基于ＰＡＲＡＳＯＬＩＤ的ＣＡＤ系統(tǒng)開發(fā)

（1.浙江大學 計算機科學與技術學院 CADCG國家重點實驗室， 浙江 杭州 310027； 2.平頂山工學院， 河南 平頂山 467001） 

摘 要：以SketchUp等CAD系統(tǒng)為原型，研究了基于PARASOLID的CAD系統(tǒng)開發(fā)的三個關鍵步驟，即系統(tǒng)框架的構建、三維建模功能的完善以及約束規(guī)則的建立。整個架構對于其他平臺上的CAD系統(tǒng)開發(fā)具有指導意義，也可以為進一步研制手繪CAD系統(tǒng)以及概念設計CAD系統(tǒng)提供基礎。

關鍵詞： PARASOLID； CAD系統(tǒng)； 建模

中圖法分類號： TP391.72文獻標識碼： A

文章編號： 1001 3695(2006)08 0216 02

PARASOLID:based CAD System Architecture

ZHENG Chun feng1， WANG Yong jiao HE Li li1

(1.State Key Laboratory of CADCG，College of Computer Science， Zhejiang University， Hangzhou Zhejiang 310027，China； 2.Pingdingshan Institute of Technology， Pingdingshan Henan 467001，China)

Abstract: SketchUp being prototype， studied the three key steps in CAD system development based on PARASOLID——building the system framework，completing 3D modeling and establishing the constraint rules.This architecture can act as guidance to CAD system development on other platforms including ACIS，CAS.CADE，etc.This architecture underscores segregation of responsibility，thus easy to extend to a more sophisticated system such as Computer Aided Conceptual Design (CACD) system.

Key words: PARASOLID； CAD System； Modeling 

CAD系統(tǒng)的開發(fā)主要分為三種方式：完全自主版權的開發(fā)，一切需從底層做起；基于某個通用CAD系統(tǒng)的二次開發(fā)，如基于AutoCAD軟件的二次開發(fā)；基于CAD軟件平臺的開發(fā)[1]。對于第三種開發(fā)，許多研究只是對平臺（如ACIS，PARASOLID）做了系統(tǒng)的研究。而平臺和CAD系統(tǒng)之間還是有很大的差別，本文研究的就是如何從平臺快速構建一個CAD系統(tǒng)。

PARASOLID平臺是英國EDS（Electronic Data Systems）公司推出的CAD開發(fā)平臺。PARASOLID在世界上已有數(shù)以萬計的基于它的最終用戶產(chǎn)品，其應用范圍主要集中在機械CAD/CAM/CAE領域。著名的CAD軟件UGII，Solid Works等均是以它作為圖形核心系統(tǒng)。PARASOLID支持流形造型與生成型拓撲（非流形造型、單元體造型、混合維造型），提供了布爾運算、局部操作、顯示、查詢等功能[2～5]。



1 構成CAD系統(tǒng)的要素

SketchUp是一個支持概念設計的CAD系統(tǒng)，它提供一些簡單的交互接口來完成三維造型，如圖1所示。從SketchUp可分析出構成CAD系統(tǒng)的要素。當然，這里只能從功能上分析構成CAD系統(tǒng)的要素。經(jīng)過對SketchUp的研究，一個CAD系統(tǒng)至少需要具備如下三個功能：

（1）造型功能。首先要能生成二維造型，如直線、矩形、圓弧以及自由曲線等；然后提供一些造型操作，如等距、拉伸、移動、旋轉(zhuǎn)以及縮放等。在這些操作的基礎上，可以實現(xiàn)從二維向三維的過渡。

（2）交互功能。包括選取點、線、面、體以及組。提供了這些交互功能后，用戶就可以為選取的實體添加紋理，或者進行實體的刪除等操作。

（3）視圖變換功能。大致上可以分為三種視圖變換：①對世界坐標進行變換；②改變?nèi)S模型的觀察風格（如線框、陰影等）；③對觀察點進行變換。具備了視圖變換功能后，系統(tǒng)就能對幾何造型進行全方位的編輯。

有了這些功能要素后，就可以按照這些標準進行基于PARASOLID的CAD系統(tǒng)開發(fā)。本文將基于PARASOLID的CAD系統(tǒng)開發(fā)分為三個步驟，即系統(tǒng)框架的構建、三維建模功能的完善以及約束規(guī)則的建立。構建系統(tǒng)框架后，就可以實現(xiàn)實體的選取、視圖變換等功能；完善三維建模功能后，系統(tǒng)可實現(xiàn)實體的創(chuàng)建和編輯功能；建立約束規(guī)則后，系統(tǒng)可以通過它實現(xiàn)二維操作向三維造型的映射。

2 系統(tǒng)框架的構建

構建系統(tǒng)框架就是根據(jù)PARASOLID提供的接口規(guī)范編制出可運行的程序，并實現(xiàn)一些交互和視圖變換功能。PARASOLID的接口如圖2所示。其中PK是PARASOLID Kernel的縮寫，在PARASOLID中，所有的類型、變量以及函數(shù)都是以PK打頭，GO是Graphical Output的縮寫。構建的系統(tǒng)大致是這樣運行的，應用程序首先建立與PARASOLID的“會話”，然后應用程序調(diào)用PARASOLID的建模接口，將生成的模型放入“會話”中，通過GO接口將“會話”中的模型輸出到顯示設備上。

對于內(nèi)存管理、文件管理等模塊，PARASOLID均提供了標準的例程，在此不多作介紹。對于可視化模塊，可以定義一個照相機類（相當于視點）[7]，為照相機類添加了取景、視口尺寸設置、視點設置和視景體設置這些接口后，應用程序就可以操縱照相機類，實現(xiàn)一部分視圖變換功能。

此外，還可以利用PARASOLID的模型分析功能，實現(xiàn)實體的選取功能，這就使應用程序具備了交互能力。PARASO LID 為大部分接口提供了樣例程序，要實現(xiàn)這些功能很方便，只需在實際開發(fā)中盡量將一些功能模塊化，以便于代碼的復用和維護。

3 三維建模功能的完善

在PARASOLID中，有兩種不同的方法進行實體建模：生成一個最小體，把它逐步擴展成一個復雜的實體，通常是通過輪廓（Profile）進行擴展，然后掃掠（Sweep）或旋轉(zhuǎn)（Spin）；創(chuàng)建一系列的實體基元，通過布爾操作合并這些基元，然后用局部操作進行修改。當然，也可以同時使用兩種方法進行建模。

圖1所示的CAD系統(tǒng)提供的交互接口顯然無法精確實現(xiàn)以上兩種實體建模方法。要解決實體建模，有兩種方法，即增加交互接口，如AutoCAD那樣提供命令輸入窗口，這樣可以精確實現(xiàn)以上的建模方法；依據(jù)現(xiàn)有的交互接口，設計一種實體模型，使該實體模型在這些接口上是完備的。本文將討論第二種解決方案。

首先是實體的創(chuàng)建，可采取從二維向三維過渡的實體創(chuàng)建方法。系統(tǒng)采用的基元有直線、矩形、圓弧以及自由曲線等，并且把這些基元折線化，即用折線來近似表示基元。當基元形成面時，就可以在面上施加拉伸操作。因此創(chuàng)建的實體都是由面經(jīng)拉伸操作生成的柱體。

實現(xiàn)實體的創(chuàng)建操作后，還需實現(xiàn)實體的編輯，這些編輯操作包括移動、旋轉(zhuǎn)以及縮放和刪除。移動、旋轉(zhuǎn)以及縮放操作的本質(zhì)特征是改變實體頂點的幾何屬性，從而引起實體的拓撲結(jié)構。對于一個具體的操作，比如移動，可以分別實現(xiàn)移動點、移動線、移動面所對應的歐拉操作，將新得到的拓撲結(jié)構對應于新的幾何屬性，即可得到編輯后的實體。

4 約束規(guī)則的建立

開發(fā)CAD系統(tǒng)的難點在于如何通過二維的交互接口實現(xiàn)三維建模。因而必須建立一套操作和投影的約束規(guī)則，只有在這些規(guī)則的約束下，用戶才能設計出可重復構造、可協(xié)作設計的實體造型。綜合分析SketchUp，Sketch[8]以及一些文獻[9，10]，有兩種二維信息向三維信息的映射規(guī)則：

（1）缺省空間平面投影。采用這種投影規(guī)則的系統(tǒng)存在一個虛擬的工作平面，在二維顯示設備上的二維圖元默認為是工作平面上的圖元向二維顯示設備的投影，而某些有垂直方向操作意義的圖元（如拉伸軸、拔模軸等）將向虛擬工作平面的缺省垂直面（與視平面共一個水平軸）投影。Sketch就是按照這種約束規(guī)則實現(xiàn)二維造型向三維造型過渡的，如圖3所示。

（2）結(jié)合實體環(huán)境進行投影。在有實體環(huán)境的情況下，用戶繪制幾何圖元將被投影到實體的表面，有時也可能投影到實體表面的缺省垂直面上。在投影面是曲面的情況下，為了某些操作的實現(xiàn)，系統(tǒng)會將幾何圖元投影到曲面的某個切平面或法平面上。SketchUp綜合了這兩種投影機制，其缺省工作平面一般是坐標軸平面，當系統(tǒng)的選取操作發(fā)現(xiàn)二維輸入可投影到實體的表面時，將缺省工作平面設為該表面（如圖1所示，圓弧面投影到柱體的側(cè)面上）。

除了解決投影的約束規(guī)則，還需要建立一套操作約束規(guī)則。當然，操作約束規(guī)則必須以投影約束規(guī)則為基礎，在兩種規(guī)則的共同作用下，系統(tǒng)能將二維屏幕上的操作合理地虛擬成多種三維造型。以拉伸操作為例，它由拉伸距離和拉伸方向決定，其約束規(guī)則可用如下的偽代碼表示：

ＵｎＰｒｏｊｅｃｔ（ｓｔａｒｔ， ｐｏｉｎｔ１）；／／由投影規(guī)則得到拉伸軸的起點ｐｏｉｎｔ１

ＵｎＰｒｏｊｅｃｔ（ｃｕｒｒｅｎｔ， ｐｏｉｎｔ２）；

／／由投影規(guī)則得到拉伸軸的末端ｐｏｉｎｔ２

ｄｏｕｂｌｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ［３］＝｛ｐｏｉｎｔ２．ｘ ｐｏｉｎｔ１．ｘ，ｐｏｉｎｔ２．ｙ ｐｏｉｎｔ１．ｙ， ｐｏｉｎｔ２．ｚ ｐｏｉｎｔ

１．ｚ｝； ／／得到位移

ｉｆ（ＶｅｃｔｏｒＤｏｔ（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ， ｎｏｒｍａｌ）＞０）

／／利用位移和方向的夾角關系建立操作規(guī)則

ｅｘｔｒｕｄｅ（ｆａｃｅ， ｎｏｒｍａｌ， ｓｑｒｔ（ＶｅｃｔｏｒＤｏｔ（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ， ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）））；／／正向拉伸

ｅｌｓｅ

ｅｘｔｒｕｄｅ（ｆａｃｅ， ｎｏｒｍａｌ， ｓｑｒｔ（ＶｅｃｔｏｒＤｏｔ（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ， ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）））；／／反向拉伸 

5 結(jié)論

目前流行的CAD開發(fā)平臺有ACIS，CAS.CADE，PARASOLID等，雖然其具體實現(xiàn)方式不一樣，但它們在造型和模塊化構造等方面有很多本質(zhì)上的相似之處。因此，文中的CAD系統(tǒng)架構對于以其他平臺進行CAD系統(tǒng)的開發(fā)有指導意義，或者說都可以按照文中的三個步驟進行設計。

目前，概念設計CAD系統(tǒng)被廣泛研究，一方面概念設計CAD系統(tǒng)可以讓用戶進行概念設計；另一方面，它所設計出來的產(chǎn)品可以作為傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)的前端，進行二次開發(fā)。較成熟的概念設計系統(tǒng)有dy[11]，Sketch，SketchUp等，特別是有些概念設計系統(tǒng)支持手繪輸入。因而在基于PARASOLID的CAD系統(tǒng)開發(fā)的基礎上，可以進一步研究和開發(fā)基于手繪輸入的概念設計CAD系統(tǒng)。

參考文獻：

[1] 成基華，范玉青，等.CAD/CAM開發(fā)平臺及其發(fā)展趨勢[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2000，12(2):154-159.

[2] Overview of PARASOLID[EB/OL].http://www.eds.com/，2003.

[3] PARASOLID Functional Description[EB/OL].http://www.eds.com/，2003.

[4] PARASOLID Programming Reference Manual[EB/OL].http://www.eds.com/，2003.

[5] PARASOLID Downward Interfaces[EB/OL].http://www.eds.com/，2003.

[6] SketchUp[EB/OL].http://www.sketchup.com/，2005.

[7] 王清輝，王彪.Visual C+ + CAD應用程序開發(fā)技術[M].北京:機械工業(yè)出版社，2003.120-128.

[8] Sketch[EB/OL].http://www.cs.brown.edu/research/graphics/research/sketch/，2005.

[9] Andrew S Forsberg， Joseph J LaViola Jr，Robert CZeleznik. Ergo Desk: A ramework for Two and Three Dimensional Interaction at the ActiveDesk[C].Ames，Iowa：Proceedings of the 2nd International Immersive Projection Technology Workshop，1998.10-17.

[10] Robert C Zeleznik，Andrew S Forsberg，Paul S Strauss. Two Pointer Input for 3D Interaction[C].Rhode Island：Proceedings of 1997 Symposium on Interactive 3D Graphics，1997.115-120.

[11] Takeo Igarashi.Teddy:A Sketching Interface for 3D Freeform Design [EB/OL].http://www.mtl.t.u tokyo.ac.jp/~takeo/teddy/teddy/teddy.html，2004.

作者簡介：鄭春峰(1976 )，男，碩士研究生，主要從事CAD、圖形圖像處理、人機交互技術方面的研究；王永皎(1977 )，女，碩士研究生，主要從事圖形圖像處理、數(shù)據(jù)庫技術方面的研究；何利力(1966 )，男，副教授，博士，主要研究方向為人機交互、圖形圖像、GIS。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。