梅敬成  三維CAD軟件發展歷程：過去，現在和未來 （ACIS,Parasolid,OCC, 中望OV,華天CRUX IV ）

ACIS三維幾何造型引擎和SAT文件 /SAB文件

1.CAD內核

   CAD技術從60年代誕生以來，經歷了二維繪圖、線框模型、自由曲面模型、實體造型、特征造型等重要發展階段。隨著CAD技術的發展也誕生了許多成熟和知名的CAD引擎和軟件。

    目前，商用CAD引擎主要包括了ACIS、HOOPS、ParaSolid等。其中使用ACIS引擎的底層產品主要包括了AutoCAD、Inventer、Catia、MicroSolid等；使用ParaSolid引擎的主要包括了UG、Solidworks、SolidEdge等。但由于關注點的差別及商業保密的因素，不同的CAD軟件都有自己的一套建模方式和存儲體系，這導致了系統間數據無法進行直接的傳遞。目前采用的方式是通過中間標準格式文件為媒介進行傳遞，但是這種方式會丟失一些細節特征，這就還需要進行一些其它額外的修補工作，這也一定程度上影響了CAD技術的發展。

    在商用CAD軟件外，還有一些比較成熟的開源CAD引擎，其中使用的比較多的是OpenCascade(簡稱OCC)。OCC平臺是由法國Matra Datavision公司開發的CAD/CAE/CAM軟件平臺，可以說是世界上最重要的幾何造型基礎軟件平臺之一。它是一個開放源碼CAD 內核，可以定制和擴展（添加新的功能組件，類的進一步繼承），面向CAD/CAM，對主流CAD 數據格式提供支持（STEP/STL/IGES 等，可自行開發轉換程序提供特定數據格式的支持），提供高級建模函數（擬合，有理樣條曲線，拉伸、旋轉、掃略、層疊拉伸、圓角、倒角、薄殼、修剪、偏移等），參數化模型，提供幾何模型的特征提取，對Visual C++/MFC 有很好的支持。各CAD引擎間的對比關系如下表所示：

CAD引擎間的對比

    通過上面的對比來說，可以看出ACIS+HOOPS的組合，以及ParaSolid作為商用的引擎具有更高的成熟度和性能優化；但這些引擎需要授權，而且出于商業機密，無法提供最終完全的源代碼，透明度和擴展性會有一定的限制。

    相對于商用軟件，開源CAD引擎具有免費、可擴展性好等優點；同時隨時CAD技術及開源引擎的不斷優化，像OCC這樣的引擎將在更多的領域得到應用。目前基于OCC的CAD軟件有FreeCAD、HeeksCAD、AnyCAD等。

2.CAD數據格式說明

（1）商用CAD軟件格式

     目前，成熟的商用軟件都有其自身的一套文件體系。這些文件出于存儲效率及其它商業原因，大多以二進制形式提供，而且格式不明確。作為3D技術的領導者，Spatial意識到實現不同格式數據（包括原始格式數據和非原始格式數據）有效轉換的必要性。為此，Spatial開發了3D InterOp數據轉換組件，開發者們可以很容易地將我們提供的先進的3D數據轉換技術集成到各自的3D軟件產品中，這些軟件產品可以是CAD/CAM/CAE應用程序、數據管理系統（如PDM、EDM和MES等）、協同系統以及可視化解決方案等。

    Spatial全面的InterOp組件包能夠透明地實現實體、曲面和線框數據的直接或間接地轉換（包括采用中間格式或原始庫的方式），可以轉換的3D數據格式包括CATIA V5, CATIA V4, IGES, STEP, VDA-FS, Pro/ENGINEER (Pro/E), Parasolid (PS), Unigraphics (UG), SolidWorks, Inventor, 和ACIS。每一種轉換器都經過精細微調，并經常更新，確保3D數據轉換的準確。每周，轉換器都將經歷225,000多個測試，以保證轉換質量。

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（2）通用標準CAD格式

   除了商用軟件各自的格式外，為了統一和使用方便，一些國際組織和機構也推出了一些廣泛使用通用標準格式。目前使用比較多的CAD數據文件格式包括Iges、Step、Stl、VRML等，相關具體說明如下：

   IGES：基本圖形交換規范（The Initial Graphics Exchange Specification），1980年美國國家標準局（NBS）主持成立了由波音公司和通用電氣公司參加的技術委員會，制訂了基本圖形交換規范IGES，并于1981年正式成為美國國家標準。作為較早頒布的標準，IGES被許多CAD/CAM系統接受，成為應用最廣泛的數據交換標準。

 STEP：產品模型數據交換標準（STandard Exchange of Product data model），1988年ISO制定的描述整個產品生命周期內產品信息的標準，它提供了一種不依賴具體系統的中性機制，旨在實現產品數據的交換和共享。這種描述的性質使得它不僅適合于交換文件，也適合于作為執行和分享產品數據庫和存檔的基礎。發達國家已經把STEP標準推向了工業應用。它的應用顯著降低了產品生命周期內的信息交換成本，提高了產品研發效率，成為制造業進行國際合作、參與國際競爭的重要基礎標準，是保持企業競爭力的重要工具。

 STL ：STL文件，一種3D模型文件格式STL（STereo Lithography的縮寫）。STL 文件格式是由3D SYSTEM 公司于1988 年制定的一個接口協議，是一種為快速原型制造技術服務的三維圖形文件格式。STL 文件由多個三角形面片的定義組成，每個三角形面片的定義包括三角形各個定點的三維坐標及三角形面片的法矢量。三角形頂點的排列順序遵循右手法則。STL 文件有2 種類型：ASC域格式和二進制格式ASC域格式。STL模型是以三角形集合來表示物體外輪廓形狀的幾何模型。

VRML：（Virtual Reality Modeling Language）即虛擬現實建模語言。是一種用于建立真實世界的場景模型或人們虛構的三維世界的場景建模語言，也具有平臺無關性。是目前Internet上基于 WWW的三維互動網站制作的主流語言。VRML是虛擬現實造型語言（Virtual Reality Modeling Language）的簡稱，本質上是一種面向web，面向對象的三維造型語言，而且它是一種解釋性語言。VRML的對象稱為結點，子結點的集合可以構成復雜的景物。結點可以通過實例得到復用，對它們賦以名字，進行定義后，即可建立動態的VR（虛擬世界）。

3.OCC體系結構介紹

     如前面所述，OCC是一套重要的開源CAD引擎。OCC的整體體系結構如下圖所示：

在OCC的體系結構中，各基本模塊的含義如下：

（1）Foundation Classes基礎類（包括核心類、常用的數學算法、基本數據存儲等）；

（2）Modeling Data: 提供用于呈現2D和3D幾何和拓撲的數據結構；

（3）Modeling Algorithms:提供相關建模中用到的算法和基本功能，例如計算交集、倒角等；

（4）Mesh：網格劃分的相關功能，從當前看到的資料來說只看到了三角形網格（轉換后的網格，可以保存為VRML和STL兩轉格式）；

（5）Visualization: 基本的展示和相關的交互操作；

（6）Data Exchange(standardized)：標準的數據轉換（IGES、STEP等）；

（7）OCAF（Open CASCADE Application Framework）：處理應用程序中基本數據的基本框架，在此基礎上開發者只需要關心程序相關的特定數據和界面即可。

（8）GUI Framework為方便開發提供了一些界面庫；

（9）Develpment Tools：一些小工具。

3.1 OCC內部數據結構

     OCC提供了TopoDS_Shape用于定義形狀的基類，TopoDS_Shape包含了三個成員變量：位置、朝向以及一個TopoDS_TShape的myTShape句柄。

拓撲方向是一個非常通用的概念，只要有段或邊界出現的地方就可以用到它。當一個Shape限制了一個幾何域時，就說這個Shape 具有拓撲方向。拓撲方向的概念與邊界的概念緊密聯系。需要用到拓撲方向的三種Shape 有：由頂點限制的曲線、由邊限制的曲面和由面限制的空間。

基于TopoDS_Shape派生出來的類的結構如下圖所示：

其中各類元素的含義如下表所示：

表 22 ShapeEnum枚舉類的各元素及其意義