復(fù)制式協(xié)同CAD環(huán)境下隱式特征數(shù)據(jù)交換方法研究

胡慧慧， 趙 韓

（1.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程系，江蘇 南通 226010；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

良好的交互性是網(wǎng)絡(luò)協(xié)同CAD系統(tǒng)順利運(yùn)行的前提條件，因此實(shí)時(shí)高效的協(xié)同數(shù)據(jù)交換是實(shí)現(xiàn)分布式環(huán)境下實(shí)時(shí)協(xié)同造型的關(guān)鍵。網(wǎng)絡(luò)協(xié)同造型具有分散性和分布性特點(diǎn)，且數(shù)據(jù)交換受網(wǎng)絡(luò)傳輸能力限制，要保證其實(shí)時(shí)性，應(yīng)滿足以下要求［1］：① 數(shù)據(jù)傳輸量小，即模型描述的數(shù)據(jù)量盡可能小，這點(diǎn)是關(guān)鍵；② 各協(xié)同客戶端的模型數(shù)據(jù)保持幾何和拓?fù)潢P(guān)系的一致性；③模型必須在特征級(jí)別上可編輯，用戶可對(duì)交換后的模型特征進(jìn)行各種操作。

CAD模型通常采用精確的數(shù)學(xué)形式表達(dá)幾何模型，數(shù)據(jù)量十分龐大，網(wǎng)絡(luò)通信的帶寬和延時(shí)成為主要的應(yīng)用障礙。為此，學(xué)者們針對(duì)數(shù)據(jù)模型的4個(gè)層次提出了一些專門針對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境下的CAD模型的數(shù)據(jù)交換方法：① 早期模型中基于中性文件（STEP等）的方法，該方法未對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行描述，數(shù)據(jù)量大，無法滿足協(xié)同CAD應(yīng)用的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)要求；② 基于三角網(wǎng)格模型的交換方法［2］，該方法實(shí)現(xiàn)三維模型的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸、觀察和特征參數(shù)修改，傳輸量較大，且難以對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行精確的分析和編輯；③ 基于高層語義歷史的交換方法［3］，數(shù)據(jù)量小，但相同語義在不同的CAD系統(tǒng)中可能產(chǎn)生不同的執(zhí)行結(jié)果，一致性轉(zhuǎn)換難度大；④ 基于顯式表示的特征數(shù)據(jù)交換方法，特征表示方式有顯示和隱式2種，文獻(xiàn)［4］采用了該方法，該法只能重構(gòu)模型的靜態(tài)表示，且丟失了高層語義信息，無法支持協(xié)同用戶對(duì)模型進(jìn)行回溯和編輯處理。

在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)條件下，現(xiàn)有數(shù)據(jù)交換方法不能較好地滿足協(xié)同實(shí)時(shí)造型的要求。為此，本文根據(jù)協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)特點(diǎn)，提出基于隱式特征表達(dá)的數(shù)據(jù)交換（implicit feature representation data exchange，簡稱IFDE）方法，力圖保證功能性并達(dá)到良好的反饋速度和用戶體驗(yàn)感。

1 IFDE方法

1.1 IFDE數(shù)據(jù)交換方法概述

IFDE數(shù)據(jù)交換方法如圖1所示。

圖1 基于隱式特征表達(dá)的協(xié)同數(shù)據(jù)交換方法

（1）IFDE的優(yōu)勢(shì)。IFDE的實(shí)質(zhì)是不交換模型的幾何拓?fù)湫畔?，只交換特征的隱式參數(shù)信息及特征之間的操作關(guān)系，即以結(jié)構(gòu)化特征模型表達(dá)為中心信息，僅交換用戶某次操作產(chǎn)生的特征信息（如特征結(jié)構(gòu)、定位信息和形狀參數(shù)等高層信息），模型的幾何拓?fù)渲貥?gòu)交由客戶端CAD系統(tǒng)調(diào)用幾何建模引擎實(shí)現(xiàn)。以隱式特征為單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，增量式傳輸協(xié)同操作中刪、改、增的特征，與幾何拓?fù)湫畔⑾啾?，表達(dá)更簡潔，數(shù)據(jù)量更小，因此，該方法可極大減少模型交換的數(shù)據(jù)量。

（2）IFDE的實(shí)現(xiàn)過程。協(xié)同數(shù)據(jù)交換過程包括3個(gè)步驟：從CAD模型到協(xié)同特征模型的數(shù)據(jù)交換、協(xié)同特征模型數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸和協(xié)同特征模型到CAD模型的數(shù)據(jù)交換。IFDE具體步驟如下：① 客戶端A調(diào)用API函數(shù)，監(jiān)聽并分析當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)特征操作；② 識(shí)別網(wǎng)絡(luò)操作特征類型，并提取構(gòu)建特征的全部隱式表達(dá)信息；③ 將隱式特征表達(dá)信息進(jìn)行消息類封裝，經(jīng)序列化后多播發(fā)送；④客戶端B反序列化網(wǎng)絡(luò)封裝消息后進(jìn)行解析，識(shí)別及提取特征隱式表達(dá)參數(shù)；⑤ 經(jīng)轉(zhuǎn)換后調(diào)用本地造型引擎中的API函數(shù)，進(jìn)行特征重構(gòu)。

1.2 特征消息封裝

IFDE不交換模型的幾何拓?fù)湫畔?，因此，傳輸?shù)南⒈仨毎卣髦貥?gòu)所需的所有隱式參數(shù)，才能保證各客戶端系統(tǒng)產(chǎn)生的模型一致。為此，在協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，定義了一種由3層封裝機(jī)制構(gòu)成的消息事件為分布式環(huán)境信息通訊提供層次性和擴(kuò)展性封裝。該機(jī)制利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)對(duì)特征的隱式表達(dá)進(jìn)行描述，并建立可序列化的網(wǎng)絡(luò)消息類以便網(wǎng)絡(luò)傳輸和特征的正確重構(gòu)。

如圖2所示，第1層為消息基類，定義了協(xié)同造型過程中統(tǒng)一的消息事件發(fā)送和接收機(jī)制。

第2層為操作消息類封裝，從消息基類繼承并根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)充，分成4種類型：

（1）設(shè)計(jì)特征的造型事件。主要在協(xié)同造型過程中由參與設(shè)計(jì)的客戶端產(chǎn)生，用來封裝創(chuàng)建新特征或修改特征的隱式參數(shù)，并通知接收端對(duì)該特征進(jìn)行相應(yīng)更新并調(diào)用其造型核心用B－rep表示實(shí)體。

（2）設(shè)計(jì)特征的控制事件。此消息事件主要用來封裝特征操作時(shí)根據(jù)角色分配訪問權(quán)限，用于訪問控制過程。

（3）設(shè)計(jì)零件的同步事件。此消息事件主要用來封裝設(shè)計(jì)零件的狀態(tài)矢量表和最小矢量信息，用于遲加入或者非正常退出的同步過程。

（4）設(shè)計(jì)零件的其他事件。此消息主要用于封裝設(shè)計(jì)零件的全生命周期信息，由于本文主要研究協(xié)同造型，因此這里只作為預(yù)留事件定義。

圖2 協(xié)同造型消息類封裝

第3層為具體特征操作消息類封裝，根據(jù)不同的通訊目的，從第2層消息類派生，并重寫相應(yīng)的抽象屬性、方法和擴(kuò)展特征參數(shù)域，如對(duì)某一具體特征操作的不同實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行封裝。這樣使得在協(xié)同造型時(shí)不必局限于特征交互方式，并使網(wǎng)絡(luò)協(xié)同過程對(duì)用戶透明化。

根據(jù)C＃的定義，為能在網(wǎng)絡(luò)中正常通訊，所定義的通訊事件基類必須能被“序列化”。因此，在第1層通訊消息基類封裝時(shí)，必須從可序列化類派生，這樣其余2層從基類派生的事件封裝能自動(dòng)地進(jìn)行序列化。

以面向?qū)ο螅?］的特征消息類定義方式有利于特征信息的隱式表達(dá)，利用網(wǎng)絡(luò)序列化技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)間交換特征操作數(shù)據(jù)，簡化網(wǎng)絡(luò)傳輸操作，為異地客戶端的特征重構(gòu)提供可靠的信息。

1.3 特征操作重構(gòu)

客戶端接收到設(shè)計(jì)組內(nèi)用戶發(fā)送的造型消息時(shí)，首先進(jìn)行消息解析，識(shí)別并提取當(dāng)前操作特征的隱式表達(dá)參數(shù)，然后進(jìn)行特征坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與重構(gòu)定位，最后調(diào)用本地的特征重構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)函數(shù)實(shí)現(xiàn)協(xié)同特征操作的異地重構(gòu)，重構(gòu)過程如圖3所示。

特征重構(gòu)的關(guān)鍵是：特征的重構(gòu)表達(dá)、特征的參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及特征的重構(gòu)定位。

圖3 特征操作重構(gòu)過程

（1）特征重構(gòu)表達(dá)。為使協(xié)同造型過程對(duì)用戶透明化，對(duì)各特征（如拉伸、旋轉(zhuǎn)等）重構(gòu)統(tǒng)一參數(shù)化驅(qū)動(dòng)表達(dá)式，使得特征重構(gòu)過程與特征構(gòu)建方式無關(guān)。

（2）特征的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)（Descartes Coordinates），并遵守右手準(zhǔn)則，為簡化某些局部特征和實(shí)體的構(gòu)造，系統(tǒng)同時(shí)使用絕對(duì)坐標(biāo)系（ACS）、工作坐標(biāo)系（WCS）和局部坐標(biāo)系（LCS）。在協(xié)同幾何造型時(shí)，特征消息封裝中的定形和定位參數(shù)均用相對(duì)WCS進(jìn)行描述。但協(xié)同客戶端當(dāng)前的WCS與操作發(fā)起站點(diǎn)的WCS往往不一致。在特征異地重構(gòu)時(shí)，為保持特征的LCS與WCS相對(duì)位置不變，需要在特征重構(gòu)前計(jì)算出當(dāng)前系統(tǒng)的 WCS位置，再對(duì)定形和定位參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)變換，此問題可轉(zhuǎn)化為求ACS中WCS經(jīng)一系列幾何變換后的新位置，具體求解過程可用矩陣?yán)碚撏瓿伞?/p>

（3）特征的重構(gòu)定位。在零件造型過程中，通常要引用一些幾何元素來輔助實(shí)現(xiàn)特征定位，如拉伸特征參考面、圓角特征參考邊等，然后再以被引用對(duì)象為基準(zhǔn)設(shè)置特征的位置參數(shù)或約束關(guān)系。根據(jù)被引用對(duì)象在特征構(gòu)建中作用不同，分參照定位對(duì)象和操作定位對(duì)象2類。重構(gòu)定位的關(guān)鍵在于高效可靠的對(duì)象引用。

1.4 對(duì)象引用機(jī)制

協(xié)同CAD造型采用復(fù)制式體系架構(gòu)，每個(gè)協(xié)同應(yīng)用程序維護(hù)各本地模型，通過造型操作消息實(shí)現(xiàn)模型狀態(tài)的增量式更新與同步，維護(hù)各分布式客戶端模型對(duì)象的一致性，其難點(diǎn)是讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)引用對(duì)象。因此，必須有一種可靠的對(duì)象引用機(jī)制來實(shí)現(xiàn)特征的重構(gòu)定位。本文針對(duì)復(fù)制式協(xié)同CAD系統(tǒng)的特點(diǎn)，將對(duì)象引用分為直接引用和間接引用2種，并針對(duì)2類特點(diǎn)采用對(duì)象命名映射［6］和幾何匹配相結(jié)合的方法來解決協(xié)同環(huán)境下的對(duì)象引用問題。

直接引用對(duì)象是指在協(xié)同造型中對(duì)零件或特征進(jìn)行編輯時(shí)的操作對(duì)象，主要包括零件對(duì)象和特征對(duì)象。直接引用對(duì)象通過對(duì)象標(biāo)識(shí)號(hào)來引用，較容易實(shí)現(xiàn)，因此采用對(duì)象命名映射機(jī)制來實(shí)現(xiàn)復(fù)制模型之間直接對(duì)象引用。間接引用對(duì)象是指協(xié)同造型中特征創(chuàng)建時(shí)作為輔助參照或操作對(duì)象的拓?fù)鋵?duì)象，主要包括參照定位對(duì)象和操作定位對(duì)象。本文在支持八叉樹場景管理的CAD系統(tǒng)中采用基于面向?qū)ο蟮膭?dòng)態(tài)八叉樹幾何匹配算法來實(shí)現(xiàn)復(fù)制模型之間的間接對(duì)象引用。

幾何匹配算法框架：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)消息確定一個(gè)被引用對(duì)象時(shí)，首先給定形狀單元的拾取類型、被引用對(duì)象的幾何特征值及設(shè)定特征點(diǎn)；再以特征點(diǎn)為中心，構(gòu)建一個(gè) AABB層次包圍盒［7－8］，即特征包圍盒，邊長可根據(jù)當(dāng)前場景的繪制精度設(shè)定，通常取5個(gè)單位；最后利用特征包圍盒與面向?qū)ο髣?dòng)態(tài)八叉樹各節(jié)點(diǎn)碰撞求交確定被引用對(duì)象的本地標(biāo)識(shí)號(hào)。具體流程如圖4所示，包含3個(gè)階段：碰撞檢測、類型篩選以及對(duì)象判定。

圖4 基于面向?qū)ο蟮膭?dòng)態(tài)八叉樹幾何匹配算法

該拾取算法充分利用八叉樹的快速搜索特性，對(duì)象辨識(shí)只需匹配一個(gè)特征點(diǎn)，因而使匹配算法響應(yīng)速度較快。由于算法不依賴拓?fù)鋵?shí)體的命名、操作順序和設(shè)計(jì)初始狀態(tài)，因此，對(duì)“遲加入”客戶端同樣適用。

2 應(yīng)用實(shí)例

為滿足網(wǎng)絡(luò)化幾何建模的特殊需求，本文開發(fā)了基于開源內(nèi)核Open CADCADE的協(xié)同CAD基礎(chǔ)平臺(tái)開發(fā)框架——復(fù)制式協(xié)同CAD系統(tǒng)。

2.1 復(fù)制式協(xié)同CAD環(huán)境下協(xié)同造型實(shí)例

如圖5所示，以一個(gè)簡單的零件為例來說明協(xié)同CAD軟件基于IFDE的實(shí)時(shí)協(xié)同造型過程。實(shí)例零件由拉伸、偏置切除、通孔、圓周陣列等基本特征組成，造型過程同普通CAD系統(tǒng)操作。

以零件的協(xié)同特征創(chuàng)建為例分析隱式特征數(shù)據(jù)交換過程，假設(shè)當(dāng)前設(shè)計(jì)組內(nèi)成員完成特征操作步驟④。此時(shí)協(xié)同用戶A擁有系統(tǒng)操作訪問控制權(quán)并在拉伸基體上創(chuàng)建偏置切除5 mm操作特征，如圖6所示，選擇XY平面上的一個(gè)閉合的草繪輪廓作為切除輪廓，然后使用拉伸切除特征創(chuàng)建工具，在其屬性選擇器里設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，在鼠標(biāo)或者鍵盤操作觸發(fā)該特征的OnDone（）函數(shù)，本地特征造型請(qǐng)求立即執(zhí)行，同時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)構(gòu)建方式調(diào)用相應(yīng)的特征消息類，提取此特征的隱式表達(dá)參數(shù)，對(duì)特征消息類進(jìn)行實(shí)例化并對(duì)其賦值，經(jīng)二進(jìn)制序列化后利用Socket發(fā)送至多播組。

圖5 協(xié)同零件特征造型過程圖

圖6 偏置切除網(wǎng)絡(luò)特征創(chuàng)建

遠(yuǎn)程客戶端B在收到多播消息后反序列化，調(diào)用消息解析器進(jìn)行解析并識(shí)別特征操作，提取特征的隱式表達(dá)參數(shù)，經(jīng)并發(fā)控制機(jī)制確認(rèn)無沖突發(fā)生后，網(wǎng)絡(luò)特征重構(gòu)模塊根據(jù)拉伸切除特征的重構(gòu)表達(dá)式對(duì)其隱式參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，調(diào)用特征操作重構(gòu)類進(jìn)行實(shí)例化，然后調(diào)用本地的幾何建模引擎來重構(gòu)該特征。若協(xié)同用戶對(duì)操作過程不滿意，在取得系統(tǒng)操作訪問控制權(quán)后，可以對(duì)協(xié)同特征進(jìn)行編輯和刪除，其過程同上。

2.2 IFDE效果分析

上述過程中每次交換消息只記錄隱式特征信息，模型數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)量很小，經(jīng)多播數(shù)據(jù)測試工具M(jìn)ultiCast Test測試一般在10～30 K左右。若采用中間文件STEP文件方式，數(shù)據(jù)量則在1 M（1 024 k）左右，顯式實(shí)體特征則要200 k左右。

為更好地測試IFDE性能，進(jìn)行模擬測試分析，即對(duì)復(fù)制式協(xié)同CAD系統(tǒng)采用基于3種不同表達(dá)（中間文件、顯式實(shí)體特征和隱式特征）的數(shù)據(jù)交換法引起的初始化延遲時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷變化進(jìn)行近似模擬測試，測試結(jié)果數(shù)值取模擬測試20次并去掉3個(gè)最高和最低數(shù)值后的算術(shù)平均值。

測試條件為：協(xié)同CAD系統(tǒng)成員相對(duì)穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)過程中只有少數(shù)成員加入或者退出；測試場景為二維草圖設(shè)計(jì)；場景數(shù)據(jù)請(qǐng)求策略采用“立即請(qǐng)求策略”；同一用戶隨機(jī)2次操作的時(shí)間間隔為0.8～1.0 s；網(wǎng)絡(luò)延遲20～150 ms，且假設(shè)數(shù)據(jù)不丟失。

圖7所示為3種數(shù)據(jù)傳輸方法的初始化延遲對(duì)比圖，用戶的初始化延遲采用“最快響應(yīng)法”，即用戶發(fā)送請(qǐng)求到接收到響應(yīng)數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隔來衡量，由圖7可知，中間文件和實(shí)體特征的方法延遲時(shí)間大約為10 000 ms和2 000 ms，延遲較多。而隱式特征方法，請(qǐng)求和響應(yīng)數(shù)據(jù)均由專門多播組承擔(dān)，一開始可能需要進(jìn)行服務(wù)器選擇，一旦服務(wù)器組形成后，延遲將會(huì)逐漸變小，平均延時(shí)只有500 ms，響應(yīng)速度極快。圖8所示為測試某一時(shí)間段內(nèi)以上3種數(shù)據(jù)交換方法在進(jìn)行相同操作時(shí)累計(jì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)對(duì)比圖。

圖7 初始化延時(shí)對(duì)比圖

圖8 累計(jì)數(shù)據(jù)傳輸量對(duì)比圖

由圖8可知，在一段時(shí)間內(nèi)完成相同功能時(shí)中間文件需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量極大，實(shí)體特征方法的累計(jì)數(shù)據(jù)量次之，隱式特征方法數(shù)據(jù)量最小，因此即使是在用戶數(shù)較多、操作頻繁時(shí)也能保證系統(tǒng)的低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。

由上述測試結(jié)果可知，基于隱式特征表達(dá)的數(shù)據(jù)交換方法延遲時(shí)間短，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷低，能較好地滿足實(shí)時(shí)性要求。

3 結(jié)束語

本文對(duì)復(fù)制式協(xié)同CAD環(huán)境下數(shù)據(jù)交換方法進(jìn)行了深入的研究，提出了一種基于隱式特征表達(dá)的協(xié)同數(shù)據(jù)交換方法（IFDE）。該方法利用面向?qū)ο蟮奶卣飨㈩惙庋b、網(wǎng)絡(luò)序列化傳輸以及語義特征重構(gòu)技術(shù)，增量式交換協(xié)同操作特征的隱式表達(dá)信息，而將特征的幾何拓?fù)湫畔⒔挥山邮斩讼到y(tǒng)的建模引擎重構(gòu)實(shí)現(xiàn)。該方法極大地減少了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，降低了協(xié)同過程中網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)，提高了實(shí)時(shí)性。

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