IGES文件在非均质实体保存与读取中的应用

臧婷，穆国旺

（河北工业大学理学院，天津 300401）

IGES文件在非均质实体保存与读取中的应用

臧婷，穆国旺

（河北工业大学理学院，天津 300401）

非均质实体是一种具有多种优良性能的新型构件，但由于其数据处理和记录方式与常规均质实体具有本质区别，导致了非均质实体建模软件与其它常规CAD/CAM软件之间的数据传输与数据交换十分困难，严重影响着非均质实体建模软件的通用性．针对这一问题，基于IGES文件，提出了一种能够保存非均质实体模型的几何信息和材质信息的方法，解决了非均质实体的保存与读取以及数据共享问题，实现了不同平台间的非均质材料实体的数据交换．

非均质实体；IGES文件；保存；读取

随着现代科学技术的迅猛发展，各领域对材料以及设备零部件的性能要求也越来越高，由单一或均质材料构成的零件已常常难以满足产品对零件的性能要求，而是需要由多种材料构成的，能满足特殊要求下、各个方面的梯度功能和智能等性能要求的非均质材料零件．在此背景下，人们提出了非均质实体（Heterogeneous Object，HO）的概念．非均质实体是指由2种或2种以上组分材料（或空隙）在实体内部规则或非规则分布而形成的具有多重特定功能的构件[1]．由于非均质实体将各种材料的优良性能集于一体，因此广泛应用于各个行业，如机械、电子、热力学、光学、生物医学、地球物理学和其他领域[1-2]．虽然各国学者对于非均质实体的建模方法进行了广泛的研究，并提出了多种关于非均质实体的CAD建模软件，但是至今仍没有一套成熟的、实用性强的、功能完善的面向非均质实体的商业非均质实体建模软件，其原因之一就是非均质功能实体内部数据的表示方法与常规CAD模型表示方法存在根本性差异，因此数据处理方式和记录方式便随着建模方法的不同而不同，这直接导致了非均质实体建模软件与其它常规CAD/CAM软件之间的数据传输与数据交换十分困难，严重影响着非均质实体建模软件的通用性．

如今大多数成熟的CAD/CAM软件系统都能够读取IGES文件，并且IGES格式文件独立于建模方法，具有很好的灵活性，简单、易读，因此，本文基于IGES文件，提出了一种能够完整地保存非均质实体几何信息和材质信息的方法，用以存储非均质CAD模型，解决了非均质实体的保存与读取以及非均质实体的数据共享问题，实现了不同平台间的非均质材料实体的数据交换．

1 IGES文件的数据交换方式

初始图形交换规范IGES（InitialGraphics ExchangeSpecification）是1980年由美国国家标准和技术研究所主持，波音和通用公司参编，经ANSI批准发布的美国国家标准[3]，它规定了自己的文件结构格式、语言格式以及在这种格式中几何的、拓扑的和产品定义数据的表示方法[3-4]，同时，IGES格式是独立于建模方法的，支持使用物理媒体或电子通信协议的数据交换．如今大多数成熟的商用CAD/CAM系统都支持符合IGES标准的模型表示，如UG、Pro/E、Solid Works等都将IGES文件作为自己系统的数据接口之一，因此，将非均质实体存储为IGES格式，便可以实现与其他CAD/CAM软件之间的数据交换与信息共享．

CAD系统之间的数据交换可以用图1来表示，在本文中，系统A为常规CAD造型软件，如UG、Pro/E等，系统B为作者自主研发的非均质实体建模软件NURBS-HO-CAD[2]．系统A的前置处理器经过造型处理给出均质实体的CAD模型，并将其存储为IGES格式文件，然后将IGES文件输入到系统B，系统B中的后置处理器将其转化为NURBS-HO-CAD软件内部的数据格式，此时完成从常规CAD造型系统到非均质造型系统NURBS-HO-CAD的数据传输．紧随其后的是在NURBS-HO-CAD系统中利用材料信息造型器为均质实体添加材料信息，生成非均质实体，系统B的前置处理器将非均质实体存储为IGES格式文件，便可以输入到系统A，从而完成从NURBS-HO-CAD系统到常规CAD系统的数据传输．许多文献[4-6]已经详细介绍了读取IGES文件的方法，即系统B中后置处理器的运行方法，而文献[2,7-9]已经详细介绍了非均质实体的建模原理和建模方法以及对中性实体进行材料信息融合的方法，因此，本文的研究重点是如何将非均质实体的各种信息存储在IGES文件之内，实现非均质实体造型软件NURBS-HO-CAD与其它常规CAD造型软件的数据共享．

2 IGES文件对非均质实体的存储

与均质实体内部材料不变的特点不同，非均质实体表面及其内部的材料呈连续或非连续分布状态，因此在保存非均质实体时，除了要保存实体的几何信息和拓扑信息外，更重要的是要保存其材料信息．在非均质实体的建模软件[2]中，通常采取不同的颜色来表示不同的材质信息．IGES文件中数据的基本单元是实体，实体被分成几何实体与非几何实体两大类[6]．几何实体定义了产品的物理外形，包括点、曲线、表面、立体和结构化实体集合的关系；非几何实体指定标注、定义、结构，并指定实体的属性，如颜色、状态、实体之间的联系等[6]．本文利用IGES文件可同时存储几何实体和非几何实体的特点，将非均质实体存储为可以记录几何特征和材料特征的IGES格式文件．

标准的IGES文件包括固定长ASCII码、压缩的ASCII码以及二进制3种格式[6]．固定长ASCII码格式的IGES文件共分5个段[6]，每段若干行，每一行共80个字符，其中，前72个字符为该段内容；第73个字符为段标识符，分别为S（开始段）、G（全局参数段）、D（元素索引段，也称为目录段）、P（参数数据段）和T（结束段）；第74到第80个字符表示每行的段的序号，序号从1开始连续排列，其数值对应于这一段的行数．下面，对固定长ASCII码格式的IGES文件的5个段分别加以介绍．

图1 CAD系统之间的数据交换Fig.1Data interchange between CAD systems

2.1 S段和G段

S段是IGES文件的开始段，该段是IGES文件的序言．G段是全局参数段，主要包含前处理器的描述性与介绍性信息以及后处理器处理文件时所需的一些必要信息，该段记录的主要参数有：文件名、前处理器版本、单位、文件生成日期、作者姓名及单位、IGES版本等．存储非均质实体的IGES文件对S段和G段没有特殊要求，只需按照规则定义两个段即可．

2.2 D段

D段是目录段，主要的作用是提供索引记录．IGES文件中每一个实体都有一个目录索引，均为固定长格式，每个目录分为2行，共有20个域，每个域8个字符．表1显示了D段每个实体的域格式[3,6]．

表1 D段数据格式Tab.1Data format of D section

图2摘录于一个存储非均质实体的IGES文件，其中第73列为字母“D”，说明该部分代码为目录段．D段的第1个域和第11个域指出实体类型，314为颜色实体，406为属性实体，110为直线实体，相应的解释性文字存于该段的第18个域之中．D段的第2个域指出当前实体在参数数据段P段中第一行的行号．比如，颜色实体、属性实体、直线实体分别位于P段中第1 030、1 031、1 032行．另外，需要特别指出，D段中的第13个域记录该实体的颜色，但是，IGES文件定义的颜色号只有表2指出的8个[6]，这远远满足不了非均质实体对于颜色信息的要求，因此在记录非均质实体的IGES文件中，本文通过314颜色实体记录不同的材料信息．而在IGES文件中，颜色实体需要与属性实体搭配使用才能够达到记录颜色信息，并能够被后处理器识别的目的．

表2 IGES文件中的颜色定义Tab.2Color definition in IGES file

图2 非均质实体IGES文件的目录段片段Fig.2Segment of directory entry section in IGES file of heteregeneous object

2.3 P段

P段为参数数据段，包含了与每个实体相关的参数数据．与D段的固定格式存储不同，P段是自由格式存储数据，其中第1个域是实体类型号，“，”是参数分隔符，参数数据根据实体类型的不同而不同，但自由格式部分需在每行的第64列结束，第65列为空格，第66～72列为当前实体在D段的第1行行号，第73列是标识符，第74～80列是参数段行号．实体的参数数据以“；”结束．图3摘录于一个存储非均质实体的IGES文件，这部分参数段与图2给出的目录段相对应．314颜色实体后的3个数据分别表示R、B、G的数值，该行中的数字2059表示该颜色实体位于D段的第2059行．类似的，406特征实体后给出直线的参数数据，110直线实体后的六个数值分别为直线的起点和终点坐标．

2.4 T段

T段为结束段，共10个域，每个域为8列．结束段表示符T位于第73列，第74～80列为行号1．图4为结束段片段，各参数含义为：S（开始段）共1行、G（全局参数段）共4行，D（元素索引段）共39 360行，P（参数数据段）共19 680行．

图3 非均质实体IGES文件的参数数据段片段Fig.3Segment of parameter data section in IGES file of heteregeneous object

图4 非均质实体IGES文件的结束段片段Fig.4Segment of terminate section in IGES file of heteregeneous object

3 程序实现

本文将IGES文件对非均质实体的存储集成于作者自主研发的非均质实体建模系统NURBS-HOCAD[2]之中．系统NURBS-HO-CAD从非均质实体的通用建模理论体系入手，以VC++6.0为开发环境，以ACIS为几何造型引擎，以OpenGL为渲染引擎，是一套交互式非均质实体计算机辅助设计软件系统．将IGES文件存储功能融入到NURBSHO-CAD的“保存与读取”模块中，是对软件NURBS-HO-CAD的升级与扩充，提高了软件NURBSHO-CAD的通用性，实现了非均质实体可以在不同系统之间进行数据交换的目的．在软件代码的编写上，NURBS-HO-CAD软件中所有自定义的类都从MFC类库中的CObject类派生而来，其中，CSaveOpen类负责非均质实体文件的保存与读取，它的派生类COpenIGES封装了读取IGES文件的各个函数，派生类CSaveHIGES封装了将非均质实体保存为IGES文件的各个函数．表3给出了完成IGES文件存储功能的主要函数、函数功能以及各函数之间的关系．

4 实例验证

表3 IGES文件中的主要函数、函数功能以及各函数之间的关系Tab.3Vital functions,the tasks and the relationship between various functions in IGES

在非均质实体建模系统NURBS-HO-CAD中，本文利用近似模型建模模块[7-9]给出了一个非均质球的表面模型，在将其离散化为体素[10-11]后，存储为IGES格式．图5为非均质球表面的IGES文件在UG中显示的效果图，从该图中可以看出，软件UG不仅能够很好的显示非均质球表面的几何信息，而且能够准确的显示出球表面的材料信息．图6为将球的分辨率增加1倍之后在UG中显示的效果图．从图6中可以看出，非均质球表面的精确化描述程度比图5要好，但付出的代价是计算速度减慢．

图7为没有赋予任何材料信息的人脸模型在Pro/E中的显示，其中的体素几何坐标为经过去噪、压缩处理的点云数据，将这些中性数据导入到NURBS-HO-CAD建模系统中，并在系统中通过材料信息造型器设定材质信息，最后存储为IGES文件．图8为加入材质信息的人脸模型的IGES文件在Pro/E中的显示，从图中可以看出，常规CAD/CAM软件系统Pro/E能够很好的读取并显示存储非均质实体的IGES文件，从而实现了非均质实体建模系统NURBS-HO-CAD与Pro/E之间的数据交换．

图5 UG显示的非均质球1Fig.5Heterogeneous ball 1 showed in UG

图6 UG显示的非均质球2Fig.6Heterogeneous ball 2 showed in UG

5 结论

本文将初始图形交换规范IGES文件应用于非均质实体的保存与读取之中，并将其融入到自主研发的建模软件NURBS-HO-CAD之内，解决了非均质实体几何与材质信息的存储与再现的问题，实现了不同平台间的复杂非均质材料实体的数据交换，为基于非均质实体的CAD/CAE/CAPP/CAM一体化软件系统的开发提供了新思路．

图7 均质人脸模型Fig.7Homogeneous face model

图8 非均质人脸模型Fig.8Heterogeneous face model

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[3]中国国家标准汇编编委会．中国国家标准汇编[M]．北京：中国标准出版社，1999．

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[8]Xu Anping，Zang Ting，Ji Zhenpeng，et al．HO-CAD:A CAD system for heterogeneous objects modeling based on ACIS and HOOPS[C]// Proceedings of the 2nd International Conference on Intelligent Networks and Intelligent Systems(ICINIS 2009)．Tianjin：Zhu Hongbing，IEEE Computer Society，2009：90-93．

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[责任编辑 杨屹]

The applications of IGES file in saving and reading heterogeneous object

ZANG Ting，MU Guowang

(School of Science,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

Heterogeneous object(HO)is an innovative component,which often shows multiple special performances. But data processing and record are essentially differential between heterogeneous and homogeneous object,so it is very difficult to transmit and exchange data between HO modeling software and other conventional CAD/CAM software,and it seriously limits the generality of HO modeling software.In order to solve this problem,a method,based on IGES file, is represented which can save geometrical and material information in HO completely.It solves HO problems of saving, reading and data sharing and realizes data exchange between the different platforms.

heterogeneous object;IGES file;saving;reading

TP391.7

A

1007-2373(2015)03-0060-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.03.012

2014-12-20

河北省自然科学基金（E2014202124）；河北省教育厅科学基金（Q2012022）

臧婷（1980-），女（汉族），副教授，博士．