基于OpenCASCADE 內(nèi)核與OpenSceneGraph 渲染引擎的三維網(wǎng)格劃分平臺(tái)研究

譚鳳

（湖南科技職業(yè)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

一、前言

目前的主流 CAD 軟件都是建立在造型內(nèi)核的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，例如AutoCAD、CATIA 采用的內(nèi)核是 ACIS，UG、SolidWorks、SolidEdge 和ANSYS 的內(nèi)核是 Parasolid，而國(guó)內(nèi)的 CAXA 系統(tǒng)對(duì)上述兩種內(nèi)核都有應(yīng)用[1]。OpenCASCADE（簡(jiǎn)稱OCC）也是一種造型內(nèi)核，其實(shí)際上就是一個(gè)類庫(kù)，定義了圖形數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式以及大量的圖形算法。OCC 是法國(guó)MDTV(Matra Datavision)公司開(kāi)發(fā)的開(kāi)源 3D 幾何造型引擎，是一個(gè)先進(jìn)的、三維的、邊界表示（B-Rep）為主的幾何造型工具包，是由 C++開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)基于OpenGL 的專用快速開(kāi)發(fā)的 CAD 類庫(kù)[2]。

OCC 主要用于開(kāi)發(fā)二維和三維幾何建模應(yīng)用程序，包括通用的或?qū)I(yè)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD 系統(tǒng)、制造或分析領(lǐng)域的應(yīng)用程序、仿真應(yīng)用程序或圖形演示工具。OCC 通過(guò)有機(jī)組織的C++庫(kù)文件提供了六個(gè)模塊，可視化模塊作為OCC 的核心部分，是可視化技術(shù)的具體體現(xiàn)。OCC 源代碼完全開(kāi)放，所以無(wú)版權(quán)問(wèn)題，適合課題研究使用，并且擁有持續(xù)的維護(hù)團(tuán)隊(duì)，在應(yīng)用中具有較大的優(yōu)勢(shì)。OpenCASCADE 技術(shù)可以用于包括 CAD/CAM/CAE等方面的眾多三維應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。從九十年代中期開(kāi)始，己經(jīng)被許多不同領(lǐng)域的商業(yè)公司用來(lái)開(kāi)發(fā)自己的軟件產(chǎn)品[3]。

OpenSceneGraph(簡(jiǎn)稱OSG)是一個(gè)開(kāi)源的高性能三維圖像渲染工具包，其完全是由標(biāo)準(zhǔn)C++程序和OpenGL 編寫，充分利用STL 和設(shè)計(jì)模式，發(fā)揮開(kāi)源開(kāi)發(fā)模型的優(yōu)勢(shì)來(lái)提供一個(gè)免費(fèi)的開(kāi)發(fā)庫(kù)，并且重點(diǎn)集中在用戶的需求上，一般用于視覺(jué)仿真、游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)可視化和建模等領(lǐng)域[4]。隨著使用一個(gè)全特性的場(chǎng)景圖OSG的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于它的性能、可擴(kuò)展性、可移植性和快速開(kāi)發(fā)，目前已經(jīng)有很多成功的基于OSG 的應(yīng)用，比如景區(qū)模擬系統(tǒng)[5]、衛(wèi)星可視化仿真系統(tǒng)［6］、林地可視化系統(tǒng)[7]、校園可視化系統(tǒng)[8]等，效果不亞于商業(yè)視景渲染軟件。

CAD/CAE 平臺(tái)在國(guó)內(nèi)更多的是基于二次開(kāi)發(fā)，比如AutoCAD 二次開(kāi)發(fā)，UG 二次開(kāi)發(fā)，REVIT 二次開(kāi)發(fā)等，這些開(kāi)發(fā)都是依賴于特定的平臺(tái)，受限很多。而且CAD/CAE 軟件售價(jià)高昂，成套的CAD/CAE 軟件動(dòng)輒就是百萬(wàn)價(jià)格，很多軟件使用者無(wú)力承擔(dān)，如果能夠針對(duì)中小企業(yè)提供一個(gè)精簡(jiǎn)高效的CAD/CAE 軟件，并根據(jù)具體需求增加特定功能，這有利于節(jié)省成本，提高工作效率。

OCC 是一個(gè)開(kāi)源的幾何建模庫(kù)，利用這個(gè)幾何建模庫(kù)不僅能建立復(fù)雜的幾何模型而且該庫(kù)還支持大多數(shù)的主流3D 文件格式，直接使用OCC 開(kāi)源內(nèi)核能快速的實(shí)現(xiàn)高效建模和模型文件的解析；而OSG 是一個(gè)開(kāi)源的三維渲染引擎，具備高性能、跨平臺(tái)、快速開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)，對(duì)于大規(guī)模渲染來(lái)說(shuō)，OSG 有比較優(yōu)勢(shì)；在三維網(wǎng)格劃分算法的選擇上，采用了Netgen 與Gmsh開(kāi)源網(wǎng)格算法，二者皆是在三角形和四面體劃分領(lǐng)域具備極高的價(jià)格，其網(wǎng)格質(zhì)量能夠達(dá)到商業(yè)水準(zhǔn)，因此通過(guò)對(duì)Netgen 與Gmsh 增加部分接口能快速的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分。

二、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)流程

本系統(tǒng)主要分為四個(gè)大類：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)采用OCC，對(duì)讀取的模型文件數(shù)據(jù)用OCC 解析并保存；模型渲染與交互采用OSG，通過(guò)對(duì)OCC 數(shù)據(jù)進(jìn)行三角化轉(zhuǎn)換為OSG 幾何數(shù)據(jù)，進(jìn)而在OSG 中可視化；系統(tǒng)界面使用QT5，通過(guò)將OSG 嵌入QT 中實(shí)現(xiàn)一個(gè)可視化、可交互的三維空間；網(wǎng)格采用Netgen 與Gmsh，通過(guò)將Netgen 與Gmsh 配合OCC 進(jìn)行重新編譯，并且新增以O(shè)CC 數(shù)據(jù)支持類型的接口，方便直接對(duì)模型進(jìn)行劃分。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如下圖1 所示：

通過(guò)讀取STEP、IGS 文件，利用OCC 的OCAF 進(jìn)行解析，能獲得模型文件的裝配體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；利用OSG 對(duì)這些存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行三角化處理后，用OSG 進(jìn)行顯示；在網(wǎng)格劃分階段，通過(guò)交互方式選中一個(gè)或者多個(gè)模型零件后，設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)后對(duì)這些零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并用OSG 顯示結(jié)果。

三、系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

（一）OCC 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)

本系統(tǒng)利用OCC 接口直接讀取STEP、IGS 文件后獲取模型數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要包括：

表1 模型數(shù)據(jù)類型說(shuō)明

（二）OSG 顯示與交互

OSG 顯示模型主要是通過(guò)三角化操作實(shí)現(xiàn)的，然后獲取所有的三角形即可，因此OSG 接口數(shù)據(jù)主要有：

表2 接口數(shù)據(jù)類型說(shuō)明

(三)網(wǎng)格劃分與顯示

劃分網(wǎng)格采用Netgen 與Gmsh 開(kāi)源網(wǎng)格劃分算法，對(duì)其進(jìn)行集成時(shí)需要新增或者修改接口，例如在Netgen 就沒(méi)有直接以模型數(shù)據(jù)為接口參數(shù)的API，因此需要自行新增以模型數(shù)據(jù)為參數(shù)的接口設(shè)計(jì)，Gmsh 也是類似的，本系統(tǒng)新增了2 個(gè)接口，通過(guò)將TopoDS_Shape 數(shù)據(jù)傳作為參數(shù)輸入，得到網(wǎng)格劃分結(jié)果，接口描述如下：

表3 接口函數(shù)說(shuō)明

Netgen 網(wǎng)格劃分參數(shù)設(shè)置如下：

表4 Netgen 網(wǎng)格劃分參數(shù)說(shuō)明

Gmsh 網(wǎng)格劃分參數(shù)設(shè)置如下：

表5 Gmsh 網(wǎng)格劃分參數(shù)說(shuō)明

四、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

本系統(tǒng)命名為OCCAD，采用QT 多文檔的設(shè)計(jì)框架，初始化效果如下圖：

（一）讀取模型文件的效果如下：

讀取文件格式目前支持STEP、IGS 格式，模型顯示在OSG 場(chǎng)景中，左側(cè)的模型裝配體結(jié)構(gòu)利用OCC 的XCAF 框架解析，通過(guò)遍歷方式將零件按照樹形結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，再利用qt 樹形控件顯示出來(lái)。

（二）模型裝配體樹顯示

利用OCC 的XCAF 實(shí)現(xiàn)對(duì)模型文件的裝配遍歷，并根據(jù)模型裝配直接的相互關(guān)系，構(gòu)建一顆樹，效果如下圖所示：

（三）視角切換與模式切換

具備基本的視角切換，支持六視圖操作與手勢(shì)操作，支持三種模型顯示模型切換：線框模式、實(shí)體模式、實(shí)體線框模式。效果如下圖：

（四）Netgen 網(wǎng)格劃分

編譯帶OCC 選項(xiàng)的Netgen C++動(dòng)態(tài)庫(kù)，同時(shí)新增一個(gè)以模型為參數(shù)的接口Ng_OCC_Load_Shape(TopoDS_Shape &shape)實(shí)現(xiàn)針對(duì)交互選擇的特定子模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過(guò)設(shè)置參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)劃分，效果如下所示：

（五）Gmsh 網(wǎng)格劃分

編譯帶OCC 選項(xiàng)的Gmsh C++動(dòng)態(tài)庫(kù)，新增一個(gè)以模型為參數(shù)的接口：import Shapes Native Pointer(Topo DS_Shape&shape,gmsh::vectorpair &out Dim Tags,const bool highest Dim Only=true)實(shí)現(xiàn)交互選擇子模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，效果如下圖所示：

五、結(jié)語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于QT 框架下，OCC 與OSG 相結(jié)合的三維網(wǎng)格劃分系統(tǒng)，通過(guò)集成、修改Netgen 與Gmsh 網(wǎng)格接口實(shí)現(xiàn)了對(duì)STEP、IGS 模型能進(jìn)行高質(zhì)量的劃分并快速顯示，從底層內(nèi)核開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的方式，改變了以往基于商業(yè)平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的環(huán)境需求，利用開(kāi)源的內(nèi)核、顯示引擎與開(kāi)源算法集成，結(jié)合了OCC 與OSG 各自領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，以及Netgen 與Gmsh 在網(wǎng)格劃分領(lǐng)域內(nèi)的高質(zhì)量效果，通過(guò)集成的方式實(shí)現(xiàn)自主可控，為CAD/CAE 系統(tǒng)的自主研發(fā)提供了思路。