第03章 CAD接口技術(shù)及圖形標(biāo)準(zhǔn).ppt

1、第3章 CAD接口技術(shù)及圖形標(biāo)準(zhǔn),接口技術(shù)是CAD技術(shù)的重要組成部分，它是系統(tǒng)信息交流的橋梁。 所謂接口，通常意義上是指兩個(gè)功能部件之間的一種共享界面。在一定的條件下，應(yīng)根據(jù)功能特性、公共的物理連接特性、信號(hào)特性以及其他特性來(lái)定義。 在CAD系統(tǒng)中，接口可以認(rèn)為是系統(tǒng)內(nèi)部之間或系統(tǒng)內(nèi)外之間信息交流的一種共享邏輯界面，即信息交流的一種約定或一種標(biāo)準(zhǔn)。 因此，在在CAD系統(tǒng)中，接口可以是構(gòu)建于窗口環(huán)境下的人機(jī)交互界面，也可以是不同CAD系統(tǒng)之間或同一系統(tǒng)內(nèi)部不同功能模塊之間數(shù)據(jù)交換的邏輯接口。,計(jì)算機(jī)圖形標(biāo)準(zhǔn)通常是指圖形系統(tǒng)及其相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)中各界面之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和通信的接口標(biāo)準(zhǔn)，以及供圖形應(yīng)用程

2、序調(diào)用的子程序功能及其格式標(biāo)準(zhǔn)。 其中，前者稱(chēng)為數(shù)據(jù)及文件格式標(biāo)準(zhǔn)，后者稱(chēng)為子程序界面標(biāo)準(zhǔn)。 本章將簡(jiǎn)要介紹CAD系統(tǒng)的用戶(hù)接口及其交互技術(shù)（人機(jī)交互），常見(jiàn)圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)，以及不同CAD系統(tǒng)間的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。,3.1 交互技術(shù)與用戶(hù)接口,CAD系統(tǒng)中，交互處理是工作量大且必不可少的工作。 對(duì)一個(gè)CAD系統(tǒng)而言，必須允許用戶(hù)根據(jù)設(shè)計(jì)需要： 指定選擇功能、拾取操作對(duì)象、輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，并能夠動(dòng)態(tài)地輸入幾何形體的位置坐標(biāo)。 這些常見(jiàn)的人機(jī)交互操作需要一個(gè)用戶(hù)接口，即系統(tǒng)使用者與應(yīng)用系統(tǒng)核心功能模塊之間的交互操作界面。 通過(guò)該接口系統(tǒng)接收用戶(hù)向系統(tǒng)輸入的操作命令及參數(shù)，經(jīng)檢驗(yàn)無(wú)誤后系統(tǒng)調(diào)出相應(yīng)的應(yīng)用

3、程序模塊來(lái)執(zhí)行它，并將執(zhí)行結(jié)果以一定的形式通知用戶(hù)。,3.1.1 交互任務(wù)與交互技術(shù) 在以交互形式處理問(wèn)題的過(guò)程中，其交互過(guò)程可以分解為一系列的基 本任務(wù)，且每一種交互任務(wù)都有一些應(yīng)用上的要求。 交互技術(shù)則是完成交互任務(wù)的手段，它的實(shí)現(xiàn)在很大程度上依賴(lài)于設(shè)備及其支撐環(huán)境。 1. 交互任務(wù) 與交互過(guò)程對(duì)應(yīng)的交互任務(wù)通?？梢詺w納為選擇、定位、定向、定路徑、定量、文本等任務(wù)。, 選擇 選擇任務(wù)是從一個(gè)選擇集中挑選所需要的元素，常用的有命令選擇、操作數(shù)選擇、屬性選擇和對(duì)象選擇等。選擇集一般分定長(zhǎng)和變長(zhǎng)兩種，選擇任務(wù)的完成有基于名字（或標(biāo)識(shí)符）和基于位置（坐標(biāo)點(diǎn)）兩種實(shí)現(xiàn)方式。 命令選擇 通過(guò)命令窗口或

4、功能菜單（圖標(biāo)按鈕），選擇執(zhí)行的操作, 操作數(shù)選擇 通過(guò)命令窗口或輸入對(duì)話(huà)框，選擇執(zhí)行的操作步驟或數(shù)據(jù)。, 屬性選擇 通過(guò)改變選擇對(duì)象的屬性集，完成對(duì)不同屬性的選擇。, 對(duì)象選擇 通過(guò)定位、捕捉、識(shí)別等技術(shù)，選擇需要的操作對(duì)象。, 定位 定位任務(wù)用來(lái)給應(yīng)用程序指定位置坐標(biāo)，包括空間定位和語(yǔ)義定位。 對(duì)于空間定位任務(wù)，用戶(hù)知道需要確定的位置與空間相鄰幾何元素之間的位置關(guān)系，通過(guò)在圖形屏幕上捕捉或直接創(chuàng)建的方式來(lái)完成，如過(guò)兩已知圓的圓心畫(huà)一條直線(xiàn)段。 對(duì)于語(yǔ)義定位任務(wù)，用戶(hù)需要知道某一位置的準(zhǔn)確坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通常需要鍵入相關(guān)的數(shù)值來(lái)完成，如過(guò)某已知點(diǎn)并沿某個(gè)方向鍵入該點(diǎn)的位置增量（或坐標(biāo)增量）來(lái)創(chuàng)建一

5、條直線(xiàn)段。, 定向 定向任務(wù)是在指定的坐標(biāo)系中確定形體的方向，此時(shí)需要由應(yīng)用程序來(lái)確定其反饋類(lèi)型、自由度和精度。 定路徑 定路徑任務(wù)是一系列定位和定向任務(wù)的結(jié)合，與時(shí)間、空間有關(guān)。 如：動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程，仿真對(duì)象隨著時(shí)間的變化出現(xiàn)在不同的位置和方向上。, 定量 定量任務(wù)是要在最大和最小數(shù)值之間確定一個(gè)值。典型的應(yīng)用是通過(guò)鍵盤(pán)鍵入一個(gè)數(shù)值，或通過(guò)在其他數(shù)字對(duì)話(huà)輸入工具（如數(shù)字度盤(pán)、游尺）指定一個(gè)數(shù)值（如窗口系統(tǒng)中常見(jiàn)的音量控制、對(duì)比度調(diào)節(jié)等）。 文本 文本任務(wù)指輸入一個(gè)字符串到字處理器中，此字符串不應(yīng)具有指令意義，即它不是一個(gè)命令。 如：圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中的技術(shù)要求標(biāo)注等。, 三維交互 三維交互任務(wù)涉及

6、定位、選擇和旋轉(zhuǎn)，它比二維交互任務(wù)要困難得多，其主要原因是用戶(hù)難以區(qū)分屏幕上光標(biāo)所選擇對(duì)象的深度值與其他顯示對(duì)象的深度值之間的差異。 此外，通用的交互設(shè)備（如鼠標(biāo)、臺(tái)板等）均為二維，無(wú)法適應(yīng)三維交互操作的需要。為解決上述問(wèn)題，三維交互任務(wù)通常要借助于三視圖的功能。, 組合交互 組合交互任務(wù)是上述基本交互任務(wù)的組合，主要包括對(duì)話(huà)框、構(gòu)造和控制。 其中，對(duì)話(huà)框用來(lái)指定信息表中的多個(gè)信息項(xiàng)，如字符屬性的字體、顏色、大小等； 構(gòu)造用來(lái)產(chǎn)生需要有兩個(gè)或多個(gè)定位的形體，如應(yīng)用橡皮筋技術(shù)繪制圖形等； 控制用于對(duì)已有幾何形體的重新定形或定位，如通過(guò)改變一個(gè)多邊形的頂點(diǎn)、拖動(dòng)繪圖等來(lái)對(duì)幾何形狀進(jìn)行局部修改。,2

7、. 交互技術(shù) CAD系統(tǒng)通過(guò)采用不同的交互技術(shù)來(lái)完成上述交互任務(wù)。 選擇技術(shù) 選擇技術(shù)要求確定可選擇集合的大小及選擇值，這個(gè)集合可以是固定的，也可以是可變的。選擇技術(shù)要求有拾取設(shè)備（如光筆、鼠標(biāo)等），或者是可以模擬拾取設(shè)備的定位設(shè)備。 選擇技術(shù)通常包括：光筆選擇；通過(guò)圖形輸入板或鼠標(biāo)器控制光標(biāo)選擇；通過(guò)鍵入名字、名字縮寫(xiě)、排列的唯一序號(hào)或標(biāo)識(shí)碼完成選擇；用功能鍵進(jìn)行選擇；以及語(yǔ)音選擇和筆劃識(shí)別等。, 定位技術(shù) 定位技術(shù)用來(lái)指定一個(gè)坐標(biāo)，該技術(shù)需要確定維數(shù)環(huán)境，即一維、二維或三維；確定分辨率（即定位精度）；以及確定是連續(xù)點(diǎn)還是離散點(diǎn)。 定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)物體在作圖空間精確定位的技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)此目的，定

8、位技術(shù)通常采用圖形輸入板或鼠標(biāo)器控制光標(biāo)定位、鍵入坐標(biāo)定位、光筆或叉絲定位。此外，還經(jīng)常采用網(wǎng)格、輔助線(xiàn)、比例尺等技術(shù)，以提高定位速度和精度，減少定位誤差。, 定向技術(shù) 定向技術(shù)是在一個(gè)指定的坐標(biāo)系中規(guī)定形體的一個(gè)確定方向，在此需要確定坐標(biāo)系的維數(shù)（即自由度）、分辨率、精度和反饋類(lèi)型，所需的設(shè)備為鍵盤(pán)、數(shù)值器、定位器等。 定向技術(shù)主要有鍵入角度值、用數(shù)字度盤(pán)或操縱桿控制方向。 定路徑技術(shù) 定路徑技術(shù)指在一定的時(shí)間或空間內(nèi)，確定一系列的定位點(diǎn)或方向角。 產(chǎn)生路徑的技術(shù)與定位和定向一致，應(yīng)用方面的要求有定位點(diǎn)的最大數(shù)目和兩個(gè)定位點(diǎn)之間的間隔。計(jì)算間隔通常采用基于時(shí)間和基于距離兩種方法，基于時(shí)間是按

9、時(shí)間采樣，基于距離則是按相對(duì)位移達(dá)到某個(gè)距離采樣。 定路徑技術(shù)需要考慮維數(shù)問(wèn)題、分辨率問(wèn)題和響應(yīng)形式。響應(yīng)形式可以是平滑的曲線(xiàn)，也可以是帶有標(biāo)志的一系列定位點(diǎn)。, 定量技術(shù) 定量技術(shù)指在交互過(guò)程中，用戶(hù)在確定精度的前提下，經(jīng)常需要精確地輸入一個(gè)數(shù)值，指定一個(gè)確切的數(shù)量，采用的設(shè)備通常為鍵盤(pán)或電位計(jì)。 定量技術(shù)包括鍵入數(shù)值或改變電位計(jì)阻值來(lái)產(chǎn)生所要求的數(shù)量。 文本技術(shù) 文本技術(shù)需要確定字符集及字符串的長(zhǎng)度。實(shí)現(xiàn)文本的技術(shù)有鍵盤(pán)輸入字 符、菜單選擇字符、語(yǔ)音識(shí)別和筆劃識(shí)別等。, 橡皮筋技術(shù) 橡皮筋技術(shù)主要針對(duì)變形類(lèi)的要求，可以動(dòng)態(tài)、連續(xù)地將變形過(guò)程表示出來(lái)，直到出現(xiàn)用戶(hù)滿(mǎn)意的結(jié)果為止。其中，橡皮筋

10、技術(shù)最主要的工作是動(dòng)態(tài)、連續(xù)地改變相關(guān)點(diǎn)的設(shè)備坐標(biāo)，如在二維繪圖中經(jīng)常用到的繪圓、繪任意直線(xiàn)等繪圖命令。 徒手畫(huà)技術(shù) 徒手畫(huà)技術(shù)也稱(chēng)為草圖勾畫(huà)技術(shù)，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)快速、近似勾畫(huà)各種產(chǎn)品圖形的要求。徒手畫(huà)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)分為基于時(shí)間和基于距離采樣取點(diǎn)，然后用折線(xiàn)或擬合曲線(xiàn)連接采集點(diǎn)，生成對(duì)應(yīng)的圖形。 拖動(dòng)技術(shù) 拖動(dòng)技術(shù)是將物體在二維或三維空間中的移動(dòng)過(guò)程連續(xù)、動(dòng)態(tài)地表現(xiàn)出來(lái)，直至滿(mǎn)足用戶(hù)的位置要求為止。,3.1.2 輸入控制方式 交互輸入過(guò)程中的輸入控制方式多種多樣，這些方式主要取決于程序與輸入設(shè)備之間如何相互作用，通常采用請(qǐng)求、取樣、事件3種方式。 請(qǐng)求方式中，只有用輸入方式設(shè)置命令(或語(yǔ)句)對(duì)相

11、應(yīng)的設(shè)備設(shè)置需要的輸入方式，該設(shè)備才能做相應(yīng)的輸入處理。 取樣方式中，一旦對(duì)一臺(tái)或多臺(tái)設(shè)備設(shè)置了取樣方式，就可以立即進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入，而不必等待程序中的輸入語(yǔ)句。 事件方式是指當(dāng)一臺(tái)設(shè)備被設(shè)置成事件方式時(shí)，程序和設(shè)備將同時(shí)工作。從設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)可以存放在一個(gè)事件隊(duì)列或輸入序列中，所有被設(shè)置成事件方式的輸入數(shù)據(jù)(或事件)都可以存放在一個(gè)事件隊(duì)列中。在任一時(shí)刻，事件隊(duì)列按照輸入數(shù)據(jù)的順序存放數(shù)據(jù)，并有一個(gè)最大的數(shù)據(jù)類(lèi)型項(xiàng)。在隊(duì)列中的輸入數(shù)據(jù)可以按照邏輯設(shè)備類(lèi)型、工作站編號(hào)、物理設(shè)備編碼等進(jìn)行檢索。,3.1.3 交互系統(tǒng)的構(gòu)造 交互系統(tǒng)的構(gòu)造主要涉及交互式用戶(hù)接口的表現(xiàn)形式、工作方式、用戶(hù)命令集的描述、

12、人-機(jī)對(duì)話(huà)序列的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)方式等內(nèi)容。 1. 交互式用戶(hù)接口的表現(xiàn)形式 交互式人機(jī)接口的表現(xiàn)形式主要涉及圖形顯示屏幕區(qū)域劃分、顯示內(nèi)容、字型的選用、顏色和灰度的設(shè)置、系統(tǒng)的開(kāi)啟以及窗口形式、菜單格式、圖形符號(hào)和光標(biāo)形式等內(nèi)容。 在CAD應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)中，交互式用戶(hù)接口的表現(xiàn)形式經(jīng)常以主、子界面的方式展現(xiàn)在用戶(hù)面前。開(kāi)發(fā)者應(yīng)注意的問(wèn)題包括要使用戶(hù)接口界面友好、區(qū)域劃分合理、菜單格式統(tǒng)一、數(shù)據(jù)輸入便捷等。,2. 交互式用戶(hù)接口的工作方式 交互式用戶(hù)接口的常見(jiàn)工作方式包括固定域輸入/輸出方式、問(wèn)答方式、表處理方式、命令語(yǔ)言、菜單方式和圖形符號(hào)方式等。 固定域輸入/輸出方式 固定域輸入/輸出方式是設(shè)

13、計(jì)者在程序中用有格式的輸入/輸出語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。采用此方式時(shí)要求用戶(hù)對(duì)接口程序有所了解，使用時(shí)比較煩瑣且容易出錯(cuò)，目前較少使用。 問(wèn)答方式 問(wèn)答方式在交互過(guò)程的每一步均通過(guò)問(wèn)答形式實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。此方式比較適合于新用戶(hù)，但對(duì)熟練用戶(hù)則顯得過(guò)于羅嗦。 表處理方式 表處理方式要求設(shè)備有制表功能，只適用于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的用戶(hù)接口。 命令語(yǔ)言 命令語(yǔ)言方式較為流行，但需要用戶(hù)記憶較多的命令。, 菜單方式 菜單方式適用于各種用戶(hù)，該方式具有方便易學(xué)的特點(diǎn)，因此在用戶(hù)接口中廣泛采用。但有時(shí)由于菜單結(jié)構(gòu)格式的設(shè)計(jì)不合理會(huì)限制用戶(hù)的使用，使用戶(hù)不能從不同的層次進(jìn)入。不過(guò)，將平鋪式菜單和下拉式菜單結(jié)合使用，以及開(kāi)辟用

14、戶(hù)常用菜單區(qū)或彈出式工具欄則可以較好地解決這一問(wèn)題。 圖形符號(hào)方式 圖形符號(hào)方式較接近現(xiàn)實(shí)生活中人們的日?；顒?dòng)，即把各種操作用圖形進(jìn)行符號(hào)化，其界面簡(jiǎn)潔、生動(dòng)。但由于圖形符號(hào)有時(shí)無(wú)法完全與現(xiàn)實(shí)操作一致，容易造成用戶(hù)的誤解。 目前，CAD軟件的用戶(hù)接口工作方式實(shí)際上是上述各種方式的不同組合。應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)人員應(yīng)根據(jù)軟件的特點(diǎn)，采用合適的接口工作方式或組合工作方式來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。,3. 人-機(jī)對(duì)話(huà)序列的設(shè)計(jì) 人-機(jī)對(duì)話(huà)序列通常由兩部分組成：指定對(duì)話(huà)命令和為該命令輸入所需要的參數(shù)。人-機(jī)對(duì)話(huà)序列的設(shè)計(jì)主要涉及如下的內(nèi)容。 對(duì)話(huà)命令的選擇 菜單驅(qū)動(dòng)的用戶(hù)接口中，在已經(jīng)建立的命令樹(shù)的基礎(chǔ)上，一個(gè)父結(jié)點(diǎn)的對(duì)

15、話(huà)行為包括顯示一張包含該結(jié)點(diǎn)所有子結(jié)點(diǎn)名、且按其在命令樹(shù)中位置排列的菜單。 例如，一個(gè)繪圖模式父結(jié)點(diǎn)可能包含繪制直線(xiàn)、圓及圓弧、曲線(xiàn)等子模式結(jié)點(diǎn)（子結(jié)點(diǎn)或命令），而其中某一個(gè)子結(jié)點(diǎn)（如曲線(xiàn)子結(jié)點(diǎn)）可能又含有Bezier曲線(xiàn)、B樣條曲線(xiàn)等命令。因此，當(dāng)用戶(hù)選擇不同的命令模式時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)提供不同的菜單序列。 對(duì)話(huà)參數(shù)的描述 人-機(jī)對(duì)話(huà)參數(shù)的描述一般包括順序?qū)υ?huà)、分支對(duì)話(huà)和循環(huán)對(duì)話(huà)，如AutoCAD的人-機(jī)對(duì)話(huà)就涵蓋了這三種情況。, 對(duì)話(huà)動(dòng)作的描述 交互系統(tǒng)的每一次人-機(jī)對(duì)話(huà)過(guò)程中，系統(tǒng)可能會(huì)給出一個(gè)菜單序列、一個(gè)提示信息、彈出一個(gè)輸入對(duì)話(huà)框等；當(dāng)用戶(hù)輸入錯(cuò)誤時(shí)要顯示出錯(cuò)信息，并給出某些語(yǔ)義反饋信息。

16、 因此，在交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)功能完成人-機(jī)對(duì)話(huà)序列和機(jī)制的描述，將實(shí)現(xiàn)對(duì)話(huà)動(dòng)作的菜單命令、出錯(cuò)信息以及提示信息存儲(chǔ)在相應(yīng)的程序文件中，交由系統(tǒng)解釋執(zhí)行并采用必要的控制手段檢查用戶(hù)輸入?yún)?shù)的正確性。 應(yīng)用接口的描述 交互系統(tǒng)和應(yīng)用程序的連接通常通過(guò)應(yīng)用接口實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用接口包括一組外部應(yīng)用過(guò)程和函數(shù)的定義以及控制對(duì)它們的調(diào)用的管理程序。一般需要開(kāi)發(fā)人員定義應(yīng)用過(guò)程和函數(shù)。,4. 交互式用戶(hù)接口的實(shí)現(xiàn)方式 交互式用戶(hù)接口通常采用菜單驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)表格驅(qū)動(dòng)和事件驅(qū)動(dòng)等形式。其中，層次分支是基礎(chǔ)。無(wú)論是菜單驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)表格驅(qū)動(dòng)還是事件驅(qū)動(dòng)，都應(yīng)把用戶(hù)接口所具有的命令功能做成像飯店里的菜單一樣，使其在屏幕

17、上按照層次顯示，供用戶(hù)選擇。 菜單驅(qū)動(dòng)的交互方式 菜單驅(qū)動(dòng)是根據(jù)用戶(hù)選擇的菜單項(xiàng)轉(zhuǎn)向相應(yīng)的程序入口去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的程序模塊。菜單驅(qū)動(dòng)的交互方式涉及菜單的組織、選擇和驅(qū)動(dòng)等問(wèn)題。, 數(shù)據(jù)表格驅(qū)動(dòng)方式 數(shù)據(jù)表格驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是：用戶(hù)接口接受一條命令的對(duì)話(huà)過(guò)程（性質(zhì)和次數(shù)等）由一組預(yù)先設(shè)計(jì)好的控制信息進(jìn)行控制，所有命令的全部對(duì)話(huà)控制信息集中存放在一個(gè)控制信息文件；對(duì)話(huà)過(guò)程中所需涉及的各種數(shù)據(jù)（菜單、提示信息、出錯(cuò)信息等）都存放在一個(gè)獨(dú)立的接口數(shù)據(jù)文件中，控制信息通過(guò)指針指向所涉及的有關(guān)數(shù)據(jù)。 事件驅(qū)動(dòng)方式 對(duì)于事件驅(qū)動(dòng)方式而言，在一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)程序中，程序?qū)⒖刂平唤o用戶(hù)，用戶(hù)通過(guò)一系列事件驅(qū)動(dòng)程序的動(dòng)

18、作。該驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)是事件可以在任何時(shí)候以任何方式進(jìn)入，程序內(nèi)核始終處于一個(gè)中心循環(huán)之中，當(dāng)其每接收一個(gè)事件時(shí)，便以某種方式做出反應(yīng)。,3.2 計(jì)算機(jī)圖形軟件標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算機(jī)圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)是面向圖形應(yīng)用軟件的標(biāo)準(zhǔn)，它提供了應(yīng)用程序與圖形軟件的應(yīng)用接口。圖形軟件（也可稱(chēng)為圖形程序庫(kù)或圖形程序包）是一組常用的有關(guān)圖形處理的子程序的集合，它隔離了應(yīng)用程序與物理設(shè)備的聯(lián)系。圖形軟件的標(biāo)準(zhǔn)化保證了圖形處理應(yīng)用程序的與設(shè)備無(wú)關(guān)性和應(yīng)用程序在源程序級(jí)的可移植性。 計(jì)算機(jī)圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)是CAD系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員非常關(guān)心的有關(guān)圖形處理的核心問(wèn)題之一。目前，國(guó)際上通常采用的圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)有GKS和GKS-3D、PHIGS、以及近

19、年來(lái)非常流行的OpenGL。,3.2.1 圖形核心系統(tǒng)（GKS和GKS - 3D） GKS（Graphics Kernel System，圖形核心系統(tǒng)）是一個(gè)二維圖形標(biāo)準(zhǔn)，1977年由前聯(lián)邦德國(guó)提出，1985年成為ISO標(biāo)準(zhǔn)。 GKS提供了圖形輸入/輸出設(shè)備與應(yīng)用程序之間的功能接口，定義了一個(gè)獨(dú)立于語(yǔ)言的圖形核心系統(tǒng)。 GKS在應(yīng)用中的地位,GKS獨(dú)立于圖形設(shè)備和高級(jí)語(yǔ)言，并定義了用高級(jí)語(yǔ)言調(diào)用圖形程序包的接口。用戶(hù)可以根據(jù)自己的要求，在應(yīng)用程序中調(diào)用GKS的各種功能，且所編制的應(yīng)用程序可以方便地在配有GKS的不同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間進(jìn)行移植。 但是，由于GKS是一個(gè)二維圖形標(biāo)準(zhǔn)，故不能滿(mǎn)足三維圖形

20、應(yīng)用的要求。為此，ISO/IEC又制定了GKS-3D圖形標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的制定規(guī)則與GKS基本一致，在功能上可以混合應(yīng)用，但GKS-3D增加了與三維圖形輸入/輸出、顯示、視圖等有關(guān)的功能。,3.2.2 程序員層次交互式圖形系統(tǒng)（PHIGS） PHIGS（Programmers Hierarchical Interactive Graphics System，程序員層次交互式圖形系統(tǒng)） 是由ANSI提出、并于1986年被ISO批準(zhǔn)的一個(gè)三維圖形標(biāo)準(zhǔn)。與GKS-3D相比，PHIGS同時(shí)支持造型和圖形顯示，圖形處理功能更加強(qiáng)大和豐富，在圖形數(shù)據(jù)的組織、管理形式上更為合理。 PHIGS是為滿(mǎn)足具有高度動(dòng)態(tài)

21、性、交互性的三維圖形應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的圖形軟件工具庫(kù)，其主要特點(diǎn)是能夠在系統(tǒng)中高效率地描述應(yīng)用模型、迅速修改圖形模型數(shù)據(jù)、并重新繪制和顯示修改后的圖形模型。同時(shí)，與GKS一樣，該標(biāo)準(zhǔn)提供了應(yīng)用程序與圖形輸入/輸出設(shè)備之間的一個(gè)功能接口。PHIGS在應(yīng)用中的位置如圖所示。 PHIGS在應(yīng)用中的地位,PHIGS標(biāo)準(zhǔn)包含三方面的含義： 向應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者提供控制圖形設(shè)備的圖形系統(tǒng)接口； 圖形數(shù)據(jù)按照層次結(jié)構(gòu)組織使多層次的應(yīng)用模型能方便地用PHIGS進(jìn)行描述； 提供了動(dòng)態(tài)修改和繪制顯示圖形數(shù)據(jù)的方法。,3.2.3 圖形程序庫(kù)OpenGL OpenGL是開(kāi)放的圖形程序庫(kù)（Open Graphics Librar

22、y）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是近幾年發(fā)展起來(lái)的一個(gè)性能卓越的三維圖形標(biāo)準(zhǔn)。OpenGL注重于快速繪制二維、三維對(duì)象。它最初由SGI公司提出，隨后得到了包括微軟、IBM、DEC、HP、SUN等大公司的支持。目前，OpenGL是高性能圖形處理和交互式視景處理的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各種專(zhuān)業(yè)圖形加速卡均以硬件加速OpenGL作為衡量其性能的主要依據(jù)。,OpenGL實(shí)質(zhì)上是一個(gè)開(kāi)放的三維圖形軟件包，它獨(dú)立于操作系統(tǒng)及窗口系統(tǒng)，可以非常方便地在各個(gè)平臺(tái)之間移植，它具有開(kāi)放性、獨(dú)立性和兼容性3大特點(diǎn)，并為用戶(hù)提供了建模、變換、顏色模式設(shè)定、光照和材質(zhì)設(shè)定、紋理設(shè)定、位圖顯示和圖像增強(qiáng)設(shè)定、雙緩存動(dòng)畫(huà)等7大功能。 OpenGL是一個(gè)優(yōu)

23、秀的專(zhuān)業(yè)化三維圖形處理API（Application Programming Interface， 應(yīng)用程序接口），已經(jīng)發(fā)展成為因不同應(yīng)用目的而經(jīng)二次開(kāi)發(fā)后的多種版本，其版本因公司的不同而不同。目前，OpenGL的應(yīng)用領(lǐng)域主要有CAD、仿真、科學(xué)應(yīng)用可視化和照片級(jí)真實(shí)感的游戲場(chǎng)景等。,3.3 產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與不斷完善，CAx技術(shù)在工程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。然而在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員可能采用多種CAx系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)工作，或需要與采用不同應(yīng)用系統(tǒng)的合作者進(jìn)行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交流。這就導(dǎo)致越來(lái)越多的用戶(hù)需要將產(chǎn)品數(shù)據(jù)在不同的應(yīng)用系統(tǒng)之間進(jìn)行交換，為此，非常有必要建立一個(gè)統(tǒng)一的

24、、支持不同應(yīng)用系統(tǒng)的產(chǎn)品信息描述與交換規(guī)范，即制訂產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)。本節(jié)將簡(jiǎn)要介紹常用的面向圖形應(yīng)用系統(tǒng)中工程和產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型及其文件格式的標(biāo)準(zhǔn)：DXF、IGES和STEP。,3.3.1 DXF文件 DXF（Drawing eXchange File，圖形交換文件）是美國(guó)Autodesk公司開(kāi)發(fā)并首先應(yīng)用于AutoCAD的圖形數(shù)據(jù)交換的圖形文件格式，主要用于外部程序與圖形系統(tǒng)或不同的圖形系統(tǒng)之間交換圖形信息。DXF文件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可讀性好，因而很容易被其他程序處理。 由于AutoCAD在全世界二維繪圖領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和巨大的影響，故大多數(shù)CAD系統(tǒng)均支持DXF文件格式，用以完成與AutoCAD軟件

25、的圖形信息交換，或與其他系統(tǒng)以該文件格式進(jìn)行圖形信息交換。 因此，DXF已成為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 1. DXF文件的生成和導(dǎo)入 在AutoCAD圖形編輯狀態(tài)下，鍵入DXFOUT命令并按隨后的提示操作，就可以將所繪圖形生成一個(gè)DXF文件。同樣，通過(guò)鍵入DXFIN命令，可以導(dǎo)入由外部程序或系統(tǒng)生成的DXF文件。DXF文件屬于文本文件，文件的擴(kuò)展名是.DXF。,2. DXF文件的結(jié)構(gòu) (1) DXF文件的總體結(jié)構(gòu) DXF文件由7個(gè)段和文件結(jié)尾組成，按順序分別是：標(biāo)題段、類(lèi)段、表段、塊段、實(shí)體段、對(duì)象段、預(yù)覽段、文件結(jié)尾。 (2) 組碼和組值 DXF文件的最小組成單元是組（Group），一個(gè)DXF文件

26、由若干組構(gòu)成，每個(gè)組在文件中占兩行，第一行稱(chēng)為組碼（Group code），第二行稱(chēng)為組值（Group value）。組碼說(shuō)明了組值的數(shù)據(jù)類(lèi)型，組值是數(shù)據(jù)的具體值，這兩行組合起來(lái)才是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)。外部應(yīng)用程序通過(guò)組碼得到組值的數(shù)據(jù)類(lèi)型，從而可以方便地讀取組值。,3.3.2 基本圖形交換規(guī)范（IGES） 基本圖形交換規(guī)范 （Initial Graphics Exchange Specification，IGES）1980年由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局主持開(kāi)發(fā)，1982年成為ANSI標(biāo)準(zhǔn)。IGES雖然不是ISO標(biāo)準(zhǔn)，且在1992年以后其版本不再發(fā)展，但作為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有大多數(shù)CAD商用軟件仍支持IG

27、ES圖形文件格式。利用IGES文件，用戶(hù)可以從中提取所需數(shù)據(jù)進(jìn)行用戶(hù)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。 1. IGES的作用 IGES是一種中性文件，其作用是在不同的CAD/CAM系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)。將某種CAD系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)換成IGES文件時(shí)需用前置處理程序處理；將IGES文件傳送至另一種CAD系統(tǒng)也需要經(jīng)后置程序處理。,不同系統(tǒng)間通過(guò)IGES交換數(shù)據(jù)的過(guò)程如圖所示。,不同系統(tǒng)間通過(guò)IGES交換數(shù)據(jù),2. IGES在應(yīng)用中存在的問(wèn)題 盡管IGES在工業(yè)界得到了廣泛和成功的應(yīng)用，但它在實(shí)踐中存在著一些比較嚴(yán)重的問(wèn)題，這些問(wèn)題導(dǎo)致了所謂的IGES“風(fēng)味”問(wèn)題的產(chǎn)生，即不同CAD系統(tǒng)之間采用IGES文件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)圖

28、形發(fā)生失真現(xiàn)象。 IGES在應(yīng)用中存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)在： 不能精確地完整轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，其原因是不同的CAD系統(tǒng)之間許多概念不一致，使得某些定義數(shù)據(jù)，如表面定義數(shù)據(jù)可能會(huì)丟失； 不能轉(zhuǎn)換屬性信息； 層信息經(jīng)常丟失； 不能把兩個(gè)零部件的信息放在一個(gè)文件中； 產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量過(guò)大，導(dǎo)致許多CAD系統(tǒng)難以處理（主要體現(xiàn)在時(shí)間和存儲(chǔ)容量上）； 在轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的過(guò)程中發(fā)生的錯(cuò)誤難于確定，經(jīng)常需要手工處理IGES文件，時(shí)間和精力花費(fèi)較大。 為了克服IGES存在的問(wèn)題，擴(kuò)大CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換中幾何、拓?fù)鋽?shù)據(jù)的范圍， ISO開(kāi)發(fā)了STEP標(biāo)準(zhǔn)。,3.3.3 產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)（STEP） 產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn) （Standard for the Exchange of Product model data，STEP），由I