Open Cascade DataExchange IGES
eryar@163.com
摘要Abstract：本文結(jié)合OpenCascade和Initial Graphics Exchange Specification來(lái)對(duì)IGES格式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，理解IGES格式的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而方便對(duì)OpenCascade中IGES格式文件讀寫的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行理解。
關(guān)鍵字Key Words：IGES、Open Cascade、Data Exchange
一、引言 Introduction
目前市面上的CAD系統(tǒng)都有自己的數(shù)據(jù)文件，各個(gè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和格式各不相同，這樣極大影響了設(shè)計(jì)和制造部門之間或企業(yè)之間的數(shù)據(jù)傳輸和程序銜接的自動(dòng)化，同樣給CMM和CAD/CAM的數(shù)據(jù)通信帶來(lái)困難。因此，迫切需要數(shù)據(jù)交換文件格式的標(biāo)準(zhǔn)化。
產(chǎn)品數(shù)據(jù)的正確交換可以使雙方不必重建數(shù)據(jù)，提高效率。產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換的通常做法是使用數(shù)據(jù)交換接口，即需要交換的每一系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式（中性格式）之間開發(fā)雙向轉(zhuǎn)換接口，兩系統(tǒng)通過(guò)中性格式進(jìn)行交換。
20世紀(jì)70年代末80年代初以來(lái)，國(guó)際上已做了大量數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的研究、制定工作。自1980年最早出現(xiàn)IGES1.0后，又產(chǎn)生了許多其他規(guī)范如XBF、SET、VDA－FS、PDDI、ESP、CAD*I、PDES等。這些規(guī)范各有不同的目的和使用范圍，同時(shí)也存在著各種問(wèn)題。在這些規(guī)范中，應(yīng)用最成熟、最廣泛的是IGES（Initial Graphics Exchange Specification）。ISO在上述規(guī)范的基礎(chǔ)上，制定了新的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP（Standard for the Exchange of Product Model data），其目的是覆蓋過(guò)去已經(jīng)存在的規(guī)范的功能，并解決實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題。
IGES是在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的倡導(dǎo)下，由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ANSI）組織波音公司、通過(guò)公司等共同商議制訂的，1980年公布第一版，以后不斷完善和擴(kuò)充，版本不斷升級(jí)，從IGES1.0僅包含二維圖形到IGES3.0支持曲面和三維線框幾何，IGES4.0版支持構(gòu)造實(shí)體幾何（CSG）造型技術(shù)，IGES5.0支持邊界表示（BRep）造型技術(shù)。目前幾乎所有有影響的CAD/CAM系統(tǒng)都配有IGES接口，如Pro/E、CATIA、OpenCascade等。它由一系列產(chǎn)品的幾何、繪圖、結(jié)構(gòu)和其他信息組成，可以處理CAD/CAM系統(tǒng)中的在部分信息，是用來(lái)定義產(chǎn)品幾何形狀的現(xiàn)代交互圖形標(biāo)準(zhǔn)。
本文結(jié)合OpenCascade和Initial Graphics Exchange Specification來(lái)對(duì)IGES格式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，理解IGES格式的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而方便對(duì)OpenCascade中IGES格式文件讀寫實(shí)現(xiàn)的方式進(jìn)行理解。
二、IGES規(guī)范 the Initial Graphics Exchange Specification
IGES是一種按特定的文件結(jié)構(gòu)安排的數(shù)據(jù)格式，用來(lái)描述產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)信息，可用它來(lái)交換CAD/CAM系統(tǒng)中以計(jì)算機(jī)可讀的形式產(chǎn)生和存儲(chǔ)的各種信息。標(biāo)準(zhǔn)的IGES文件包含固定長(zhǎng)ASCII碼（Fixed Format）、壓縮的ASCII碼（Compressed Format）和二進(jìn)制（Binary Format）三種格式。
固定長(zhǎng)ASCII碼的IGES文件每行為80個(gè)字符，整個(gè)文件分為五段（Section）：開始段（Start）、全局段（Global）、元素索引段（Direction Entry）、參數(shù)數(shù)據(jù)段（Parameter Data）和結(jié)束段（Terminate）。如圖2.1所示：
Figure 2.1 Fixed File Formats of ASCII IGES File
段標(biāo)識(shí)符位于每行的第73列，74~80列指定為用于段每行的序號(hào)。序號(hào)都以1開始，且連續(xù)不間斷，其值對(duì)應(yīng)該段的列數(shù)。段標(biāo)識(shí)符是這樣規(guī)定的，字符“B”和“C”表示標(biāo)記段；“S”表示開始段；“G”表示全局段；“D”表示元素索引段；“P”表示參數(shù)記錄參數(shù)記錄段；“T”表示結(jié)束段。固定長(zhǎng)的ASCII格式的IGES格式的大概結(jié)構(gòu)如下圖2.2所示：
Figure 2.2 General file structure of the Fixed Format
下面結(jié)合具體的IGES文件來(lái)對(duì)每個(gè)段進(jìn)行說(shuō)明，僅包含一個(gè)點(diǎn)的示例文件如下所示：
Figure 2.3 IGES demo file Generated by OpenCascade
開始段Start Section：該段是為提供一個(gè)可讀文件的序言，主要記錄圖形文件的最初來(lái)源及生成該IGES文件的相同名稱。IGES文件至少有一個(gè)開始記錄。
全局段Global Section：主要包含前處理器的描述信息及為處理該文件的后處理器所需要的信息。參數(shù)以自由的格式輸入，用逗號(hào)分隔參數(shù)，用分號(hào)結(jié)束一個(gè)參數(shù)。主要參數(shù)有文件名、前處理器版本、單位、文件生成日期、作者姓名及單位、IGES的版本、繪圖標(biāo)準(zhǔn)代碼等。如圖2.3中的2~5行。
元素索引段Directory Entry Section：該段主要為文件提供一個(gè)索引，并含有每個(gè)實(shí)體的屬性信息，文件中每個(gè)實(shí)體都有一個(gè)目錄條目，大小一樣，由8個(gè)字符組成一個(gè)域，共20個(gè)域，每個(gè)條目占用兩行。如圖2.4所示：
Figure 2.4 Format of the Directory Entry(DE) Section in the Fixed Format
每一項(xiàng)內(nèi)容如下：
l 元素類型號(hào)（Entity Type Number）：說(shuō)明元素的類型；
l 參數(shù)指針（Parameter Data）：說(shuō)明該元素的參數(shù)在參數(shù)數(shù)據(jù)段的開始序號(hào)；
l 圖層：存放圖層名和它的指針；
l 參數(shù)記錄數(shù)（Parameter Line Count）：數(shù)字代表該元素的參數(shù)在參數(shù)數(shù)據(jù)段的行數(shù)；
參數(shù)數(shù)據(jù)段Parameter Data Section：該段記錄了每個(gè)元素的幾何數(shù)據(jù)。根據(jù)每個(gè)圖形元素參數(shù)數(shù)的多少，決定它將有幾行。如圖2.3所示，116為點(diǎn)，它有三個(gè)數(shù)據(jù)X，Y和Z，分別為1，2，3。
結(jié)束段Terminate Section：只占一行，在前32個(gè)字符里，分別用8個(gè)字符記錄了開始段、全局段、索引段和參數(shù)數(shù)據(jù)段的段碼和每段的總行數(shù)。第33~72個(gè)字符沒有用到。最后8個(gè)字符為結(jié)束段的段碼和行數(shù)。
三、OpenCascade中IGES讀寫 OpenCascade IGES Reader/Writer
OpenCascade中提供IGES的程序接口有如下功能：
l 加載IGES文件到內(nèi)存；loading IGES files into memory;
l 檢查IGES文件的一致性；checking IGES files consistency;
l 轉(zhuǎn)換IGES文件到OCCT的形狀；translating IGES files into OCCT shapes;
l 轉(zhuǎn)換OCCT的形狀到IGES文件；translating OCCT shapes into IGES files;
l 訪問(wèn)IGES文件模型；accessing the IGES model;
l 選擇IGES文件模型中的實(shí)體；selecting entities from the IGES model;
l 訪問(wèn)IGES文件模型中的每個(gè)實(shí)體；accessing each entity in the IGES model;
實(shí)現(xiàn)上述功能的包是IGESControl，可處理的IGES文件格式的版本為5.3。讀取IGES文件實(shí)體到OCCT形狀的方法如下所示：
Standard_Integer ReadIGES(const Standard_CString& aFileName,
Handle(TopTools_HSequenceOfShape)& aHSequenceOfShape)
{
IGESControl_Reader Reader;
Standard_Integer status = Reader.ReadFile(aFileName);
if (status != IFSelect_RetDone)
{
return status;
}
Reader.TransferRoots();
TopoDS_Shape aShape = Reader.OneShape();
aHSequenceOfShape->Append(aShape);
return status;
}
將OCCT形狀轉(zhuǎn)換為IGES文件方法如下所示：
Standard_Boolean SaveIGES(const Standard_CString& aFileName,
const Handle(TopTools_HSequenceOfShape)& aHSequenceOfShape)
{
IGESControl_Controller::Init();
IGESControl_Writer ICW (Interface_Static::CVal("XSTEP.iges.unit"),
Interface_Static::IVal("XSTEP.iges.writebrep.mode"));
for (Standard_Integer i=1;i<=aHSequenceOfShape->Length();i++)
{
ICW.AddShape (aHSequenceOfShape->Value(i));
}
ICW.ComputeModel();
Standard_Boolean result = ICW.Write(aFileName );
return result;
}
四、程序示例 Example Code
通過(guò)將OpenCascade中的形狀數(shù)據(jù)導(dǎo)出到IGES文件，結(jié)合IGES規(guī)格書，可以方便對(duì)IGES格式的理解。如下程序所示為將簡(jiǎn)單的點(diǎn)、線和圓導(dǎo)出到IGES文件：
/*
* Copyright (c) 2014 eryar All Rights Reserved.
*
* File : Main.cpp
* Author : eryar@163.com
* Date : 2014-01-04 20:00
* Version : 1.0v
*
* Description : Export OpenCascade shape to IGES entities.
*
* Key Words : OpenCascade, IGES, DataExchange
*
*/
#define WNT
#include <gp_Pnt.hxx>
#include <gp_Circ.hxx>
#include <TopoDS_Vertex.hxx>
#include <TopoDS_Edge.hxx>
#include <TopTools_ListIteratorOfListOfShape.hxx>
#include <BRepBuilderAPI_MakeVertex.hxx>
#include <BRepBuilderAPI_MakeEdge.hxx>
#include <IGESControl_Controller.hxx>
#include <IGESControl_Writer.hxx>
#pragma comment(lib, "TKernel.lib")
#pragma comment(lib, "TKMath.lib")
#pragma comment(lib, "TKBRep.lib")
#pragma comment(lib, "TKTopAlgo.lib")
#pragma comment(lib, "TKIGES.lib")
void SaveIges(const std::string& igesFile, const TopTools_ListOfShape& shapes)
{
IGESControl_Controller::Init();
IGESControl_Writer igesWriter;
for (TopTools_ListIteratorOfListOfShape si(shapes); si.More(); si.Next())
{
igesWriter.AddShape(si.Value());
}
igesWriter.ComputeModel();
igesWriter.Write(igesFile.c_str());
}
int main(void)
{
// vertices.
TopTools_ListOfShape vertices;
TopoDS_Vertex theVertex = BRepBuilderAPI_MakeVertex(gp_Pnt(1.0, 2.0, 3.0));
vertices.Append(theVertex);
SaveIges("vertex.iges", vertices);
// edges.
TopTools_ListOfShape edges;
TopoDS_Edge theLine = BRepBuilderAPI_MakeEdge(gp_Pnt(3.0, 4.0, 5.0), gp_Pnt(6.0, 7.0, 8.0));
TopoDS_Edge theCircle = BRepBuilderAPI_MakeEdge(gp_Circ(gp::XOY(), 9.0));
edges.Append(theLine);
edges.Append(theCircle);
SaveIges("edge.iges", edges);
// put them together.
TopTools_ListOfShape shapes;
shapes.Append(theVertex);
shapes.Append(theLine);
shapes.Append(theCircle);
SaveIges("shapes.iges", shapes);
return 0;
}
生成的IGES文件內(nèi)容如下所示：
Figure 4.1 Simple Fixed Format IGES File
結(jié)合下圖4.2中實(shí)體類型號(hào)與實(shí)體類型的對(duì)應(yīng)表可知，上圖4.1中的元素索引D段可以看總共有三個(gè)實(shí)體，一個(gè)是類型號(hào)為116的點(diǎn)；一個(gè)是類型號(hào)為110的直線；一個(gè)是類型號(hào)為100的圓。
從數(shù)據(jù)參數(shù)P段可以看出116對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的坐標(biāo)為（1，2，3）；110對(duì)應(yīng)的直線的兩個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)為（3，4，5）和（6，7，8）；100對(duì)應(yīng)的圓的數(shù)據(jù)為圓心在（0，0）半徑為9的位于XY平面上的圓。圓的參數(shù)數(shù)據(jù)項(xiàng)每項(xiàng)數(shù)據(jù)說(shuō)明見圖4.3。
將IGES在OpenCascade中顯示如圖4.4所示。
Figure 4.2 Curve and Surface Entities
Figure 4.3 Parameter Data of Circle Entity in IGES
Figure 4.4 IGES Entities in OpenCascade
五、結(jié)論 Conclusion
結(jié)合OpenCascade生成的IGES文件和Initial Graphics Exchange Specification來(lái)對(duì)IGES格式進(jìn)行學(xué)習(xí)。
雖然目前許多CAD/CAM系統(tǒng)主要應(yīng)用是在不同系統(tǒng)間交換工程圖紙、零件模型、運(yùn)動(dòng)仿真和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)所需要的幾何數(shù)據(jù)，裝配或銷售產(chǎn)品所需要的圖形文件，但是IGES標(biāo)準(zhǔn)在具體應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)以下問(wèn)題：
l 交換過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤或數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。由于IGES所支持的實(shí)體十分龐大，在實(shí)際應(yīng)用中，每一個(gè)CAD/CAM系統(tǒng)不可能實(shí)現(xiàn)IGES支持的所有實(shí)體，而只能實(shí)現(xiàn)它所涉及的實(shí)體的交換，即只能實(shí)現(xiàn)IGES實(shí)體集的一個(gè)子集，但不同系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的子集不可能完全相同。系統(tǒng)之間只能交換所實(shí)現(xiàn)子集的交集部分。
l 發(fā)送系統(tǒng)前處理器生成的IGES文件的實(shí)體類型超出了接收系統(tǒng)后處理器可能接受的實(shí)體類型范圍，以及發(fā)送系統(tǒng)與接收系統(tǒng)之間實(shí)體類型集雖相同，但有關(guān)屬性如顏色、字體、線型等代碼不同，也將使部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失。
l IGES的目的只是傳輸工程圖形及相應(yīng)信息，它無(wú)法描述CIMS環(huán)境所需要的產(chǎn)品數(shù)據(jù)的全部信息。而且IGES對(duì)實(shí)體的定義是模糊的，這將造成各CAX系統(tǒng)對(duì)IGES中定義的實(shí)體有不同的理解，如相同的3D曲線功能會(huì)因不同軟件的計(jì)算方式不同而使在使用IGES來(lái)執(zhí)行圖形交換時(shí)出現(xiàn)不同的曲線或丟失該曲線。
l IGES文件本身規(guī)模太大，影響數(shù)據(jù)文件的處理速度，使數(shù)據(jù)傳輸效率不高。
l 在轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的過(guò)程中發(fā)生的錯(cuò)誤很難確定，常要人工去處理IGES文件，如在轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生某個(gè)或某幾個(gè)小曲面丟失的情況，這是要利用原有曲面邊界重新生成曲面；某些小曲面（Face）在轉(zhuǎn)換過(guò)程中變成大曲面（Surface），此時(shí)要對(duì)曲面進(jìn)行裁剪。
六、參考資料 References
1. 李原，張開富，余劍鋒. 計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)技術(shù)及應(yīng)用. 西北工業(yè)大學(xué)出版社. 2007
2. US PRO. Initial Graphics Exchange Specification .1997
3. OpenCascade. Data Exchange IGES Format User’s Guide. 2013