一种面向对象的参数建模方法及其实现

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1994s3.048 第16卷增刊 北京科技大学学报 Vol.16 1994年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1994 一种面向对象的参数建模方法及其实现 纪纯维” 魏朋三》 (1)东北大学研究生院：2)东北大学计算中心) 摘要本文提出了一种交互式的面向对象的参数建模方法。这种方法用面向对象的建模方 法实现了具有尺寸和结构参数的参数模型的生成。此方法不是通过存储描述代码建立参数模 型。其所建模型的内部模型本身就是参数模型，因此建模所需的内存较小，建模效率较高。 关键词计算机辅助设计，参数建模，变体设计，面向对象的编程方法 A Method for Object-oriented Paramtric Modelling Its Implementation Ji Churwei Wei Pengsan ABSTRACT This paper presents a method for interactive object-oriented paramtric mod- elling.The method uses object-oriented modelling to generate a parmetric model with dimen- sional and structural parameters.The method does not uses storage of expression sequence to generate parametric model.The internal model of the model generated in the method is a para- metric model itself.So the memory needed is smaller,and the modelling efficiency is higher for the method. KEY WORDS CAD,parametric modelling,variation design,object-oriented programming 参数建模是一种几何建模方法。所不同的是其所建的几何模型是一个参数化的几何模 型。目前，参数建模可以概括为以下2种主要方法1小：1)用高级编程语言编程建立具有尺 寸参数模型；2)通过人机交互进行参数建模2,3。 第1种方法显然要求用户具有特定的编程知识和技能，建模效率较低。第2种方法是 一种直观而高效的参数建模方法，其效率至少比第1种方法的效率高十几倍。 上述的参数建模方法是通过自动化参数编程进行参数建模，所建的参数模型是交互绘 图过程中自动生成的描述代码（程序）。但是，在建模过程中，所建模型的内部模型并不是 。1994-07-12收稿第一作者男，34岁，讲师

第 卷增刊 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一种面 向对象的参数建模方法及其实现 纪 纯维 魏朋 三 东北大学研究生 院 东北大学计算中心 摘 要 本文提出了一种交互式的面 向对象的参数建模方法 。 这种方法用面 向对象的建模方 法 实现 了具有尺寸和结构参数的参数模型 的生成 。 此方法不是通过存储描述代码建立参数模 型 。 其所建模型 的内部模型本身就是参数模型 ， 因此建模所需的 内存较小 ， 建模效率较高 。 关键词 计算机辅助设计 ， 参数建模 ， 变体设计 ， 面 向对象的编程方法 一 蕊 尸己刀 ‘ 反 记 一 团 一 记 记 ， ， ， ， ， 一 参数建模是一种几何建模方法 。 所不 同的是其所建的几何模型是一个参数化的几何模 型 。 目前 ， 参数建模可 以概括为 以下 种主要方法， 〕 用高级编程语言编程建立具有尺 寸参数模型 通过人机交互进行参数建模， ， ‘ 〕 。 第 种方法显然要求用户具有特定的编程知识和技能 ， 建模效率较低 。 第 种方法是 一种直观而 高效的参数建模方法 ， 其效率至少 比第 种方法的效率高十几倍 。 上述 的参数建模方法是通过 自动化参数编程进行参数建模 ， 所建的参数模型是交互绘 图过程 中 自动生成 的描述代码 程序 。 但是 ， 在建模过程 中 ， 所建模型 的内部模型并不是 一 一 收稿 第一作者 男 ， 岁 ， 讲师 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．s3．048

·60· 北京科技大学学报 参数模型，因而需要额外的内存开销来存贮描述代码，而且建模效率较底，这体现为修改 已建立的模型必须同时修改内部模型和以描述代码形式存贮的参数模型；生成变体时，描 述代码必然要经过某种预处理才能换成计算机能够处理的内部模型。 本文提出了一种用面向对象方法实现的交互式参数建模方法。这种方法所建立的参数 模型同时也是内部模型，建模所需内存较小，效率较高。能够生成既有尺寸参数又有结构 参灵敏的参数模型。以此方法为基础，作者正在研制的VCAD系统中实现了参数化设计功 能，并已证明能够进行结构变化的设计。 1图形对象类 本文提出的面向对象的参数建模方法是用面向对象的编程方法(object-oriented pro- gramming,缩写为OOP)实现的。与传统编程不同，面向对象编程主要是类的设计。在本 文中将阐述图形对象类和绘图工具类的设计。 通过对各种图形对象进行分析、抽象和归类，可以将各种图形对象归为Poit（点)类、 Text(文本)类、Line(直线)类、Circle(圆)类、Polyline(多折线)类、Rct(矩型)类、 Ellipse(椭圆)类、Golist(图形对象链表)类、Hzline（水平线)类、Vtline(铅垂线)类 和Arc(圆孤)类。Location(位置)类是从这些类抽取的最高层次的基类。图形对象类的 层次结构如图1所示。 位置 点 文本 直线 多折线 矩形 椭園 图形对象链表 水平线 铅垂线 图1图形对象类的层次结构 各种图形对象具有许多相同和不同的特征和行为，如：位置、形状、尺寸、颜色、显 示、隐藏、平移、旋转、复制等。它们的定义可用Borland C十十描述如下： Class Location public: float xw,yw: //世界坐标 int x,yi /视区坐标 //成员函数 }； Class Pint:public Location Protected:

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 参数模型 ， 因而需要额外的 内存开销来存贮描述代码 ， 而且建模效率较底 ， 这体现为修改 已建立 的模型必须 同时修改 内部模型和 以描述代码形式存贮的参数模型 生成变体时 ， 描 述代码必然要经过某种预处理才能换成计算机能够处理 的 内部模型 。 本文提 出了一种用 面 向对象方法实现 的交互式参数建模方法 。 这种方法所建立的参数 模型 同时也是 内部模型 ， 建模所需 内存较小 ， 效率较高 。 能够生成既有尺寸参数又有结构 参灵敏 的参数模型 。 以此方法为基础 ， 作者正在研制的 系统 中实现 了参数化设计功 能 ， 并 已证明能够进行结构变化的设计 。 图形对象类 本 文提 出的面 向对象的参 数建模方法是用 面 向对象 的编程 方法 一 ， 缩写为 实现的 。 与传统编程不 同 ， 面 向对象编程 主要是类的设计 。 在本 文 中将 阐述 图形对象类和绘图工具类 的设计 。 通过对各种图形对象进行分析 、 抽象和归类 ， 可 以将各种 图形对象归为 点 类 、 文本 类 、 直线 类 、 圆 类 、 多折线 类 、 矩型 类 、 椭 圆 类 、 图形对象链表 类 、 水平线 类 、 铅垂线 类 和 圆弧 类 。 位置， 类是从这些类抽取 的最高层次的基类 。 图形对象类的 层 次结构如图 所示 。 图 图形对象类的层次结构 各种 图形对象具有许多相 同和不 同的特征和行为 ， 如 位置 、 形状 、 尺寸 、 颜色 、 显 示 、 隐藏 、 平移 、 旋转 、 复制等 。 、 它们的定义 可用 描述如下 ， ， 刀世界坐标 视区坐标 刀成员 函数

纪纯维等：一种面向对象的参数建模方法及其实现 ·61◆ Boolean visible; /可见性 Unsigned char color; //颜色 Public: unsigned char Itype,lwd; /1线型，线宽： int Id; /标识 dmode mode; //模式，存贮图形对象的参数化信息 Boolean picked; /拾取标志 relp rpp; /相对参数地址 Class line:Public Point( /1成员函数 其他图元类定义在此从略。Golist类可视为一组图形对象的组合（图段）对象类。其定 义如下： Class Golist:Public Point Node head,rear; /指向链表的首和尾结点 int xrepftr,yrepftr; /拷贝重复因子，存贮结构参数 int cx,cyi /旋转中心视区坐标 float cxw,cyw; /和世界坐标，或存贮结构参数 double angle; /旋转角度，存贮结构参数 copytype copytp: /拷贝类型 Golist clistptr; /指向拷贝对象链表 Golist clistptr; /指向源对象链表Golist￥sropty: /1成员函数 其中Node为Golist对象的结点结构，其定义如下： struct Node{ Point Item; /指向Poit类或其派生类 Node Next,Prev; /指向前、后结点 Golist类除了继承Point类的方法之外，还有其特有的职责，如：图形对象的插人、副除、检 索、存贮等操作方法，均由其成员函数实现。 2绘图工具类 绘图工具类对象的任务是使用户能够用鼠标器或键盘交互式地进行图表的绘制和各种 处理，因此应具有如下特征和功能： ●创建或控制一个图形对象； ●对所创建或控制的图形对象进行绘制和各种处理； ●对创建的或控制的对象进行管理。 绘图工具类包括：Pointtl(画点工具)类，Texttl(正文工具)类，Linetl(画线工具线)，Hzlinetl (画水平线工具)类，Vtlinetl(画铅垂线工具)类，Plinetl(画多折线工具)类，Rottl(画 矩型工具)类，Cireletl(画圆工具)类，Ellitl(画椭圆工具)类，Arctl(画圆弧工具)类， Listtl（对象链表工具)类。其层次结构如图2所示

纪纯维等 一种面 向对象的参数建模方法及其实现 且 〕 可见性 颜色 ， 线型 ， 线宽 标识 刀模式 ， 存贮 图形对象的参数化信息 《 〕 拾取标志 ‘ 相对参数地址 成员 函数 ， 其他图元类定义在此从略 。 类可视为一组 图形对象的组合 图段 对象类 。 其定 义如下 ， ， ， 指 向链表的首和 尾结点 ， 拷贝重复因子 ， 存贮结构参数 ， 旋转中心视区坐标 ， 刀和 世界坐标 ， 或存贮结构参数 旋转角度 ， 存贮结构参数 圣 钾 拷贝类型 ， 指 向拷贝对象链表 ‘ 指 向源对象链表 ‘ 成员 函数 其中 记 为 对象的结点结构 ， 其定义如下 记 ， 指 向 类或其派生类 ， ， ， 指 向前 、 后结点 类除了继承 类 的方法之外 ， 还有其特有 的职责 ， 如 图形对象的插人 、 删除 、 检 索 、 存贮等操作方法 ， 均 由其成员 函数实现 。 绘图工具类 绘图工具类对象的任务是使用户能够用 鼠标器或键盘交互式地进行图表的绘制和各种 处理 ， 因此应具有如下特征和 功能 创建或控制一个图形对象 对所创建或控制的图形对象进行绘制和各种处理 对创建的或控制的对象进行管理 。 绘 图工具类包括 画点工具 类 ， 正文工具 类 ， 画线工具线 ， 画水平线工具 类 ， 画铅垂线工具 类 ， 画多折线工具 类 ， 画 矩型工具 类 ， 画 圆工具 类 ， 画椭 圆工具 类 ， 画 圆弧工具 类 ， 对象链表工具 类 。 其层 次结构如图 所示

·62· 北京科技大学学。报 画点工具 画线工具 画水平线工具 画铅垂线工具 画多折线工具 画矩形工具 正文工具 画圆弧工具 画图工具 画椭圆工具 画对象工具 图2绘图工具类的层次结构 3交互式的面向对象的参数建模方法 产品的功能不仅决定其尺寸，也决定其 结构。在这种情况下，需要结构参数来描述 处理命令，参数值 变体处理 其参数化结构。结构参数是指规则排列的同 结构的数量及相关尺寸。例如：规则排列的 参数模型 模型变体 孔的数量，弹簧的圈数等等。用尺寸驱动的 建模命令 参数建模 (参数模型) 参数建模系统来进行这种设计是非常困难 的，甚至是不可能的。本章阐述的参数建模 、金数模型 方法支持以下人机交互方式建立既有尺寸参 数又有结构参数的参数模型。其流程如图3 模型效据库 所示。 建模命令包括：基本绘图命令、图形编 图3参数建模流程 辑集合和变体处理命令。 基本绘图命令的功能是完成定义图元的初始绘制。各种绘图命令均可在以下3种不同 的设计模式下进行： ●固定(FIX)模式；●可变(VARIABLE)模式；●柔性(FLEXIBLE)模式。 在固定模式下，创建一个具有固定尺寸的图元对象。在可变模式下，创建的几何图元 对象的尺寸是可变的。在柔性模式下，所创建的几何图形的位置（和尺寸）是由拓扑关系 (几何图元之间的接触关系)判定，例如：一段圆弧必须平滑连接两条直线。在后两种模式 下创建的图元对象可以生成变体。 所谓图形编辑即为对拾取的图形对象进行各种交互式的操作：擦除、平移、旋转、平 移拷贝、旋转拷贝、变比、镜象、阵列拷贝等等。图形编辑命令可以在固定(FX)模式和 可变模式(VARIABLE)下执行。在固定模式下，设计的结构是固定的；在可变模式下，设 计的结构是参数化的，可产生结构变体。例如，进行阵列拷贝时，行数、列数以及行间距、 列间距等结构参数分别存贮在Golist类对象的xrepftr,yrepftr,cxw,cyw数据成员中。规 则旋转拷贝获得的圆周孔的数量及相间的角度，作为一种结构参数分别存贮Golist类对象

北 京 科 技 大 学 学 报 画 点工具 画奚夏 巫巫舀 诬夔戛 魁望赶皇 整进竺 石左茸 压圆弧工具 画 圆工具 画椭圆工具 画对象工县 图 绘圈工具类的层次结构 交互式的面向对象的参数建模方法 产 品 的功能不仅决定其尺 寸 ， 也决定其 结构 。 在这种情况下 ， 需要结构参数来描述 其参数化结构 。 结构参数是指规则排列 的同 结构 的数量及相关尺寸 。 例如 规则排列的 孔 的数量 ， 弹簧的圈数等等 。 用尺寸驱动的 参 数建模 系 统 来 进 行 这 种 设计是 非 常 困难 的 ， 甚至是不可能 的 。 本章阐述的参数建模 方法支持 以下人机交互方式建立既有尺寸参 数又有结构参数的参数模型 。 其流程如 图 所示 。 建模命令包括 基本绘 图命令 、 图形编 辑集合和变体处理命令 。 模型变休 参数模型 图 参数建模流程 基本绘 图命令的功能是完成定义 图元的初始绘制 。 各种绘 图命令均可在 以下 种不 同 的设计模式下进行 固定 模式 可变 模式 柔性 模式 。 在 固定模式下 ， 创建一个具有 固定尺寸 的 图元对象 。 在可变模式下 ， 创建 的几何 图元 对象的尺寸是可变 的 。 在柔性模式下 ， 所创建的几何图形 的位置 和 尺寸 是 由拓扑关系 几何图元之间的接触关系 判定 ， 例如 一段 圆弧必须平滑连接两条直线 。 在后两种模式 下创建的图元对象可 以生成变体 。 所谓 图形编辑即为对拾取 的图形对象进行各种交互式的操作 擦除 、 平移 、 旋转 、 平 移拷 贝 、 旋转拷 贝 、 变 比 、 镜象 、 阵列拷贝等等 。 图形编辑命令可 以在固定 模式和 可变模式 下执行 。 在固定模式下 ， 设计的结构是 固定的 在可变模式下 ， 设 计的结构是参数化的 ， 可产生结构变体 。 例如 ， 进行阵列拷贝时 ， 行数 、 列数以及行 间距 、 列 间距等结构参数分别存贮在 类对象的 ， ， ， 数据成员 中 。 规 则旋转拷 贝获得 的圆周孔 的数量及相 间的角度 ， 作为一种结构参数分别存贮 类对象

纪纯维等：一种面向对象的参数建模方法及其实现 ·63· 的xrepftr和angle数据成员中。 每当执行建模命令创建图元对象时，所设定的当前建模模式即被存贮在所创建或处理 的图形对象的mode数据成员中。 变体处理是对已建的参数模型赋予新的参数进而产生变体的过程。其实现方法是：沿 着主链表对象检索可变的或柔性的图形对象，每检索到一个可变的或柔性的对象，便提示 用户输入的新的尺寸或/和结构参数值，然后将其赋给对应的参数，并更新相应的对象显示。 此过程继续进行，直至到达主链表对象的尾端为止。各种图形对象的变体处理是通过OOP 的多态性实现的。变体处理的速度是非常快的，几乎在用户输人参数之后立即完成。 4结论 本文提出了一种交互式的面向对象的参数建模方法。这种方法支持以人机交互方式建 立既有尺寸参数又有结构参数的参数模型，因而能够实现结构变化的参数设计。特别是在 概念设计阶段，当结构还没有完全确定时，这种方法更有意义。用这种方法所建模型的内 部模型本身即是参数模型，而不是通过存贮描述序列（程序）建立参数模型，因而所需内 存较小，建模效率较高。 这种方法已在作者开发的交互式变体设计系统IVCAD中实现。与拓扑关系有关的参 数建模还有待于进一步研究。 参考文献 1 Roller D.An Aproach to Computer-aided Parametric Design.Comput Aided Des.1991, 23(3):385 2 David C.Gossard,Robert P.Zuffante,Hiroshi Saku:rai.Representing Dimensions,Tol. erances,and Features in MCAE Systems.IEEE Comput Graph Applic 1988,pp51-59 3 Robert Light,David Gossard.Modification of Geomentric Models-through Variational Ge- ometry.Comput.-Aided Des,1982,14 (4):209 4罗宁，袁明，邓金生.参数化绘图工具包.电脑开发与应用.1992,5(2)：56 5 MeMahon C A,et al.Observations on the Application and Development of Parametric- programming.Comput-aided Des.1992,24 (10):541 6 Shah J J.Assessment of Features /Technology.Comput-Aided Des,1991,23 (5):331 7 Harrington S.高福文等译.计算机图形学.北京师范大学出版社，l987 8查良琦等.实用微计算机图形学.北京：电子工业出版社，1990

纪 纯维等 一 种 面 向对象的参数建模方法及其实现 的 和 数据成 员 中 。 每 当执行建模命令创建 图元对象时 ， 所 设定 的 当前建模模式 即被存贮在所创建或处理 的 图形 对象的 数据成员 中 。 变体处理是对 已建 的参数模型赋予新 的参数进 而产生变体的过 程 。 其实现方法是 沿 着 主链表对象检索可 变 的或柔性 的 图形对象 ， 每检索到 一个 可变 的或柔 性 的对象 ， 便提示 用户输人 的新 的尺寸或 和结构参数值 ， 然后将其赋给对应 的参数 ， 并更新相应 的对象显示 。 此 过程 继续进行 ， 直至到 达 主链 表对象 的尾端 为止 。 各种 图形 对象 的变体处理是通过 的多态性实现 的 。 变体处理 的速度是 非常快 的 ， 几乎在用户输人参数之后立 即完成 。 结论 本文提 出 了一种交互式 的面 向对象的参数建模方法 。 这种方法 支持 以人机交互方式建 立 既有尺 寸参数又有结构参数的参数模型 ， 因而 能够实现结构变化 的参数设计 。 特别是在 概念设计阶段 ， 当结构还没有完全确定时 ， 这种方法更有意义 。 用这种方法所建模型 的 内 部模型本身即是参数模型 ， 而 不是通 过存 贮描述序列 程 序 建立 参数模型 ， 因而所需 内 存较小 ， 建模效率较高 。 这种 方法 已 在作者开发 的交互 式变体设计系统 中实现 。 与拓 扑关系有关 的参 数建模还有 待于进一步研究 。 参考文献 一 ， ， ， 卜。 · 一 飞 。 ， 丁 、 ， ， 一 ， 一 一 ， ， 罗 宁 ， 袁 明 ， 邓金生 参数化绘 图工具包 电脑开发 与应 用 · ， ， 一 ， 一 ， ， 高福文等译 计算机 图形学 北京 师范大学 出版社 ， 查 良琦等 实用 微计算机 图形学 北 京 电子工业 出版社 ，