基于OpenCASCADE 內(nèi)核與OpenSceneGraph 渲染引擎的三維網(wǎng)格劃分平臺研究

譚鳳

（湖南科技職業(yè)學(xué)院，湖南 長沙 410004）

一、前言

目前的主流 CAD 軟件都是建立在造型內(nèi)核的基礎(chǔ)上開發(fā)的，例如AutoCAD、CATIA 采用的內(nèi)核是 ACIS，UG、SolidWorks、SolidEdge 和ANSYS 的內(nèi)核是 Parasolid，而國內(nèi)的 CAXA 系統(tǒng)對上述兩種內(nèi)核都有應(yīng)用[1]。OpenCASCADE（簡稱OCC）也是一種造型內(nèi)核，其實際上就是一個類庫，定義了圖形數(shù)據(jù)的存儲格式以及大量的圖形算法。OCC 是法國MDTV(Matra Datavision)公司開發(fā)的開源 3D 幾何造型引擎，是一個先進的、三維的、邊界表示（B-Rep）為主的幾何造型工具包，是由 C++開發(fā)設(shè)計基于OpenGL 的專用快速開發(fā)的 CAD 類庫[2]。

OCC 主要用于開發(fā)二維和三維幾何建模應(yīng)用程序，包括通用的或?qū)I(yè)的計算機輔助設(shè)計CAD 系統(tǒng)、制造或分析領(lǐng)域的應(yīng)用程序、仿真應(yīng)用程序或圖形演示工具。OCC 通過有機組織的C++庫文件提供了六個模塊，可視化模塊作為OCC 的核心部分，是可視化技術(shù)的具體體現(xiàn)。OCC 源代碼完全開放，所以無版權(quán)問題，適合課題研究使用，并且擁有持續(xù)的維護團隊，在應(yīng)用中具有較大的優(yōu)勢。OpenCASCADE 技術(shù)可以用于包括 CAD/CAM/CAE等方面的眾多三維應(yīng)用程序的開發(fā)。從九十年代中期開始，己經(jīng)被許多不同領(lǐng)域的商業(yè)公司用來開發(fā)自己的軟件產(chǎn)品[3]。

OpenSceneGraph(簡稱OSG)是一個開源的高性能三維圖像渲染工具包，其完全是由標準C++程序和OpenGL 編寫，充分利用STL 和設(shè)計模式，發(fā)揮開源開發(fā)模型的優(yōu)勢來提供一個免費的開發(fā)庫，并且重點集中在用戶的需求上，一般用于視覺仿真、游戲、虛擬現(xiàn)實、科學(xué)可視化和建模等領(lǐng)域[4]。隨著使用一個全特性的場景圖OSG的關(guān)鍵優(yōu)勢在于它的性能、可擴展性、可移植性和快速開發(fā)，目前已經(jīng)有很多成功的基于OSG 的應(yīng)用，比如景區(qū)模擬系統(tǒng)[5]、衛(wèi)星可視化仿真系統(tǒng)［6］、林地可視化系統(tǒng)[7]、校園可視化系統(tǒng)[8]等，效果不亞于商業(yè)視景渲染軟件。

CAD/CAE 平臺在國內(nèi)更多的是基于二次開發(fā)，比如AutoCAD 二次開發(fā)，UG 二次開發(fā)，REVIT 二次開發(fā)等，這些開發(fā)都是依賴于特定的平臺，受限很多。而且CAD/CAE 軟件售價高昂，成套的CAD/CAE 軟件動輒就是百萬價格，很多軟件使用者無力承擔，如果能夠針對中小企業(yè)提供一個精簡高效的CAD/CAE 軟件，并根據(jù)具體需求增加特定功能，這有利于節(jié)省成本，提高工作效率。

OCC 是一個開源的幾何建模庫，利用這個幾何建模庫不僅能建立復(fù)雜的幾何模型而且該庫還支持大多數(shù)的主流3D 文件格式，直接使用OCC 開源內(nèi)核能快速的實現(xiàn)高效建模和模型文件的解析；而OSG 是一個開源的三維渲染引擎，具備高性能、跨平臺、快速開發(fā)等特點，對于大規(guī)模渲染來說，OSG 有比較優(yōu)勢；在三維網(wǎng)格劃分算法的選擇上，采用了Netgen 與Gmsh開源網(wǎng)格算法，二者皆是在三角形和四面體劃分領(lǐng)域具備極高的價格，其網(wǎng)格質(zhì)量能夠達到商業(yè)水準，因此通過對Netgen 與Gmsh 增加部分接口能快速的實現(xiàn)網(wǎng)格劃分。

二、系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)計流程

本系統(tǒng)主要分為四個大類：數(shù)據(jù)驅(qū)動采用OCC，對讀取的模型文件數(shù)據(jù)用OCC 解析并保存；模型渲染與交互采用OSG，通過對OCC 數(shù)據(jù)進行三角化轉(zhuǎn)換為OSG 幾何數(shù)據(jù)，進而在OSG 中可視化；系統(tǒng)界面使用QT5，通過將OSG 嵌入QT 中實現(xiàn)一個可視化、可交互的三維空間；網(wǎng)格采用Netgen 與Gmsh，通過將Netgen 與Gmsh 配合OCC 進行重新編譯，并且新增以O(shè)CC 數(shù)據(jù)支持類型的接口，方便直接對模型進行劃分。系統(tǒng)設(shè)計流程如下圖1 所示：

通過讀取STEP、IGS 文件，利用OCC 的OCAF 進行解析，能獲得模型文件的裝配體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)進行存儲；利用OSG 對這些存儲的數(shù)據(jù)進行三角化處理后，用OSG 進行顯示；在網(wǎng)格劃分階段，通過交互方式選中一個或者多個模型零件后，設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)后對這些零件進行網(wǎng)格劃分，并用OSG 顯示結(jié)果。

三、系統(tǒng)詳細設(shè)計

（一）OCC 數(shù)據(jù)驅(qū)動

本系統(tǒng)利用OCC 接口直接讀取STEP、IGS 文件后獲取模型數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要包括：

表1 模型數(shù)據(jù)類型說明

（二）OSG 顯示與交互

OSG 顯示模型主要是通過三角化操作實現(xiàn)的，然后獲取所有的三角形即可，因此OSG 接口數(shù)據(jù)主要有：

表2 接口數(shù)據(jù)類型說明

(三)網(wǎng)格劃分與顯示

劃分網(wǎng)格采用Netgen 與Gmsh 開源網(wǎng)格劃分算法，對其進行集成時需要新增或者修改接口，例如在Netgen 就沒有直接以模型數(shù)據(jù)為接口參數(shù)的API，因此需要自行新增以模型數(shù)據(jù)為參數(shù)的接口設(shè)計，Gmsh 也是類似的，本系統(tǒng)新增了2 個接口，通過將TopoDS_Shape 數(shù)據(jù)傳作為參數(shù)輸入，得到網(wǎng)格劃分結(jié)果，接口描述如下：

表3 接口函數(shù)說明

Netgen 網(wǎng)格劃分參數(shù)設(shè)置如下：

表4 Netgen 網(wǎng)格劃分參數(shù)說明

Gmsh 網(wǎng)格劃分參數(shù)設(shè)置如下：

表5 Gmsh 網(wǎng)格劃分參數(shù)說明

四、系統(tǒng)實現(xiàn)效果

本系統(tǒng)命名為OCCAD，采用QT 多文檔的設(shè)計框架，初始化效果如下圖：

（一）讀取模型文件的效果如下：

讀取文件格式目前支持STEP、IGS 格式，模型顯示在OSG 場景中，左側(cè)的模型裝配體結(jié)構(gòu)利用OCC 的XCAF 框架解析，通過遍歷方式將零件按照樹形結(jié)構(gòu)存儲，再利用qt 樹形控件顯示出來。

（二）模型裝配體樹顯示

利用OCC 的XCAF 實現(xiàn)對模型文件的裝配遍歷，并根據(jù)模型裝配直接的相互關(guān)系，構(gòu)建一顆樹，效果如下圖所示：

（三）視角切換與模式切換

具備基本的視角切換，支持六視圖操作與手勢操作，支持三種模型顯示模型切換：線框模式、實體模式、實體線框模式。效果如下圖：

（四）Netgen 網(wǎng)格劃分

編譯帶OCC 選項的Netgen C++動態(tài)庫，同時新增一個以模型為參數(shù)的接口Ng_OCC_Load_Shape(TopoDS_Shape &shape)實現(xiàn)針對交互選擇的特定子模型進行網(wǎng)格劃分，通過設(shè)置參數(shù)實現(xiàn)自動劃分，效果如下所示：

（五）Gmsh 網(wǎng)格劃分

編譯帶OCC 選項的Gmsh C++動態(tài)庫，新增一個以模型為參數(shù)的接口：import Shapes Native Pointer(Topo DS_Shape&shape,gmsh::vectorpair &out Dim Tags,const bool highest Dim Only=true)實現(xiàn)交互選擇子模型進行網(wǎng)格劃分，效果如下圖所示：

五、結(jié)語

本文實現(xiàn)了一個基于QT 框架下，OCC 與OSG 相結(jié)合的三維網(wǎng)格劃分系統(tǒng)，通過集成、修改Netgen 與Gmsh 網(wǎng)格接口實現(xiàn)了對STEP、IGS 模型能進行高質(zhì)量的劃分并快速顯示，從底層內(nèi)核開發(fā)系統(tǒng)的方式，改變了以往基于商業(yè)平臺進行二次開發(fā)的環(huán)境需求，利用開源的內(nèi)核、顯示引擎與開源算法集成，結(jié)合了OCC 與OSG 各自領(lǐng)域的優(yōu)勢，以及Netgen 與Gmsh 在網(wǎng)格劃分領(lǐng)域內(nèi)的高質(zhì)量效果，通過集成的方式實現(xiàn)自主可控，為CAD/CAE 系統(tǒng)的自主研發(fā)提供了思路。