面向NURBS曲面在線檢測的IGES文件解釋器的開發(fā)

王清華

（宜昌測試技術(shù)研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

IGES文件是實體信息傳遞的媒介和載體，為滿足精簡和通用性要求，將不同實體的同類信息以固定格式集中記錄；在線檢測系統(tǒng)需要的參照信息是定義任意NURBS曲面的所有實體信息。IGES文件解釋器是把NURBS曲面信息從以信息類別為分類依據(jù)的IGES文件中析取，然后將這些信息以實體為分類依據(jù)進(jìn)行存儲，供在線檢測系統(tǒng)調(diào)用。本文以IGES文件為對象，研究從中析取NURBS曲面信息的方法，在Visual C＋＋6.0平臺開發(fā)IGES文件解釋器［1－3］，為在線檢測系統(tǒng)提供參照曲面信息，生成測量點集。

1 NURBS曲面定義信息的解析

1.1 NURBS曲面的數(shù)學(xué)定義

k×l次NURBS曲面S的數(shù)學(xué)描述如下：

其中：di，j為控制點坐標(biāo)，按（m＋1）×（n＋1）矩形陣列排列；ωi，j為di，j對應(yīng)的權(quán)因子；（u，v）為參數(shù)域坐標(biāo)，Ni，k（u）和Nj，l（v）分別為u向的k次基函數(shù)和v向的l次基函數(shù)。

1.2 NURBS曲面及修剪信息在IGES文件中的描述

S＝p（u，v）定義的NURBS曲面不能描述任意邊界的自由曲面，這種曲面稱為原始曲面；修剪曲面是由曲面S上的數(shù)條曲線形成的閉合曲線鏈對原始曲面S的邊界修剪后的曲面，修剪S曲面能描述任意曲面。修剪外邊緣的閉合曲線鏈稱為外邊界，修剪曲面只有唯一外邊界；修剪內(nèi)邊緣的閉合曲線鏈稱為內(nèi)邊界，內(nèi)邊界可以有任意個，但各個閉合曲線鏈不能相交。內(nèi)邊界必須位于外邊界的內(nèi)部，修剪曲面就是S中內(nèi)邊界外部與外邊界內(nèi)部的公共區(qū)域。

1.3 IGES文件組成

IGES文件的基本信息包括記錄點、線、面、體信息的幾何實體和記錄幾何實體間結(jié)構(gòu)、標(biāo)注等信息的非幾何實體［4］。完整的IGES文件由6段組成：標(biāo)識段B指明文件記錄格式，CAD系統(tǒng)輸出IGES文件一般采用壓縮ASCII格式，每行有固定的80列字符；開始段S記錄文件來源信息；全局參數(shù)段G提供CAD系統(tǒng)生成文件的屬性信息；目錄條目段D每個實體占用兩行，記錄其屬性數(shù)據(jù)及定義數(shù)據(jù)在P段的索引；參數(shù)數(shù)據(jù)段P使用自由格式記錄實體的定義數(shù)據(jù)；T段記錄文件各段大小。

2 IGES文件解釋器工作方法

2.1 定義數(shù)據(jù)緩沖區(qū)及數(shù)據(jù)存儲格式

IGES文件通過字符以特定格式記錄NURBS曲面信息。定義緩沖區(qū)后，把IGES文件的所有字符存入緩沖區(qū)，就有唯一地址指針與字符對應(yīng)。借助緩沖區(qū)的地址指針處理IGES文件的字符信息，實現(xiàn)析取NURBS曲面信息的解釋功能，用于在線檢測的測量點集的數(shù)據(jù)處理。緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)體定義如下：

IGES文件解釋器需從緩沖區(qū)中析取NURBS曲面及其修剪信息，并將這些信息分類存儲。根據(jù)1.1節(jié)NURBS曲面的數(shù)學(xué)描述，定義如下結(jié)構(gòu)體存儲從IGES文件中析取的NURBS曲面及修剪信息：

2.2 解析NURBS信息在D，P段中的通訊方式

IGES文件中NURBS曲面信息的屬性信息記錄于D段，定義信息記錄于P段，同一NURBS曲面的屬性信息與定義信息通過如圖1所示的兩種方式實現(xiàn)通訊：

（1）每個實體在D段中第1行的9～16列、第2行的25～32列分別記錄該實體定義信息在P段中的首地址和占用行數(shù)。

（2）實體在P段每行的65～72列都給出的地址是指向該實體屬性信息在D段的地址。

圖1 目錄條目段與參數(shù)數(shù)據(jù)段的映射關(guān)系

析取同一實體完整信息的關(guān)鍵就是通過上述兩條通訊途徑建立屬性信息和定義信息之間的聯(lián)系。通過結(jié)構(gòu)體數(shù)組＊de［i］和＊pd［i］記錄第i個實體的屬性信息和定義信息，數(shù)組下標(biāo)i是緩沖區(qū)中第i個實體屬性信息與定義信息通訊的紐帶。

定義char line［80］，每次讀取IGES文件一行的80列字符，根據(jù)2.1節(jié)定義的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)存儲格式以及上述D，P段通訊途徑實現(xiàn)同一實體不同數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)存儲，實現(xiàn)流程見圖2。

2.3 析取有效實體信息

實體在D段中記錄第1行65～72列的8個字符，從左至右每兩位一組依次控制著實體的可見性、獨(dú)立性、用途、層次4種特性信息，緩沖區(qū)中第i個實體的屬性數(shù)據(jù)分別記錄于de［i］.visible，de［i］.dependency，de［i］.use，de［i］.hierarchy，通過處理4個屬性值析出可見幾何實體數(shù)據(jù)，實現(xiàn)流程見圖3。

圖2 各實體信息的讀取與存儲流程

圖3 可見幾何實體信息的析取流程

2.4 NURBS曲面及修剪信息的析取與存儲

IGES文件中，修剪曲面（實體類型號為144）信息通過NURBS曲線（126）、直線（110）與?。?00）等組成的組合曲線鏈（102）修剪NURBS曲面（128）形成；組合曲線鏈（102）與NURBS曲面（128）通過參數(shù)曲面實體上的曲線（142）記錄的方式建立聯(lián)系。在IGES文件中，1.2節(jié)介紹的修剪拓?fù)潢P(guān)系通過144，142，102表述。NURBS曲面及修剪信息的析取與存儲流程見圖4。

圖4 NURBS曲面及修剪信息的析取與存儲流程

由于外邊界的唯一性，根據(jù)144中邊界指針順序和讀取順序規(guī)定trim＿loop［0］存儲外邊界，其后的其他元素存儲內(nèi)邊界。

2.5 IGES文件解釋器的功能實現(xiàn)

IGES文件解釋器實現(xiàn)過程是讀入IGES文件，過濾掉非幾何信息，析取可見的模型輪廓曲面信息，按2.1節(jié)介紹的方式存儲、輸出NURBS曲面，修剪曲線鏈及其拓?fù)潢P(guān)系等。IGES文件解釋器的完整實現(xiàn)流程見圖5。

圖6為Pro/E 3.0中原始模型。圖7為開發(fā)的解釋器輸出數(shù)據(jù)通過OpenGL平臺再現(xiàn)模型。IGES文件大小為3 224kB，經(jīng)過與原始模型對比，無特征丟失。表1列出了解釋出的各實體數(shù)量。

圖5 IGES文件解釋器的實現(xiàn)流程

圖6 Pro/E3.0中原始模型

圖7 IGES文件解釋器輸出數(shù)據(jù)在OpenGL的再現(xiàn)模型

3 結(jié)論

（1）解析了IGES文件中使用NURBS曲面及修剪信息描述模型輪廓曲面的方法，以及NURBS曲面與修剪信息的拓?fù)潢P(guān)系；提出一種NURBS曲面及修剪信息的拓?fù)浯鎯Ψ绞?，實現(xiàn)了在線檢測系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)無損傳遞。

（2）開發(fā)了面向NURBS曲面的IGES文件解釋器，經(jīng)過反復(fù)驗證，其能夠高效、穩(wěn)定、完整地解釋IGES V5.2/5.3文件中NURBS曲面及修剪信息。

表1 IGES文件解釋器解釋的IGES文件中各實體數(shù)量

［1］施法中.計算機(jī)輔助幾何設(shè)計與非均勻有理B樣條［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994.

［2］雷源忠.我國機(jī)械工程領(lǐng)域研究進(jìn)展與展望［J］.中國科學(xué)基金，2009（3）：134-138.

［3］王清華.基于IGES的NURBS曲面在線檢測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2012：23.

［4］中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院.GB/T14213－1993初始圖形交換規(guī)范［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009：1-269.