IGES文件在非均質(zhì)實(shí)體保存與讀取中的應(yīng)用

臧婷，穆國(guó)旺

（河北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，天津 300401）

IGES文件在非均質(zhì)實(shí)體保存與讀取中的應(yīng)用

臧婷，穆國(guó)旺

（河北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，天津 300401）

非均質(zhì)實(shí)體是一種具有多種優(yōu)良性能的新型構(gòu)件，但由于其數(shù)據(jù)處理和記錄方式與常規(guī)均質(zhì)實(shí)體具有本質(zhì)區(qū)別，導(dǎo)致了非均質(zhì)實(shí)體建模軟件與其它常規(guī)CAD/CAM軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)交換十分困難，嚴(yán)重影響著非均質(zhì)實(shí)體建模軟件的通用性．針對(duì)這一問(wèn)題，基于IGES文件，提出了一種能夠保存非均質(zhì)實(shí)體模型的幾何信息和材質(zhì)信息的方法，解決了非均質(zhì)實(shí)體的保存與讀取以及數(shù)據(jù)共享問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了不同平臺(tái)間的非均質(zhì)材料實(shí)體的數(shù)據(jù)交換．

非均質(zhì)實(shí)體；IGES文件；保存；讀取

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)Σ牧弦约霸O(shè)備零部件的性能要求也越來(lái)越高，由單一或均質(zhì)材料構(gòu)成的零件已常常難以滿足產(chǎn)品對(duì)零件的性能要求，而是需要由多種材料構(gòu)成的，能滿足特殊要求下、各個(gè)方面的梯度功能和智能等性能要求的非均質(zhì)材料零件．在此背景下，人們提出了非均質(zhì)實(shí)體（Heterogeneous Object，HO）的概念．非均質(zhì)實(shí)體是指由2種或2種以上組分材料（或空隙）在實(shí)體內(nèi)部規(guī)則或非規(guī)則分布而形成的具有多重特定功能的構(gòu)件[1]．由于非均質(zhì)實(shí)體將各種材料的優(yōu)良性能集于一體，因此廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，如機(jī)械、電子、熱力學(xué)、光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、地球物理學(xué)和其他領(lǐng)域[1-2]．雖然各國(guó)學(xué)者對(duì)于非均質(zhì)實(shí)體的建模方法進(jìn)行了廣泛的研究，并提出了多種關(guān)于非均質(zhì)實(shí)體的CAD建模軟件，但是至今仍沒(méi)有一套成熟的、實(shí)用性強(qiáng)的、功能完善的面向非均質(zhì)實(shí)體的商業(yè)非均質(zhì)實(shí)體建模軟件，其原因之一就是非均質(zhì)功能實(shí)體內(nèi)部數(shù)據(jù)的表示方法與常規(guī)CAD模型表示方法存在根本性差異，因此數(shù)據(jù)處理方式和記錄方式便隨著建模方法的不同而不同，這直接導(dǎo)致了非均質(zhì)實(shí)體建模軟件與其它常規(guī)CAD/CAM軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)交換十分困難，嚴(yán)重影響著非均質(zhì)實(shí)體建模軟件的通用性．

如今大多數(shù)成熟的CAD/CAM軟件系統(tǒng)都能夠讀取IGES文件，并且IGES格式文件獨(dú)立于建模方法，具有很好的靈活性，簡(jiǎn)單、易讀，因此，本文基于IGES文件，提出了一種能夠完整地保存非均質(zhì)實(shí)體幾何信息和材質(zhì)信息的方法，用以存儲(chǔ)非均質(zhì)CAD模型，解決了非均質(zhì)實(shí)體的保存與讀取以及非均質(zhì)實(shí)體的數(shù)據(jù)共享問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了不同平臺(tái)間的非均質(zhì)材料實(shí)體的數(shù)據(jù)交換．

1 IGES文件的數(shù)據(jù)交換方式

初始圖形交換規(guī)范IGES（InitialGraphics ExchangeSpecification）是1980年由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所主持，波音和通用公司參編，經(jīng)ANSI批準(zhǔn)發(fā)布的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3]，它規(guī)定了自己的文件結(jié)構(gòu)格式、語(yǔ)言格式以及在這種格式中幾何的、拓?fù)涞暮彤a(chǎn)品定義數(shù)據(jù)的表示方法[3-4]，同時(shí)，IGES格式是獨(dú)立于建模方法的，支持使用物理媒體或電子通信協(xié)議的數(shù)據(jù)交換．如今大多數(shù)成熟的商用CAD/CAM系統(tǒng)都支持符合IGES標(biāo)準(zhǔn)的模型表示，如UG、Pro/E、Solid Works等都將IGES文件作為自己系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口之一，因此，將非均質(zhì)實(shí)體存儲(chǔ)為IGES格式，便可以實(shí)現(xiàn)與其他CAD/CAM軟件之間的數(shù)據(jù)交換與信息共享．

CAD系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換可以用圖1來(lái)表示，在本文中，系統(tǒng)A為常規(guī)CAD造型軟件，如UG、Pro/E等，系統(tǒng)B為作者自主研發(fā)的非均質(zhì)實(shí)體建模軟件NURBS-HO-CAD[2]．系統(tǒng)A的前置處理器經(jīng)過(guò)造型處理給出均質(zhì)實(shí)體的CAD模型，并將其存儲(chǔ)為IGES格式文件，然后將IGES文件輸入到系統(tǒng)B，系統(tǒng)B中的后置處理器將其轉(zhuǎn)化為NURBS-HO-CAD軟件內(nèi)部的數(shù)據(jù)格式，此時(shí)完成從常規(guī)CAD造型系統(tǒng)到非均質(zhì)造型系統(tǒng)NURBS-HO-CAD的數(shù)據(jù)傳輸．緊隨其后的是在NURBS-HO-CAD系統(tǒng)中利用材料信息造型器為均質(zhì)實(shí)體添加材料信息，生成非均質(zhì)實(shí)體，系統(tǒng)B的前置處理器將非均質(zhì)實(shí)體存儲(chǔ)為IGES格式文件，便可以輸入到系統(tǒng)A，從而完成從NURBS-HO-CAD系統(tǒng)到常規(guī)CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸．許多文獻(xiàn)[4-6]已經(jīng)詳細(xì)介紹了讀取IGES文件的方法，即系統(tǒng)B中后置處理器的運(yùn)行方法，而文獻(xiàn)[2,7-9]已經(jīng)詳細(xì)介紹了非均質(zhì)實(shí)體的建模原理和建模方法以及對(duì)中性實(shí)體進(jìn)行材料信息融合的方法，因此，本文的研究重點(diǎn)是如何將非均質(zhì)實(shí)體的各種信息存儲(chǔ)在IGES文件之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)非均質(zhì)實(shí)體造型軟件NURBS-HO-CAD與其它常規(guī)CAD造型軟件的數(shù)據(jù)共享．

2 IGES文件對(duì)非均質(zhì)實(shí)體的存儲(chǔ)

與均質(zhì)實(shí)體內(nèi)部材料不變的特點(diǎn)不同，非均質(zhì)實(shí)體表面及其內(nèi)部的材料呈連續(xù)或非連續(xù)分布狀態(tài)，因此在保存非均質(zhì)實(shí)體時(shí)，除了要保存實(shí)體的幾何信息和拓?fù)湫畔⑼?，更重要的是要保存其材料信息．在非均質(zhì)實(shí)體的建模軟件[2]中，通常采取不同的顏色來(lái)表示不同的材質(zhì)信息．IGES文件中數(shù)據(jù)的基本單元是實(shí)體，實(shí)體被分成幾何實(shí)體與非幾何實(shí)體兩大類[6]．幾何實(shí)體定義了產(chǎn)品的物理外形，包括點(diǎn)、曲線、表面、立體和結(jié)構(gòu)化實(shí)體集合的關(guān)系；非幾何實(shí)體指定標(biāo)注、定義、結(jié)構(gòu)，并指定實(shí)體的屬性，如顏色、狀態(tài)、實(shí)體之間的聯(lián)系等[6]．本文利用IGES文件可同時(shí)存儲(chǔ)幾何實(shí)體和非幾何實(shí)體的特點(diǎn)，將非均質(zhì)實(shí)體存儲(chǔ)為可以記錄幾何特征和材料特征的IGES格式文件．

標(biāo)準(zhǔn)的IGES文件包括固定長(zhǎng)ASCII碼、壓縮的ASCII碼以及二進(jìn)制3種格式[6]．固定長(zhǎng)ASCII碼格式的IGES文件共分5個(gè)段[6]，每段若干行，每一行共80個(gè)字符，其中，前72個(gè)字符為該段內(nèi)容；第73個(gè)字符為段標(biāo)識(shí)符，分別為S（開(kāi)始段）、G（全局參數(shù)段）、D（元素索引段，也稱為目錄段）、P（參數(shù)數(shù)據(jù)段）和T（結(jié)束段）；第74到第80個(gè)字符表示每行的段的序號(hào)，序號(hào)從1開(kāi)始連續(xù)排列，其數(shù)值對(duì)應(yīng)于這一段的行數(shù)．下面，對(duì)固定長(zhǎng)ASCII碼格式的IGES文件的5個(gè)段分別加以介紹．

圖1 CAD系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換Fig.1Data interchange between CAD systems

2.1 S段和G段

S段是IGES文件的開(kāi)始段，該段是IGES文件的序言．G段是全局參數(shù)段，主要包含前處理器的描述性與介紹性信息以及后處理器處理文件時(shí)所需的一些必要信息，該段記錄的主要參數(shù)有：文件名、前處理器版本、單位、文件生成日期、作者姓名及單位、IGES版本等．存儲(chǔ)非均質(zhì)實(shí)體的IGES文件對(duì)S段和G段沒(méi)有特殊要求，只需按照規(guī)則定義兩個(gè)段即可．

2.2 D段

D段是目錄段，主要的作用是提供索引記錄．IGES文件中每一個(gè)實(shí)體都有一個(gè)目錄索引，均為固定長(zhǎng)格式，每個(gè)目錄分為2行，共有20個(gè)域，每個(gè)域8個(gè)字符．表1顯示了D段每個(gè)實(shí)體的域格式[3,6]．

表1 D段數(shù)據(jù)格式Tab.1Data format of D section

圖2摘錄于一個(gè)存儲(chǔ)非均質(zhì)實(shí)體的IGES文件，其中第73列為字母“D”，說(shuō)明該部分代碼為目錄段．D段的第1個(gè)域和第11個(gè)域指出實(shí)體類型，314為顏色實(shí)體，406為屬性實(shí)體，110為直線實(shí)體，相應(yīng)的解釋性文字存于該段的第18個(gè)域之中．D段的第2個(gè)域指出當(dāng)前實(shí)體在參數(shù)數(shù)據(jù)段P段中第一行的行號(hào)．比如，顏色實(shí)體、屬性實(shí)體、直線實(shí)體分別位于P段中第1 030、1 031、1 032行．另外，需要特別指出，D段中的第13個(gè)域記錄該實(shí)體的顏色，但是，IGES文件定義的顏色號(hào)只有表2指出的8個(gè)[6]，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了非均質(zhì)實(shí)體對(duì)于顏色信息的要求，因此在記錄非均質(zhì)實(shí)體的IGES文件中，本文通過(guò)314顏色實(shí)體記錄不同的材料信息．而在IGES文件中，顏色實(shí)體需要與屬性實(shí)體搭配使用才能夠達(dá)到記錄顏色信息，并能夠被后處理器識(shí)別的目的．

表2 IGES文件中的顏色定義Tab.2Color definition in IGES file

圖2 非均質(zhì)實(shí)體IGES文件的目錄段片段Fig.2Segment of directory entry section in IGES file of heteregeneous object

2.3 P段

P段為參數(shù)數(shù)據(jù)段，包含了與每個(gè)實(shí)體相關(guān)的參數(shù)數(shù)據(jù)．與D段的固定格式存儲(chǔ)不同，P段是自由格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，其中第1個(gè)域是實(shí)體類型號(hào)，“，”是參數(shù)分隔符，參數(shù)數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)體類型的不同而不同，但自由格式部分需在每行的第64列結(jié)束，第65列為空格，第66～72列為當(dāng)前實(shí)體在D段的第1行行號(hào)，第73列是標(biāo)識(shí)符，第74～80列是參數(shù)段行號(hào)．實(shí)體的參數(shù)數(shù)據(jù)以“；”結(jié)束．圖3摘錄于一個(gè)存儲(chǔ)非均質(zhì)實(shí)體的IGES文件，這部分參數(shù)段與圖2給出的目錄段相對(duì)應(yīng)．314顏色實(shí)體后的3個(gè)數(shù)據(jù)分別表示R、B、G的數(shù)值，該行中的數(shù)字2059表示該顏色實(shí)體位于D段的第2059行．類似的，406特征實(shí)體后給出直線的參數(shù)數(shù)據(jù)，110直線實(shí)體后的六個(gè)數(shù)值分別為直線的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)．

2.4 T段

T段為結(jié)束段，共10個(gè)域，每個(gè)域?yàn)?列．結(jié)束段表示符T位于第73列，第74～80列為行號(hào)1．圖4為結(jié)束段片段，各參數(shù)含義為：S（開(kāi)始段）共1行、G（全局參數(shù)段）共4行，D（元素索引段）共39 360行，P（參數(shù)數(shù)據(jù)段）共19 680行．

圖3 非均質(zhì)實(shí)體IGES文件的參數(shù)數(shù)據(jù)段片段Fig.3Segment of parameter data section in IGES file of heteregeneous object

圖4 非均質(zhì)實(shí)體IGES文件的結(jié)束段片段Fig.4Segment of terminate section in IGES file of heteregeneous object

3 程序?qū)崿F(xiàn)

本文將IGES文件對(duì)非均質(zhì)實(shí)體的存儲(chǔ)集成于作者自主研發(fā)的非均質(zhì)實(shí)體建模系統(tǒng)NURBS-HOCAD[2]之中．系統(tǒng)NURBS-HO-CAD從非均質(zhì)實(shí)體的通用建模理論體系入手，以VC++6.0為開(kāi)發(fā)環(huán)境，以ACIS為幾何造型引擎，以O(shè)penGL為渲染引擎，是一套交互式非均質(zhì)實(shí)體計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)．將IGES文件存儲(chǔ)功能融入到NURBSHO-CAD的“保存與讀取”模塊中，是對(duì)軟件NURBS-HO-CAD的升級(jí)與擴(kuò)充，提高了軟件NURBSHO-CAD的通用性，實(shí)現(xiàn)了非均質(zhì)實(shí)體可以在不同系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的目的．在軟件代碼的編寫上，NURBS-HO-CAD軟件中所有自定義的類都從MFC類庫(kù)中的CObject類派生而來(lái)，其中，CSaveOpen類負(fù)責(zé)非均質(zhì)實(shí)體文件的保存與讀取，它的派生類COpenIGES封裝了讀取IGES文件的各個(gè)函數(shù)，派生類CSaveHIGES封裝了將非均質(zhì)實(shí)體保存為IGES文件的各個(gè)函數(shù)．表3給出了完成IGES文件存儲(chǔ)功能的主要函數(shù)、函數(shù)功能以及各函數(shù)之間的關(guān)系．

4 實(shí)例驗(yàn)證

表3 IGES文件中的主要函數(shù)、函數(shù)功能以及各函數(shù)之間的關(guān)系Tab.3Vital functions,the tasks and the relationship between various functions in IGES

在非均質(zhì)實(shí)體建模系統(tǒng)NURBS-HO-CAD中，本文利用近似模型建模模塊[7-9]給出了一個(gè)非均質(zhì)球的表面模型，在將其離散化為體素[10-11]后，存儲(chǔ)為IGES格式．圖5為非均質(zhì)球表面的IGES文件在UG中顯示的效果圖，從該圖中可以看出，軟件UG不僅能夠很好的顯示非均質(zhì)球表面的幾何信息，而且能夠準(zhǔn)確的顯示出球表面的材料信息．圖6為將球的分辨率增加1倍之后在UG中顯示的效果圖．從圖6中可以看出，非均質(zhì)球表面的精確化描述程度比圖5要好，但付出的代價(jià)是計(jì)算速度減慢．

圖7為沒(méi)有賦予任何材料信息的人臉模型在Pro/E中的顯示，其中的體素幾何坐標(biāo)為經(jīng)過(guò)去噪、壓縮處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將這些中性數(shù)據(jù)導(dǎo)入到NURBS-HO-CAD建模系統(tǒng)中，并在系統(tǒng)中通過(guò)材料信息造型器設(shè)定材質(zhì)信息，最后存儲(chǔ)為IGES文件．圖8為加入材質(zhì)信息的人臉模型的IGES文件在Pro/E中的顯示，從圖中可以看出，常規(guī)CAD/CAM軟件系統(tǒng)Pro/E能夠很好的讀取并顯示存儲(chǔ)非均質(zhì)實(shí)體的IGES文件，從而實(shí)現(xiàn)了非均質(zhì)實(shí)體建模系統(tǒng)NURBS-HO-CAD與Pro/E之間的數(shù)據(jù)交換．

圖5 UG顯示的非均質(zhì)球1Fig.5Heterogeneous ball 1 showed in UG

圖6 UG顯示的非均質(zhì)球2Fig.6Heterogeneous ball 2 showed in UG

5 結(jié)論

本文將初始圖形交換規(guī)范IGES文件應(yīng)用于非均質(zhì)實(shí)體的保存與讀取之中，并將其融入到自主研發(fā)的建模軟件NURBS-HO-CAD之內(nèi)，解決了非均質(zhì)實(shí)體幾何與材質(zhì)信息的存儲(chǔ)與再現(xiàn)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了不同平臺(tái)間的復(fù)雜非均質(zhì)材料實(shí)體的數(shù)據(jù)交換，為基于非均質(zhì)實(shí)體的CAD/CAE/CAPP/CAM一體化軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了新思路．

圖7 均質(zhì)人臉模型Fig.7Homogeneous face model

圖8 非均質(zhì)人臉模型Fig.8Heterogeneous face model

[1]Xu Anping，Shaw Leon L．Equal distance offset approach to representing and process planning for solid freeform fabrication of functionally graded materials[J]．Computer-Aided Design，2005，37（12）：1308-1318．

[2]臧婷．基于NURBS的非均質(zhì)實(shí)體建模方法研究[D]．天津：河北工業(yè)大學(xué)，2013．

[3]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)匯編編委會(huì)．中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)匯編[M]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999．

[4]黃建梅，譚光宇，李劍，等．反求工程中基于IGES的數(shù)據(jù)交換[J]．哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，10（4）：8-15．

[5]徐昕，劉書(shū)桂．CMM/CAD集成系統(tǒng)中IGES后處理器的開(kāi)發(fā)[J]．天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，36（1）：28-32．

[6]GB/T 14213-1993．初始圖形交換規(guī)范(IGES)[S]．

[7]紀(jì)振鵬．非均質(zhì)實(shí)體建模理論及基于ACIS和HOOPS的軟件實(shí)現(xiàn)方法研究[D]．天津：河北工業(yè)大學(xué)，2007．

[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．

[9]XuAnping，ZangTing，Ji Zhenpeng，etal．HeterogeneousobjectmodelingapproachbasedonACISandHOOPS[J]．KeyEngineeringMaterials．2010，419-420：793-796．

[10]朱心雄．自由曲線曲面造型技術(shù)[M]．北京：科學(xué)出版社，2000．

[11]Kou X Y，Tan S T．An Approach of Irregular Porous Structure Modeling Based on Subdivision and NURBS[J]．Computer-Aided Design and Applications，2013，10（2）：355-369．

[責(zé)任編輯 楊屹]

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

河北省自然科學(xué)基金（E2014202124）；河北省教育廳科學(xué)基金（Q2012022）

臧婷（1980-），女（漢族），副教授，博士．