OpenCascade Tcl vs. ACIS Scheme
eryar@163.com
摘要Abstract：本文通過OpenCascade的Tcl/Tk和ACIS的Scheme的對比來說明腳本語言在程序中的重要作用。及通過在Tcl中實現自定義的命令來理解Draw Test Harness的實現，在此基礎上更有利于對OpenCascade的理解，其中Draw Test Harness一些命令的實現可以做為程序實現的參考。
關鍵字Key Words：OpenCascade, Tcl/Tk, ACIS, Scheme, Test
一、引言 Introduction
解釋型的語言為程序開發提供了快速原型方法，由于是解釋型的程序開發語言，所以用它編寫的程序不需要編譯和鏈接就可以在解釋器中直接運行，用這種方式可以快速驗證一些想法，用來測試程序等。
解釋型的腳本開發語言有很多，流行的有Python、Tcl/Tk、Perl、Lua、LISP、Javascript等等。在應用程序中嵌入這些腳本語言，方便程序的擴展，用戶可以根據需要對程序進行定制。像應力分析軟件Abaqus中就使用了Python對其進行二次開發；繪圖軟件AutoCAD中可使用AutoLISP對其進行二次開發；造船軟件KCS Tribon中也使用了Python；AVEVA Marine/Plant中使用了PML；許多游戲程序中使用了Lua等等。程序有了腳本這個二次開發的強有力工具，軟件開發者只需要關注核心領域，其它各種客戶化的需求，可以通過這些腳本來實現，既能滿足用戶花樣繁多的需求，也可確保程序質量。
ACIS對Scheme的擴展為Scheme解釋器提供了調用ACIS內部函數和訪問ACIS內部數據的功能，其中，每個Scheme函數都調用相應的ACIS C++函數。開發者可以利用Scheme來熟悉ACIS的基本功能、測試某些思想或者產生應用程序原型。Scheme語言的初學者可以通過它來熟悉和掌握ACIS的Scheme程序開發方法。
OpenCascade中使用Tcl/Tk來實現的Draw Test Harness提供了交互創建、顯示和修改形狀的功能。可以編寫Tcl的腳本來自定義Draw或者實現程序的自動化測試。
本文通過OpenCascade的Tcl/Tk和ACIS的Scheme的對比來說明腳本在程序中的重要作用。及通過在Tcl中實現自定義的命令來理解Draw Test Harness的實現，在此基礎上更有利于對OpenCascade的理解，其中一些命令的實現代碼可以做為程序實現的參考。
二、ACIS Scheme
ACIS中的Scheme接口是一些函數的集合，基于Scheme的應用程序可以通過這些函數調用ACIS的API、類的公共成員函數及訪問ACIS的數據。ACIS系統中含有一個Scheme解釋器，Scheme應用程序就在這個解釋器上運行，所以該解釋器負責Scheme應用程序與ACIS系統之間的通信。ACIS中的Scheme解釋器是按Elk版的Scheme語言規則設計的，它被用來解釋Scheme命令并調用相關的C++代碼。
Figure 2.1 Scheme and ACIS
Scheme的多功能性來自解釋器語言的可擴展能力。應用程序開發者可以快速地將Scheme語言用于自己的開發任務，他們可以用C++擴展Scheme，然后就可以利用這些擴展寫可解釋執行的Scheme過程。開發者也可以構造特殊的Scheme數據類型和相應的操作方法，Scheme應用程序和C++函數可以使用這些自定義的Scheme數據類型。
Figure 2.2 ACIS Scheme pipeline
與C++相比Scheme是一種快速程序設計語言。盡管C++語言有很多優點，但是也不得承認它的復雜性，例如要用C++開發ACIS應用程序，需要包含所需的組件頭文件并在程序中初始化這些組件，除此之外還要進行復雜的程序調試，所以使用C++開發應用程序的速度就受到較大影響。與其相反，Scheme可以進行交互式程序開發，一段程序或一個命令的執行結果會及時反映出來，正是這種機制使我們可以利用Scheme語言進行快速的程序開發。雖然Scheme不能替代C++成為主要的軟件開發工具，但是在開發一個軟件系統之前可以利用它進行算法的測試。
Scheme語言與C++語言相比有三個特點：沒有指針、不需要頭文件及可進行交互式程序設計，程序員可以在解釋器中立即執行這些程序，從這個特點來看Scheme更像Basic和Prolog等程序設計語言。
在ACIS中使用Scheme來生成一個立方體的命令如下所示：
acis>(solid:block(position -10, -10, -10) (position 10, 10, 10))
# [entity 1 0]
上述命令生成一個正方體，總共調用兩個ACIS Scheme過程position和solid:block，#[entity 1 0]是該正方體的默認名稱。
Figure 2.3 The block made by ACIS Scheme
三、OpenCascade Tcl
Tcl是一種用于控制和擴展應用程序的動態語言，也稱為腳本語言。它的名字代表“工具命令語言”Tool Command Language。Tcl提供的通用編程能力可以滿足大多數應用程序的需要。而且Tcl既是可嵌入的（embeded），也是可擴展的（extensible）。它的解釋器是一個C函數庫，可以很容易地整合到應用程序中；而任何一個應用程序都可以通過增加命令來擴展Tcl內核的功能。Tcl最有用的一個擴展就是Tk，這是一個用于開發圖形用戶界面（Graphical User Interface, GUI）應用程序的工具集。Tk擴展了Tcl內核的功能，增加了構建用戶界面的命令，使您可以使用Tcl腳本來構建圖形用戶界面，而不必寫C代碼。
Tcl/Tk一起為應用程序開發者和使用者提供了很多好處。首先是快速開發。很多有意思的程序完全可以用Tcl腳本編寫。這使您可以在比C/C++或Java更高的層次上進行開發，Tk隱藏了C或Java程序員必須關心的很多細節。與低級工具相比，使用Tcl/Tk所需要學習的知識更少，需要編寫的代碼更少。通過幾個小時的學習，Tcl/Tk新手用戶就可以創建有意思的用戶界面，很多開發人員從其他工具集轉而使用Tcl/Tk工具集后，應用程序開發所需的代碼數量和開發時間都減少了90%。
Tcl/Tk適于快速開發的另一個原因在于Tcl是解釋型語言。使用Tcl應用程序時，可以在運行中生成和使用新的腳本，而無需重新編譯和重啟程序。這使您可以迅速嘗試新的想法，迅速修正程序中的錯誤。因為Tcl是解釋型語言，它的運行速度比C程序慢。但是通過內部優化，與編譯語言相比的大部分性能差距都可以消除。例如，您可以運行有數百條Tcl命令的腳本，鼠標的每一次移動都不會有能感知的延遲。在一些特別的場合，當性能成為重要問題時，可以把Tcl腳本中影響性能的部分替換為C代碼。
Tcl的第二個好處是在于它是跨平臺的語言，它的大多數擴展包括Tk也是如此。這意味著在一個平臺（如Linux）上開發的程序，在大多數情況下可以不加改動地在另一個平臺上運行，如在Macintosh或Windows上運行。
Tcl還是第一種擁有原生Unicode支持的動態語言。因此，Tcl可以處理這個世界上幾乎所有的書面語言。Tcl無需擴展就可以處理Unicode支持的所有文本。
使用Tcl的另一個顯著優點在于它和它的大多數擴展都是免費的開源軟件。Tcl和Tk遵循BSD授權，允許所有人免費下載、查看、修改及再發布。
Tcl是一種絕妙的“膠合語言”，可以讓應用程序很容易地擁有強大的腳本語言功能。例如，要為一個已經存在的應用程序添加腳本能力，只需要實現幾條新的Tcl命令，用來為應用程序提供相應的基本功能。然后再把您的新命令和Tcl庫鏈接起來生成全功能的腳本語言，該語言就包含了Tcl提供的命令（稱為Tcl內核）和您編寫的那些命令。
Tcl還為用戶提供了方便。一旦學習了Tcl/Tk，就能為任何Tcl/Tk應用程序編寫腳本，只需要學習該應用程序特有的少數幾條命令即可。這使得更多的用戶有能力對應用程序進行個性化改造和強化。
在Tcl中實現自定義命令很方便，只需要按Tcl的格式定義一個命令函數。基于對象的命令函數的聲明如下：
typedef int (Tcl_ObjCmdProc) _ANSI_ARGS_((ClientData clientData, Tcl_Interp *interp, int objc, struct Tcl_Obj * CONST * objv));
為了能在Tcl中調用一個命令函數，必須先調用Tcl_CreateObjCommand注冊它，格式如下所示：
EXTERN Tcl_Command Tcl_CreateObjCommand (Tcl_Interp * interp, CONST char * cmdName, Tcl_ObjCmdProc * proc, ClientData clientData, Tcl_CmdDeleteProc * deleteProc);
這就是把Tcl中的字符串與實現它的C函數關聯起來“魔術”。更詳細內容請參考：《Create New Commands in Tcl》。下面主要來分析一下Draw Test Harness代碼實現：
首先在Draw_PInterp.hxx中將Tcl_Interp定義為*Draw_PInterp，并在類Draw_Interpretor中對Tcl解釋器進行了簡單封裝，在Init時創建一個新的Tcl_Interp，并可管理自定義的命令；
然后，在Draw_Main中來加載Tcl的解析器。程序代碼如下所示：
// Declarations of macros DRAW_MAIN to be used in executables instead of explicit main/WinMain
#ifndef WNT
// main()
#define DRAW_MAIN int main (Standard_Integer argc, char* argv[])\
{return _main_ (argc, argv, Draw_InitAppli);}
#else
// WinMain() and main()
#define DRAW_MAIN Standard_Integer PASCAL WinMain (HINSTANCE hInstance, HINSTANCE hPrevinstance, LPSTR lpCmdLine, Standard_Integer nCmdShow)\
{return _WinMain_ (hInstance, hPrevinstance, lpCmdLine, nCmdShow, Draw_InitAppli);}\
\
int main (int argc, char* argv[], char* envp[])\
{return _main_ (argc, argv, envp, Draw_InitAppli);}
#endif
自定義了main函數，實現如下所示：
//=======================================================================
//function : _main_
//purpose :
//=======================================================================
Standard_Integer _main_ (int argc, char* argv[], char* envp[], const FDraw_InitAppli fDraw_InitAppli)
{
Draw_IsConsoleSubsystem = Standard_True;
//return _WinMain_(::GetModuleHandle(NULL), NULL, GetCommandLine(), SW_SHOW, fDraw_InitAppli);
theDraw_InitAppli = fDraw_InitAppli;
//ParseCommandLine(GetCommandLine());
// MKV 01.02.05
#if ((TCL_MAJOR_VERSION > 8) || ((TCL_MAJOR_VERSION == 8) && (TCL_MINOR_VERSION >= 4)))
Tcl_FindExecutable(argv[0]);
#endif
Draw_Appli(::GetModuleHandle(NULL), NULL, GetCommandLine(), SW_SHOW, fDraw_InitAppli);
return 0;
}
Draw Test Harness中自定義的命令是通過類Draw_Commands來添加的，程序如下所示：
void Draw::Commands(Draw_Interpretor& theCommands)
{
Draw::BasicCommands(theCommands);
Draw::VariableCommands(theCommands);
Draw::GraphicCommands(theCommands);
Draw::PloadCommands(theCommands);
Draw::UnitCommands(theCommands);
}
分別對應的定義文件為：
l Draw_BasicCommands.cxx：基本命令；
l Draw_VariableCommands.cxx：變量命令；
l Draw_GraphicCommands.cxx：圖形命令；
l Draw_PloadCommands.cxx：加載命令；
l Draw_UnitCommands.cxx：單位命令；
如可以打開Draw_BasicCommands可以看到OpenCascade定義了哪些基本命令，我發現一個查看OpenCascade編譯時的配置信息的命令dversion：
運行結果如下圖所示：
Figure 3.1 dversion command in Draw Test Harness
由上圖可知編譯OpenCascade時的相關配置信息，如版本號、使用了哪些第三方庫、編譯器類型及版本、系統類型x86/AMD64、操作系統等等。
Figure 3.2 The OS OpenCascade supported
由上圖可知OpenCascade可識別的操作系統涵蓋發當今主流的操作系統，如Windows、Mac OS、Android、Linux等。
最后以一個實現光線追蹤的腳本來演示一下使用腳本的靈活性，Tcl腳本如下所示：
# Script reproducing creation of bottle model as described in OCCT Tutorial
pload MODELING VISUALIZATION
puts "Writing \"eryar@163.com\"
"
box body 0 0 0 130 20 8
# define text Courier Consolas
text2brep text2d eryar@163.com Times-Roman 18 bold composite=0
#text2brep text2d eryar@163.com Consolas 18 bold composite=0
#text2brep text2d eryar@163.com Courier 18 bold composite=0
prism text text2d 0 0 2
ttranslate text 4 5 6
# cut operation
bcut bodytext body text
ttranslate text 0 20 0
puts "Showing result"
# display result
vdisplay bodytext
vdisplay text
vzfit
vfit
vsetdispmode 1
# set ray tracing
if { [regexp {HAVE_OPENCL} [dversion]] } {
puts "Trying raytrace mode"
if { ! [catch {vraytrace 1}] } {
vtextureenv on 1
vfit
}
}
腳本實現了在一個box上cut掉文本后的光線跟蹤效果，如下圖所示：
Figure 3.3 Ray Tracing Rendering by Tcl
理解了Tcl的作用之后，我認為OpenCascade提供的最快速的的開發方式應該就是全部使用Tcl/Tk來開發程序。利用OpenCascade已經定義好的命令，包括操作ApplicationFramework的自定義命令。在此基礎上，使用Tk來實現GUI及用戶交互操作，這樣開發程序事辦功倍，而且還可提供用戶二次開發功能，即使用Tcl/Tk來對程序進行二次開發，擴展能力強。
四、結論 Conclusion
造型程序中引入腳本語言的共同優點有：腳本語言是解釋執行，不需要編譯鏈接，可以即時驗證一些想法。還可使用腳本來執行自動化測試，保證算法質量。便于擴展，提供用戶二次開發的工具。
與ACIS的Scheme相比，OpenCascade的Tcl/Tk有著明顯的優勢。其中最明顯的就是源代碼開放，可以通過查看源程序，來完全理解腳本的實現。而這在ACIS中是不可能的。
理解如何在Tcl實現自定義的命令后，可以查看OpenCascade在Draw Test Harness中相關程序的實現方法，對學習一些造型算法的使用還是很有幫助的。
五、后記 Postscript
在曹金鳳《Python語言在Abaqus中的應用》的序言一中看到這樣一段話：“我還想順便談一個體會：同50年前有限元方法出現的時代相比，現在有了大量有效的計算力學軟件。既然已經有了大家公認的很優秀的分析平臺，研究者不應再奮力去開發具有競爭力的新軟件了，而應當把精力花在基于這些平臺進行二次開發上面了。從科學技術共同體的角度去思考，這應當是如今計算力學軟件研發的最佳策略。”——隋允康于北京工業大學。
對于這段話的大部分內容是贊同的，即站在巨人的肩上才能看得更遠。但縱觀當今力學分析的CAE軟件優秀的大都是國外產品，如ANSYS、Abaqus、COADE.CAESAR、MSC/PATRAN、ADINA等等，而國內同類產品鮮有耳聞。原因可能是CAE軟件的開發涉及的知識很多，需要計算機圖形學、軟件工程、力學、數學等等多學科知識的結合，所以開發具有自主知識產權的CAE軟件也是國家科技實力的一個表現。若只是在外國人的平臺上二次開發，總是會受制于人。也許有些狹隘，如今世界已然是個地球村，科學無國界。
六、參考資料 References
1. Tcl and the Tk Toolkit
2. Practical Programming in Tcl and Tk
3. Tcl/Tk A Developer’s Guide
4. http://sourceforge.net/projects/tcl/
5. http://www.tcl.tk/
6. 詹海生等, 基于ACIS的幾何造型技術與系統開發, 清華大學出版社, 2002
7. 曹金鳳, 王旭春, 孔亮. Python語言在Abaqus中的應用. 機械工業出版社, 2011
致謝：
感謝王婷讓我接觸到ABAQUS這個軟件。