三維引擎AnyCAD在坐標測量軟件開發中的應用研究

鮑晨興， 王鍇磊， 郭天茂

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

三維坐標測量軟件是測量儀器與檢測人員之間的人機交互接口，軟件一般具有設備控制、模型導入、數據顯示、數據處理、逆向建模等功能[1-3]，三維坐標測量軟件既是數據采集、處理應用軟件，也是多元化檢測系統的集成平臺和信息展示的窗口。國內軍工行業各大主機廠所使用的高端坐標檢測設備大多數仍然依靠國外進口，配套的坐標測量軟件也基本是國外的商業軟件，價格昂貴，存在信息安全隱患，無法定制開發，不能滿足工業互聯網和車間數字化的發展需求，因此亟需開發具有國產自主知識產權的通用型坐標測量軟件。

國外的商業化三維坐標測量軟件如NRK公司的Spatial Analyzer、InnoveMetric公司的PolyWorks、3D System公司的Geometric等在幾何檢測領域有廣泛的應用[4]，它們均是通用型的坐標測量軟件，檢測功能較完善，能夠兼容多種儀器設備，雖然提供二次開發接口，但二次開發接口的功能有限，對國產設備不能兼容。隨著中國制造業的快速發展，國內高校、研究機構也進行了三維坐標測量軟件的開發[5]，常用于坐標測量軟件開發的三維引擎有ACIS、HOOP、OpenCASCADE、OpenSceneGraph等[6-8]，ACIS和HOOPS屬于商業庫，價格昂貴，系統龐大，開發上手比較困難；OpenCASCADE屬于開源庫，雖然免費，但是相關資料較少，穩定性較差，開發起來也很困難。目前國內還沒有成熟穩定的通用型坐標測量軟件，國內現有的測量軟件一般由測量儀器設備廠家定制開發，數據處理功能不夠完善，無法兼容多種儀器設備，不具備通用性。

AnyCAD Rapid SDK(以下簡稱AnyCAD)是一個包含三維幾何造型、圖形顯示、數據管理等模塊的綜合三維圖形平臺，AnyCAD核心功能基于C++實現，由幾何造型、顯示引擎、數據管理和交互框架組成，在開發接口上又分為AnyGeom幾何造型模塊和AnyViz三維顯示模塊[9]。本文采用AnyCAD搭建坐標測量軟件的基礎框架，實現三維模型導入和解析、三維顯示和人機交互等功能。檢測數據處理時借助AnyCAD良好的交互功能，實現形位公差的構建和測量結果的顯示。

本文旨在搭建一款通用型的坐標測量軟件平臺，能夠連接多種國產和進口的測量儀器和設備，具備良好的三維顯示交互和完善的數據處理功能。通過研究，驗證了基于AnyCAD引擎快速搭建三維坐標測量軟件的可行性，為通用型三維坐標測量軟件的國產自主化提供有力的支撐，為軍工行業測量數據信息安全提供有力的保障，為車間實現測量儀器的統一管理和多種設備互聯等目標做好準備。

1 三維坐標測量軟件的系統設計

三維坐標測量儀器種類繁多，常見的有三坐標測量機、激光跟蹤儀、經緯儀、激光雷達等[10]，每類測量儀器的測量原理不盡相同，但測量數據的類型基本一致，均為三維坐標點。三維坐標測量軟件的測量數據均源于此類測量儀器，坐標測量軟件一般具有三維可視化功能,可以實時顯示測量數據[11];具備多種格式的數據導入功能,可以實現CAD模型的導入和不同設備測量數據的導入;具有通用的程序接口,便于連接多種設備;具備完善的數據處理功能,可以進行三維幾何重建、尺寸測量、公差評價、模型匹配等。

1.1 系統組成

本文研究的三維坐標測量軟件的主要功能分為以下4部分:三維可視化及交互[12]、設備管理及數據采集、CAD模型導入及幾何解析、測量數據處理,具體如圖1所示。

圖1 三維坐標測量軟件組成原理

1.2 軟件架構

本文開發的三維坐標測量軟件是基于Windows操作系統開發的WinForm類型應用程序，采用模塊化設計方便更新和維護，主要包括三維顯示交互模塊、三維幾何造型模塊、儀器接口模塊、數據處理算法模塊等，如圖2所示。

圖2 三維坐標測量軟件架構

2 軟件功能模塊設計

2.1 CAD模型導入及解析

CAD模型是零件加工制造的基礎，在三維坐標測量軟件中CAD模型主要有以下兩種作用：① 利用CAD模型進行測量路徑規劃；② 測量數據與CAD模型進行比對從而計算誤差。CAD模型數據中不僅包含結構化的數據如三維點坐標，也包含幾何信息如直線的方向、平面的法向等信息，對CAD模型進行幾何解析就是獲取所有的數據信息，以便于后續的測量和計算。

AnyGeom幾何造型引擎具備幾何造型和模型解析的功能，模型解析的原理如圖3所示，從CAD模型上可以獲取其包含的所有幾何形狀的解析表達。

圖3 CAD模型解析原理

2.2 三維可視化原理

三維可視化顯示是采用AnyViz顯示引擎，其原理如圖4所示，待顯示的物體通過SceneNode類進行實例化，通過Geometry、Shape等相關類來描述形狀，通過Material類來描述外觀、材質，通過Matrix、Transform類來管理物體位置及觀察視角。

圖4 三維可視化原理

測量點數據三維可視化的代碼如下，其中mRenderView是AnyViz渲染器(以下簡稱渲染器)的實例對象。

var material =PointsMaterial.Create("point-material");//創建顯示的外觀

material.SetPointSize(2.0f);//設置顯示點的大小 material.GetTemplate().SetVertexColors(true);

var geometry = GeometryBuilder.CreatePoints(new Float32Array(mPositions),new Float32Array(mColors));//通過點數據創建幾何對象

var node = new PrimitiveSceneNode(geometry,material);//通過幾何對象創建顯示節點

mRenderView.ShowSceneNode(node);//顯示節點

2.3 測量數據處理

測量數據為離散的三維坐標點，通過數據處理才能得到測量結果。數據處理功能是利用測量點數據進行幾何形狀重建、距離計算、角度計算、投影、相交等。

2.4 測量設備管理

三維坐標測量儀器采集的數據一般均為三維坐標點，因此可以通過設計統一的數據接口實現從不同的測量設備采集測量數據。測量設備生產商一般會向使用者提供用于二次開發的SDK。利用這些SDK可以通過軟件接口連接設備并獲取測量數據，然后根據數據接口的格式進行轉換，就可以將數據導入到三維坐標測量軟件中。

3 軟件的開發與實現

本軟件基于Windows10 64-bit系統，采用Visual Studio2017進行開發，利用AnyCAD SDK實現三維顯示、交互操作及模型導入，圖5為三維坐標測量軟件主界面，主要包括軟件功能工具欄、設備與數據管理區、三維可視化顯示與交互區、儀器操作區等。

圖5 三維坐標測量軟件操作界面及主要功能展示

3.1 三維可視化數據管理及人機交互的實現

三維可視化數據管理是指對創建的測量數據、導入的幾何模型等進行顯示、隱藏、刪除等操作。渲染器中的每個顯示節點可以設置唯一的id，可以通過id從渲染器中獲取某個顯示節點，從而進行管理操作。本文創建字典類型對象Dictionary m_displayNodes用于存儲已創建的數據，其中string類型數據代表節點數據的名稱，uint代表節點數據在渲染器中的id。創建顯示數據的流程如圖6所示。隱藏、刪除操作是通過名稱獲取顯示節點的id，再通過id從渲染器中獲取節點對象，最后執行隱藏、刪除操作。

圖6 可視化數據管理流程圖

人機交互是通過用戶輸入(鼠標、鍵盤等)實現對顯示數據的操作，如旋轉、平移、縮放、拾取等。其中拾取操作是測量數據處理時的必要功能，本文設計了pickDisplayInfo函數用于響應渲染器的選擇事件。

public void pickDisplayInfo(PickedItem item)

{ switch (item.GetShapeType())

{ case EnumShapeFilter.Vertex:

//處理函數;break;

case EnumShapeFilter.Face:

//處理函數;break;..}}

其中，PickedItem對象包含了被選中的節點信息，如節點的幾何類型、id等，然后通過id獲取數據并處理。

3.2 CAD模型解析的實現

導入CAD模型是為了獲取待測零件各種幾何參數的理論設計值，借助AnyGeom幾何造型引擎可以實現對STP和IGES格式的三維模型導入，導入后得到TopoShape類型的對象，通過GetTopoShape()方法可以得到所有幾何拓撲結構和幾何參數，GetChildren(EnumTopoShapeType)方法可以獲取指定類型的子拓撲結構的對象列表，比如獲取一個體的所有邊，一個邊的所有點等。通過TopoShape:FindChild()方法可以獲取指定索引和類型的子拓撲對象。模型解析的代碼實現如下。

var shape = StepIO.Open(file);

TopoShape totalshape = shape.GetTopoShape();

TopoShapeList edgeList = totalshape.GetChildren(EnumTopoShapeType.Topo_EDGE);

foreach (TopoShape edge in edgeList)

{TopoShapeList vertexList=edge.GetChildren(EnumTopoShapeType.Topo_Vertex);

foreach (TopoShape vertex in vertexList)

{ … //處理數據} }

通過以上方法可以從CAD模型中獲取測量目標的理論參數。圖7為CAD模型拾取某個面獲取其幾何解析參數的界面，信息包括原點坐標和法線方向。

圖7 CAD模型獲取幾何解析參數

3.3 多種設備兼容的實現

分別選取Leica激光跟蹤儀AT960和北京航天計量測試技術研究所研制的調頻激光雷達掃描儀，作為國外測量設備和國產設備的代表，以此驗證多設備兼容的可行性，圖5中右測區域即為兩種儀器的操作界面。

設計了測量數據接口函數addSinglePoint(string pointname,double x,double y,double z)，其中包含測量點名稱和三維坐標值。設計了設備管理類Class_Device用于管理不同的測量儀器,該類包含設備的操作界面、設備實例對象和設備名稱等屬性。Leica激光跟蹤儀提供的SDK為LMF.Tracker.Connection，通過其MeasurementArrived事件響應函數可以獲取測量點的三維坐標值；調頻激光雷達提供的SDK為LaserRanderDLL，通過其sendSingleMeas事件響應函數可以獲取測量點的三維坐標值。將測量點的三維坐標值再添加自定義名稱，調用addSinglePoint函數即可將測量數據傳入測量軟件中。

public class Class_Device

{ public Form_Device _formDevice;

public Device _device;

public string _name; }

4 結束語

本文將AnyCAD三維引擎應用于三維坐標測量軟件的開發，通過AnyGeom幾何造型引擎實現CAD模型的導入及解析，通過AnyViz顯示引擎實現測量數據和數據處理結果的顯示，開發了一款通用型三維坐標測量軟件，具備良好的三維可視化及人機交互、模型導入與解析等功能，同時能夠兼容多種測量儀器設備。通過研究，驗證了基于AnyCAD平臺快速搭建具有國產自主知識產權坐標測量軟件的可行性，并驗證了對國內外坐標測量儀器同時兼容的可能性。