（机械制造及其自动化专业论文）基于ACIS的数字化适形铅模设计技术研究.pdf

中文摘要 为了保证肿瘤放射治疗的效果，要求在治疗肿瘤的同时尽量降低对健康细胞 的损害，控制放射线覆盖范围达到一定的精确程度，即采用适形放疗。目前，临 床上采用的多叶光栅和铸造铅模适形方法不能保证适形的精确性，同时又有各自 的缺点。本文将计算机辅助设计技术应用到数字化适形铅模的设计过程中，克服 上述两种方法的缺点，提高适形精度。 论文结合数字化射野适形铅模技术的开发，对其中的适形铅模设计技术进行 研究。针对适形铅模的几何形状，采用b 一样条曲线和直纹面的数学模型表述铅 模端面曲线和侧面，结合所使用放疗设备的结构参数，用参数设计的方法，确定 铅模上下表面的轮廓，得到适形铅模的数学模型。 论文针对制模技师的实际需要开发了基于a c i s 的数字化适形铅模设计系 统。系统采用面向对象的编程方法进行分析和设计，将问题域的铅模模型和软件 系统中的模型直接映射，并使用动态链接库技术实现软件功能，利用精确几何造 型平台a c i s 强大的造型功能，实现适形铅模的造型和可视化的用户界面。 最后，以人体心脏的x 光片轮廓为例，实际验证了本文开发的该设计技术和 软件，输出结果表明该软件达到了成像可靠，运算速度高，简单易用的目标。 关键词：放射治疗适形铅模a c i sc a d c a m r a d i o t h e r a p yi sab r a n c ho fm e d i c a ls c i e n c ew h i c hu s e sr a d i a t i o n , p r e d o m i n a n t l y t ot r e a tm a l i g n a n td i s e a s e t h ea i mo fr a d i o t h e r a p yt e c h n i q u ei st oi m p r o v et h e c a r c i n o g e n i cc e l ld e s u l l c d o nw h i l er e d u c i n ga tb e s tt h eu n d e s i r a b l ee f f e c t so n t ot h e n e i g h b o r i n gh e a l t h yt i s s u e c o n f o r m a lr a d i o t h e r a p yg a nr e a c ht h i sa i mp e r f e c t l y o n e w a yt ot r e a tc a r c i n o g e n i cc e l li sc o u p l e dg r a t i n g , t h eo t h e ri sc a s t i n gl e a dm o c k u n f o r t u n a t e l y , t h e r ea r ed i s a d v a n t a g e si nt h e s et w om e t h o d sr e 啾l y t oo v e r c o m e t h e s ep r o b l e m st h ed i g i t a lc o n f o r m a ll e a db l o c kt e c h n o l o g yi sp r o p o s e d , a n dc o m p u t e r a i d e dd e s i g nt e c h n o l o g yi sa p p l i e di nt h ef i e l di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h et e c h n o l o g yf o rd e s i g n i n gt h ec o n f o r m a ll e a db l o c ki sap a r to ft e c h n i q u e d e v e l o p m e n tw o r ko ft h ed i # t a lc o n f o r m a ll e a dm o c kt e c h n o l o g y t h ed i s s e r t a t i o n p o i n t so u tt w oi m p o r t a n ts e c t i o n si nd e s i g ns t a g e ，w h i c hi n c l u d e sm o d e l i n ga n da c i s b a s e ds t r u c 砌n g a c c o r d i n gi oc h a r a c t e r so ft h ec o n f o r r n a ll e a db l o c ks h a p e ，m l e d s u l f 越：ea n db - s p l i n ec u r v ea r eu s e dt oe x p r e s st h es i d es h a p eo ft h ec o n f o r m a ll e a d b l o c ka n dp r o f i l e so f t h et w oe n dp l a n e s ，r e s p e c t i v e l y i nt h ed i s s e r t a t i o n , t h es y s t e mf o ra c i sb a s e de n n f o r m a ll e a dm o c kd e s i g n t e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p e da n dt h ea i mi sa tt h ea c t u a ld e m a n do ft h ec l i n i c e q u i p m e n t t h es y s t e mi sd e s i g n e dw i t ht h eo b j e c t - o r i e n t e dt h e o r y , a n d i sr e a l i z e db y m e a n so f p r o g r a m m i n gl a n g u a g ev i s u a lc 斗_ 卜6 0a n dg r a p h i c ss o f t w a r ea c i s i nt h el a s ts t e p ，w i t hap r a c t i c a lm a c h i n i n gs a m p l ea p p l i c a t i o nt ot h et e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t ，t h es y s t e mi sp r o v e t ob ea c c u r a t ea n df e a s i b l ei nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：r a d i o t h e r a p y ，c o n f o n n a l l e a db l o c k , a c i s ，c a d c a m 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤生盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文储签名。懒族 签字日期：2 矿形年2 月凹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：碱壤 签字日期：别年2 月2 p 日 导师签名：三事陌 签字日期：如石年扣月pi e i 天津大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第章绪论 肿瘤放射治疗( 简称放疗) 是用放射线治疗癌症的一种方法。自居里夫妇发 现镭并用于肿瘤治疗以来，放疗治疗肿瘤这种方法的应用已超过了一个世纪。在 这一百余年的历史中，肿瘤放射治疗有了明显的发展，目前这种方法已成为治疗 恶性肿瘤的主要手段之一。据世界卫生组织估计，在全部恶性肿瘤中，4 5 的病 人可以被目前的治疗方法治愈，其中2 2 可被手术治愈，1 8 可被放射治疗治愈， 余下5 可被药物治愈。若以全部肿瘤病人计算，其中的三分之二在其病程的某 一阶段可接受根治性或姑息性的放疗。可见放疗已被广泛应用于肿瘤的治疗。放 疗追求的目标之一是最大限度地将放射线剂量集中到肿瘤( 靶区) 上，杀灭癌细 胞，同时使周围正常组织和器官免受或少受放射线的照射，扩大对两者放射效应 的差别，控制放射线覆盖范围达到一定的精确程度。在常规放射治疗中，医生考 虑的重点除了肿瘤的疗效外，还有正常组织的耐受剂量。但由于常规放疗技术无 法解决增加照射剂量与降低正常组织并发症之间的矛盾，所以常规放射治疗已不 能满足进一步提高疗效的要求。适形放疗较好地满足这些要求。 “适形”的意思是从射线入射方向观察，肿瘤组织是什么样的形状，照射野 就设计成什么形状。射野适形，要求射野的形状均与靶区外轮廓投影适形，为此 用铅模遮挡射线，将规则射野变成不规则射野，以保护重要的组织或器官。适形 放疗( e o n f o r m a lr a d i o t h e r a p y ) 与常规放疗相比，可以最大限度地减少对肿瘤周 围正常组织和器官的照射，提高对靶区的照射总计量，降低正常组织近期或后期 并发症。 目前，创造高度适形性的放疗技术已成为放射肿瘤学家追求的目标。这方面 的研究始于2 0 世纪6 0 年代日本放射肿瘤学家高桥教授。2 0 世纪末，基于放射 物理学以及电子计算机的高度发展，推动了放疗技术的飞速发展，高桥的原体治 疗( 适形放疗) 设想才得以真正实现。理想的放疗是放射线只照射肿瘤，而完全不 照射肿瘤周围的正常组织，这种放疗在目前还不存在。作为第一步，要使放射区 的轮廓形状符合肿瘤的轮廓形态。如今，在实际治疗中，绝大多数适形放疗采用 天津大学硕士学位论文 多叶光栅和铸造低熔点合金铅材料制模的方法。采用多叶光栅实施放疗，照射区 边缘呈锯齿状，适形精度低，并且叶片之间漏射线。铸造铅模的方法轮廓适形精 度较高，但在浇铸过程中对环境有严重铅污染和塑料污染。 针对上述问题，结合c a d c a m ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n c o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r e ，计算机辅助设计计算机辅助制造) 技术的特点，本文作者的导师 开发了数字化射野适形铅模技术，并申请了国家专利。本课题就是这一总体技术 中的一部分，即数字化适形铅模设计技术研究。 当今计算机技术飞速发展，数字运算与图像处理功能日益强大，特别是计算 机辅助设计( c a d ) ，计算机辅助制造( c a m ) 技术日趋成熟，并且其应用领域 也在逐渐从建筑、机械等传统领域拓宽到生物医学领域。计算机辅助设计是指技 术人员以有高速计算能力和显示图形的计算机为工具，用各自的专业知识对产品 进行绘图、分析计算和编写技术文件等技术活动的总称。它把计算机快速精确的 计算能力、巨大的存储容量和专业人员的经验与能力结合起来，大大缩短了新产 品的开发周期，提高了产品的质量，也对产品的设计思想和设计方法提出了更高 的要求。计算机辅助制造是指设计人员根据c a d 过程提供的信息，进行零部件 加工工艺路线的规划，以及生成控制零件加工过程的信息进行产品的加工制造。 c a d c a m 技术是一项综合性的高新技术，使人的智慧和创造力与计算机系统功 能的巧妙结厶【8 】。 c a d c a m 技术能够提高产品的质量和缩短产品的生产周期，它在传统产业 的改造、新兴技术和产业的兴起与发展、提高产品国际竞争力等方面，均起着巨 大的推动作用。c a d c a m 技术的发展与应用程度已成为衡量一个国家科学技术 和现代化水平的重要标志之一。由于种种原因，国内对c a d c a m 相关软件开 发工作的研究起步较晚，与国际先进水平相比，存在较大差距。以现实中制造铅 模的医用仪器为例，从国外进口动辄几十万，甚至上百万，并且不具备制造仪器 的知识产权，因此根据中国国内经济水平的现实情况，在相当长的一段时间内， 加快微机c a d c a m 系统的研制步伐和商品化进程是适宜之策。当然，正是跟 国外差距的存在促使我们从更高的起点以全新的概念去迎接挑战。 在这一背景下本课题利用c a d c a m 技术，参考国内外相关领域的最新成 果，总结他们的优缺点，并在此基础上取长补短，结合我国国情，建立一套具有 自主知识产权的数字化适形铅模设计系统，完成数字化适形铅模的设计及制造， 并加以完善。本课题将在机械工程和生物医学两个学科交叉部分展开研发。 天津大学硕士学位论文 1 2 适形放疗技术现状 目前，在实际治疗中采用适形的方法主要有两种：多叶光栅，铸造铅模。现 分别介绍如下。 1 2 1 多叶光栅 采用多叶光栅( 自动或手动) 的适形方法较为普遍，其原理如图1 1 。由于 病人肿瘤形状千差万别，并且肿瘤经常与其周围正常组织交织生长，所以需要进 行照射治疗的区域形状可能会很不规则，而多叶光栅的叶片组成的形状是锯齿 图1 - 1 多叶光栅工作原理 叶片 标适形轮廓 形的。这种方法存在的主要问题是照射区边缘呈锯齿状，适形精度是随多叶光栅 数日变化的，叶片数目越少控制越简单，但精度低，叶片数目增加，精度提高， 但控制变得复杂甚至不可实现，在某些部位的适形误差达到2 0 毫米。而且，各 个叶片之间存在不同程度的漏射线问题。所以，总体来说，多叶光栅这种方法不 能满足放疗时适形精度的要求，为了避免肿瘤周围正常组织由于放疗引起严重的 天津大学硕士学位论文 并发症，恶化患者生存质量，医师只能被迫限制对肿瘤照射的总剂量。 1 2 1 铸造铅模 加铸造铅模的方法是采用纯铅材料或低熔点铅合金材料在聚苯乙烯塑料模 具中浇铸制出保护铅模。具体制作过程分五个步骤：第一步，根据在放疗模拟机 上所拍摄的射野光片( x 光片) ，由医生勾画出或由治疗计划系统( t p s ) 给出 射野铅模及位置，形成医生处方；第二步，将x 光片放在热丝切割机的灯箱台 板上，按照处方要求调节好放射源到x 片的距离( s f d ) ，并对好射野中心，装 上相应厚度的聚苯乙烯泡沫塑料，调节好热阻丝的温度，按照x 片上标记的轮 廓进行切割；第三步，由温控熔铅炉中取出低熔点铅开始浇铸，其温度在7 0 。 c 一8 0 。c ( 纯铅熔点为3 2 7 。c ) ；第四步，待整体铅块冷却后取出修整，得到铅 模，并在热丝切割机的射野灯光模拟机下验证；第五步，将铅模用强力双面胶带 粘紧在有机玻璃托板上，放在治疗机上拍片验证。用低熔点铅浇铸制成符合肿瘤 形状的适形铅模的方法，适形精度高，但在浇铸过程中产生铅蒸气和塑料尘埃， 严重污染环境，危害人们健康。并且加工、摆位费时费事，技术要求高，效率和 效果均不是很理想。另外制作铅模时，模室设备的配备耗资很大，既要有耗资数 十万的热丝切割机和熔铅炉，还要有高于纯铅价格的低熔点铅作材料，这样增加 了治疗成本，加重了患者的负担。 1 2 2 数字化适形铝模技术 基于上述现实问题，本文作者的导师提出数字化射野适形铅模技术，并于 2 0 0 5 年申请了国家专利。应用该技术制作适形铅模的大致技术路线如图1 2 所 示。首先需要医生在患者病灶x 光片上勾画出保护区轮廓，用透射式扫描仪对 该x 光片进行扫描，获得计算机图像，然后应用图像处理技术和方法从该计算 机图像中提取放疗射线保护区的轮廓并做矢量化处理，将此信息导入适形铅模设 计系统进行运算，结合所使用放疗设备的结构参数，确定铅模上下表面的轮廓， 完成几何参数设计，得到适形铅模的三维设计模型；最后在c a m 系统中生成相 应的数控加工程序，在多坐标数控铣床上加工完成成品铅模1 7 。这项发明使射野 适形铅模设计制作的过程中，完全避免了铅在熔炼中挥发的毒气，而且进一步提 高了射野适形精度。 从现实医院使用的放射治疗仪器性价比方面来看，国外进口的治疗系统并不 能完全适用于国内医院的实际情况，且报价昂贵，如天津市肿瘤医院进口的铸造 天津大学硕士学位论文 铅模放疗仪器及其软件总报价是5 0 万，一般医院难以承受。相比之下，国内自 主研制开发的适形铅模制造系统具有功能灵活，成本低，操作维护方便，并拥有 独立的产权，后期可继续进行开发利用。 x 光片 jl 勾画轮廓，扫描得到计算机图像 ( 仪器：透射式扫描仪) l 输入图像，提取轮廓并矢量化 ( 图像处理) jl l 铅模三维设计 jl ， 生成数控程序，数控铣床加工完成 上 数字化射野适形铅模 图1 - 2 数字化射野适形铅模技术流程 1 3 本文主要研究内容 在设计铅模放疗系统的过程中，软件的开发至关重要，是整个产品价值的重 要组成部分。本论文是以临床应用为背景，围绕基于a c i s 几何造型平台开发数 字化适形铅模设计系统，从分析a c i s 数据结构入手，采用面向对象方法，进行 系统的总体设计，建立良好的人机界面。作为该系统的设计初期，本文的主要任 务是技术路线上的探索和部分工作的完成。全文主要内容如下： 1 阐明肿瘤放射装置结构及工作原理，分析适形铅模实际工作情况。 2 利用病人的x 光片获取病灶原始信息，通过投影比例变换关系，结合所使 用放疗设备的结构参数，确定铅模上下表面的轮廓信息，根据已知条件，选 择恰当曲面模型表述适形铅模锥台状侧面特征，建立适形铅模的数学模型。 天津大学硕士学位论文 3 采用面向对象的方法进行分析和设计，将问题领域的铅模模型和软件系统中 的模型直接映射起来，进行软件系统体系结构的设计与开发，采用动态链接 库，将几何造型平台a c i s 链接到系统中，利用a c i s 提供的函数进行造型， 做到可视化，并生成用户界面。 4 适形铅模设计系统采用v i s u a lc + + 6 0 为开发工具，基于a c i s 平台，通过动 态库技术实现各个功能模块，完成该系统的设计开发。 5 以人体心脏信息为例，应用程序处理信息，生成结果，验证程序。 天津大学硕士学位论文 第二章基于a c i s 的软件开发平台 就适形铅模设计技术软件开发本身而言，可以选择某个几何造型平台进行开 发，也可以选择商品化软件二次开发，或者从底层造型功能开发。伴随着软件的 开放性、组件化要求和大型系统的复杂化，使得基于通用平台基础构件进行开发 成为复杂软件系统开发的流行趋势，因其开发周期短、见效快、系统稳定性高和 开放性好等优势而倍受亲赖。完全自主的底层开发方式需要投入大量的人力和财 力，成本高昂，并且开发周期漫长，难以满足快速变化的市场需求，违背了适形 铅模软件系统开发的初衷。选择商品化软件二次开发，要求从事二次开发的人员 必须熟悉商品化软件的功能和相应数据库的结构，这需要一定的时间和工作，再 者，改动软件后还可能出现系统的不稳定性，影响版本升级。综上所述，为了避 免重复性、低层次开发工作，同时考虑要有独立的知识产权，采用通用几何造型 平台的方法进行开发是明智之举。当然，这种通用平台的选择对于系统的最终性 能也至关重要。目前c a d c a m 系统开发平台主要有a c i s ，p a r a s o l i d ， c a s c a d e 等。本文采用功能强大的几何造型平台a c i s 进行数字化适形铅模设 计，并把造型器a c i s 内嵌到v i s u a lc + + 6 0 中。 2 1a c i s 介绍 对于一个描述几何形状的应用程序来说，它至少能够显示它所描述的对象的 图像，在虚拟现实、计算机游戏以及动画等应用程序中就要用到一些造型器，这 些造型器对物体的描述非常简单，却可以很好的完成显示图像的功能，这是因为 所用的模型精度不是特别重要。而在一些模型精确要求较高的应用环境中，因为 它们是基于对物体的实际形状的逼近，计算物理性质时不能产生一个准确的结 果，这些造型器就不可用了。而我们使用的a c i s 是一个应用于c a d 系统开发 的精确的几何造型平台。 a c i s 是美国s p a t i a l t e c h n o l o g y 公司的产品，它是用由一些内部关联的曲线 和曲面组成的网络来描述形状，并提供从简单实体到复杂实体的造型功能，以及 实体的布尔运算、曲面裁剪、曲面过渡等多种编辑功能，还提供了实体的数据存 储功能和s a t 文件的输入、输出功能。现来主要介绍a c i s 基本内容，数据结 查堡查兰堡主兰竺笙兰 构和a c i s 辅助开发工具，以及a c i s 中m f c 和v i s u a lc h 6 0 中m f c 的联系。 2 1 1a c i s 形成背景及应用 a c i s 是一个基于面向对象软件技术的三维几何造型引擎。1 9 7 3 年英国剑桥 大学布雷德以博士论文的形式发表了使用体素拼合和边界表示的第一个实体造 型实验系统，以后经过不断的改进，1 9 8 6 年底布雷德等推出第三代实体造型软 件产品a c i s 。a c i s 是三位技术核心人员的名字a l a ng r a y e r ，c h a r l e sl a n g ，i a n b r a i d ( 其中第一、三位是剑桥的博士，中间一位是他们的导师) 和s o l i d 的首字 母组成。它的特点是用c + + 技术构造，包含一整套的c + + 类( 包括数据成员和方 法) 和函数，向应用程序提供一个包括曲线、衄面和实体造型的统一开发环境， 即提供通用的基本造型功能，并可以在此基础上扩展它的功能。 在a c i s 中集成了线框造型、曲面造型以及实体造型方法，而且这些造型方 法可以在一个统一的数据结构中共存，所以一个a c i s 实体可以用上述方法中的 一种和多种同时表示。线框造型仅用边和顶点定义物体，曲面造型类似线框模型， 只不过在定点和边的基础上又增加了曲面和平面两个描述模型的元素，实体造型 用物体的大小、形状、密度和物理属性( 重量、容积、重心) 来描述模型。 a c i s 产品使用软件组件技术，用户可使用所需的部件，也可以用自己开发 的部件来替代a c i s 部件。a c i s 产品包括一系列的a c i s 几何造型和多种可选择 的软件包，一个软件包类似于一个或多个部件，提供一些高级专用函数，可以单 独出售给需要特定功能的用户。同时，作为商品化的c a d 系统的开发几何平台， a c i s 具有良好的几何造型和数据结构，被众多软件制造商采用，其中比较著名 的有美国a u t o d e s k 公司的m d t 软件，中国的金银花软件等。 2 1 2a c i s 中的基本概念 1 几何体 几何体( g e o m e t r y ) 指模型表示中的物理元素，如点、线( 曲线) 和面( 曲 面) ，这些元素独立于它们的空间或拓扑关系。a c i s 中存在两种实现方法完全不 同的几何体类：构造几何体和模型几何体。 构造几何体指那些具有几何对象的数学定义的c + + 类。在a c i s 中，构造几 何体类的名称用小写字母表示，包括c o m p c u r e 、c o n e 、e l l i p s e 、i n t c u r v e 、m e s h s u r f , p l a n e 、s p l i n e 、s t r a i g h t 和t o r u s 。如s p h e r e 类是提供对象的构造、析构、修改、 访问以及求解的方法，该类不可以直接保存在a c i s 的s a t 文件中。 天津大学硕士学位论文 模型几何体指为构造几何体增加模型操作功能的那些类，它的数据结构中含 有指向构造几何体的指针，模型几何体和模型保存在一起，是永久性的，名称用 大写字母表示。例如s p h e r e 类是定义球体模型的模型几何体，它提供如下功 能：实体对象标识、模型的保存和恢复、模型操作历史树的建立与回溯、多用户 使用计数以及其他一些公共的模型处理功能，球体的中心和半径的设置以及球体 的位置变换的方法。该类的对象可以保存到a c i s 的s a t 文件中，包括来自类 s p h e r e 的构造几何体信息。 2 拓扑体 拓扑指组成模型的各个对象间的空间关系，也就是几何对象是如何连接的。 拓扑定义了一个空间位置不固定的浮动模型。当拓扑实体和几何实体关联在一起 时，它的空间位置才确定。拓扑可以是有边界的、没边界的和半封闭的，这种实 体在物理世界中是不存在的，但在a c i s 中可以表现出来。 3 边界表示法 在a c i s 中，实体的几何和拓扑特性被分别表示，这是因为a c i s 是一个边 界表示法造型器，用这种造型方法可以确定某个位置与某个体积之间的相对关系 内部、外部或位于边界上。这是实体造型与曲面造型和线框造型之间的区别。 利用边界表示法a c i s 可以同时表示某个模型的线框、曲面和实体状态，这些状 态共存于a c i s 的数据结构中。最常用来描述这个数据结构的方法是树形结构。 a c i s 规定：尽管每个实体可以有多个继承节点，但是只能有一个父节点。图2 1 块( w m p )块( l u m p ) 广l 壳( s h e l l )壳( s h e l l )壳( s h e l l ) 广上i i 面( f a c e )面( f a c e )面( f a c e ) i 广j i 曲面( s u r f a c e ) 环( l o o p ) 广_ 1 有向边( c o e d g e ) 图2 - 1a c i s 中实体的层次关系 - 9 - 天津大学硕士学位论文 给出了a c i s 实体的层次关系，图中有向边以下部分就不能用这个结构来描述了， 而使用一个内部关联的网来描述。因为每个边可以被多个有向边引用，同样每个 顶点的所有者也不是唯一的，可以被不同的边或有向边共享。 4 实体和模型对象 实体是a c i s 中最基本的对象，它由c + + 中的e n ，n t y 类实现，所有的实体 对象具有一组相同的功能，包括实体本身的信息保存功能、自身复制功能以及调 试功能。a c i s 的模型对象由派生于e n t i t y 类的不同层次的类实现。 5 属性 属性被用于给实体附加数据，每个实体可以没有或有多个属性。c - h 中的 a t y r i b 类直接继承于e n t i t y 类，它提供了所有属性共享的数据和功能，包括 用户定义属性和系统属性。a t t r i b 类执行将属性列表附加到模型实体的操作。 属性可以是简单数据、指向其他实体的指针、与某个应用程序的连续或可变长度 数据。开发者可以通过定义a t t r i b 类的派生类来定义自己的属性类，这些类可 以给实体附加应用程序专用的数据。几何造型系统中通常使用以下几种类型的属 性： a ) 简单属性：它只能包含简单数据，可以表示一些如实体的材料或者颜色 之类的属性。 b ) 复杂属性：它可以含有指向其他实体的指针，可以表示一些如尺寸、约 束以及特征的属性。 c ) 连接属性：它用来将实体和一些应用程序定义的变长度数据连接在一起。 如果一个实体需要引用一些变长数据，属性就要产生一个连接实体和数 据的桥梁，变长度数据必须以可以接受的形式存在，如数组、链表等数 据结构形式，属性必须含有指向变长数据的指针。 属性是附加在a c i s 模型中的实体上的对象，它存储了一些关于实体的信息， e n t i t y 类本身没有定义这些信息，c + + 属性基类a t t r i b 提供了对所有属性类 都通用的数据和功能，每个实体对象含有一个属性指针，因此从类e n t i t y 派生 的任何类都可以拥有属性。 天津大学硕士学位论文 2 1 3a c i s 的主要功能与结构 a c i s 作为面向对象的几何造型平台，功能很多，主要包括： 1 线框造型功能：该功能提供了多种创建二维图素的方式，包括点、直线、 圆、自由曲线等；同时还提供了图素间的操作功能，包括旋转、平移、 复制、等距、过渡、剪裁、打断等。 2 曲面造型功能包括： 1 ) 提供了创建各种平面、柱面、锥面、球面、环面、样条曲面的方式； 2 ) 提供了曲面问的操作功能，包括旋转、平移、复制、等距、过渡、 裁剪、延伸等； 3 ) 变形曲面功能，该功能允许操作者遵循曲面上固定的点或线，频繁 的改变用交互式方法构造的自由曲面的几何性； 4 ) 网格曲面功能，该功能对于具有突变数据平面片和海量数据平面片 的a c i s 曲面模型均可以用分片曲面网络多变形表示。 3 实体造型功能，该功能提供了多种途径创建实体，既可以通过体的拓扑 元素( 立方体、圆锥体、圆柱体、棱体、棱锥、球体、圆环体等) 来创 建，也可以通过包围某一区域或扫掠曲面来创建，该功能还包括： 1 ) 高级过渡模块功能，该功能扩展了a c i s 内含的标准过渡功能，对于 具有复杂拓扑和几何关系的模型，提供了多样的过渡类型。 2 ) 局部操作功能，该功能允许操作者在三维模型的曲面上进行局部操 作，而不会改变实体模型的拓扑结构；同时允许现有的模型特征不 通过布尔运算进行操作，可以保证模型拓扑和几何的完整性。 3 ) 壳体构造功能，该功能通过给定的距离和实体模型的所有曲面，创 建或定义一薄壁的壳体，在工业造型方面具有广泛的应用。 4 模型渲染功能该功能可以通过光照、材料、纹理和三维裁剪创建高质量、 交互式的、具有真实感显示的a c i s 模型。 5 隐藏线功能，该功能可以使实体、曲面、线框造型的隐藏线消失，继续 保持模型的几何性，能够更好地对三维模型进行真实感显示，更方便地 发现造型的缺点或矛盾。 6 a c i s 扩充功能，该功能可以使开发者将独自开发的软件( 包括类、函数、 属性等) 自由地添加扩充到a c i s 功能中。 7 a c i s 提供的文本处理功能，这一功能可以将模型信息保存到磁盘文件 中，当然也可以从这些文件中读出并恢复保存的模型信息。这些文件的 天津大学硕士学位论文 格式是公开的，这样非a c i s 软件系统也可以使用这些功能。有两种 a c i s 存储文件格式：标准的a c i s 文本文件( s a t ) 和标准的a c i s 二 进制文件( s a b ) 。 a c i s 作为成熟的商品化的几何平台，用户只要熟悉a p i 函数或c + + 类就可 以进行二次造型开发，但是，如果最大限度的发挥a c i s 的潜能，进行更深层次 的生产开发，用户就必须熟悉a c i s 的结构。 一个软件组件是具有一定功能的软件单元，它是为实现某一明确功能而组合 在一起的软件元素，如函数或类等，它是整个软件系统或产品的组成部分，一个 软件产品就是由一个或几个这样的软件组件装配在一起组成的系统。组件可以按 照不同的组合而形成不同的软件产品。a c i s 就是按照软件组件技术设计的软件 产品，应用程序可以仅使用其中的一个组件，也可使用几个组件，并且，软件组 件技术允许开发者用自己开发的组件替代a c i s 组件。a c i s 提供的部分组件如 表2 1 所示。 这里需要说明的是，组件的源代码被编译成一个或多个目标库，应用程序必 须连接它所引用的所有组件的目标库，a c i s 的核心库提供了两种形式：静态链 接库和共享库。共享库在操作系统中被称为动态链接库( d l l ，d ) m a 蚵cl i n k l i b r a r y ) ，使用共享库的名称是为了表示与操作系统无关。 2 1 4a c i s 的数据结构 采用面向对象的程序结构后，a c i s 提供了丰富的模型类，分别是数学类、 几何类、实体类、拓扑类和其他几大类别。 数学类提供基本的数学工具，以便在右手直角坐标系中定义和操作各种几何 元素。运用c + + 的函数重载机制，( 在c + + 程序中，可以将语义、功能相似的几 个函数用同一个名字表示，即函数重载。) 使得加、减、乘、除、点积、叉积等 算子可以应用于不同的操作对象。 数学类包括： 位置直角坐标系中的点； 矢量直角坐标系中的位移； 单位矢量矢量的派生类； 矩阵摄影变换； 变换作用于齐次形式的三维矢量； 参数曲线上点的浮点参数值； 天津大学硕士学位论文 表2 - ia c i s 组件 描述和解释 a c i sm f c ( a m p c )支持基于肛c 的应用 a g 样条( a g )a g 样条裤和接口 高级混合( a b l )可选的高级混合组件，含有标准a c i s 混合功能以外的功能 高级着色( a r )可选的高级着色组件，用来对图像进行着色处理 基本功能( b a s e )所有其他a c i s 组件要用的基本的通用功能 混合( b l n d ) 标准的混合操作 布尔运算( b o o l )实体的交、并、差运算 覆盖( c o v e )给所有边界覆盖上线框和平面片 变形造型( d m )可选的a c i s 变形造型组件，用于雕塑面造型 图形交互( g i )普通的图形显示功能 线消隐( i h l )产生a c i s 实体的隐藏线消隐试图 o p e n g l 交互工具( i g l )在o p e n g l 视图中动态修改模型的工具 内核( k e r n )基本实体和属性的支持、拓扑和几何实体类、文件的保存 规则( l a w s )提供利用符号方程的能力 零件管理( p a r t )支持实体组 p r o e 转换器( p r o e )可选组件，将零件文件转换到a c i s 框架支持( s c m ) 框架解释器；基本框架扩展 扫掠( s w p )严某一路径扫掠一个二维截面 可视化管理( v m )模型的可视化显示和操作 位置参数曲面上点( u ，v ) 的参数值； 参数域矢量参数平面上的矢量( d u ，d v ) ； 参数域方向参数平面上的单位矢量； 参数域包围盒( 1 0 w - u ，l o w - v ，h i 曲一u ，h i g h - v ) 四元组。 几何类用来定义通用的曲线、曲面和实体等几何元素。a c i s 将几何分为两 个层次，通用几何类属于底层，并不与物体的数据结构建立永久性联系。在物体 的固定数据结构中再设置一层对应的上层几何类。几何类分为： 曲线基本类，下面再细分为直线、椭圆、交线等子类。每种曲线可看作 天津大学硕士学位论文 是参数曲线向三维矢量空间的一种映射； 直线由一点及一单位方向矢量定义，无限延伸； 椭圆包括圆和椭圆，走向按平面法矢的右手法则确定正负； 交线兼含一般空间曲线和两张参数曲面的交线。两者的区别在于具有不 同的逼近容差，前者误差为零。交线必须二阶可微，而且对参数的 一阶导矢有连续的方向变化； 参数域曲线空间参数曲线在参数平面上的二维影射，二阶可微，一阶导 矢连续，a c i s 中的空间参数曲线总是依附于某一曲面； 曲面基本类，派生出平面、圆锥面、样条曲面几种子类； 平面有一点和一单位法矢定义，在实体中法矢指向面的外侧； 圆锥面正椭圆锥，用底面椭圆及半缀角的正弦和余弦值定义。当截锥的 上顶面小于下底面时，正弦余弦异号，相反，同号。 样条曲面参数曲面，二阶可微，法线方向连续。 a c i s 实体造型部分的数据结构，既反映了经典的实体模型的计算机表示， 有突出体现了实体造型技术的当前发展趋势，就是将原来的以正规形体为基础的 纯多面体模型扩展到引入精确表示的参数曲面，允许线、面、体共存于一个物体 模型之中，面、环、边可以不封闭或无界，同时又允许加入零件属性等，为更灵 活、通用的产品建模提供了强有力的工具。 实体类用来描述a c i s 模型的共性数据结构和共性功能，统一管理数据的存 取、查询和备份、通讯。从通用的实体类再派生出各种a c i s 模型的具体数据结 构。实体类下含九种拓扑项：体( b o d y ) 、壳( s h e l l ) 、子壳( s u b s h e l l ) 、面( f a c e ) 、 环( 1 0 0 p ) 、共边( c o e d g e ) 、边( e d g e ) 、顶点( v e r t e x ) 和线( w i r e ) ：五种几何 项：点、曲线、参数域曲线( p c u r v e ) 、曲面和交换；另有一个通用项：属性。 当然用户也可以在应用程序中定义其他属性，作为通用属性的子类。图2 2 给出 了a c i s 实体的派生类结构。 a c i s 模型的边界表示是将模型的拓扑结构按层次分解成下属对象： 体( b o d y ) 由封闭表面围成的有限空间，它是实体对象的最高层次， 是块的集合，体可以是直线、面或实心体，也可以把几个不连续的 部分看成为一个体。 块( l u m p ) 表示空间中一个有边界的、互相连通的区域。块是完全连 接的点集，可以是一维、二维或三维点连接而成的组合，与其它块 不关联，其边界由壳组成。 天津大学硕士学位论文 图2 - 2a c i s 实体的派生类结构 壳( s h e l l ) 是完全相联的面或者线的集合，是一个完整物体的封闭边界； 面可以通过公共边或公共顶点连接在一起，线可以在端点处与面相 联，一个实体可能包含多个壳，但仍是一个块。 子壳( s u b s h e u ) 壳或子壳的一个分割，系统用它来提高壳与壳间相关 性判断的算法效率； 面( f a c e ) 物体表面的一部分，是有界、不相交的连通表面，带有方向 性。面的有效范围由一个外环和一个内环界定。面可以无内环，但 必须有外环。一张面只能属于一个壳。 环( l o o p ) 环是面边界的连通部分，即是由有序、有向边组成的封闭周 界，环不能自交。 边( e d g e ) 是与曲线相关的拓扑，用来存放一条边与相邻边以及与环的 关系，与曲线关联的拓扑，由顶点界定。 有向边( c o e d g e ) 边是一条空间曲线的有界部分，边有方向，从起点指 向终点，边不能自交。 天津大学硕士学位论文 顶点( v e r t i c e s ) 是面的角点，指向物体空间的一个点及一条边，该顶 点构成该条边的端点。 线( w t r e ) 边的互联集合，没有附着在面上，不包围某个区间，线可以 表示抽象的物理模型或者一些理想化的对象。通常用于组成线框在 表面化而形成壳的操作中。 图2 - 3 中说明了概念上的拓扑对象之间的关系，这些对象组成了a c i s 的边 界表示方法的基础。它们在a c i s 中分别用c + + 类b o d y 、s h e l l 、s u b s h e l l 、 f a c e 、l o o p 、w i r e 、c o e d g e 、e d g e 和v e r t e x 实现，这些类派生于类 e n t i t y 。拓扑定义中包含了各个元素之间的层次关系。 体( b o d y ) j 块( l u m p s ) 上 面( 环( 有向边( c o e d g e s ) 0 边( e d g e s ) 顶点( v e r t i c e s ) 图2 3 拓扑对象间的关系 w i r e s ) 天津大学硕士学位论文 2 1 sa c i s 与c + + 的联系 a c i s 是用c + + 构造的图形系统开发平台，它包括一系列的c + + 函数和类。开 发者可利用这些功能开发面向终端用户的三维造型系统。a c i s 是一个实体造型 器，但是线框和曲面模型也可以在a c i s 中表示。a c i s 通过一个统一的数据结构 来同时描述线框、曲面和实体模型，这个数据结构用分层的c + + 类实现。a c i s 利 用c + + 的特点构造了标准的、可维护的接口。a p i 函数在不同a c i s 版本间保持一 致性，而类及其接口函数则可能改变。 a c i s 中应用到的主要c + + 概念包括：数据封装、类构造重载、构造复制、类 方法和操作符重载以及函数重载等。c + + 没有提供描述几何体的数学基本类，a c i s 提供了一些c + + 基类实现这个功能，并且利用c 抖的特性可以对它进行了扩充， 这样a c i s 就可以支持任意几何体的定义和构造功能。 v i s u a lc + + 6 0 集成开发环境提供了一个快速编程的框架，很大地提高了编程 效率，但是还必须对c c 抖语言编程有深入的了解，理解m f c 库( m i c r o s o f l f o u n d a t i o nc l a s sl i b r a r y ，微软基础类库) 和l l r m d o w 下的编程方法。在l l r m d o w 下编程，通常是调用w i n d o w s a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ，应用程序编程 接口) 来实现的，v i s u a lc + + 6 0 将大量的w i n d o w sa p i 以c + + 格式进行封装， 通过m f c 方式提供给开发人员，大大简化了开发人员的编程工作，提高效率。 我们可以使用f c 完成大多数的工作，已可以直接调用w i n d o w s a p i 完成一些 底层开发。v i s u a lc + + 6 0 提供两个功能强大的编程工具：a p p w i z a r d ( 应用程序 向导) 和c l a s s w i z a r d ( 类向导) 。利用a p p w i z a r d 可以在短时间内创建出w i n d o w s 应用程序的框架，c l a s s w i z a r d 可在应用程序框架上迅速增加类、成员变量于函 数，使w i n d o w s 得以快速实现。 2 1 6a c i s 辅