acis一种多面体三维几何造型核心系统

acis一种多面体三维几何造型核心系统

1acis软件简介1973年，英国剑桥大学的broidan以博士论文的形式出版了第一个实质性模型实验系统，并以体素表达和边界为代表。此后吸收了BaumgartBG在研究机器人视觉景物造型系统GEOMED中的多面体建模技术(该技术用翼边结构描述多面体的面、边、点之间的拓扑关系以及用欧拉算子构造和修改多面体模型),逐步建立起用边界表示法(B-rep)生成三维实体的理论体系。1974年BraidIan和他的导师CharlesLang以及同窗AlanGrayer等创办了ShapeData公司,开发了第一代实体造型软件Romulus,1988年又改进为Parasolid,并被美国麦道公司集成到UGIICAD系统中。由于此软件性能好、知名度高,已被近百家公司和研究单位购买,作为它们自己CAD系统的核心软件。1989年BraidIan等人推出了第三代ACIS几何造型系统,ACIS即为这三位核心技术人员名字和实体(Solid)的第一个字母的组合。ACIS的特点是采用面向对象的数据结构,用C++编程,允许线框、曲面、实体任意灵活组合使用,后与美国空间技术公司(SpatialTechnologyInc.)联合,把NURBS技术纳入其中,增加了NURBS曲面模块,成为商品化的几何造型核心系统。它鼓励各软件公司在ACIS几何平台上开发与STEP标准相兼容的集成造型系统,并共享相同的几何模型,相互可以直接交换产品数据,ACIS构成了这些系统的几何总线。SpatialTechnology公司在1986年成立,ACIS作为美国SpatialTechnology公司推出的三维几何造型引擎,它集线框、曲面和实体造型于一体,并允许这三种表示共存于统一的数据结构中,为各种3D造型应用系统的开发提供了几何造型平台。目前ACIS3DToolkit在世界上已有380多个基于它的开发商,并有180多个基于它的商业应用,最终用户已近一百万。到目前为止,SpatialTechnology公司已经推出了最新的ACIS7.0几何平台,它包含了IGES接口操作,互用性(Interoperability)更强,提出了很强的布尔操作,而且增强了高级曲面操作、特征命名、错误信息反馈等功能,在原有OpenGL的基础上利用VISMAN(VISualizationMANager)技术使模型显示和渲染更加快速、便捷,使用户能象ACIS模型一样方便地显示和操作非ACIS模型。2模型数据的两性类ACIS的实体模型数据结构在设计上有两个特点:一是采用了面向对象技术;二是集成线框、曲面和实体的非流形边界表示。ACIS在程序设计方法上采用了面向对象技术,利用C++语言对原代码重写使数据结构更加严瑾、运行速度也大大加快。如1989年推出的ACIS就是很好的范例:由于算法上的改进,其运行速度是第一代Romulus的4-20倍,是第二代Parasolid的2-6倍。鉴于ACIS的成功经验,Euclid-IS新版采用了面向对象的集成数据库管理系统;Intergraph、I-DEAS、CV-DORS、CATIA等也相继对原有的系统利用面向对象的技术进行改进和扩充。采用面向对象的程序结构后,ACIS提供了数学类、几何类、实体类、拓扑类和其它几大类别。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。运用了C++的功能重载机制,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、矢量、单位矢量、矩阵、变换、参数、位置参数、参数域矢量、参数域方向、参数域包围盒等。几何类用来定义通用的曲线、曲面和实体等几何元素。ACIS将几何分成两个层次,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。几何类有:曲线、直线、椭圆、交线、参数域曲线、曲面、平面、圆锥面、样条曲面。实体类(ENTITY)用来描述ACIS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ACIS模型的具体数据结构。实体类下含九种拓扑项:体(body)、壳(shell)、子壳(subshell)、面(face)、环(loop)、共边(coedge)、边(edge)、顶点(vertex)和线(wire);五种几何项:点、曲线、参数域曲线(pcurve)、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。ACIS的经销公司统一协调各家用户二次开发中自己追加的属性名,以免在ACIS平台上开发的应用系统相互集成时发生冲突。几何(Geometry)、拓扑(Topology)和属性(Attribute)是ACIS模型的三个基本类,三者统一由最基础的抽象类ENTITY所派生。虽然ENTITY本身不代表任何对象,但在ENTITY中定义了它的所有子类应具有的数据和方法(如存储、恢复、回溯等)。ACIS模型数据的ENTITY及派生类层次关系如图1所示。ACIS采用扩展的边界表示法表示一个三维的几何模型,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,模型不一定是通常的流形体,可以是非流形体,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。如图1是ACIS实体模型数据结构。ACIS的数据结构,既反映了经典的实体模型的计算机表示,又突出体现了实体造型技术的当前发展趋势。ACIS的拓扑包括BODY(体)、LUMP(块)、SHELL(壳)、SUBSHELL(子壳)、FACE(面)、LOOP(环)、WIRE(线框)、COEDGE(公共边)、EDGE(边)和VERTEX(顶点)。ACIS把线框(WIREFRAME)、曲面(SURFACE)和实体(SOLID)存储在统一的数据结构中,这种共存机制使ACIS支持混合维模型和各种非闭合模型。图2描述了拓扑对象间的关系以及拓扑与几何间的关系3acisvpn件一个软件组件是一个专业化的软件单元,即为了某种特殊目的或用途服务的软件元素(如函数、类等)的集合。组件用来作为一个完整的软件产品的组成部分,一个完整的软件产品是由一个或多个软件组件组装而成的并作为一个软件包出售,组件可由不同的组合方式构成不同的产品,组件技术已成为当今软件开发的重要发展方向。ACIS的产品线是采用软件组件技术设计的,在公司成立之时就打起了软件组件技术和开放系统的旗帜向传统的CAD/CAM领域发出了挑战。ACIS的产品线的目的是为虚拟制造提供一个通用的具有很高的互操作性的开放平台,ACIS的产品线由几何造型引擎ACIS3DToolkit和多个可选的组件构成。这些可独立出售的组件可以根据应用的需要加到ACIS内以增强其功能。一个ACIS产品就是一个集成在一起的、作为软件包出售的组件集合。ACIS3DToolkit是核心组件,开发者可在它基础上构造自己的应用程序,它采用面向对象语言C++开发,提供了在一致的、公共的数据结构之上的线框、曲面、实体的造型功能框架,具备三维造型的基本功能,如faceter、零件/模型管理、图形交互、基本显示、OpenGL显示等。除ACIS3DToolkit外,还有许多可选组件:ACISDeformableModelingHusk、ACISJetScreamHusk、AdvancedBlendingHusk、AdvancedRenderingHusk、AdvancedSurfacingHusk、Architecture,Engineering,ConstructionHusk、CATIATranslatorHusk、CellularTopologyHusk、HealingHusk、IGESTranslatorHusk、LocalOperationsHusk、MeshSurfaceHusk、PreciseHiddenLineHusk、Pro/ETranslatorHusk、ShellingHusk、SpaceWarpingHusk、STEPTranslatorHusk、VDA-FSTranslatorHusk。另外,还有许多第三方开发的组件,这些组件也同样可嵌入基于ACIS的应用中。建立在软件组件技术基础上的开放式体系结构形成了ACIS的重要特色,可使不同用户、不同应用采用不同的组件组合,开发者也可以用自己开发的组件替代ACIS组件。ACIS的C++库由35个DLL组成,为开发者开发3D应用软件提供了极大的柔性和功能基础,开发者可以迅速把ACIS的新版本集成到产品中。例如Ashlar公司(VellumSolids)和VisionaryDesignSystems公司(IronCAD)几乎在ACIS4.0面市的同时宣布其基于4.0的应用推出。4acis的编程接口ACIS为C++编程提供了两个接口:C++接口、AMFC接口。另外,还有一个快速开发脚本语言Scheme(限于篇幅,不再介绍)。4.1acis的接口C++接口如图3所示,基于ACIS的C++开发接口有3个:API函数、C++类和DI函数。开发者也可通过创造自己的类和API函数扩展ACIS。(1)API函数(ApplicationProceduralInterface)。API函数提供了开发应用软件的主要接口。应用软件通过调用API函数建立、修改或恢复数据,无论ACIS底层的数据结构或函数如何修改,这些函数在每一版本中均保持不变。当在API例程中发生错误时,ACIS可立即自动回溯到调用此API例程前的状态,从而保证模型不会崩溃。(2)类(Class)。类是ACIS以C++类的形式提供的开发接口,可用于定义模型的几何、拓扑以及实现其它功能。在应用中,可直接通过类的公共(public)数据成员和保护(protected)数据成员以及成员函数(memberfunction)与ACIS相互作用。开发者也可以根据特殊的需要从ACIS类派生出自己的应用类,类接口在各版本中可能有变化。(3)DI函数(DirectInterface)。DI函数提供了不依赖于API而对ACIS造型功能可直接访问的接口,与API不同的是,这些函数在各版本中可能有变化。DI函数并不能访问ACIS中的所有功能,它们通常用于那些并不改变模型的操作,如查询等功能。另外,DI函数提供了底层样条库的接口。4.2acis的amfcAMFC(ACISMicrosoftFoundationClassComponent)是专门为MicrosoftWindows平台提供的与MFC的接口。ACIS提供了在VC++5.0/6.0下用MFC开发的接口ACISMFC,AMFC把ACIS与MFC结合起来。AMFC的大多数类从MFC派生而来并通过线索(hook)与ACIS相关,另外,工具类提供了应用程序常用的功能如:摄象机移动、鼠标移动、拖动操作、布尔操作、画线、画圆,AMFC还包括ACISAPI函数的包裹函数。AMFC一方面说明了ACIS是可以与MFC集成的,另一方面提供了一个初始的基于MFC的ACIS的应用程序骨架。如图4为ACISMFC中框架类之间的关系拓扑图,其中虚线框部分为ACIS接口部分,与MFC结合可以实现文件存储、模型显示等功能。其中CAcisApp由CwinApp派生,重载了InitInstance和ExitInstance方法为ACIS的运行作初始化和关闭操作;CAcisView处理显示界面,它使用四个数据成员跟踪视图的初始化过程;CAcisDoc主要是实现数据的操作,包括零件(PART)数据文件的管理和渲染(rendering_context)的操作。3D软件经常是通过鼠标操作的,ACISMFC提供了两个处理鼠标事件类input_event_handler和rubberband_driver,CacisView类自动将鼠标事件(即pick_event类的实例对象)传递给这两个类的实例对象,MouseTool从input_event_handler派生而来,处理鼠标事件,应用软件可以从MouseTool派生出自己的工具类以处理鼠标事件。如图5是ACISMFC提供的示范性的工具类,开发者常常需要从MouseTool或input_event_handl