OpenCASCADE入門指南
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一、概述
荀子說“君子性非異也，善假于物也”。當你會用英語，就可以與世界各國的人交流；當你會用編程語言，就可以與計算機交流；當你會用數學語言，就可以精確的描述世界。當你會用OpenCASCADE這個開發包（SDK），就可以在計算機中創造一個三維世界。大學期間，偶然在圖書館翻到一本發黃的書，講的是用Turbo C2.0 C語言graphics.h頭文件來畫圖的計算機圖形學的書，隨即對計算機圖形學有了興趣。后來一直在圖書館里面看計算機圖形學方面的書，都沒有得其要領。一方面是國內的教材上來都是抽象的理論，沒有相對具體實現的例子；另一方面是因為自己數學也一直沒有入門。
從小學到大學都要學數學，雖然高中和大學都開了物理課，但是還是沒能理解抽象的數學，其實物理就是數學在現實生活中的具體應用，即用數學來解釋自然現象。數學的美妙就在于用簡單的文字描述自然規律。如：
這個方程可以描述一個位于坐標原點處半徑為R的一個圓。再如：
這是一個簡單的微分方程，描述了自由落體的運動規律。規律的意思是對于地球上任意一個自由落體運動，不考慮空氣阻力等因素，可以利用此公式精確計算出它在降落的過程中的狀態數據，如在某個點處的速度，距離降落點的長度等。掌握到微分方程這個工具，可以解釋很多物理問題，如運動學、電學、力學。如：
上式是一個偏微分方程。理解偏微分方程，就可以…… 言歸正傳，如何來學習和使用OpenCASCADE呢？
二、OpenCASCADE是什么
根據OpenCASCADE源碼中的ReadMe可知，OpenCASCADE是一個提供三維曲面造型和實體建模、CAD數據交換及可視化的軟件開發平臺。OpenCASCADE的大部分功能都是以C++的庫的形式提供。OpenCASCADE可用于開發CAD、CAM及CAE相關的軟件。
從OpenCASCADE6.8開始授權協議改為LGPL協議，這樣就可以用OpenCASCADE開發商用程序而不用開源代碼了，其使用更自由。
Open CASCADE Technology 是為特定領域快速開發程序而設計的面向對象的C++類庫。可以使用OCCT來開發二維和三維的通用幾何造型的計算機輔助設計程序CAD(Computer Aided Design)，計算機輔助制造程序CAM(Computer Aided Manufacturing)和計算機輔助分析程序CAA(Computer Aided Analysis)；仿真程序和繪圖程序。OCCT庫可以明顯快速程序的開發進度。
OCCT庫提供如下功能：
l 2D和3D幾何造型工具箱，可對任何物體造型；
n 創建基本圖元，如prism，cylinder, cone, torus；
n 對實體進行布爾操作，addition, subtraction and intersection;
n 根據倒圓、倒角、草圖拉伸出幾何實體；
n 使用偏移offsets、成殼shelling、挖空hollowing和擠壓sweeps構造幾何實體；
n 計算幾何實體屬性，如表面積、體積、重心、曲率半徑；
n 使用插值interpolation、逼近approximation、投影projection計算出幾何體；
l 可視化功能提供對幾何實體的顯示、控制功能，例如：
n 三維旋轉3D rotation；
n 縮放Zoom；
n 著色Shading；
l 程序框架提供如下功能：
n 將非幾何數據與幾何實體關聯；
n 參數化模型；
n Java Application Desktop(JAD)；
OCCT庫是由Open CASCADE公司開發和市場運作的。庫被設計成模塊化和易擴展。將C++類與以下內容分離：
l 定義數據結構（幾何建模、顯示和交互選擇）；
l 實現復雜算法；
l 提供編程接口；
圖1. OpenCascade架構圖
相關的類由包來分組，避免了類名的沖突。C++類名前加上包名作為前綴。如包Geom中所有的3D幾何體，實現Bezier曲面的類為BezierSurface，其全稱為Geom_BezierSurface。
包組成庫，即提供給程序鏈接使用。
最的，庫分組成六個模塊，最小的模塊Foundation Classes包含兩個庫，最大的模塊Modeling Algorithms，包含八個庫。(eryar: 可能是早期版本，最新版本的庫的數量有變化。)這些模塊如下圖所示：
圖2：Object Libraries modules and their contents
另外，Draw Test Harness(Draw)為可視化、建模算法、程序框架和數據交換模塊提供測試。
三、學習過程
下面對OpenCASCADE相應模塊進行簡單介紹，并推薦一些參考書籍，結合參考書籍可以深入理解OpenCASCADE源碼。
3.1 FoundationClasses
FoundationClasses基礎類模塊中主要包含兩個工具集Toolkit：數學工具TKMath和核心工具TKernel。TKernel中主要是一些類型定義、自定義容器、內存管理等。理解起來需要C++編程基礎知識，推薦以下幾本經典教材：
錢能著. C++程序設計教程. 清華大學出版社。 學習C++程序開發的基本語法，面向對象程序設計的基本思想。
Scott Meyers. Effective C++. C++程序員可以分成兩類：讀過Effective C++和沒讀過的。
Scott Meyers. More Effective C++.
TKMath工具集主要是一些數值算法庫，如矩陣變換、微分積分、解方程（組）、非線性方程組等。推薦浙大出版的《數值分析引論》：
易大義, 陳道琦. 數值分析引論. 浙江大學出版社。主要介紹插值法、函數與數據的逼近、數值積分與微分、解方組，非線性方程（組）數值解法、矩陣計算等。OpenCASCADE的math包中基本上就是這些算法的具體實現。
Fletcher Dunn, Ian Parberry. 3D Math Primer for Graphics and Game Development. 主要用來學習向量和矩陣用于圖形變換。
3.2 ModelingData & ModelingAlgorithms
陳維桓. 微分幾何. 北京大學出版社. 主要用來學習將曲線和曲面看成矢量函數及其分析方法。
Les Piegl, Wayne Tiller. The NURBS Book. 想從事CAD，必須理解NURBS。這本書可以說是NURBS的經典之作，幾個博士的翻譯也很到位。
王仁宏, 李崇君, 朱春鋼. 計算幾何教程. 科學出版社。主要還是介紹B樣條曲線的基礎知識。
朱心雄. 自由曲線曲面造型技術. 科學出版社. 主要介紹了B樣條曲線曲面的基礎理論及相關的算法，如求交算法，光順算法，點云數據擬合曲面算法等。
3.3 Visualization
在理解了OpenCASCADE中顯示數據的產生后，再結合上面兩本OpenGL的經典書，OpenGL的學習應該更輕松。
汪嘉業. 王文平. 屠長河. 楊承磊. 計算幾何及應用. 科學出版社。主要學習其中點集的Delaunay三角剖分算法，OpenCASCADE中由造型數據到可視化數據的生成就是使用了這個算法。
3.4 ApplicationFramework
Gof的設計模式，將前人編程開發中的經驗以模式的方式進行總結，可以提高面向對象程序開發水平。
MARTIN REDDY. API design for C++. 學習其中API的設計，使其模塊化，見名知義等。
3.5 DataExchange
李原. 張開富. 余劍峰. 計算機輔助幾何設計技術及應用. 西北工業大學出版社。其中也有一些曲線曲面的知識，不過都是簡單地一帶而過，主要學習其中對IGES文件的解析，有了一種格式的解析經驗，其三維格式可以查找其規格書來進行解析。
3.6 Draw
Tcl/Tk同Python類似，都是腳本語言。OpenCASCADE中使用Tcl/Tk的目的就是為了跨平臺的測試造型算法。看看本書，學習Tcl/Tk的基本語法，及如何在程序中自定義命令。理解這之后，就可以完全理解Draw這個模塊的實現原理。
四、結論
OpenCASCADE的源碼比較龐大，學習起來涉及的內容較多。希望能將學習的過程當作數據理論的實踐，體驗數學理論可視化過程中的樂趣。另外將OpenCASCADE中解決一些問題的思路拿來解決自己在學習、工作中遇到的問題。
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