第03章CAD接口技术及图形标准课件.ppt
第3章 CAD接口技术及图形标准,接口技术是CAD技术的重要组成部分，它是系统信息交流的桥梁。所谓接口，通常意义上是指两个功能部件之间的一种共享界面。在一定的条件下，应根据功能特性、公共的物理连接特性、信号特性以及其他特性来定义。在CAD系统中，接口可以认为是系统内部之间或系统内外之间信息交流的一种共享逻辑界面，即信息交流的一种约定或一种标准。因此，在在CAD系统中，接口可以是构建于窗口环境下的人机交互界面，也可以是不同CAD系统之间或同一系统内部不同功能模块之间数据交换的逻辑接口。,计算机图形标准通常是指图形系统及其相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信的接口标准，以及供图形应用程序调用的子程序功能及其格式标准。其中，前者称为数据及文件格式标准，后者称为子程序界面标准。本章将简要介绍CAD系统的用户接口及其交互技术（人机交互），常见图形软件标准，以及不同CAD系统间的产品数据交换标准。,3.1 交互技术与用户接口,CAD系统中，交互处理是工作量大且必不可少的工作。对一个CAD系统而言，必须允许用户根据设计需要：指定选择功能、拾取操作对象、输入设计参数，并能够动态地输入几何形体的位置坐标。这些常见的人机交互操作需要一个用户接口，即系统使用者与应用系统核心功能模块之间的交互操作界面。通过该接口系统接收用户向系统输入的操作命令及参数，经检验无误后系统调出相应的应用程序模块来执行它，并将执行结果以一定的形式通知用户。,3.1.1 交互任务与交互技术 在以交互形式处理问题的过程中，其交互过程可以分解为一系列的基本任务，且每一种交互任务都有一些应用上的要求。交互技术则是完成交互任务的手段，它的实现在很大程度上依赖于设备及其支撑环境。1.交互任务 与交互过程对应的交互任务通常可以归纳为选择、定位、定向、定路径、定量、文本等任务。,选择 选择任务是从一个选择集中挑选所需要的元素，常用的有命令选择、操作数选择、属性选择和对象选择等。选择集一般分定长和变长两种，选择任务的完成有基于名字（或标识符）和基于位置（坐标点）两种实现方式。命令选择 通过命令窗口或功能菜单（图标按钮），选择执行的操作,操作数选择 通过命令窗口或输入对话框，选择执行的操作步骤或数据。,属性选择 通过改变选择对象的属性集，完成对不同属性的选择。,对象选择 通过定位、捕捉、识别等技术，选择需要的操作对象。,定位 定位任务用来给应用程序指定位置坐标，包括空间定位和语义定位。对于空间定位任务，用户知道需要确定的位置与空间相邻几何元素之间的位置关系，通过在图形屏幕上捕捉或直接创建的方式来完成，如过两已知圆的圆心画一条直线段。对于语义定位任务，用户需要知道某一位置的准确坐标数据，通常需要键入相关的数值来完成，如过某已知点并沿某个方向键入该点的位置增量（或坐标增量）来创建一条直线段。,定向 定向任务是在指定的坐标系中确定形体的方向，此时需要由应用程序来确定其反馈类型、自由度和精度。定路径 定路径任务是一系列定位和定向任务的结合，与时间、空间有关。如：动态运动仿真过程，仿真对象随着时间的变化出现在不同的位置和方向上。,定量 定量任务是要在最大和最小数值之间确定一个值。典型的应用是通过键盘键入一个数值，或通过在其他数字对话输入工具（如数字度盘、游尺）指定一个数值（如窗口系统中常见的音量控制、对比度调节等）。文本 文本任务指输入一个字符串到字处理器中，此字符串不应具有指令意义，即它不是一个命令。如：图纸设计中的技术要求标注等。,三维交互 三维交互任务涉及定位、选择和旋转，它比二维交互任务要困难得多，其主要原因是用户难以区分屏幕上光标所选择对象的深度值与其他显示对象的深度值之间的差异。此外，通用的交互设备（如鼠标、台板等）均为二维，无法适应三维交互操作的需要。为解决上述问题，三维交互任务通常要借助于三视图的功能。,组合交互 组合交互任务是上述基本交互任务的组合，主要包括对话框、构造和控制。其中，对话框用来指定信息表中的多个信息项，如字符属性的字体、颜色、大小等；构造用来产生需要有两个或多个定位的形体，如应用橡皮筋技术绘制图形等；控制用于对已有几何形体的重新定形或定位，如通过改变一个多边形的顶点、拖动绘图等来对几何形状进行局部修改。,2.交互技术 CAD系统通过采用不同的交互技术来完成上述交互任务。选择技术 选择技术要求确定可选择集合的大小及选择值，这个集合可以是固定的，也可以是可变的。选择技术要求有拾取设备（如光笔、鼠标等），或者是可以模拟拾取设备的定位设备。选择技术通常包括：光笔选择；通过图形输入板或鼠标器控制光标选择；通过键入名字、名字缩写、排列的唯一序号或标识码完成选择；用功能键进行选择；以及语音选择和笔划识别等。,定位技术 定位技术用来指定一个坐标，该技术需要确定维数环境，即一维、二维或三维；确定分辨率（即定位精度）；以及确定是连续点还是离散点。定位技术是实现物体在作图空间精确定位的技术，为实现此目的，定位技术通常采用图形输入板或鼠标器控制光标定位、键入坐标定位、光笔或叉丝定位。此外，还经常采用网格、辅助线、比例尺等技术，以提高定位速度和精度，减少定位误差。,定向技术 定向技术是在一个指定的坐标系中规定形体的一个确定方向，在此需要确定坐标系的维数（即自由度）、分辨率、精度和反馈类型，所需的设备为键盘、数值器、定位器等。定向技术主要有键入角度值、用数字度盘或操纵杆控制方向。定路径技术 定路径技术指在一定的时间或空间内，确定一系列的定位点或方向角。产生路径的技术与定位和定向一致，应用方面的要求有定位点的最大数目和两个定位点之间的间隔。计算间隔通常采用基于时间和基于距离两种方法，基于时间是按时间采样，基于距离则是按相对位移达到某个距离采样。定路径技术需要考虑维数问题、分辨率问题和响应形式。响应形式可以是平滑的曲线，也可以是带有标志的一系列定位点。,定量技术 定量技术指在交互过程中，用户在确定精度的前提下，经常需要精确地输入一个数值，指定一个确切的数量，采用的设备通常为键盘或电位计。定量技术包括键入数值或改变电位计阻值来产生所要求的数量。文本技术 文本技术需要确定字符集及字符串的长度。实现文本的技术有键盘输入字 符、菜单选择字符、语音识别和笔划识别等。,橡皮筋技术 橡皮筋技术主要针对变形类的要求，可以动态、连续地将变形过程表示出来，直到出现用户满意的结果为止。其中，橡皮筋技术最主要的工作是动态、连续地改变相关点的设备坐标，如在二维绘图中经常用到的绘圆、绘任意直线等绘图命令。徒手画技术 徒手画技术也称为草图勾画技术，主要用来实现用户快速、近似勾画各种产品图形的要求。徒手画技术的实现分为基于时间和基于距离采样取点，然后用折线或拟合曲线连接采集点，生成对应的图形。拖动技术 拖动技术是将物体在二维或三维空间中的移动过程连续、动态地表现出来，直至满足用户的位置要求为止。,3.1.2 输入控制方式 交互输入过程中的输入控制方式多种多样，这些方式主要取决于程序与输入设备之间如何相互作用，通常采用请求、取样、事件3种方式。请求方式中，只有用输入方式设置命令(或语句)对相应的设备设置需要的输入方式，该设备才能做相应的输入处理。取样方式中，一旦对一台或多台设备设置了取样方式，就可以立即进行数据输入，而不必等待程序中的输入语句。事件方式是指当一台设备被设置成事件方式时，程序和设备将同时工作。从设备输入的数据可以存放在一个事件队列或输入序列中，所有被设置成事件方式的输入数据(或事件)都可以存放在一个事件队列中。在任一时刻，事件队列按照输入数据的顺序存放数据，并有一个最大的数据类型项。在队列中的输入数据可以按照逻辑设备类型、工作站编号、物理设备编码等进行检索。,3.1.3 交互系统的构造 交互系统的构造主要涉及交互式用户接口的表现形式、工作方式、用户命令集的描述、人-机对话序列的设计以及实现方式等内容。1.交互式用户接口的表现形式 交互式人机接口的表现形式主要涉及图形显示屏幕区域划分、显示内容、字型的选用、颜色和灰度的设置、系统的开启以及窗口形式、菜单格式、图形符号和光标形式等内容。在CAD应用软件的开发中，交互式用户接口的表现形式经常以主、子界面的方式展现在用户面前。开发者应注意的问题包括要使用户接口界面友好、区域划分合理、菜单格式统一、数据输入便捷等。,2.交互式用户接口的工作方式 交互式用户接口的常见工作方式包括固定域输入/输出方式、问答方式、表处理方式、命令语言、菜单方式和图形符号方式等。固定域输入/输出方式 固定域输入/输出方式是设计者在程序中用有格式的输入/输出语句实现人机交互。采用此方式时要求用户对接口程序有所了解，使用时比较烦琐且容易出错，目前较少使用。问答方式 问答方式在交互过程的每一步均通过问答形式实现人机交互。此方式比较适合于新用户，但对熟练用户则显得过于罗嗦。表处理方式 表处理方式要求设备有制表功能，只适用于数据驱动的用户接口。命令语言 命令语言方式较为流行，但需要用户记忆较多的命令。,菜单方式 菜单方式适用于各种用户，该方式具有方便易学的特点，因此在用户接口中广泛采用。但有时由于菜单结构格式的设计不合理会限制用户的使用，使用户不能从不同的层次进入。不过，将平铺式菜单和下拉式菜单结合使用，以及开辟用户常用菜单区或弹出式工具栏则可以较好地解决这一问题。图形符号方式 图形符号方式较接近现实生活中人们的日常活动，即把各种操作用图形进行符号化，其界面简洁、生动。但由于图形符号有时无法完全与现实操作一致，容易造成用户的误解。目前，CAD软件的用户接口工作方式实际上是上述各种方式的不同组合。应用软件开发人员应根据软件的特点，采用合适的接口工作方式或组合工作方式来实现人机交互。,3.人-机对话序列的设计 人-机对话序列通常由两部分组成：指定对话命令和为该命令输入所需要的参数。人-机对话序列的设计主要涉及如下的内容。对话命令的选择 菜单驱动的用户接口中，在已经建立的命令树的基础上，一个父结点的对话行为包括显示一张包含该结点所有子结点名、且按其在命令树中位置排列的菜单。例如，一个绘图模式父结点可能包含绘制直线、圆及圆弧、曲线等子模式结点（子结点或命令），而其中某一个子结点（如曲线子结点）可能又含有Bezier曲线、B样条曲线等命令。因此，当用户选择不同的命令模式时，系统应提供不同的菜单序列。对话参数的描述 人-机对话参数的描述一般包括顺序对话、分支对话和循环对话，如AutoCAD的人-机对话就涵盖了这三种情况。,对话动作的描述 交互系统的每一次人-机对话过程中，系统可能会给出一个菜单序列、一个提示信息、弹出一个输入对话框等；当用户输入错误时要显示出错信息，并给出某些语义反馈信息。因此，在交互系统设计中，应根据系统功能完成人-机对话序列和机制的描述，将实现对话动作的菜单命令、出错信息以及提示信息存储在相应的程序文件中，交由系统解释执行并采用必要的控制手段检查用户输入参数的正确性。应用接口的描述 交互系统和应用程序的连接通常通过应用接口实现。应用接口包括一组外部应用过程和函数的定义以及控制对它们的调用的管理程序。一般需要开发人员定义应用过程和函数。,4.交互式用户接口的实现方式 交互式用户接口通常采用菜单驱动、数据表格驱动和事件驱动等形式。其中，层次分支是基础。无论是菜单驱动、数据表格驱动还是事件驱动，都应把用户接口所具有的命令功能做成像饭店里的菜单一样，使其在屏幕上按照层次显示，供用户选择。菜单驱动的交互方式 菜单驱动是根据用户选择的菜单项转向相应的程序入口去驱动执行相应的程序模块。菜单驱动的交互方式涉及菜单的组织、选择和驱动等问题。,数据表格驱动方式 数据表格驱动的设计思想是：用户接口接受一条命令的对话过程（性质和次数等）由一组预先设计好的控制信息进行控制，所有命令的全部对话控制信息集中存放在一个控制信息文件；对话过程中所需涉及的各种数据（菜单、提示信息、出错信息等）都存放在一个独立的接口数据文件中，控制信息通过指针指向所涉及的有关数据。事件驱动方式 对于事件驱动方式而言，在一个事件驱动程序中，程序将控制交给用户，用户通过一系列事件驱动程序的动作。该驱动方式的特点是事件可以在任何时候以任何方式进入，程序内核始终处于一个中心循环之中，当其每接收一个事件时，便以某种方式做出反应。,3.2 计算机图形软件标准,计算机图形软件标准是面向图形应用软件的标准，它提供了应用程序与图形软件的应用接口。图形软件（也可称为图形程序库或图形程序包）是一组常用的有关图形处理的子程序的集合，它隔离了应用程序与物理设备的联系。图形软件的标准化保证了图形处理应用程序的与设备无关性和应用程序在源程序级的可移植性。计算机图形软件标准是CAD系统开发人员非常关心的有关图形处理的核心问题之一。目前，国际上通常采用的图形软件标准有GKS和GKS-3D、PHIGS、以及近年来非常流行的OpenGL。,3.2.1 图形核心系统（GKS和GKS-3D）GKS（Graphics Kernel System，图形核心系统）是一个二维图形标准，1977年由前联邦德国提出，1985年成为ISO标准。GKS提供了图形输入/输出设备与应用程序之间的功能接口，定义了一个独立于语言的图形核心系统。GKS在应用中的地位,GKS独立于图形设备和高级语言，并定义了用高级语言调用图形程序包的接口。用户可以根据自己的要求，在应用程序中调用GKS的各种功能，且所编制的应用程序可以方便地在配有GKS的不同计算机系统之间进行移植。但是，由于GKS是一个二维图形标准，故不能满足三维图形应用的要求。为此，ISO/IEC又制定了GKS-3D图形标准，该标准的制定规则与GKS基本一致，在功能上可以混合应用，但GKS-3D增加了与三维图形输入/输出、显示、视图等有关的功能。,3.2.2 程序员层次交互式图形系统（PHIGS）PHIGS（Programmers Hierarchical Interactive Graphics System，程序员层次交互式图形系统）是由ANSI提出、并于1986年被ISO批准的一个三维图形标准。与GKS-3D相比，PHIGS同时支持造型和图形显示，图形处理功能更加强大和丰富，在图形数据的组织、管理形式上更为合理。PHIGS是为满足具有高度动态性、交互性的三维图形应用而开发的图形软件工具库，其主要特点是能够在系统中高效率地描述应用模型、迅速修改图形模型数据、并重新绘制和显示修改后的图形模型。同时，与GKS一样，该标准提供了应用程序与图形输入/输出设备之间的一个功能接口。PHIGS在应用中的位置如图所示。PHIGS在应用中的地位,PHIGS标准包含三方面的含义：向应用程序开发者提供控制图形设备的图形系统接口；图形数据按照层次结构组织使多层次的应用模型能方便地用PHIGS进行描述；提供了动态修改和绘制显示图形数据的方法。,3.2.3 图形程序库OpenGL OpenGL是开放的图形程序库（Open Graphics Library）的简称，是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准。OpenGL注重于快速绘制二维、三维对象。它最初由SGI公司提出，随后得到了包括微软、IBM、DEC、HP、SUN等大公司的支持。目前，OpenGL是高性能图形处理和交互式视景处理的工业标准，各种专业图形加速卡均以硬件加速OpenGL作为衡量其性能的主要依据。,OpenGL实质上是一个开放的三维图形软件包，它独立于操作系统及窗口系统，可以非常方便地在各个平台之间移植，它具有开放性、独立性和兼容性3大特点，并为用户提供了建模、变换、颜色模式设定、光照和材质设定、纹理设定、位图显示和图像增强设定、双缓存动画等7大功能。OpenGL是一个优秀的专业化三维图形处理API（Application Programming Interface，应用程序接口），已经发展成为因不同应用目的而经二次开发后的多种版本，其版本因公司的不同而不同。目前，OpenGL的应用领域主要有CAD、仿真、科学应用可视化和照片级真实感的游戏场景等。,3.3 产品数据交换标准,随着计算机技术的发展与不断完善，CAx技术在工程和产品设计行业得到了广泛的应用。然而在设计过程中，设计人员可能采用多种CAx系统完成设计工作，或需要与采用不同应用系统的合作者进行设计数据交流。这就导致越来越多的用户需要将产品数据在不同的应用系统之间进行交换，为此，非常有必要建立一个统一的、支持不同应用系统的产品信息描述与交换规范，即制订产品数据交换的标准。本节将简要介绍常用的面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文件格式的标准：DXF、IGES和STEP。,3.3.1 DXF文件 DXF（Drawing eXchange File，图形交换文件）是美国Autodesk公司开发并首先应用于AutoCAD的图形数据交换的图形文件格式，主要用于外部程序与图形系统或不同的图形系统之间交换图形信息。DXF文件结构简单、可读性好，因而很容易被其他程序处理。由于AutoCAD在全世界二维绘图领域的广泛应用和巨大的影响，故大多数CAD系统均支持DXF文件格式，用以完成与AutoCAD软件的图形信息交换，或与其他系统以该文件格式进行图形信息交换。因此，DXF已成为事实上的工业标准。1.DXF文件的生成和导入 在AutoCAD图形编辑状态下，键入DXFOUT命令并按随后的提示操作，就可以将所绘图形生成一个DXF文件。同样，通过键入DXFIN命令，可以导入由外部程序或系统生成的DXF文件。DXF文件属于文本文件，文件的扩展名是.DXF。,2.DXF文件的结构(1)DXF文件的总体结构 DXF文件由7个段和文件结尾组成，按顺序分别是：标题段、类段、表段、块段、实体段、对象段、预览段、文件结尾。(2)组码和组值 DXF文件的最小组成单元是组（Group），一个DXF文件由若干组构成，每个组在文件中占两行，第一行称为组码（Group code），第二行称为组值（Group value）。组码说明了组值的数据类型，组值是数据的具体值，这两行组合起来才是一个完整的数据。外部应用程序通过组码得到组值的数据类型，从而可以方便地读取组值。,3.3.2 基本图形交换规范（IGES）基本图形交换规范（Initial Graphics Exchange Specification，IGES）1980年由美国国家标准局主持开发，1982年成为ANSI标准。IGES虽然不是ISO标准，且在1992年以后其版本不再发展，但作为事实上的工业标准，现有大多数CAD商用软件仍支持IGES图形文件格式。利用IGES文件，用户可以从中提取所需数据进行用户应用程序的开发。1.IGES的作用 IGES是一种中性文件，其作用是在不同的CAD/CAM系统之间交换数据。将某种CAD系统的输出转换成IGES文件时需用前置处理程序处理；将IGES文件传送至另一种CAD系统也需要经后置程序处理。,不同系统间通过IGES交换数据的过程如图所示。,不同系统间通过IGES交换数据,2.IGES在应用中存在的问题 尽管IGES在工业界得到了广泛和成功的应用，但它在实践中存在着一些比较严重的问题，这些问题导致了所谓的IGES“风味”问题的产生，即不同CAD系统之间采用IGES文件进行数据交换时图形发生失真现象。IGES在应用中存在的问题主要表现在：不能精确地完整转换数据，其原因是不同的CAD系统之间许多概念不一致，使得某些定义数据，如表面定义数据可能会丢失；不能转换属性信息；层信息经常丢失；不能把两个零部件的信息放在一个文件中；产生的数据量过大，导致许多CAD系统难以处理（主要体现在时间和存储容量上）；在转换数据的过程中发生的错误难于确定，经常需要手工处理IGES文件，时间和精力花费较大。为了克服IGES存在的问题，扩大CAD系统数据交换中几何、拓扑数据的范围，ISO开发了STEP标准。,3.3.3 产品模型数据转换标准（STEP）产品模型数据转换标准（Standard for the Exchange of Product model data，STEP），由ISO工业自动化系统技术委员会（TC184）第四分委员会（SC4）制定，并于1988年公布为ISO标准。,1.STEP的产品数据模型 STEP标准是一个关于产品信息表达与交换的国际标准，它提供了一种不依赖于具体软硬件系统的中性机制，目的是要建立一个包括产品整个生命周期的、完整的、语义一致的产品数据模型，从而满足产品生命周期内各个阶段对产品信息的不同需求，并保证对产品信息理解的一致性。因此，STEP标准的制定和发展，其意义已远远超越了产品模型数据的交换，它的目标是要统一产品数据的表示。STEP的精髓是要描述整个产品的信息，而不仅描述产品的几何形状。这种对整个产品信息的描述和表达能支持产品整个生命周期内各种活动对模型信息的需求，即从产品设计到产品退出市场这一过程中需要的全部信息。STEP所描述的模型被认为是在计算机中建立完整产品模型的一种推荐模型。STEP是一个体系庞大的标准，到目前为止已正式公布了30多个子标准。,2.STEP标准的基本组成 STEP标准是为CAx系统提供中性产品数据的公共资源和应用模型，主要包括五方面的内容：描述方法、集成信息资源、应用协议、一致性测试和实现方法。,3.STEP标准的应用 STEP标准是一项国际标准，同时也是一种思想、一门技术和一种方法学，它对产品信息建模、信息集成与交换带来了深远的影响。STEP标准满足了产品开发部门在实施协同设计、并行设计、虚拟产品集成开发等环境下的需求，其建立了统一的产品信息模型并进行数据交换，提供了一种数据共享的机制。STEP标准也为CAx和DBMS应用系统的开发，提供了接口标准化和概念模型标准化的支持。目前，STEP标准的应用覆盖了从单项任务到整个企业的信息化建设的广阔领域，如数据交换、建立STEP产品数据库、营造并行工程等大型复杂系统的集成环境、产品数据的长期存档等。STEP标准本身是一个包含内容众多的、庞大的标准化实施计划，要全部完成该标准仍然需要一个较长的时间和过程。STEP标准在应用中也面临着一些问题，主要体现在体系结构、应用协议、应用协议实现的代价等方面。STEP标准还在研究和发展之中，随着时间的推移，上述问题会逐步得到解决，STEP标准的实用性将会逐渐得以加强。,
