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(duì)比來說明腳本語言在程序中的重要作用。及通過在Tcl中實(shí)現(xiàn)自定義的命令來理解Draw Test Harness的實(shí)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上更有利于對(duì)OpenCascade的理解，其中Draw Test Harness一些命令的實(shí)現(xiàn)可以做為程序?qū)崿F(xiàn)的參考。
關(guān)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(fā)提供了快速原型方法，由于是解釋型的程序開發(fā)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(yùn)行，用這種方式可以快速驗(yàn)證一些想法，用來測試程序等。
解釋型的腳本開發(fā)語言有很多，流行的有Python、Tcl/Tk、Perl、Lua、LISP、Javascript等等。在應(yīng)用程序中嵌入這些腳本語言，方便程序的擴(kuò)展，用戶可以根據(jù)需要對(duì)程序進(jìn)行定制。像應(yīng)力分析軟件Abaqus中就使用了Python對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)；繪圖軟件AutoCAD中可使用AutoLISP對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)；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(gè)二次開發(fā)的強(qiáng)有力工具，軟件開發(fā)者只需要關(guān)注核心領(lǐng)域，其它各種客戶化的需求，可以通過這些腳本來實(shí)現(xiàn)，既能滿足用戶花樣繁多的需求，也可確保程序質(zhì)量。
ACIS對(duì)Scheme的擴(kuò)展為Scheme解釋器提供了調(diào)用ACIS內(nèi)部函數(shù)和訪問ACIS內(nèi)部數(shù)據(jù)的功能，其中，每個(gè)Scheme函數(shù)都調(diào)用相應(yīng)的ACIS C++函數(shù)。開發(fā)者可以利用Scheme來熟悉ACIS的基本功能、測試某些思想或者產(chǎn)生應(yīng)用程序原型。Scheme語言的初學(xué)者可以通過它來熟悉和掌握ACIS的Scheme程序開發(fā)方法。
OpenCascade中使用Tcl/Tk來實(shí)現(xiàn)的Draw Test Harness提供了交互創(chuàng)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(shí)現(xiàn)程序的自動(dòng)化測試。
本文通過OpenCascade的Tcl/Tk和ACIS的Scheme的對(duì)比來說明腳本在程序中的重要作用。及通過在Tcl中實(shí)現(xiàn)自定義的命令來理解Draw Test Harness的實(shí)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上更有利于對(duì)OpenCascade的理解，其中一些命令的實(shí)現(xiàn)代碼可以做為程序?qū)崿F(xiàn)的參考。
二、ACIS Scheme
ACIS中的Scheme接口是一些函數(shù)的集合，基于Scheme的應(yīng)用程序可以通過這些函數(shù)調(diào)用ACIS的API、類的公共成員函數(shù)及訪問ACIS的數(shù)據(jù)。ACIS系統(tǒng)中含有一個(gè)Scheme解釋器，Scheme應(yīng)用程序就在這個(gè)解釋器上運(yùn)行，所以該解釋器負(fù)責(zé)Scheme應(yīng)用程序與ACIS系統(tǒng)之間的通信。ACIS中的Scheme解釋器是按Elk版的Scheme語言規(guī)則設(shè)計(jì)的，它被用來解釋Scheme命令并調(diào)用相關(guān)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(kuò)展能力。應(yīng)用程序開發(fā)者可以快速地將Scheme語言用于自己的開發(fā)任務(wù)，他們可以用C++擴(kuò)展Scheme，然后就可以利用這些擴(kuò)展寫可解釋執(zhí)行的Scheme過程。開發(fā)者也可以構(gòu)造特殊的Scheme數(shù)據(jù)類型和相應(yīng)的操作方法，Scheme應(yīng)用程序和C++函數(shù)可以使用這些自定義的Scheme數(shù)據(jù)類型。
Figure 2.2 ACIS Scheme pipeline
與C++相比Scheme是一種快速程序設(shè)計(jì)語言。盡管C++語言有很多優(yōu)點(diǎn)，但是也不得承認(rèn)它的復(fù)雜性，例如要用C++開發(fā)ACIS應(yīng)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(jìn)行復(fù)雜的程序調(diào)試，所以使用C++開發(fā)應(yīng)用程序的速度就受到較大影響。與其相反，Scheme可以進(jìn)行交互式程序開發(fā)，一段程序或一個(gè)命令的執(zhí)行結(jié)果會(huì)及時(shí)反映出來，正是這種機(jī)制使我們可以利用Scheme語言進(jìn)行快速的程序開發(fā)。雖然Scheme不能替代C++成為主要的軟件開發(fā)工具，但是在開發(fā)一個(gè)軟件系統(tǒng)之前可以利用它進(jìn)行算法的測試。
Scheme語言與C++語言相比有三個(gè)特點(diǎn)：沒有指針、不需要頭文件及可進(jìn)行交互式程序設(shè)計(jì)，程序員可以在解釋器中立即執(zhí)行這些程序，從這個(gè)特點(diǎn)來看Scheme更像Basic和Prolog等程序設(shè)計(jì)語言。
在ACIS中使用Scheme來生成一個(gè)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(gè)正方體，總共調(diào)用兩個(gè)ACIS Scheme過程position和solid:block，#[entity 1 0]是該正方體的默認(rèn)名稱。
Figure 2.3 The block made by ACIS Scheme
三、OpenCascade Tcl
Tcl是一種用于控制和擴(kuò)展應(yīng)用程序的動(dòng)態(tài)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(shù)應(yīng)用程序的需要。而且Tcl既是可嵌入的（embeded），也是可擴(kuò)展的（extensible）。它的解釋器是一個(gè)C函數(shù)庫，可以很容易地整合到應(yīng)用程序中；而任何一個(gè)應(yīng)用程序都可以通過增加命令來擴(kuò)展Tcl內(nèi)核的功能。Tcl最有用的一個(gè)擴(kuò)展就是Tk，這是一個(gè)用于開發(fā)圖形用戶界面（Graphical User Interface, GUI）應(yīng)用程序的工具集。Tk擴(kuò)展了Tcl內(nèi)核的功能，增加了構(gòu)建用戶界面的命令，使您可以使用Tcl腳本來構(gòu)建圖形用戶界面，而不必寫C代碼。
Tcl/Tk一起為應(yīng)用程序開發(fā)者和使用者提供了很多好處。首先是快速開發(fā)。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(jìn)行開發(fā)，Tk隱藏了C或Java程序員必須關(guān)心的很多細(xì)節(jié)。與低級(jí)工具相比，使用Tcl/Tk所需要學(xué)習(xí)的知識(shí)更少，需要編寫的代碼更少。通過幾個(gè)小時(shí)的學(xué)習(xí)，Tcl/Tk新手用戶就可以創(chuàng)建有意思的用戶界面，很多開發(fā)人員從其他工具集轉(zhuǎn)而使用Tcl/Tk工具集后，應(yīng)用程序開發(fā)所需的代碼數(shù)量和開發(fā)時(shí)間都減少了90%。
Tcl/Tk適于快速開發(fā)的另一個(gè)原因在于Tcl是解釋型語言。使用Tcl應(yīng)用程序時(shí)，可以在運(yùn)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(cuò)誤。因?yàn)門cl是解釋型語言，它的運(yùn)行速度比C程序慢。但是通過內(nèi)部優(yōu)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(yùn)行有數(shù)百條Tcl命令的腳本，鼠標(biāo)的每一次移動(dòng)都不會(huì)有能感知的延遲。在一些特別的場合，當(dāng)性能成為重要問題時(shí)，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(gè)好處是在于它是跨平臺(tái)的語言，它的大多數(shù)擴(kuò)展包括Tk也是如此。這意味著在一個(gè)平臺(tái)（如Linux）上開發(fā)的程序，在大多數(shù)情況下可以不加改動(dòng)地在另一個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行，如在Macintosh或Windows上運(yùn)行。
Tcl還是第一種擁有原生Unicode支持的動(dòng)態(tài)語言。因此，Tcl可以處理這個(gè)世界上幾乎所有的書面語言。Tcl無需擴(kuò)展就可以處理Unicode支持的所有文本。
使用Tcl的另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)在于它和它的大多數(shù)擴(kuò)展都是免費(fèi)的開源軟件。Tcl和Tk遵循BSD授權(quán)，允許所有人免費(fèi)下載、查看、修改及再發(fā)布。
Tcl是一種絕妙的“膠合語言”，可以讓應(yīng)用程序很容易地?fù)碛袕?qiáng)大的腳本語言功能。例如，要為一個(gè)已經(jīng)存在的應(yīng)用程序添加腳本能力，只需要實(shí)現(xiàn)幾條新的Tcl命令，用來為應(yīng)用程序提供相應(yīng)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(nèi)核）和您編寫的那些命令。
Tcl還為用戶提供了方便。一旦學(xué)習(xí)了Tcl/Tk，就能為任何Tcl/Tk應(yīng)用程序編寫腳本，只需要學(xué)習(xí)該應(yīng)用程序特有的少數(shù)幾條命令即可。這使得更多的用戶有能力對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行個(gè)性化改造和強(qiáng)化。
在Tcl中實(shí)現(xiàn)自定義命令很方便，只需要按Tcl的格式定義一個(gè)命令函數(shù)。基于對(duì)象的命令函數(shù)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(diào)用一個(gè)命令函數(shù)，必須先調(diào)用Tcl_CreateObjCommand注冊(cè)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(shí)現(xiàn)它的C函數(shù)關(guān)聯(lián)起來“魔術(shù)”。更詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參考：《Create New Commands in Tcl》。下面主要來分析一下Draw Test Harness代碼實(shí)現(xiàn)：
首先在Draw_PInterp.hxx中將Tcl_Interp定義為*Draw_PInterp，并在類Draw_Interpretor中對(duì)Tcl解釋器進(jìn)行了簡單封裝，在Init時(shí)創(chuàng)建一個(gè)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(shù)，實(shí)現(xiàn)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(duì)應(yīng)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(fā)現(xiàn)一個(gè)查看OpenCascade編譯時(shí)的配置信息的命令dversion：
運(yùn)行結(jié)果如下圖所示：
Figure 3.1 dversion command in Draw Test Harness
由上圖可知編譯OpenCascade時(shí)的相關(guān)配置信息，如版本號(hào)、使用了哪些第三方庫、編譯器類型及版本、系統(tǒng)類型x86/AMD64、操作系統(tǒng)等等。
Figure 3.2 The OS OpenCascade supported
由上圖可知OpenCascade可識(shí)別的操作系統(tǒng)涵蓋發(fā)當(dāng)今主流的操作系統(tǒng)，如Windows、Mac OS、Android、Linux等。
最后以一個(gè)實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)了在一個(gè)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(rèn)為OpenCascade提供的最快速的的開發(fā)方式應(yīng)該就是全部使用Tcl/Tk來開發(fā)程序。利用OpenCascade已經(jīng)定義好的命令，包括操作ApplicationFramework的自定義命令。在此基礎(chǔ)上，使用Tk來實(shí)現(xiàn)GUI及用戶交互操作，這樣開發(fā)程序事辦功倍，而且還可提供用戶二次開發(fā)功能，即使用Tcl/Tk來對(duì)程序進(jìn)行二次開發(fā)，擴(kuò)展能力強(qiáng)。
四、結(jié)論 Conclusion
造型程序中引入腳本語言的共同優(yōu)點(diǎn)有：腳本語言是解釋執(zhí)行，不需要編譯鏈接，可以即時(shí)驗(yàn)證一些想法。還可使用腳本來執(zhí)行自動(dòng)化測試，保證算法質(zhì)量。便于擴(kuò)展，提供用戶二次開發(fā)的工具。
與ACIS的Scheme相比，OpenCascade的Tcl/Tk有著明顯的優(yōu)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(shí)現(xiàn)。而這在ACIS中是不可能的。
理解如何在Tcl實(shí)現(xiàn)自定義的命令后，可以查看OpenCascade在Draw Test Harness中相關(guān)程序的實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)學(xué)習(xí)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(yīng)用》的序言一中看到這樣一段話：“我還想順便談一個(gè)體會(huì)：同50年前有限元方法出現(xiàn)的時(shí)代相比，現(xiàn)在有了大量有效的計(jì)算力學(xué)軟件。既然已經(jīng)有了大家公認(rèn)的很優(yōu)秀的分析平臺(tái)，研究者不應(yīng)再奮力去開發(fā)具有競爭力的新軟件了，而應(yīng)當(dāng)把精力花在基于這些平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)上面了。從科學(xué)技術(shù)共同體的角度去思考，這應(yīng)當(dāng)是如今計(jì)算力學(xué)軟件研發(fā)的最佳策略。”——隋允康于北京工業(yè)大學(xué)。
對(duì)于這段話的大部分內(nèi)容是贊同的，即站在巨人的肩上才能看得更遠(yuǎn)。但縱觀當(dāng)今力學(xué)分析的CAE軟件優(yōu)秀的大都是國外產(chǎn)品，如ANSYS、Abaqus、COADE.CAESAR、MSC/PATRAN、ADINA等等，而國內(nèi)同類產(chǎn)品鮮有耳聞。原因可能是CAE軟件的開發(fā)涉及的知識(shí)很多，需要計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、軟件工程、力學(xué)、數(shù)學(xué)等等多學(xué)科知識(shí)的結(jié)合，所以開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CAE軟件也是國家科技實(shí)力的一個(gè)表現(xiàn)。若只是在外國人的平臺(tái)上二次開發(fā)，總是會(huì)受制于人。也許有些狹隘，如今世界已然是個(gè)地球村，科學(xué)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(shù)與系統(tǒng)開發(fā), 清華大學(xué)出版社, 2002
7. 曹金鳳, 王旭春, 孔亮. Python語言在Abaqus中的應(yīng)用. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011
致謝：
感謝王婷讓我接觸到ABAQUS這個(gè)軟件。