復制式協同CAD環境下隱式特征數據交換方法研究

胡慧慧， 趙 韓

（1.南通航運職業技術學院 交通工程系，江蘇 南通 226010；2.合肥工業大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009）

良好的交互性是網絡協同CAD系統順利運行的前提條件，因此實時高效的協同數據交換是實現分布式環境下實時協同造型的關鍵。網絡協同造型具有分散性和分布性特點，且數據交換受網絡傳輸能力限制，要保證其實時性，應滿足以下要求［1］：① 數據傳輸量小，即模型描述的數據量盡可能小，這點是關鍵；② 各協同客戶端的模型數據保持幾何和拓撲關系的一致性；③模型必須在特征級別上可編輯，用戶可對交換后的模型特征進行各種操作。

CAD模型通常采用精確的數學形式表達幾何模型，數據量十分龐大，網絡通信的帶寬和延時成為主要的應用障礙。為此，學者們針對數據模型的4個層次提出了一些專門針對協同設計環境下的CAD模型的數據交換方法：① 早期模型中基于中性文件（STEP等）的方法，該方法未對設計過程進行描述，數據量大，無法滿足協同CAD應用的實時、動態要求；② 基于三角網格模型的交換方法［2］，該方法實現三維模型的遠程實時傳輸、觀察和特征參數修改，傳輸量較大，且難以對產品模型進行精確的分析和編輯；③ 基于高層語義歷史的交換方法［3］，數據量小，但相同語義在不同的CAD系統中可能產生不同的執行結果，一致性轉換難度大；④ 基于顯式表示的特征數據交換方法，特征表示方式有顯示和隱式2種，文獻［4］采用了該方法，該法只能重構模型的靜態表示，且丟失了高層語義信息，無法支持協同用戶對模型進行回溯和編輯處理。

在當前網絡條件下，現有數據交換方法不能較好地滿足協同實時造型的要求。為此，本文根據協同產品開發特點，提出基于隱式特征表達的數據交換（implicit feature representation data exchange，簡稱IFDE）方法，力圖保證功能性并達到良好的反饋速度和用戶體驗感。

1 IFDE方法

1.1 IFDE數據交換方法概述

IFDE數據交換方法如圖1所示。

圖1 基于隱式特征表達的協同數據交換方法

（1）IFDE的優勢。IFDE的實質是不交換模型的幾何拓撲信息，只交換特征的隱式參數信息及特征之間的操作關系，即以結構化特征模型表達為中心信息，僅交換用戶某次操作產生的特征信息（如特征結構、定位信息和形狀參數等高層信息），模型的幾何拓撲重構交由客戶端CAD系統調用幾何建模引擎實現。以隱式特征為單元進行數據交換，增量式傳輸協同操作中刪、改、增的特征，與幾何拓撲信息相比，表達更簡潔，數據量更小，因此，該方法可極大減少模型交換的數據量。

（2）IFDE的實現過程。協同數據交換過程包括3個步驟：從CAD模型到協同特征模型的數據交換、協同特征模型數據的網絡傳輸和協同特征模型到CAD模型的數據交換。IFDE具體步驟如下：① 客戶端A調用API函數，監聽并分析當前網絡特征操作；② 識別網絡操作特征類型，并提取構建特征的全部隱式表達信息；③ 將隱式特征表達信息進行消息類封裝，經序列化后多播發送；④客戶端B反序列化網絡封裝消息后進行解析，識別及提取特征隱式表達參數；⑤ 經轉換后調用本地造型引擎中的API函數，進行特征重構。

1.2 特征消息封裝

IFDE不交換模型的幾何拓撲信息，因此，傳輸的消息必須包含特征重構所需的所有隱式參數，才能保證各客戶端系統產生的模型一致。為此，在協同設計系統中，定義了一種由3層封裝機制構成的消息事件為分布式環境信息通訊提供層次性和擴展性封裝。該機制利用面向對象技術對特征的隱式表達進行描述，并建立可序列化的網絡消息類以便網絡傳輸和特征的正確重構。

如圖2所示，第1層為消息基類，定義了協同造型過程中統一的消息事件發送和接收機制。

第2層為操作消息類封裝，從消息基類繼承并根據需要進行擴充，分成4種類型：

（1）設計特征的造型事件。主要在協同造型過程中由參與設計的客戶端產生，用來封裝創建新特征或修改特征的隱式參數，并通知接收端對該特征進行相應更新并調用其造型核心用B－rep表示實體。

（2）設計特征的控制事件。此消息事件主要用來封裝特征操作時根據角色分配訪問權限，用于訪問控制過程。

（3）設計零件的同步事件。此消息事件主要用來封裝設計零件的狀態矢量表和最小矢量信息，用于遲加入或者非正常退出的同步過程。

（4）設計零件的其他事件。此消息主要用于封裝設計零件的全生命周期信息，由于本文主要研究協同造型，因此這里只作為預留事件定義。

圖2 協同造型消息類封裝

第3層為具體特征操作消息類封裝，根據不同的通訊目的，從第2層消息類派生，并重寫相應的抽象屬性、方法和擴展特征參數域，如對某一具體特征操作的不同實現方法進行封裝。這樣使得在協同造型時不必局限于特征交互方式，并使網絡協同過程對用戶透明化。

根據C＃的定義，為能在網絡中正常通訊，所定義的通訊事件基類必須能被“序列化”。因此，在第1層通訊消息基類封裝時，必須從可序列化類派生，這樣其余2層從基類派生的事件封裝能自動地進行序列化。

以面向對象［5］的特征消息類定義方式有利于特征信息的隱式表達，利用網絡序列化技術在網絡間交換特征操作數據，簡化網絡傳輸操作，為異地客戶端的特征重構提供可靠的信息。

1.3 特征操作重構

客戶端接收到設計組內用戶發送的造型消息時，首先進行消息解析，識別并提取當前操作特征的隱式表達參數，然后進行特征坐標轉換與重構定位，最后調用本地的特征重構標準表達函數實現協同特征操作的異地重構，重構過程如圖3所示。

特征重構的關鍵是：特征的重構表達、特征的參數坐標轉換及特征的重構定位。

圖3 特征操作重構過程

（1）特征重構表達。為使協同造型過程對用戶透明化，對各特征（如拉伸、旋轉等）重構統一參數化驅動表達式，使得特征重構過程與特征構建方式無關。

（2）特征的坐標轉換。本設計系統采用笛卡爾坐標系統（Descartes Coordinates），并遵守右手準則，為簡化某些局部特征和實體的構造，系統同時使用絕對坐標系（ACS）、工作坐標系（WCS）和局部坐標系（LCS）。在協同幾何造型時，特征消息封裝中的定形和定位參數均用相對WCS進行描述。但協同客戶端當前的WCS與操作發起站點的WCS往往不一致。在特征異地重構時，為保持特征的LCS與WCS相對位置不變，需要在特征重構前計算出當前系統的 WCS位置，再對定形和定位參數進行坐標變換，此問題可轉化為求ACS中WCS經一系列幾何變換后的新位置，具體求解過程可用矩陣理論完成。

（3）特征的重構定位。在零件造型過程中，通常要引用一些幾何元素來輔助實現特征定位，如拉伸特征參考面、圓角特征參考邊等，然后再以被引用對象為基準設置特征的位置參數或約束關系。根據被引用對象在特征構建中作用不同，分參照定位對象和操作定位對象2類。重構定位的關鍵在于高效可靠的對象引用。

1.4 對象引用機制

協同CAD造型采用復制式體系架構，每個協同應用程序維護各本地模型，通過造型操作消息實現模型狀態的增量式更新與同步，維護各分布式客戶端模型對象的一致性，其難點是讓計算機自動引用對象。因此，必須有一種可靠的對象引用機制來實現特征的重構定位。本文針對復制式協同CAD系統的特點，將對象引用分為直接引用和間接引用2種，并針對2類特點采用對象命名映射［6］和幾何匹配相結合的方法來解決協同環境下的對象引用問題。

直接引用對象是指在協同造型中對零件或特征進行編輯時的操作對象，主要包括零件對象和特征對象。直接引用對象通過對象標識號來引用，較容易實現，因此采用對象命名映射機制來實現復制模型之間直接對象引用。間接引用對象是指協同造型中特征創建時作為輔助參照或操作對象的拓撲對象，主要包括參照定位對象和操作定位對象。本文在支持八叉樹場景管理的CAD系統中采用基于面向對象的動態八叉樹幾何匹配算法來實現復制模型之間的間接對象引用。

幾何匹配算法框架：根據網絡消息確定一個被引用對象時，首先給定形狀單元的拾取類型、被引用對象的幾何特征值及設定特征點；再以特征點為中心，構建一個 AABB層次包圍盒［7－8］，即特征包圍盒，邊長可根據當前場景的繪制精度設定，通常取5個單位；最后利用特征包圍盒與面向對象動態八叉樹各節點碰撞求交確定被引用對象的本地標識號。具體流程如圖4所示，包含3個階段：碰撞檢測、類型篩選以及對象判定。

圖4 基于面向對象的動態八叉樹幾何匹配算法

該拾取算法充分利用八叉樹的快速搜索特性，對象辨識只需匹配一個特征點，因而使匹配算法響應速度較快。由于算法不依賴拓撲實體的命名、操作順序和設計初始狀態，因此，對“遲加入”客戶端同樣適用。

2 應用實例

為滿足網絡化幾何建模的特殊需求，本文開發了基于開源內核Open CADCADE的協同CAD基礎平臺開發框架——復制式協同CAD系統。

2.1 復制式協同CAD環境下協同造型實例

如圖5所示，以一個簡單的零件為例來說明協同CAD軟件基于IFDE的實時協同造型過程。實例零件由拉伸、偏置切除、通孔、圓周陣列等基本特征組成，造型過程同普通CAD系統操作。

以零件的協同特征創建為例分析隱式特征數據交換過程，假設當前設計組內成員完成特征操作步驟④。此時協同用戶A擁有系統操作訪問控制權并在拉伸基體上創建偏置切除5 mm操作特征，如圖6所示，選擇XY平面上的一個閉合的草繪輪廓作為切除輪廓，然后使用拉伸切除特征創建工具，在其屬性選擇器里設置好相關參數，在鼠標或者鍵盤操作觸發該特征的OnDone（）函數，本地特征造型請求立即執行，同時，系統根據構建方式調用相應的特征消息類，提取此特征的隱式表達參數，對特征消息類進行實例化并對其賦值，經二進制序列化后利用Socket發送至多播組。

圖5 協同零件特征造型過程圖

圖6 偏置切除網絡特征創建

遠程客戶端B在收到多播消息后反序列化，調用消息解析器進行解析并識別特征操作，提取特征的隱式表達參數，經并發控制機制確認無沖突發生后，網絡特征重構模塊根據拉伸切除特征的重構表達式對其隱式參數進行標準化處理，調用特征操作重構類進行實例化，然后調用本地的幾何建模引擎來重構該特征。若協同用戶對操作過程不滿意，在取得系統操作訪問控制權后，可以對協同特征進行編輯和刪除，其過程同上。

2.2 IFDE效果分析

上述過程中每次交換消息只記錄隱式特征信息，模型數據交換的數據量很小，經多播數據測試工具MultiCast Test測試一般在10～30 K左右。若采用中間文件STEP文件方式，數據量則在1 M（1 024 k）左右，顯式實體特征則要200 k左右。

為更好地測試IFDE性能，進行模擬測試分析，即對復制式協同CAD系統采用基于3種不同表達（中間文件、顯式實體特征和隱式特征）的數據交換法引起的初始化延遲時間和網絡負荷變化進行近似模擬測試，測試結果數值取模擬測試20次并去掉3個最高和最低數值后的算術平均值。

測試條件為：協同CAD系統成員相對穩定，在設計過程中只有少數成員加入或者退出；測試場景為二維草圖設計；場景數據請求策略采用“立即請求策略”；同一用戶隨機2次操作的時間間隔為0.8～1.0 s；網絡延遲20～150 ms，且假設數據不丟失。

圖7所示為3種數據傳輸方法的初始化延遲對比圖，用戶的初始化延遲采用“最快響應法”，即用戶發送請求到接收到響應數據之間的時間間隔來衡量，由圖7可知，中間文件和實體特征的方法延遲時間大約為10 000 ms和2 000 ms，延遲較多。而隱式特征方法，請求和響應數據均由專門多播組承擔，一開始可能需要進行服務器選擇，一旦服務器組形成后，延遲將會逐漸變小，平均延時只有500 ms，響應速度極快。圖8所示為測試某一時間段內以上3種數據交換方法在進行相同操作時累計傳輸的數據對比圖。

圖7 初始化延時對比圖

圖8 累計數據傳輸量對比圖

由圖8可知，在一段時間內完成相同功能時中間文件需要傳輸的數據量極大，實體特征方法的累計數據量次之，隱式特征方法數據量最小，因此即使是在用戶數較多、操作頻繁時也能保證系統的低網絡負荷。

由上述測試結果可知，基于隱式特征表達的數據交換方法延遲時間短，網絡負荷低，能較好地滿足實時性要求。

3 結束語

本文對復制式協同CAD環境下數據交換方法進行了深入的研究，提出了一種基于隱式特征表達的協同數據交換方法（IFDE）。該方法利用面向對象的特征消息類封裝、網絡序列化傳輸以及語義特征重構技術，增量式交換協同操作特征的隱式表達信息，而將特征的幾何拓撲信息交由接收端系統的建模引擎重構實現。該方法極大地減少了網絡數據傳輸，降低了協同過程中網絡傳輸延時，提高了實時性。

［1］Li W D，Ong S K，Fuh J Y H，et al.Feature－based design in a distributed and collaborative environment［J］.Computer－Aided Design，2003，36（9）：775－797.

［2］張必強，邢 淵，阮雪榆.分布式同步協同設計中基于三角網格 模 型 的 實 時 傳 輸 ［J］.中 國 機 械 工 程，2003，13（4）：305－308.

［3］劉云華，陳立平，鐘 毅.利用設計歷史實現異構CAD系統特 征 信 息 交 換 ［J］.中 國 機 械 工 程，2003，14（21）：1845－1847.

［4］汪慧芬，張友良，曹 健.基于特征的協同設計［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2001，13（4）：367.

［5］黃素英，王周敬.面向對象框架在信息系統開發中的應用［J］.合 肥 工 業 大 學 學 報：自 然 科 學 版，2003，26（Z1）：896－898.

［6］彭 維.網絡化協同CAD系統的關鍵技術研究［D］.西安：西北工業大學，2001.

［7］高玉琴，何云峰，于俊清.改進的基于AABB包圍盒的碰撞檢測算法［J］.計算機工程與設計，2007，28（16）：3815－3817.

［8］Bergen G V D.Efficient collision detection of complex deformable models using AABB trees［J］.Journals of Graphics Tools，1997，2（4）：1－14.