“*”來匹配0個或多個字符，“%”來匹配單個字符，這個跟我們用Windows系統搜索功能是一樣的，也和正則表達式相一致。

3. 遞歸wildcards。其實上面兩個并不是HOOPS所獨有的，在其他也有見到。但是HOOPS還有一個它特有的符號，那就是“…”，該符號可以指代一個段名或者一串路徑上的段名。例如我們可以用/house/…/window1來指代第一扇窗戶，而不用去管當中到底隔了多少個段。該種方法非常長適合于我們不清楚house到window1之間到底存在著怎樣的父子結構。雖然方面，但是如果我們確切地知道window1的完整路徑，那就不要這么寫了，因為HOOPS是通過自頂向下的方式搜索得到window1，所以需要消耗一定的計算量。另外，該符號還可以遞歸地表示一個段的所有子段以及子段的子段。如果我們要對一個段內的所有子段進行某項修改，那么這個wildcards真是再合適不過了。

三、幾何信息（Geometry）

segment像文件夾一樣，它本身并沒有實質的東西，而只是一個容器。真正繪制出車的形狀，還需要具體的幾何信息。因此，段內部除了可以存儲子段外，還可以存儲Geometry。HOOPS中的Geometry豐富多樣，囊括了點、邊、面、殼（shell）、網絡（mesh）等等基本上大家能夠想到的圖元。這些基本幾何通過相互組合，可以組成更加復雜的圖像信息，這是一個自底向上的組建過程。例如我們可以通過下面的方式插入一個點和一條直線：

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需要傳入三個浮點參數，也就是一個點的三維坐標。HC_Insert_Line需要傳入六個參數，為一個線段的起始點和終止點的三維坐標。

我們可以用下面的代碼插入一個多邊形的面：

HC_POINT pts[4] = 

{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需要傳入兩個參數，分別是多邊形頂點個數以及存放頂點三維坐標的數組。該函數代表了HOOPS中一類參數，就是對一群點進行操作。需要注意的是，這類函數在內部會對傳入的三維坐標數組進行拷貝，所以如果你傳入的坐標數組是動態申請出來的，在調用完該類函數之后，必須手動地將其釋放掉。

除了基本的點、線、多邊形等，HOOPS還提供了兩個相對高級的圖元，分別是Shell和Mesh。在進行大型場景構建時，這兩個圖元是非常常用的，例如我們用三角網格構建一個人的模型，那么這個三角模型就是一個shell。shell有三個層次的圖元組成，分別是node（點）、edge（邊）和face（面），這三部分相互連接形成一個整體。mesh和shell非常類似，同樣由點邊面三部分組成，唯一的區別是mesh它不能形成一個封閉的類似于人這樣的模型，它只能是一張面，而且只能是一張四邊形面，例如一張四邊形紙。這樣的區別使得在處理特定的模型時，如果mesh能夠滿足應用需要，那么mesh將會比shell表現得高效得多。

下面舉例創建一個立方體，并在它的一個面上接一個金字塔體：

HC_POINT pts[] = {

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)

};

int flist[] = {

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需要四個參數，分別是shell的頂點個數，頂點數組，面列表數組的長度，面列表數組指針。頂點個數和數組很好理解，就是具體的各個頂點的三維坐標。面列表是這樣的格式：面頂點個數n, 第一個頂點序號,第二個頂點序號,…,第n個頂點序號。例如flist第一行，4表示該面由四個頂點構成，也就是一個四邊形。然后，0,3,2,1表示由pts這個數組中的第0、3、2、1號點構成這個面。需要注意的是HC_Insert_Shell的第三個參數實質flist這個數組本身的長度，而不是將要構建的shell上面的個數。例如這個例子中面的個數為9，但flist的長度為41。

效果如下圖所示：

四、段的屬性

上文中，我們在HOOPS中創建了一個房子，假設我們現在已經用幾何圖元將房子給繪制出來了，但是光有結構還不行，至少我們還需要給它上色，或許我們還會通過貼上不同的紋理來表示不同的材料。HOOPS的段結構中除了可以存放Geometry，還可以存放屬性Attribute。我們常用的屬性包括：可見性（Visibility），顏色（Color），可選擇性（Selectability），點、邊、字體的大小，光照（light），渲染屬性（rendition）等等。甚至可以添加我們自定義的屬性（User defined attribution）。可以說，HOOPS的屬性功能是非常全面而強大的。

和插入幾何一樣，要修改一個segment的屬性，我們需要進入該segment的狀態機，亦即要首先打開這個段。下面以house模型為例：

HC_Open_Segment (“house”);

HC_Open_Segment (“roof”);

//add roof geometry here...

HC_Set_Color (“geometry=red”);

HC_Close_Segment ();

HC_Open_Segment (“door”);

//add door geometry here...

HC_Set_Color (“geometry=grey”);

HC_Close_Segment ();

HC_Close_Segment ();

這樣，我們將屋頂和門分別設置成了紅色和灰色。

又比如剛才我們自創的那個集合模型，這回，我們要讓它不再空白一片了，我們給它點顏色看看（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 ();

我們設置了mymodel這個段的兩個屬性，顏色和可見性。在設置顏色中，我們設置面為灰色，而設置邊為綠色；在設置可見性上，我們設置邊為可見。為什么不設置面為可見呢？因為在HOOPS中，有些是默認可見的，而有些是默認不可兼得；而shell的面是默認可見的，edges則恰好是默認不可見的。下面是新的效果圖，怎么樣，和之前不一樣了吧？

記住這個模型，往后的教程中我們還會多次用到，比如給它貼上漂亮的紋理、光照等等，還有動畫。

上面在設置顏色時，我們用一個字符串命令同時設置了面和邊的顏色。這種格式化的字符串在HOOPS中被大量應用，幾乎接受字符串作為參數的HOOPS函數中都有這樣的格式化命令。faces和edges對于HC_Set_Color函數來說，是可以設置顏色的對象，而等號后面是具體的值，中間用逗號分隔。如果沒有顯式地說明設置對象，那么就是everything，也就是所有對象。該格式化字符串有很多相關使用技巧，具體可以參看HOOPS的幫助文檔，下面僅舉幾個例子來說明格式化字符串的基本用法：

1. “red,faces=green”，設置所有幾何圖元為紅色，只有面為綠色；

2. “markers=edges=black”，點和邊為黑色；

3. “!edges=(r=0.5 g=0.5 b=0.5)”，非邊的圖元顏色都設置為灰色。

至于設置對象是復數還是單數是無所謂的，即edges和edge的作用效果完全一樣。

五、屬性的繼承

屬性（Attribute）是可以被繼承的，就像面向對象的編程語言里面類的繼承一樣。對于絕大多數屬性來說，繼承的方向是子段從父段中繼承屬性。這種特性有時候對我們來說可以提供極大的方便。回想我們之前創建的house，它有三扇窗戶，一般來說，一座房子的窗戶顏色都是一樣的，如果沒有屬性的繼承，那么我們大概就需要針對每一個窗戶段設置它的顏色屬性。對于我們這座小房子來說，這還可以接受，可是某天你發達了，讓你構建一樁擁有成千上萬扇窗戶的摩天大樓，那恐怕就是場災難了。有了屬性的繼承，世界還是美好的。我們可以在windows這個段設置顏色，那么所有該段下面的子段都自動繼承了該顏色屬性，再不用我們單獨去設置了。

然而，問題也隨之出現。整幢大樓里畢竟有些窗戶所在的房間住著不尋常的人，而這些窗戶我們希望顯示出不一樣的顏色，以彰顯這些人的顯赫身份。那如何避免這些窗戶繼承父段的顏色呢？我們可以單獨設置這些窗戶的顏色，HOOPS在繪制這些窗時，會優先使用單獨設置在這些段上的顏色；如果沒有單獨設置（如同絕大多數窗戶），那么HOOPS才會自動地去讀取父段的該屬性，直到最上層的根節點“/”。如果根節點也沒有設置該屬性，HOOPS就會報錯。對于絕大多數的屬性來說，HOOPS正是遵循這種“追根溯源”的方式來確定一個屬性的值的。

雖然這種直接覆蓋的屬性占大多數，但是有些屬性不是直接覆蓋得到的，例如旋轉矩陣。要計算一個圖元最終在世界坐標上的位置，我們需要從根節點開始，逐步地累加旋轉矩陣，一直到該段，這樣計算所得的旋轉矩陣才是最后真正的旋轉矩陣。

雖然我們能夠控制一個特定的段的屬性，但是有時候我們還是想要強制整個段表現為同一種屬性，而不管底下各個子段是否單獨設置了該屬性。有些屬性就提供了這樣的功能，其中之一就是顏色屬性。當我們用鼠標選中了某一個segment之后，我們希望整個段都顯示一種高亮色，而不管該段內部子段的單獨顏色。這時，我們需要用到顏色的屬性鎖。可以通過調用下面的代碼來對顏色加鎖：

    HC_Open_Segment(“myseg”);    

      HC_Set_Color("red"); 

    ;  HC_Set_Rendering_Options("attribute lock = color"); 

    HC_Close_Segment();

這樣，myseg這個段的顏色就被鎖定為紅色。如果后續操作中我們不再需要對顏色進行鎖定，則可以使用HC_UnSet_Rendering_Option (“attribute lock”)。

六、特殊的段——包含段和樣式段

上面介紹的段都是HOOPS中的普通類型的段。此外，HOOPS還有包含段（included segment）和樣式段（style segment）。這些段的功能實際上都可以用普通段來實現，但是正因為引入了這些特殊類型的段，我們可以將HOOPS的數據結構設計得更為精巧和高效，我們的程序結構性也更好。

再回顧我們之前給的house模型。我們在房子上添加了三扇窗戶。一般來說，一幢房子上的窗戶長得都是差不多的，因此我們想到是否可以只設計窗戶一次，而三次重復使用呢？可以的，HOOPS里面使用的就是包含段（included segment）。包含段實際上就是一次定義，多次重復使用，它提高了代碼的使用率，也提高了內存使用率。實際上包含段和C/C++語言中的頭文件是很像的，我們編寫一次頭文件，然后在需要用到的地方通過#include就可以將其包含進來，而不需要另外再寫。包含機制除了提高效率之外，還能夠方便后續的維護，例如當我們想要更新窗戶的樣式時，只需要在定義處修改一次，由于三處窗戶都是包含該窗戶的，所以這三處就自動加載了新的樣式。我們不再需要一個個地分別去修改，既提高了效率，又減少了出錯的可能。

包含段通常是針對含有幾何信息的段（當然，由于包含段本質上還是普通的段，因此它可以包含屬性），而樣式段則僅包含屬性。有些時候，我們需要重用的可能僅僅是一套樣式，例如顏色、大小、光照等，對于具體的幾何圖元我們卻興趣不大，這個時候就可以用到HOOPS的樣式段。下面的代碼演示了如何使用Style segment：

HC_Open_Segment (“mystyle”);

HC_Set_Color (“edges=red,faces=(diffuse=(r=0.5 g=0.2 b=0.3))”);

HC_Close_Segment ();

HC_Open_Segment (“myseg1”);

HC_Style_Segment (“mystyle”);

//Insert my geometry...

HC_Close_Segment ();

HC_Open_Segment (“myseg2”);

HC_Style_Segment (“mystyle”);

//Insert my another geometry...

HC_Close_Segment ();

這段創建了一個樣式段，兩個普通段，這兩個普通段插入了不同的幾何圖元，但是使用了同樣的樣式段，所以它們顯示出來后都是紅色的邊，紫色的面。

七、鍵值

鍵值（通常是HC_KEY類型）是HOOPS中一個非常重要的概念。HC_KEY本質上是一個32位帶符號的整型。前文中我們說，可以通過段的名字以及路徑（相對路徑或者絕對路徑）來索引一個段，于此同時我們也可以用鍵值來索引段。HC_Open_Segment會返回一個long型的整數，就是打開的這個段的鍵值。注意，新版本的HOOPS取消了在API謂詞前的K變形，而所以之前這些K變形函數都返回鍵值了。19版本之前的HOOPS，HC_Open_Segment返回是void類型的，而要返回段的鍵值，則必須顯示地調用HC_KOpen_Segment。在新版本中這樣的函數已經去掉了，HC_Open_Segment直接返回鍵值。

除了段可以有鍵值，幾何圖元也可以有鍵值。HC_Insert_Line、HC_Insert_Polygon等插入圖元的函數都會返回一個鍵值，該鍵值唯一的指代新插入的幾何圖元。

HOOPS中大部分的API函數都有By_Key結尾的變形，這一類的變形函數實現和它們原型函數一樣的功能，唯一的區別是它們的入口參數是要操作的段的鍵值，而不是字符形式的名字了。

既然現在我們有兩種方式來找到一個段，那么我們就需要詳細地比較一下這兩種方式各自的優劣。

1. 存儲鍵值只需要一個32位整數，存儲段名則需要一個字符數組，而且長度不定；

2. 用鍵值來找到一個段速度要比用字符路徑快；

3. 段名比較直觀，便于調試的時候肉眼判斷正誤，鍵值則比較抽象，一眼看上去不太容易辨別對錯；

4. 段名還有路徑支持之前提到的wildcards，因此可以同時指代多個不同的段，但是鍵值是唯一的，它只能指代一個段或者幾何圖元；

5. 對于幾何圖元來說，我們只能夠用鍵值去找到它們，因為它們是沒有字符形式的名字的；

6. 對于匿名段來說，由于我們沒有賦給它任何段名（應該說是空的段名），因此也就無法用段名來索引它，而只能用鍵值。

以上只是我目前發現并整理的不同之處，如后續有新發現，則會繼續補充。

一般來說，系統返回的鍵值是負數。我們可以通過HC_Renumber_Key來修改系統給我們的鍵值。如果我們調試的時候發現一個鍵值為0或者正數，那么要么是我們修改了，要么是程序在哪個地方出錯了。這個概念雖小，可是在實際操作中卻是非常有用的。另外，為了確保某些HOOPS API操作成功，我們可以在操作結束后將得到的鍵值跟INVALID_KEY進行比較。INVALID_KEY是HOOPS預定義的一個值，它表示如果API執行失敗返回的錯誤鍵值。