基于ACIS几何平台的CAD软件开发的研究

田建立，何留杰

TIAN Jian-li, HE Liu-jie

（黄河科技学院，郑州 450006）

1 CAD几何平台概述

CAD技术从诞生至今己有三十多年的历史，其建模技术经历了二维绘图、线框模型、自由曲面模型、实体造型、特征造型等重要发展阶段，其间还伴随着参数化、变量化、尺寸驱动等技术的融入。CAD系统的开发正伴随着计算机软硬件技术的高速发展向着更高、更深层次方向发展。当今比较流行的CAD几何平台很多，主要有ACIS，PARASOLID， CAS.CADE，Pelorus，DESIGNBASE等。

CAD几何平台正在向着更深、更高层次发展，同时不断融入计算机软件新技术，并呈现出开放化、多元化发展趋势。支持多种主流的计算机操作系统平台，包括Windows 98&NT，Apple Power Macintosh，UNIX工作站(如Sun，SGI，DEC Alpha，HP 9000，IBM RS/6000等)。面向对象技术具有封装性、多态性、继承性，使对象模块化、即插化，从而提高应用开发和软件维护效率，增强了代码的可重用性和互操作能力，最终达到改善应用整体质量的目标[1]。

2 ACIS概述

2.1 ACIS的发展历程

ACIS是美国Spatial Technology公司推出的面向对象的三维几何造型平台，它集曲面、线框和实体造型于一体，并允许这三种表示共存于统一的数据结构中。ACIS是面向对象的由35个DLL组成的C++库，为各种3D造型应用开发者提供了丰富的复杂模型构造与操作功能，如过渡、扫掠、蒙皮、放样、覆盖、等距、分割、缝合等等。Spatial Technology公司成立于1986年，到目前为止，ACIS 3D Toolkit在世界上已有380多个基于它的开发商，并有220多个基于它的商业应用，最终用户已达一百八十万家左右。许多著名的大型系统都是以ACIS作为造型内核，如AutoCAD，CADKEY，Mechanical Desktop，Bravo，TriSpectives，TurboCAD，Solid Modeler，Vellum Solid等[2]。

2.2 ACIS的几何总线

图1 ACIS几何总线

ACIS几何总线由其开放体系结构和它的SAT构成，其核心提供了一个几何总线(ACIS geometry bus)，以连接其它的外壳(Husk)与应用程序（如图1所示）。它使线框、曲面、实体的几何与拓扑模型数据能够自由交换，当SAT模型在总线上流动时，不需任何翻译与解释。产品模型从概念设计到制造过程，可能使用多个商家提供的应用，通过几何总线摆脱了数据翻译的负担，无须为模型的互操作做任何工作。

3 ACIS的应用接口

3.1 ACIS的C++接口

如图2所示，基于ACIS的C++接口有3个：DI函数、API函数和C++类。开发者可以通过创建自己的API和类来扩展ACIS的功能[3～5]。

3.1.1 DI函数((Direct Interface)

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。

图2 C++应用与ACIS的C++接口

3.1.2 API函数(Application Procedural Interface)

API函数提供了应用与ACIS间的主要接口。应用通过调用API函数创建、修改或恢复数据，API函数将造型功能与应用支持特性集成起来，应用支持特性如变量错误检查和回溯。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。无论ACIS底层的数据结构或函数如何修改，这些API函数在每一版本中均保持不变。

3.1.3 类(Class)

类是ACIS以C++类的形式提供的开发接口，可定义模型的几何、拓扑以及实现其他功能。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(member function)与ACIS相互作用。开发者也可以根据自己系统的需要从ACIS类派生出自己的应用类，类接口在各版本中可能有变化。

3.2 ACIS的MFC接口

MFC由将近200个C++类组成。MFC提供了许多Windows程序所共有的任务，为代码重用提供了便利。应用从MFC继承所需的功能。基本类库所提供的界面在很大程度上将实现细节隐藏起来，因此使用MFC的应用都非常精练，并且更易于将基于MFC的应用升级到新的Windows版本。在近200个MFC类中，有4个类对ACISMFC是极其重要的，即Cdocument，Cwnd，CwinApp和ColeServerItem。ACIS AppWizard从这4个类派生自己的类。这些新类的不同之处在于它们有指向ACIS MFC类的指针，从而这些指针指向ACIS的类。在图3中ACIS AppWizard创建了“My”工程。从MFC类派生的4个新类是CmyDoc，CmyView，CmyApp和可选的CmyServer。

图4中AMFC(ACIS Microsoft Foundation Class Component)是专门为Microsoft Windows平台提供的与MFC的接口，其中大部分的类是从MFC派生出的。此外，ACIS给出了一些工具类来提供多数应用所需的操作，如camera movement(模型观察)，mouse movement(鼠标消息响应)，dragging operations(拖曳操作)，Boolean operations(布尔操作)，drawing lines，circles(画线、圆)，and fillets(倒角)等等。

ACIS MFC的类和函数有双重作用，一是为基于MFC的ACIS应用程序提供初始的框架结构，二是提供ACIS与MFC的接口。由ACIS MFC提供的工具类都是从MouseTool派生而来的，而MouseTool又是从input_event_handler派生的。input_event_handler类处理鼠标按下，抬起或双击事件。大多数的工具同时还与rubberband_driver类集成来处理鼠标移动事件。

图3 ACIS MFC与Microsoft Foundation Class的关系

ACIS MFC中提供的工具用来创建几何模型(画线、圆等)及管理视窗。工具栈用来指定激活的工具，同时可以将工具操作中断和悬挂起来以执行其它操作。所悬挂的操作在某个时刻可以恢复。工具栈的管理通过ACIS MFC的工具功用函数实现。

图4 工具类的派生谱及功用函数

3.3 ACIS的Scheme接口

Scheme是一种解释性的语言，由LISP派生而来。它提供快速、易于实现的原型实现功能，其运行效率非常高，许多基于ACIS的开发人员使用Scheme后感到许多情况下无需再把其Scheme代码翻译成C++或其他编译语言代码。

由于Scheme是解释性的，所以其过程没有编译和调试阶段，并且可以用来培训。Scheme尤其适合于控制像用户界面指令处理这样的任务。Scheme接口是一个允许基于Scheme的应用和ACIS功能交互的函数集，通过ACIS Scheme解释器处理Scheme命令。图5表示了Scheme应用构建于ACIS之上，通过ACIS Scheme解释器与造型平台交互的情况。与ACIS其他部分的交互用C++调用。

图5 Scheme与ACIS的应用接口

4 ACIS的主要功能

ACIS产品由两部分构成：核心模块(ACIS 3D Toolkit)和多种可选模块(Optional Husks)。在核心模块中提供了基本、通用功能，而在可选模块中提供了一些更为高级的和更专用的功能，其主要功能如下[6]：

4.1 曲面构造技术

可通过一个线框或一组边生成曲面，其方法包括覆盖(covering)、蒙皮(skinning)、放样(lofting)、网格曲面(net surfaces)、可变形曲面(deformable surfaces)。可变形曲面是ACIS可选模块DS(Deformable Surface component)中提供的功能；变形造型是一种交互定义自由曲线曲面的方法，而不是一种曲线曲面的表示方法，它是一种基于能量优化策略的方法，用户可通过施加负载和约束来修改曲线或曲面的形状。

4.2 求交、布尔运算和缝合

求交器(intersector)用于判断曲线和曲面是否相交并可求出交点。求交是通过底层的C++类实现的，用于对模型的几何进行操作，可进行曲线和曲线、曲线和曲面、曲面和曲面的求交运算；布尔运算(Booleanoperations)包括并、交、差运算；缝合(stitching)是指通过共边或共顶点缝合两个体。

4.3 过渡

ACIS具有强大而丰富的过渡功能，标准的过渡功能内置在ACIS核心模块中，而更高级的过渡功能在可选模块Advanced Blending Husk(ABH)中提供。

4.4 模型分析

ACIS的模型分析功能主要包括：对象关系(object relationship)、物理特性(physical properties)、单元拓扑(cellular topology)、几何分析(geometric analysis)和光线测试(ray testing)等。

4.5 显示与交互

ACIS的显示方式包括线框图、多面体图、多面体消隐图、光照图。在交互方面提供了拾取和过滤(picking and filtering)、橡皮线(rubberbanding)、网格管理(grid management)等功能。

5 结论

本文介绍了CAD几何平台ACIS的概况及发展趋势。ACIS几何平台的体系结构包括ACIS几何总线，ACIS的开发接口一一C++接口、MFC接口、Scheme接口，分析了ACIS的主要功能。为在ACIS上开发超人2000CAD系统提供了基础。

[1]Faux I D,Pratt M J.Computational Geometry for Design and Manufacture[M].Ellis Horwood,1979.

[2]Duncan J P,Mair S G.Sculptured Surfaces in Engineering and Medicine[M].Cambridge University Press,1983.

[3]Duncan J P,Law K K,Computer-Aided Sculpture[M].Cambridge University Press,1989.

[4]周儒荣.关于软件国产化的认识与实践[J].航空制造工程,1991,2：6-7.

[5]周儒荣.CAD/CAM软件开发的回顾与思考[J].航空制造工程,1992,10：25-26.

[6]成基华,范玉青,袁国平,等.CAD/CAM开发平台及其发展趋势[J].计算机辅助设计与图形学学报,2000,12(2)：154-159.