AutoCAD與ParaSolid三維邊界模型信息直接交換張應(yīng)中

1、收稿日期：2009-04-08基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（60773214）作者簡介：張應(yīng)中（1961-），男，湖南綏寧人，副教授，博士，主要研究方向為計算機輔助設(shè)計，產(chǎn)品數(shù)字建模及處理技術(shù)。2010年 工 程 圖 學(xué) 學(xué) 報 2010 第5期 JOURNAL OF ENGINEERING GRAPHICS No.5AutoCAD 與ParaSolid 三維邊界模型信息直接交換張應(yīng)中， 羅曉芳， 喬 磊（大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）摘 要：對ACIS 和ParaSolid 的三維實體邊界表達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行分析，基于DwgDirect 接口技術(shù)，直接打開AutoCA

2、D 的DWG 文件，對AutoCAD 的DWG 文件中基于ACIS 的三維實體邊界信息遍歷，獲取實體邊界的拓?fù)湫畔⒑蛶缀涡畔?；基于ParaSolid 提供的API 開發(fā)函數(shù)，通過實體拓?fù)錁?gòu)造、實體幾何構(gòu)造和幾何與拓?fù)涓綄訇P(guān)聯(lián)，實現(xiàn)AutoCAD 與ParaSolid 三維邊界模型的直接交換。最后給出一個直接交換實例。關(guān) 鍵 詞：計算機應(yīng)用；AutoCAD ；ParaSolid ；三維邊界模型；直接交換 中圖分類號：TP 391文獻標(biāo)識碼：A 文 章 編 號：1003-0158(201005-0169-06Direct Exchange of Three-dimensional Boundary

3、 ModelInformation between AutoCAD and ParaSolidZHANG Ying-zhong, LUO Xiao-fang, QIAO Lei( School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China Abstract: The data structures of the three-dimensional solid boundary expression for ACIS and ParaSolid are analy

4、zed, based on DwgDirect interface technology DWG files in AutoCAD are directly opened and the three-dimensional entity boundary information based on ACIS in AutoCAD's DWG file are searched and accessed. Based on the API development function provided by ParaSolid, by means of constructing topolog

5、y entities, constructing geometry entities and associating geometry entities to topology entities procedures, the accessed boundary topology and geometry information can be directly exchanged to construct a solid model based on PrarSolid. Thus direct exchange of three-dimensional boundary model info

6、rmation between AutoCAD and ParaSolid is realized. At last an example of direct exchange is given.Key words: computer application; AutoCAD; ParaSolid; three-dimensional boundary model; direct exchangeAutoCAD 是目前應(yīng)用最廣泛的二維CAD 平臺，AutoCAD 從R11開始具有三維實體模型，從R13開始采用ACIS 幾何核心來構(gòu)造三維實體，隨著版本不斷升級，三維造型功能日益強大，并且得到廣泛

7、的應(yīng)用。ParaSolid 是目前國際上最為成熟，應(yīng)用最廣的幾何造型內(nèi)核，CAD 中著名的UG 、SolidWorks 、SolidEdge 等都是以ParaSolid 作為幾何造型內(nèi)核；CAM 和CAE 中大部分軟件系統(tǒng)都支持ParaSolid 的數(shù)據(jù)格式。研究和實現(xiàn)AutoCAD 與ParaSolid 三維邊界模型信息交換有重要的實際意義。異構(gòu)環(huán)境下，三維邊界模型信息交換方法目前普遍采用的是基于中間文件1-2，為此制定和形成一些國際標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如IGES 、DXF 和STEP 等。基于中間文件交換要求系統(tǒng)具備能生成符合標(biāo)準(zhǔn)的中間文件功能，并且存在信息丟失，操作煩瑣，效率低問題，由于A

8、utoCAD 系統(tǒng)的支持信息交換能力不強，造成基于AutoCAD 系統(tǒng)的三維實體信息資源不能實現(xiàn)有效的交換。本文基于DWGDirect 技術(shù)，直接打開DWG 圖紙，搜索和遍歷AutoCAD 中基于ACIS 的三維實體邊界幾何和拓?fù)湫畔?，通過ParaSolid 的邊界拓?fù)溆成?，直接生成PrarSolid 三維邊界實體，實現(xiàn)AutoCAD 與ParaSolid 三維邊界模型的直接交換。1 三維邊界模型信息表達(dá)1.1 實體邊界表達(dá)模型邊界表達(dá)(B-reps是三維實體模型最基本的表達(dá)方法，是將形體表達(dá)為它的有限數(shù)量的邊界表面的集合。表面可能是平面，也可能是曲面，每個表面又可用它的邊界的邊及頂點表示。B

9、-rep 中信息分為兩類：一類是幾何數(shù)據(jù)，描述形體的大小、尺寸、位置、形狀等；另一類是拓?fù)湫畔?，拓?fù)涫茄芯繄D形在形變與伸縮下保持不變的空間性質(zhì)的一個數(shù)學(xué)分支。拓?fù)渲魂P(guān)心圖形內(nèi)相對位置關(guān)系，不問它的大小與形狀。在B-rep 中拓?fù)湫畔⑹侵赣脕碚f明體、面、邊及頂點之間連接關(guān)系的一類信息。1.2 PreaSolid 邊界表達(dá)模型ParaSolid 是美國UGS 公司的一個業(yè)界領(lǐng)先的幾何實體建模內(nèi)核，其拓?fù)鋵嶓w定義如下3： （1） 體(Body 體是ParaSolid 中一種基本形體，可以由一個或多個簡單形體連接組合而成。它有以下幾種形式：Acorn ：孤立點，Wire ：線框，Sheet ：薄板，S

10、olid ：立體，General ：一般形體。（2） 區(qū)域(Region 區(qū)域是一個開放的三維空間的連通子集，它的邊界是一系列的點、邊和有向面。（3） 殼(Shell 殼是一系列有向面和邊的集合，面的一面或雙面都可以被外殼引用。外殼的組成：面和方向邏輯的集合；邊的集合；單個的頂點。（4） 面(Face 是一個曲面的有界集合，它的邊界是若干個環(huán)，是一個二維的區(qū)域。邊界為零個環(huán)的面構(gòu)成一個封閉的實體，如一個球面。（5） 環(huán)(Loop 是一個面的邊界，是一個連接的二維實體。一個環(huán)在一個方向上不能通過一條邊兩次。環(huán)的方向是這樣規(guī)定的：沿該環(huán)的方向前進，面在左邊。（6） 翼(Fin 表示一條邊在環(huán)中的方

11、向。它包含兩個數(shù)據(jù)：一個是邏輯值，表示邊與環(huán)是否同向；另一個數(shù)據(jù)是在該條邊具有不同的局部精度時，邊所依附的曲線。（7） 邊(Edge 是一條曲線上有界的一段，它的邊界是零個、一個或兩個頂點。邊是一個一維區(qū)域。（8） 頂點(Vertex 頂點表示空間中的一個點，是一個零維的區(qū)域。ParaSolid 幾何實體分為基本幾何實體和構(gòu)造幾何實體，都具有三種類型：Surface 曲面、Curve 曲線和Point 點。Surface 曲面主要依附于拓?fù)銯ace 面，典型曲面有：平面、圓柱面、圓錐面、圓環(huán)面、球面、過渡曲面、樣條曲面、異構(gòu)幾何曲面、偏移曲面、掃描曲面和旋轉(zhuǎn)曲面；Curve 曲線主要依附于拓?fù)?/p>

12、Edge 邊，典型曲線有：直線、圓、橢圓、B 樣條曲線、一般樣條曲線、異構(gòu)幾何曲線?；編缀螌嶓w依附在對應(yīng)的拓?fù)潴w上，構(gòu)造幾何實體是新創(chuàng)建的還沒有附屬關(guān)聯(lián)的幾何實體，都可以表達(dá)為Body 體。ParaSolid 幾何實體與拓?fù)鋵嶓w關(guān)系如圖1所示。·170· 工 程 圖 學(xué) 學(xué) 報 2010年 基本幾何拓?fù)錁?gòu)造幾何圖1 ParaSolid幾何實體與拓?fù)鋵嶓w關(guān)系1.3 ACIS 邊界表達(dá)模型ACIS 是美國STI 公司(Spatial Technology Inc. 推出的具有開放式軟件體系結(jié)構(gòu)的實體造型軟件開發(fā)平臺。ACIS 的邊界模型也是表達(dá)為拓?fù)浔硎竞蛶缀伪硎?，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按

13、層次從上到下分解成下列對象4：體(Body、塊(Lump，表示空間一個有邊界的相互連通的區(qū)域；殼(Shell、面(Face、環(huán)(Loop、有向邊(Coedge、邊(Edge、頂點(Vertex。其幾何表達(dá)類型和拓?fù)湫畔㈥P(guān)系與上述ParaSolid 基本類似。2 DWG 中的ACIS 三維模型邊界信息的提取AutoCAD 圖形保存的缺省文件是DWG 文件，DWG 是一個壓縮格式未公開的二進制格式文件，目前CAD 圖紙絕大部分是以DWG 格式存貯。能直接打開DWG 圖紙，并且能搜索和遍歷出ACIS 三維邊界幾何和拓?fù)湫畔⑹菍崿F(xiàn)直接交換的基礎(chǔ)。DWGdirect 是由開放設(shè)計協(xié)會(Open Desi

14、gn Alliance 推出的用于獨立于AutoCAD 平臺之外訪問DWG 文件接口，目前已被國際上眾多公司所接受。本文采用DWGdirect 接口訪問和搜索DWG 文件中基于ACIS 的三維實體邊界幾何和拓?fù)湫畔ⅰ?.1 DWG 中三維實體元素在DWGDirect 中，DWG 文件的圖形實體數(shù)據(jù)在內(nèi)存中由一個OdDbDatabase 類的實例表 示5，并且提供了一個可以訪問其圖形數(shù)據(jù)庫實體對象的塊表記錄遍歷迭代器(OdDbBlock TableRecordIterator ，通過該迭代器可以遍歷存儲在塊表空間中的各種實體圖形，如二維的直線段、圓弧、圓，三維的圓柱面、圓錐面、球面和三維實體等。

15、三維實體元素是OdDb3dSolid 類一個實例，OdDb3dSolid 類是從OdDbEntity 類派生而來，OdDbEntity 類是數(shù)據(jù)庫實例中所有繪圖對象的基類。同時，在DWGdirect 中還提供了一個通用幾何類OdGe 類和用于邊界表示的OdBr 類。OdGe 類是用來實現(xiàn)2D 和3D 幾何對象操作的。OdBr 庫是一個邊界表示庫，允許用戶以只讀的方式去訪問ACIS 所創(chuàng)建的用邊界表示法表示的實體，這類實體指的是OdDb3dSolid 類的對象。 2.2 DWGdirect 的三維實體邊界定義OdBr 庫中提供了一個用來定義實體邊界表示的拓?fù)鋵ο蟮慕涌陬怬dBrEntity 。它

16、的結(jié)構(gòu)層次如圖2(a所示。OdBrEntity 類是Brep 結(jié)構(gòu)抽象類；OdBrBrep 類是Brep 實體邊界類，它是提供在OdDb3dSoid 實體中對ACIS 實體數(shù)據(jù)的Brep 結(jié)構(gòu)進行遍歷的最高層。OdGe 庫中提供一個OdGeEntity3d 類，它是所有OdGe 類的幾何對象的基類。它的結(jié)構(gòu)層次如圖2(b所示。2.3 實體邊界數(shù)據(jù)獲取DWGdirect 定義一個訪問ACIS 邊界數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的接口OdBrBrep 類，通過OdBrBrep 為OdDb3dSolid 實例對象和ACIS 邊界之間建立聯(lián)系。同時還定義了遍歷訪問ACIS 邊界拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的遍歷器(traverser類，可以遍

17、歷訪問ACIS 邊界的殼、面、環(huán)、邊、點拓?fù)湫畔⒑蛶缀涡畔?。對每一個OdDb3dSolid 三維實體對象，其實現(xiàn)步驟如下：（1） 創(chuàng)建OdBrBrep 實例對象，通過OdDb3dSolid 類的成員函數(shù)brep (OdBrBrep& brep 賦值；（2） 定義拓?fù)浔闅v器，自頂向下遍歷ACIS 邊界拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樹。拓?fù)浔闅v器的定義是按照殼、面、環(huán)、邊、點自上而下拓?fù)漤樞蚍謩e定義，即通過OdBrBrep 實例定義殼拓?fù)浔闅v器，拓?fù)浔闅v三維實體對象所有殼拓?fù)?，通過殼拓?fù)湫畔⒍x面拓?fù)浔闅v器，拓?fù)浔闅v殼對象所有面拓?fù)湫畔?，通過面拓?fù)湫畔⒍x環(huán)拓?fù)浔闅v器，拓?fù)浔闅v面對象所有環(huán)拓?fù)湫畔ⅲ来伪闅v下去

18、，從而獲取實體邊界所有拓?fù)浜蛶缀涡畔?。?期 張應(yīng)中等：AutoCAD與ParaSolid 三維邊界模型信息直接交換 ·171· (a 邊界拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) (b 邊界幾何結(jié)構(gòu)圖2 DWGdirect 實體邊界表示結(jié)構(gòu)3 ParaSolid 實體邊界映射構(gòu)造ParaSolid 采用與ACIS 相類似的實體邊界表示，同時ParaSolid 提供一個API 函數(shù)，可以直接構(gòu)造出ParaSolid 實體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。盡管ParaSolid 與ACIS 實體邊界表示有些差別，通過拓?fù)溆成涞姆绞?，完全可以將上述獲取的ACIS 邊界數(shù)據(jù)通過以下步驟重新構(gòu)造出ParaSolid 實體邊界。實體邊界

19、映射構(gòu)造主要涉及三個步驟：拓?fù)錁?gòu)造；創(chuàng)建幾何數(shù)據(jù)；關(guān)聯(lián)拓?fù)渑c幾何數(shù)據(jù)。為了保證幾何造型的可靠性與正確性，構(gòu)造的實體要滿足正則拓?fù)鋵嶓w的要求：正則形體不能有懸邊、懸線、懸面等等，同時還需要精度誤差進行控制。3.1 拓?fù)錁?gòu)造3.1.1 ParaSolid拓?fù)錁?gòu)造API 函數(shù)在ParaSolid 中提供了一個拓?fù)錁?gòu)造API 函數(shù)PK_BODY_create_solid_topology，用來創(chuàng)建實體的拓?fù)?。函?shù)的具體形式是3：PK_BODY_create_solid_topology(int n_topols, / 被創(chuàng)建的實體所包含的拓?fù)鋵嶓w的個數(shù)const PK_CLASS_t classes

20、, / 被創(chuàng)建的實體所包含的每個拓?fù)鋵嶓w的類型數(shù)組int n_relations, / 類型關(guān)系個數(shù) const int parents , / 父類關(guān)系const int children , / 子類關(guān)系 const PK_TOPOL_senset senses , / 方向標(biāo)志PK_BODY_t *body, / 創(chuàng)建返回的實體PK_TOPOL_t *topols, / 創(chuàng)建返回的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)組PK_BODY_fault_t *fault, / 出錯信息 int *fault_index ;上述參數(shù)中classes 數(shù)組描述構(gòu)造那些拓?fù)鋵嶓w，拓?fù)鋵嶓w類型通過PK_CLASS_body，PK

21、_CLASS_shell，PK_CLASS_face，PK_CLASS_loop，PK_CLASS_edge，PK_CLASS_vertex表達(dá)體、殼、面、環(huán)、邊和點。parents 、children 和senses 三個數(shù)組定義拓?fù)湓馗缸又g的關(guān)系，例如殼面關(guān)系、面環(huán)關(guān)系、環(huán)邊關(guān)系等。通過拓?fù)湓馗缸又g的關(guān)系定義，將classes 數(shù)組描述構(gòu)造的拓?fù)鋵嶓w關(guān)系聯(lián)系起來，形成完整的實體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 拓?fù)湓丶案缸雨P(guān)系的選用按如下規(guī)則：（1） 當(dāng)體具有多個（大于1）殼拓?fù)鋾r，外殼必須第一個定義；（2） 環(huán)的子邊必須按繞環(huán)順序定義；邊的子點必須按邊的方向定義；（3） 每個邊作為子類必須被使用兩次

22、，每個拓?fù)潢P(guān)系一次；（4） 一個環(huán)類必須以多個邊類或者單個點·172· 工 程 圖 學(xué) 學(xué) 報 2010年作為子類，但不能以邊和點混合或者多個點作為子類；（5） 一個點類必須以多條邊或單個環(huán)作為父類，其父類不能為邊與環(huán)的組合或者多個環(huán)。例如，一個方塊體含有33個拓?fù)?n_topols=33，其中包括1個殼，6個面，6個環(huán)，12條邊和8個頂點。實體拓?fù)渲g的關(guān)系共有60個，1個殼是由6個面組成，殼面關(guān)系為6；每個面由1個環(huán)組成，面環(huán)關(guān)系為6；一個環(huán)由4條邊組成，環(huán)邊關(guān)系為24；每條邊由2個頂點組成，邊頂點關(guān)系為24。parents0parents5指向殼拓?fù)湓卦谠赾lass

23、 數(shù)組中序列號，此處全為0；children0children5 指向面拓?fù)湓卦赾lass 數(shù)組中序列號，分別是1、2、3、4、5、6。senses定義了每兩個拓?fù)鋵嶓w之間的方向關(guān)系。當(dāng)子類為邊PK_CLASS_edge，且當(dāng)子類邊在父類環(huán)的相同方向時，senses 被賦值為PK_TOPOL_sense_positive_c；當(dāng)子類邊在父類環(huán)的相反方向時，senses 被賦值為PK_TOPOL_sense_negative_c；其他情況下senses 被賦值為PK_TOPOL_sense_none_c。 3.1.2 拓?fù)錁?gòu)造實現(xiàn)拓?fù)錁?gòu)造實現(xiàn)的算法步驟如下： （1） 計算要創(chuàng)建的拓?fù)潴w的個數(shù)根

24、據(jù)上述對ACIS 邊界拓?fù)浔闅v，計算出殼的個數(shù)、面的個數(shù)、環(huán)的個數(shù)、邊的個數(shù)和點的個數(shù)之和。（2） 設(shè)置各個拓?fù)潴w的類型根據(jù)計算的拓?fù)潴w個數(shù)，分配拓?fù)潴w的類型數(shù)組空間，并根據(jù)拓?fù)漕愋驮O(shè)置相應(yīng)數(shù)組位置拓?fù)漕愋椭?，例如一個體有一個殼，classes0 = PK_CLASS_shel；一個殼有6個面，則classes1 classes6=PK_CLASS_face。數(shù)組元素中下標(biāo)變量Index 和classesIndex值確定了所構(gòu)造的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)組中第Index 的拓?fù)漕愋汀＃?） 計算拓?fù)潴w元素關(guān)系個數(shù)根據(jù)上述ParaSolid 對拓?fù)潴w元素關(guān)系定義規(guī)則及ACIS 邊界拓?fù)浔闅v結(jié)果，計算拓?fù)潴w元素

25、關(guān)系個數(shù)n_relations。（4） 設(shè)置拓?fù)潴w元素關(guān)系根據(jù)計算的撲體元素關(guān)系個數(shù)，分配拓?fù)潴w元素關(guān)系數(shù)組空間，即parents 、children 和senses 設(shè)置為同樣大小的數(shù)組。并根據(jù)拓?fù)漕愋驮O(shè)置相應(yīng)數(shù)組位置拓?fù)湓仃P(guān)系值。 3.2 幾何構(gòu)造3.2.1 ParaSolid幾何定義ParaSolid 幾何實體有三種類型：Surface 曲面、Curve 曲線和Point 點。Surface 曲面類型有平面、圓柱面、圓錐面、圓環(huán)面、球面、過渡曲面、樣條曲面、異構(gòu)幾何曲面、偏移曲面、掃描曲面和旋轉(zhuǎn)曲面；Curve 曲線主要有：直線、圓、橢圓、B 樣條曲線、一般樣條曲線、異構(gòu)幾何曲線。例如

26、，圓柱面是通過一個三維點，圓柱面軸線方向矢量，參考方向矢量以及圓柱面的底面半徑的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義：struct PK_CYL_sf_s PK_VECTOR_t location; / 圓柱中心點位置PK_VECTOR1_t axis; / 圓柱面軸線方向矢量PK_VECTOR1_t ref_direction; / 參考方向矢量double radius;/ 圓柱面的底面半徑;3.2.2 幾何創(chuàng)建重新開始對ACIS 邊界拓?fù)浔闅v，重設(shè)拓?fù)涠ㄎ恢羔樧兞縄ndex=0；并依殼、面、環(huán)、邊、點的順序，獲取相應(yīng)附屬拓?fù)湓氐膸缀涡畔?，?chuàng)建相應(yīng)的幾何實體，每遍歷一個拓?fù)湓?，拓?fù)涠ㄎ恢羔樧兞縄ndex 加1

27、。ParaSolid 提供針對具體各曲面、曲線和點實體構(gòu)造的API 函數(shù)。設(shè)置一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存構(gòu)造的幾何實體和該幾何實體相附屬的拓?fù)涠ㄎ恢羔?，例如曲面實體保存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：struct SurFaceBody PK_Body_t* SurFaceArray; int* pIndex; ;3.3 幾何與拓?fù)潢P(guān)聯(lián)一個有效的實體應(yīng)該是具有完整的拓?fù)渑c幾何信息數(shù)據(jù)，上面步驟所完成的只是一個分離的拓?fù)鋵嶓w和幾何實體，需要將其有機地關(guān)聯(lián)系起來。第5期 張應(yīng)中等：AutoCAD與ParaSolid 三維邊界模型信息直接交換 ·173··174· 工 程 圖 學(xué) 學(xué) 報

28、 2010 年 通過 PK_BODY_create_solid_topology 函數(shù) 成功完成拓?fù)錁?gòu)造后，返回已經(jīng)創(chuàng)建的拓?fù)潴w存 放在一個數(shù)組變量 topols 中，topols 按照輸入的 順序存放拓?fù)湓?，即?gòu)造的拓?fù)潴w順序與 class 數(shù)組中的順序是一致的，這就為構(gòu)造幾何 體與其對應(yīng)拓?fù)潢P(guān)聯(lián)創(chuàng)造條件。 ParaSolid 提供幾何體與其對應(yīng)拓?fù)潢P(guān)聯(lián)的 API 函數(shù)。PK_FACE_attach_surfs 函數(shù)關(guān)聯(lián)曲面 幾何到 Fcae 面拓?fù)?，PK_EDGE_attach_curve 函 數(shù) 關(guān) 聯(lián) 曲 線 幾 何 到 Edge 邊 拓 撲 ， PK_VERTEX_attach_pointe 函數(shù)關(guān)聯(lián)點幾何到 Vertex 點拓?fù)渲小?4 交換應(yīng)用實例 上述AutoCAD與ParaSolid三維邊界模型的 直接交換方法在作者開發(fā)的JhSolid2007下實現(xiàn)。 JhSolid2007采用ParaSolid作為幾何造型內(nèi)核， VC+、Op