（机械设计及理论专业论文）基于几何内核的三维边界模型信息交换.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 c a d 系统间的数据交换是三维c a d 系统的重要组成部分，也是难点问题，它关系 到c a d 系统间的数据交流和共享，对国产三维c a d 系统的应用推广也具有重大意义， 因此对c a d 系统间的数据交换技术的研究具有重要的实用价值。 目前c a d 系统软件之间进行信息交流的方法主要有以下几种：采用文件专用接口 的方法，采用标准通用接口的中性文件的方法，利用软件的几何内核进行直接接口的方 法。本文深入讨论了采用文件专用接口和通用接口进行数据交换的发展现状和存在的问 题，同时对直接接口方法的发展进行了阐述。 本课题采用的直接接口的方法是建立在c a d 软件系统大多是以a c i s 或p a r a s o l i d 为几何内核的事实上，采用基于b r e p 的数据交换接口的算法来完成数据交换的。 本课题基于j h s o l i d 软件系统开发环境，在w i n d o w s 平台上以v i s u a lc + + 为开发工 具，运用面向对象的技术，通过d w g d i r e e t 类库和p a r a s o l i d 提供的a p i 函数，实现不 同c a d 系统之间的三维边界模型信息数据交换。首先自项向下遍历a u t o c a d 保存的 d w g 格式的a c i s 三维实体模型的拓扑结构树，对于有几何数据关联的拓扑实体提取 几何信息，从而得到a c i s 三维实体模型的b r e p 信息。然后在a c i s 与p a r a s o l i d 三维 实体模型之间建立拓扑和几何映射关系。根据遍历的a c i s 拓扑结构，通过内核提供的 a p i 函数构造p a r a s o l i d 拓扑实体，再建立相应的几何实体，最后通过关联几何与拓扑实 体操作，生成完整有效的p a r a s o l i d 实体，实现a c i s 边界模型数据到p a r a s o l i d 实体的 转换。 经过在j l l s 0 1 i d 软件系统平台上的编制、调试和测试，完成了预期的目标，验证了 算法的可行性与程序的正确性。 关键词：a c i s ；p a r a s o li d ；d w g d i r e c t ；边界表达b r e p ；三维几何模型 基于几何内核的三维边界模型信息交换 i n f o r m a t i o ne x c h a n g eo ft h r e e d i m e n s i o n a lb o u n d a r ym o d e l b a s e do ng e o m e t r i ck e r n e l a b s t r a c t t h ed a t ae x c h a n g eb e t w e e n3 d - c a ds y s t e m si sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to fac a d s y s t e m ，a tt h es a m et i m e ，i ti sad i f f i c u l t y 1 1 1 ed a t ae x c h a n g ec o n c e r n st h ed a t as h a r ea m o n g d i f f e r e n tc a ds y s t e m s ；i ta l s oh a ss i g n i f i c a n c et ot h ea p p l i c a t i o na n dp o p u l a r i z i n go fh o m e 3 d c a ds y s t e m s ot h er e s e a r c ht od a t ae x c h a n g eb e t w e e n3 d c a ds y s t e m sh a si m p o r t a n t a p p l i e dv a l u e a tp r e s e n t , t h em e t h o d sf o ri n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e nc a ds o f t w a r es y s t e m sa r ea s f o l l o w s ：t h em e t h o du s i n gs p e c i a ld o c u m e n ti n t e r f a c e ，t h em e t h o du s i n gn e u t r a lf i l eo f s t a n d a r dc o m m o ni n t e r f a c e ，t h em e t h o du s i n gt h es o f t w a r eg e o m e t r yc o r ef o rd i r e c ti n t e r f a c e 1 1 1 ed e v e l o p m e n ta n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m so ft h ed a t ae x c h a n g eu s i n gs p e c i a li n t e r f a c ea n d c o m m o ni n t e r f a c ea r ed e e p l yd i s c u s s e di nt h i st h e s i s a tt h es a m et i m e ，t h ed e v e l o p m e n to f t h ed i r e c ti n t e r f a c em e t h o di sd e s c r i b e d n l ed i r e c ti n t e r f a c em e t h o di nt h i st h e s i si sb u i l to nt h ef a c tt h a tc a ds o f t w a r es y s t e mi s m o s t l yp a r a s o l i do ra c i sa sg e o m e t r i cc o r ea n da d o p t sd a t ae x c h a n g ei n t e r f a c ea l g o r i t h m b a s e do nb r e pt oc o m p l e t et h ed a t ae x c h a n g e ， t h i f st h e s i sb a s e do nj h s o l i ds o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n dv i s u a lc + + d e v e l o p m e n tt o o lo nw i n d o w sp l a t f o r m ，u s i n go b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y ，t h r o u g ht h ea p i f u n c t i o n sp r o v i e d e db yd w g d i r e c ta n dp a r a s o l i d , i m p l e m e n t sd a t ae x c h a n g eo fb o r d e r i n f o r m a t i o ni nt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l f i r s to fa 1 1 ，i no r d e rt oo b t a i na c i s t h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lo ft h eb r e pi n f o r m a t i o n , t h et o p o l o g yl a c et o p - d o w nf r o mt h e a c i st h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lh a v i n gd w gf o r m a tp r e s e r v e db ya u t o c a di s t r a v e r s e d ，a n dg e o m e t r i cd a t af o rt h eg e o m e t r i cd a t aa s s o c i a t e dw i t ht h et o p o l o g ye n t i t yi s e x t r a c t e d a n dt h e nt h eg e o m e t r ya n dt o p o l o g ym a p p i n gr e l a t i o n sb e t w e e nt h r e e - d i m e n s i o n a l s o l i dm o d e lo fa c i sa n dp a r a s o l i di se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ea c i st o p o l o g yt r a v e r s e d ， t h r o u g ht h ea p if u n c t i o n sp r o v i d e db yk e r n e lp a r a s o l i dt o p o l o g ye n t i t i e sa r ec o n s t r u c t e d ， t h e nt h ec o r r e s p o n d i n gg e o m e t r i ce n t i t i e sa r ec r e a t e d f i n a l l y ，t h r o u g ht h eo p e r a t i o nt h a t a s s o c i a t e s 、析也t h eg e o m e t r ya n dt o p o l o g ye n t i t ya l li n t e g r a t e da n de f f e c t i v ep a r a s o l i de n t i t y i sg e n e r a t e d ，a n dt h et r a n s f o r m a t i o nf r o ma c i sb o u n d a r ym o d e ld a t at op a r a s o l i dm o d e ld a t a i sr e a l i z e d 1 1 大连理工大学硕士学位论文 t h r o u g hc o d i n g ，d e b u g g i n ga n dt e s t i n go nj h s o l i ds o f t w a r ep l a t f o r m ，t h eg o a le x p e c t e d h a sb e e na c h i e v e d ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ea l g o r i t h m ，c o n e c t n e s so ft h ep r o g r a m sh a v eb e e n v e r i f i e d k e yw o r d s ：a c i s ；p a r a s o l i d ；d w g d i r e c t ；b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ；3 dg e o m e t r i cm o d e l i i i - 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：基王且鱼囟趑鲍三丝边昼搓型焦! 曼交换 作者签名：登 日期：塑翌年上月蔓日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 墨童尘鱼塑塑塑逆垫晕衄篮鱼盘熊 作者签名：塑。日期：列年f 月l 日 导师签名： ：孥遣三日期：壁尘2 年上月二日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1几何造型技术的发展 1 1 1 几何造型技术的发展概况 几何造型是7 0 年代中期发展起来的一种通过计算机表示、控制、分析和输出几何 实体的技术，是c a d c a m 技术发展的一个新阶段。它是以计算机能够理解的方式，对 实体进行确切的定义，赋予一定的数学描述，再以一定的数据结构形式对所定义的几何 实体加以描述，从而在计算机内部构造一个实体的模型。 几何造型技术起步于二维绘图，先后经历了线框造型，曲面造型，实体造型，特征 造型，参数化设计，变量化设计等几个发展阶段【m 】。经过近四十年的发展，传统的几 何造型已经渐趋成熟，并且在制造业和其他行业获得了广泛的应用。三维几何造型技术 是计算机图形学的一个重要领域，其主要研究目标是在计算机内存中完整的描述三维物 体，该技术已成为计算机辅助设计、计算机辅助制造及图形学的基础。在一个三维c a d 系统中，三维几何造型技术是其核心技术。 线框造型开始于6 0 年代初期，当时主要是为了解决自动化绘图中的形体在计算机 内部的表示问题。线框造型中的棱线、面框和独立体框模型，就是这一时期三维几何的 主流模型。 进入7 0 年代，根据汽车造型中的设计需求，法国人提出了贝塞尔算法，随之产生 了三维曲面造型系统c a t i a 。它的出现，标志着c a d 技术从单纯模仿工程图纸的三视 图模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息。这是c a d 发展 历史中的第一次重大飞跃。 t 9 7 9 年，s d r c 公司发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型c a d c a e 软件d e a s 。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统 一c a d 、c a e 、c a m 的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。可以说，实体造型技 术的普及应用标志着c a d 发展史上的第二次技术革命。但是，在当时的硬件条件下， 实体造型的计算及显示速度太慢，限制了它在整个行业的推广。 9 0 年代初期，参数化技术逐渐成熟，标志着c a d 技术的第三次革命。参数化技术 的成功应用，使得它在1 9 9 0 年前后几乎成为c a d 业界的标准。 随后，s d r c 攻克了欠约束情况下全参数的方程组求解问题，形成了一套独特的变 量化造型理论。s d r c 将变量化技术成功的应用到c a d 系统中，标志着c a d 技术的第 四次革命。 基于几何内核的三维边界模型信息交换 1 1 2 几何造型内核技术 p a r a s o l i d 和a c i s 是两个最有代表性的几何造型系统的开发平台。在早期开发的实 体造型系统中，英国的剑桥大学研制出了b u i l d 1 和b u i l d 2 系统，但都没有公开使 用。8 0 年代初期，研究小组的一部分人组建了s h a p ed a t a 公司，并开发了实体造型系 统r o m u l u s 。1 9 8 6 年，s h a p ed a t a 并入e d su n i g r a p h i e s 之后，推出了功能强大的几何 造型核心p a r a s o l i d 。同时，s h a p ed a t a 一部分保留人员研制了新的造型核心，就是后来 由s p a t i a lt e c h n o l o g y 公司推出的几何造型系统核心a c i s 。 p a r a s o l i d 和a c i s 并不是面向最终用户的应用系统，而是“几何引擎，作为应用 系统的核心。用户可用它们作为平台，开发自己的应用系统。当今许多流行的商用 c a d c a m 软件，如u n i g r a p h i c s 、s o l i d e d g e 、s o l i d w o r k 、m d t 等，都是在p a r a s o l i d 或 a c i s 的基础上开发出来的。 p a r a s o l i d 有较强的造型功能，但是只能支持正则实体造型。它提供的主要功能有： 集合运算、特征的创建和编辑、局部操作、数据交换文件接口等。p a r a s o l i d 采用精确的 边界表示，包括拓扑、几何和关联三种数据类型。 a c i s 具有和p a m s o l i d 相似的形体结构，但在系统结构上采用了核心和外壳相结合 的方式。a c i s 支持线框、表面和实体的统一表示，支持非正则形体的造型。 1 2 产品几何模型的数据交换 1 2 1 产品几何模型数据交换的背景及意义 近三十年来，c a d 技术和系统有了飞速的发展，c a d c a m 得到迅速普及。在发达 国家，以c a d c a m 技术的应用已迅速从军事工业向民用工业扩展。以c a d c a m 技 术不仅大幅度地提高设计效率，产品质量，改善劳动条件，更为重要的是它己成为现代 工业中必不可少的主要技术手段。它是计算机集成制造系统( c h r i s ) 中的核心技术。而实 现c i m s 系统的先决条件就是要在下述几个方面能够进行产品数据交换： ( 1 ) 不同产品设计部门之间 ( 2 ) 设计、生产准备和制造部门之间 ( 3 ) 与各合同承制厂之间 ( 4 ) 不同c a d c a m 系统之间 产品数据交换是实现c a d c a p p c a m 集成及至c i m s 的基础，为此，人们进行了 大量的研究，先后提出了许多相关的数据交换标准 4 1 。美国波音飞机公司日早在1 9 7 9 年以前就着手建立c n n ( c a d c h mi n t e g r a t e di n f o r m a t i o nn e t w o r k ) ，就是为了沟通公司 内部m m c d cc y b e r 、c o m p u t e rv i s i o n 和g e r b e r 等系统之间的数据传输，企图摆脱因 大连理工大学硕士学位论文 单个应用程序的不断增长，被应用接口和在设计、分析、制造过程中数据共享等问题的 要求所带来的困扰。接口与产品数字化表示的标准化，它是通向c a d c a m 集成化的真 正目标的第一步。在美国海、陆、空三军和国家宇航局的支持下，由美国国家标准局主 持成立了由波音公司和通用电气公司参加的技术和委员会，于1 9 8 0 年经过专家三个多 月的努力，编制出原始图形信息交换技术规范i g e s ( i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g e s p e c i f i c a t i o n ) 报告。从此，开创了国际性的c a d c a m 技术的数据交换格式标准化工作。 在过去的2 0 多年，产生了多种产品数据交换国际标准和工业标准，如s t e p 、v d a f s 、 s t l 、d x f 等。 目前，在微机和工作站上用于数据交换的图形文件标准主要有：a u t o c a d 系统的 d x f ( d a t ae x c h a n g ef i l e ) 文件，美国标准i g e s ( i n i f i a lg r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n 即 初始图形交换规范) 及国际标准s t e p ( s t a n d a r df o r t h ee x c h a n g eo f p r o d u e t m o d e ld a t a ) 。 现在市场上流行的c a d c a m 系统不仅用途和性能各异，而且其内部产品模型的数 据结构和格式也不同。更严重的是各个c a d c a m 系统中数据元素的类型也不尽相同， 这给不同c a d c a m 系统之间实现数据资源的共享与使用带来了很大的不便。为了能够 充分共享使用已有的数据资源，在不同c a d c a m 系统间进行数据交换也就成了必然。 1 2 2 产品几何模型数据交换的形式 传统解决c a d 软件之间信息交流的办法都采用了文件接口的方法1 5 j 。 一种自然的方法是采用专用文件接口的办法，即每两个不同的c a d 软件之间开发 一套数据格式相互转换的文件接口。这种方式需要c a d 软件开发商之间的通力合作， 并且如果c a d 软件数量增多的话，专用文件接口也会迅速增多，从而导致工作量的急 剧增加。这种方式一般只有实力雄厚的大公司采用，他们有针对性地开发几种专用的文 件接口。 另一种方法是中性文件接口的方法睁7 】，即通过几种通用的数据交换标准格式的中 间文件格式进行信息交流。随着对产品数据交换的深入研究，先后提出了许多数据交换 标准，如国际上通用的初始化图形交换规范i g e s ，它是以产品设计图样为直接处理对 象，规定了图样数据交换文件的格式规范，经过i g e s 格式数据文件的中介作用，可以 实现在不同的c a d 系统之间交换设计图样信息，但其只解决了二维层次的信息共享， 还不能算是真正的集成。除i g e s 外，世界各国还相继制定了许多相应的数据交换标准， 如产品定义数据接口( p d d i ) 、产品数据交换规范( p d e s ) 、数据交换规范( s e t ) 、产品模 型数据交换标准( s t e p ) 。其中，作为国际标准的s t e p 应用更为广泛。在s t e p 中，全 面定义了一个零件所需的几何、拓扑、公差、关系、性能和属性等信息。但无论是i g e s 基于几何内核的三维边界模型信息交换 标准还是s t e p 标准在作为统一的数据表达模型，实现三维c a d 模型转换时，很难考 虑到所有c a d 系统的几何表达，导致数据交换失败，致使转换模型失真，并严重阻碍 了设计资源共享。i g e s 文件设计得过于简单，常常有数据遗失和残缺现象；s t e p 文件 考虑了产品全生命周期中的所有信息，一直受到研究者的重视，但其设计复杂，实现繁 琐，要实现s t e p 标准的全部协议绝非易事，而且效率相对低下。 除了文件接口的方法，还有一种直接接口的方法，它是以边界表达b r e p 作为c a d 软件间数据交流接口层进行直接交换的方法【8 】，这种方法是建立在现在许多的三维c a d 软件它们基本上都是以p a m s o l i d 或者是a c i s 作为几何核心。通过提取这两大几何核心 的边界表达b r e p ，建立b r e p 间的映射关系，从而完成c a d 系统间的数据交换。这种方 法相对与文件接口的方式，适应性更强，几乎所有以这两大造型系统为几何核心的c a d 软件都能方便地进行接口转换；相对稳定性更高，因为边界表达相对于文件数据格式来 说变化的可能性更小。而本文提出的方法就是在利用这种直接接口的理论基础上，通过 d w g d i r e c t 直接读取a u t o c a d 中d w g 格式的a c i s 三维实体的边界信息，再重构 p a r a s o l i d 实体的边界信息，构造p a r a s o l i d 实体从而实现数据的转换。 1 3 国内外研究现状 在数据交换标准上，一般的将c a d 系统的数据交换和互操作标准分为两类：静态 的数据标准和动态的标准编程接口。 静态的数据交换方法是通过中性文件进行产品数据交换，交换的内容是某一时刻的 模型“快照 。产品数据交换标准的研发工作由来已久，已经制订了多种产品数据交换 的国际标准和工业标准，如s t e p 、i g e s 、v d a f s 、s t l 、d 等。 动态的标准编程接口则定义了c a d 应用程序接n ( a p i ) ，相关的规范主要有：c a m 制订的应用接口规范( m s ) 阴、i s o1 0 3 0 3 制订的s t e p 数据访问接口规范( s d m ) u 0 1 、 d m a c 制订的o l ef o rd & m 接口规范【l l 】、o m g 制订的c a ds e r v i c e s 规范【1 2 1 。 a i s 是最早( 9 0 年代初) 制订的c a d 编程接口，它是一种过程式调用接口。s d a i 是 基于s t e p 的数据访问接口，它只能访问e x p r e s s 定义的数据模型。o l ef o rd & m 是 遵从微软o l e c o m 制订的c a d 数据访问规范，可以实现应用程序的直接数据访问， 但是它的设计目标只是支持c a d 数据访问，不支持造型操作，而且，目前只支持几何、 拓扑和装配数据的访问。 2 0 0 3 年w e b 3 d 组织l l 驯( v r m l 9 7 和x 3 d 标准的制订者) 成立了一个c a d3 d 工作 组，由i n t e l 牵头制订基于x m l 的以c a d3 d 标准。 大连理工大学硕士学位论文 目前来看，几乎所有的c a d 软件中都配有i g e s 、s t e p 转换接口，通过i g e s 或 者s t e p 标准采用的中性文件，不同的c a d 软件之间可以实现相互的数据交换。 2 0 0 4 年华中科技大学c a d 中心的赵建军、王启付等提出的基于边界表达的 p a r a s o l i d 与a c i s 直接双向接口的方法，并通过用u g l 8 0 下带的p a r a s o l i d l 3 0 和 a c i s 5 0 作为几何核心，开发出一个用于浏览三维c a d 零件的应用程序u g a c i s 进行 了验证，具有很强的适用性和高的稳定性，在直接数据交换方面起到了很大的作用。直 接交换的方法可以直接打开源文件，从而减少了采用中性文件所造成的数据丢失以及效 率相对较低的现象。a u t o c a d 作为时下流行的c a d 软件，自r 1 3 后开始集成了a c i s 三维实体，a u t o c a d 的三维造型也得到越来越广泛的使用，因此在a u t o c a d 与其他 c a d 软件之间进行数据交换有非常重要的意义。 1 4 课题的主要任务 本课题的研究是在w i n d o w s 平台上，以j h s o l i d 软件系统为基础，v i s u a lc + + 作为 开发工具，充分利用d w g d i r e e t 类库和p a r a s o l i d 来完成基于几何内核的三维边界模型 信息的交换。主要的任务包括： ( 1 ) 分析两种实体造型开发平台a c i s 和p a r a s o l i d 的数据结构的特点以及 d w g d i r e c t 类库的结构和使用方法，给出一个有效的数据交换方案。 ( 2 ) 通过d w g d i r e c t 提供的a p i 函数直接读取a u t o c a d 中d w g 格式的a c i s 三维 实体模型，遍历实体模型，获取实体的拓扑与几何边界信息。 ( 3 ) 在j h s o l i d 中重构p a r a s o l i d 拓扑与几何边界信息，生成p a r a s o l i d 实体模型，实 现三维a c i s 实体到p a r a s o l i d 实体的数据交换。 1 5 论文的组织结构 第一章回顾了几何造型技术的发展历程，分析了从线框造型、曲面造型、实体造型 到特征造型各个阶段的造型特点以及现在主要的几何造型内核。介绍了产品几何模型数 据交换的研究背景及意义、交换的形式以及国内外的研究现状，并分析了本文的研究任 务和内容。 第二章介绍了一下本文所用到的理论基础以及开发环境。主要是三维几何模型的概 念、三维实体模型的表达方法，重点介绍了一下b r e p 表示法；还介绍了一下基于b r e p 的数据交换的算法以及两大几何内核的数据结构、读取a c i s 实体的d w g d i r e c t 库；最 后简单地介绍了一下本文的开发环境j h s o l i d 和v i s u a lc + + 。 基于几何内核的三维边界模型信息交换 第三章在介绍d w g d i r e e t 图形数据库和三维实体边界定义及接口的基础上讨论了 如何实现提取d w g 文件的a c i s 边界数据信息的方案。通过对方案各步的实现，完成 了实体边界数据的提取。 第四章是讨论如何实现p a r a s o l i d 实体的构造。首先介绍了一下本文构造p a r a s o l i d 实体的方案，然后根据方案的步骤通过调用p a r a s o l i d 提供的a p i 函数逐步实现实体的 构造。 第五章给出了数据交换的实例。通过b r e p 信息的提取与重构在a u t o c a d 与j h s o l i d 之间实现了数据的交换。 大连理工大学硕士学位论文 2 理论基础与开发环境 2 1三维几何模型及三维实体几何模型的表达方法 2 。1 1 三维几何模型 几何建模就是形体的描述和表达，是建立在几何信息和拓扑信息基础的建模。其主 要处理零件的几何信息和拓扑信息。几何信息一般是指物体在欧氏空间( 欧氏几何所研 究的空间称欧氏空间，它是现实空间的一个最简单并且相当确切的近似描述) 中的形状、 位置和大小，一般指点、线、面、体的信息。拓扑信息则是指物体各分量的数目及其相 互间的联接关系。 三维几何模型按其描述三维几何物体所用几何元素( 点、线、面、体) 的不同和储存 内容特征可分三类：线框几何模型、表面几何模型和实体几何模型【1 4 】。三种方法各有特 色和应用场合，其中以实体模型最为重要，多数造型软件均包含上述三种模型。 ( 1 ) 线框模型是在计算机图形学和c a d c a m 领域中最早用来表示形体的模型使用 几何体的棱线( 曲线、直线、圆弧) 来表示外形，结构简单，易于理解。但是只包含顶点 和棱边的信息，没有面、体等信息，因此对于后续的零件分析和优化是无能为力的，因 此不能满足现代设计的需要。 ( 2 ) 表面模型使用零件几何体的有向棱边围成的部分来定义形体表面，由面的集合 来定义形体。在线框模型的基础上添加了环、面以及一些方向信息，因此可以实现阴影、 消隐等操作，表面有规则曲面、自由曲面、复杂曲面，先进的表面造型系统还发展了许 多高级曲面功能，如曲面求交、曲面过渡、曲面裁剪、曲面延拓、曲面拼接、曲面修改、 曲面光顺等，但是它只有一维的点的信息和二维的面的信息，缺乏体的信息，因此不是 真正意义上的三维表示方法，对于零件的后续分析和研究同样没有太大的帮助，缺少了 关键体的信息，因此在形体的表示上这个表示方法还是不够完整。 ( 3 ) 实体模型可以对表面模型中的体进行定义，形成了体的概念，复杂的几何形体 的实体模型由规则的实体( 称为体素) 经过多次拼合得到，拼合的方法可以采用布尔运算 并、交、差，并且可以进行重量、密度等物性计算和有限元的分析，还可以检查几 何体之间的干涉、碰撞等问题。这种定义是三维空间零件建模的重大进步，具有很重要 的意义。 基于几何内核的三维边界模型信息交换 2 1 2 三维实体几何模型的表达方法 不同的几何模型种类是由不同的表示方法决定的。表达三维实体的几何模型的方法 主要有c s g 表示法、扫描表示法和边界表示法。 构造实体几何法( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ，简称c s g ) 是一种利用基本体素的变 换和集合运算来构造几何形体的实体造型的方法。c s g 的基本思想是：任何复杂的物体 都是由一些简单的基本体素通过布尔运算而成的。将基本体素施以交、并、差等集合运 算，最终生成一棵有序的c s g 的二叉树，其中c s g 二叉树的叶节点对应于一个基本体 素，并记录体素的参数，而树的中间节点则对应于体素的平移或者旋转以及交，并，差 等运算，也可以表示这些运算生成的中间形体，而树根则是最终形成的几何实体1 1 5 】。 c s g 方法的主要优点： ( 1 ) 表示的形体具有唯一性。 ( 2 ) 能够记录构成几何体的原始特征和定义参数，这样使得信息简单，处理方便。 ( 3 ) 能够表示实体的范围很广，体素的种类越多，能构造出来的形体越多。 c s g 方法的主要缺点： ( 1 ) 一个形体的c s g 表示和描述方式不是唯一的。 ( 2 ) 直接基于c s g 表达的显示形体的效率很低，不便于图形的输出，也不能直接产 生显示线框图所需要的数据，而必须经过边界计算程序的处理后才能完成从c s g 到边 界表示的转换。 ( 3 ) 对形体的修改操作不能深入到形体的局部，例如对形体上某根直线无法直接进 行拾取和删除操作【1 6 1 。 扫描表示法( s w e e pr e p r e s e n t a t i o n ) 的基本原理是用曲线、曲面获得形体沿某一路径 运动后生成的二维或三维物体。这种表示方法的实施需要两个条件：其一是给出一个在 扫描过程中移动的形体，称为基体。基体可以是曲线、曲面或三维实体，它是扫描表示 法的关键，如果基体是一个平面轮廓，则要求它是封闭的。另一个条件是要指定基体运 动的轨迹，运动轨迹可用解析式来定义。由于扫描表示法容易理解和实现，因此被广泛 应用于c a d c a m 系统中。扫描表示法有两种基本类型：平行扫描和旋转扫描【1 7 d 8 】。 ( 1 ) 旋转扫描 在旋转扫描中，运动物体上的每一点均在通过该点且与旋转轴正交的平面上作圆周 运动，用这种方法得到形体的表面是旋转面。当被旋转的不是一条曲线而是一个二维封 闭曲线时，旋转扫描后得到的结果是一个三维实体。旋转扫描实体造型只限于具有旋转 对称性的实体。 ( 2 ) 平移扫描 大连理工大学硕士学位论文 平移扫描时将一个扁平的形体沿着某个指定的方向平移一段距离后，得到相应得形 体，因此这种方法实际上只要制定相应物体的横剖面，平移方向和平移的距离即可。平 移扫描只适用于具有平移对称性的三维实体。 边界表示【1 9 2 2 ( b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ) 也称b r e p 表示，是几何造型中最成熟，无 二义的表示法。边界表示法是通过描述物体的边界来表达物体的三维轮廓与空间位置， 从而建立物体的三维模型。物体的边界由物体的顶点、边和平面来表示，同时也是物体 内部点与外部点的分界面。这种定义物体三维模型的方法具有唯一性。 边界表示法的一个重要特点是在该表示法中，描述形体的信息包括几何信息 ( g e o m e t r y ) 和拓扑信息( t o p o l o g y ) 两个方面。一般来讲，几何信息描述形体的大小、尺寸、 位置、形状等。拓扑信息描述形体上的顶点、边、面的连接关系，拓扑信息形成物体边 界表示的“骨架 ，形体的几何信息犹如附着在“骨架上的肌肉。 边界表示中的基本拓扑实体包括： ( 1 ) 顶点( v e r t e x ) 顶点的位置用点( p o i n t ) 来表示。三维空间中的点用三元组 x ，y ，z ) 或 x ( t ) ，y ( t ) ，z ( t ) ) 表示。正则形体定义中，不允许孤立点存在。 ( 2 ) 边( e d g e ) 边是两个邻面( 对正则形体而言) 、或多个邻面( 对非正则形体而言) 的交 集，边有方向，它由起始顶点和终止顶点来界定。边的形状信息由曲线( c u r v e ) 来描述， 可以是直线或曲线，曲线可用一系列控制点或型值点来描述，也可以用显式、隐式或参 数方程来描述。 ( 3 ) 环( l o o p ) 环是有序、有向边( e d g e ) 组成的封闭边界。环中的边不能相交，相邻 两条边共享一个顶点。环有方向、内外之分，外环边通常按逆时针方向排序，内环边通 常按顺时针方向排序。 ( 4 ) 面( f a c e ) 面由一个外环和若干个内环( 可以没有内环) 来表示，内环完全在外环 之内。根据环的定义，在面上沿环的方向前进，左侧总在面内，右侧总在面外。面有方 向，一般用其外法向量作为面的正向。面的形状信息由曲面( s u r f a c e ) 来表示，可以是平 面或曲面，平面可用平面方程来描述，曲面可用控制多边形或型值点来描述，也可用曲 面方程( 隐式、显式或参数形式) 来描述。对于参数曲面，通常在其二维参数域上定义环， 这样就可由一些二维的有向边来表示环，集合运算中对面的分割也可在二维参数域上进 行。 ( 5 ) 体( b o d y ) 是面的并集。在正则几何造型系统中，要求体是正则的，非正则形体 的造型技术将线框、表面和实体模型统一起来，可以存取维数不一致的几何元素，并可 对维数不一致的几何元素进行求交分类，从而扩大了几何造型体覆盖域。 基于几何内核的三维边界模型信息交换 v 5 v 1e l v 2 图2 1 实体对象 f i g 2 1e n t i t yo b j e c t 3 图2 2 几何形体的边界表示 f i g 2 2b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o nf o rg e o m e t r i cs l l a p e 图2 1 所示为一个简单的实体对象，图2 2 为其几何形体的边界表示。 2 2 基于b r e p 的数据交换 、 如果我们要把a 系统的模型转为b 系统的模型，我们称a 系统的模型为源模型，b 系统的模型为目标模型，如果两个系统都支持b r e p 形体表示，我们就可以读取源模型 的b r e p ，然后建立b r e p 的映射关系，重构目标模型的b r e p ，从而实现数据交换。基于 b r e p 的数据交换接口【2 3 j 的算法步骤如下： s t e p l 提取源模型的b r e p ( 1 ) 自顶向下遍历源模型的拓扑结构树； ( 2 ) 对于每一种拓扑结构实体，如果它有关联的几何数据，提取其几何数据； s t e p 2 重构目标模型的b r e p ( 1 ) 建立源模型和目标模型间的拓扑映射关系； ( 2 ) 对于每种源模型的拓扑实体，映射并创建目标模型的拓扑实体； ( 3 ) 建立源模型与目标模型的几何数据问的映射关系； ( 4 ) 对于每种拓扑实体，如果源模型关联有几何数据，则映射并创建目标模型的几 何数据； ( 5 ) 关联目标模型的拓扑数据和几何数据； 上面的算法可分解为两个大的步骤，即b r e p 的提取与重构。这两步又贯彻了一个 重要的三维几何设计思想：几何与拓扑分离的思想。我们知道，b r e p 的数据包括两部分 的内容：几何数据描述实体的几何信息，如位置，方程等；而拓扑结构数据描述实体间 的连接关系。在这种分离的设计方式中，其几何数据与拓扑结构数据相对独立实现，然 大连理工大学硕士学位论文 后通过关联操作建立它们之间的联系。因此本文算法对几何数据与拓扑结构数据的提取 与重构也是相对独立的。 2 3a cis 与p a r a s oiid 对于基于b r e p 的数据交换技术，由于其核心是提取源系统模型的b r e p 数据后重建 目标模型的b r e p 数据，深入理解和掌握开发平台的数据结构显得尤为重要，因此有必 要对三维开发平台的数据结构进行分析。 2 3 1 a c ls 简介 a c i s 是美国s t i 公司( s p a t i a lt e c h n o l o g yi l l c ) 推出的具有开放式软件体系结构的实 体造型软件开发平台【2 4 1 。其特点包括： ( 1 ) 是采用面向对象的数据结构，全部内容均由c + + 语言编写，由一系列c 抖类和 函数组成，程序员在开发自己的应用系统时可以通过调用这些类和函数来获得强大的几 何造型功能。 ( 2 ) 提供统一的数据结构，同时支持线框、曲面、实体三种模型并允许它们共存， a c i s 实体b o d y 可以是这三种模型的一种或几种的组合，对线性和二次几何采用解析 方法表示而自由几何体则采用非均匀有理b 样条( n u g b s ) 来表示。 ( 3 ) a c i s 是采用边界表示( b r e p ) 的几何建模器，边界由封闭面集所构成，该边界将 a c i s 实体与外界空间划分开来。 ( 4 ) 除了流型，a c i s 也支持非流型几何体的表示，这对于存在悬边、悬面等特殊的 几何拓扑体的表示是极端重要的。s t i 公司的目标是在c a d c a m c a e 及相关的应用领 域推进面向对象的三维实体造型技术；推动在开放的公共体系结构上采用软件组件技 术；使得采用开放建模技术的独立的软件组件开发商，根据自己的需求自由选择最佳组 件产品。 目前世界上已有数百家基于a c i s 的软件开发商和应用商，其中包括a u t o d e s k ， b e n t l e y ，i n t e r 黟a p h 等。国内也有一些软件开发商陆续购买了a c i s 作为其c a d c a m 系统的开发平台，如广州红地的“金银花”、华中理工的h 1 ：t e r s o l i d 等都采用了a c i s 作为 其几何造型平台。 2 3 2a c ls 的数据结构 ( 1 ) 几何数据 几何