Open Cascade DataExchange IGES
摘要Abstract：本文結合OpenCascade和Initial Graphics Exchange Specification來對IGES格式進行詳細說明，理解IGES格式的結構，進而方便對OpenCascade中IGES格式文件讀寫的實現進行理解。
關鍵字Key Words：IGES、Open Cascade、Data Exchange
一、引言 Introduction
目前市面上的CAD系統都有自己的數據文件，各個系統之間的數據結構和格式各不相同，這樣極大影響了設計和制造部門之間或企業之間的數據傳輸和程序銜接的自動化，同樣給CMM和CAD/CAM的數據通信帶來困難。因此，迫切需要數據交換文件格式的標准化。
產品數據的正確交換可以使雙方不必重建數據，提高效率。產品數據交換的通常做法是使用數據交換接口，即需要交換的每一系統與標准數據格式（中性格式）之間開發雙向轉換接口，兩系統通過中性格式進行交換。
20世紀70年代末80年代初以來，國際上已做了大量數據交換標准的研究、制定工作。自1980年最早出現IGES1.0后，又產生了許多其他規范如XBF、SET、VDA－FS、PDDI、ESP、CAD*I、PDES等。這些規范各有不同的目的和使用范圍，同時也存在着各種問題。在這些規范中，應用最成熟、最廣泛的是IGES（Initial Graphics Exchange Specification）。ISO在上述規范的基礎上，制定了新的數據交換標准STEP（Standard for the Exchange of Product Model data），其目的是覆蓋過去已經存在的規范的功能，並解決實際應用中存在的問題。
IGES是在美國國家標准局的倡導下，由美國國家標准協會（ANSI）組織波音公司、通過公司等共同商議制訂的，1980年公布第一版，以后不斷完善和擴充，版本不斷升級，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版支持構造實體幾何（CSG）造型技術，IGES5.0支持邊界表示（BRep）造型技術。目前幾乎所有有影響的CAD/CAM系統都配有IGES接口，如Pro/E、CATIA、OpenCascade等。它由一系列產品的幾何、繪圖、結構和其他信息組成，可以處理CAD/CAM系統中的在部分信息，是用來定義產品幾何形狀的現代交互圖形標准。
本文結合OpenCascade和Initial Graphics Exchange Specification來對IGES格式進行詳細說明，理解IGES格式的結構，進而方便對OpenCascade中IGES格式文件讀寫實現的方式進行理解。
二、IGES規范 the Initial Graphics Exchange Specification
IGES是一種按特定的文件結構安排的數據格式，用來描述產品的設計和生產信息，可用它來交換CAD/CAM系統中以計算機可讀的形式產生和存儲的各種信息。標准的IGES文件包含固定長ASCII碼（Fixed Format）、壓縮的ASCII碼（Compressed Format）和二進制（Binary Format）三種格式。
固定長ASCII碼的IGES文件每行為80個字符，整個文件分為五段（Section）：開始段（Start）、全局段（Global）、元素索引段（Direction Entry）、參數數據段（Parameter Data）和結束段（Terminate）。如圖2.1所示：
Figure 2.1 Fixed File Formats of ASCII IGES File
段標識符位於每行的第73列，74~80列指定為用於段每行的序號。序號都以1開始，且連續不間斷，其值對應該段的列數。段標識符是這樣規定的，字符“B”和“C”表示標記段；“S”表示開始段；“G”表示全局段；“D”表示元素索引段；“P”表示參數記錄參數記錄段；“T”表示結束段。固定長的ASCII格式的IGES格式的大概結構如下圖2.2所示：
Figure 2.2 General file structure of the Fixed Format
下面結合具體的IGES文件來對每個段進行說明，僅包含一個點的示例文件如下所示：
Figure 2.3 IGES demo file Generated by OpenCascade
開始段Start Section：該段是為提供一個可讀文件的序言，主要記錄圖形文件的最初來源及生成該IGES文件的相同名稱。IGES文件至少有一個開始記錄。
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。參數以自由的格式輸入，用逗號分隔參數，用分號結束一個參數。主要參數有文件名、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、繪圖標准代碼等。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索引，並含有每個實體的屬性信息，文件中每個實體都有一個目錄條目，大小一樣，由8個字符組成一個域，共20個域，每個條目占用兩行。如圖2.4所示：
Figure 2.4 Format of the Directory Entry(DE) Section in the Fixed Format
每一項內容如下：
l 元素類型號（Entity Type Number）：說明元素的類型；
l 參數指針（Parameter Data）：說明該元素的參數在參數數據段的開始序號；
l 圖層：存放圖層名和它的指針；
l 參數記錄數（Parameter Line Count）：數字代表該元素的參數在參數數據段的行數；
參數數據段Parameter Data Section：該段記錄了每個元素的幾何數據。根據每個圖形元素參數數的多少，決定它將有幾行。如圖2.3所示，116為點，它有三個數據X，Y和Z，分別為1，2，3。
結束段Terminate Section：只占一行，在前32個字符里，分別用8個字符記錄了開始段、全局段、索引段和參數數據段的段碼和每段的總行數。第33~72個字符沒有用到。最后8個字符為結束段的段碼和行數。
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文件到內存；loading IGES files into memory;
l 檢查IGES文件的一致性；checking IGES files consistency;
l 轉換IGES文件到OCCT的形狀；translating IGES files into OCCT shapes;
l 轉換OCCT的形狀到IGES文件；translating OCCT shapes into IGES files;
l 訪問IGES文件模型；accessing the IGES model;
l 選擇IGES文件模型中的實體；selecting entities from the IGES model;
l 訪問IGES文件模型中的每個實體；accessing each entity in the IGES model;
實現上述功能的包是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
通過將OpenCascade中的形狀數據導出到IGES文件，結合IGES規格書，可以方便對IGES格式的理解。如下程序所示為將簡單的點、線和圓導出到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文件內容如下所示：
Figure 4.1 Simple Fixed Format IGES File
結合下圖4.2中實體類型號與實體類型的對應表可知，上圖4.1中的元素索引D段可以看總共有三個實體，一個是類型號為116的點；一個是類型號為110的直線；一個是類型號為100的圓。
從數據參數P段可以看出116對應的點的坐標為（1，2，3）；110對應的直線的兩個端點坐標為（3，4，5）和（6，7，8）；100對應的圓的數據為圓心在（0，0）半徑為9的位於XY平面上的圓。圓的參數數據項每項數據說明見圖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、結論 Conclusion
結合OpenCascade生成的IGES文件和Initial Graphics Exchange Specification來對IGES格式進行學習。
雖然目前許多CAD/CAM系統主要應用是在不同系統間交換工程圖紙、零件模型、運動仿真和動態實驗所需要的幾何數據，裝配或銷售產品所需要的圖形文件，但是IGES標准在具體應用中經常出現以下問題：
l 交換過程中會出現錯誤或數據丟失現象。由於IGES所支持的實體十分龐大，在實際應用中，每一個CAD/CAM系統不可能實現IGES支持的所有實體，而只能實現它所涉及的實體的交換，即只能實現IGES實體集的一個子集，但不同系統所實現的子集不可能完全相同。系統之間只能交換所實現子集的交集部分。
l 發送系統前處理器生成的IGES文件的實體類型超出了接收系統后處理器可能接受的實體類型范圍，以及發送系統與接收系統之間實體類型集雖相同，但有關屬性如顏色、字體、線型等代碼不同，也將使部分數據丟失。
l IGES的目的只是傳輸工程圖形及相應信息，它無法描述CIMS環境所需要的產品數據的全部信息。而且IGES對實體的定義是模糊的，這將造成各CAX系統對IGES中定義的實體有不同的理解，如相同的3D曲線功能會因不同軟件的計算方式不同而使在使用IGES來執行圖形交換時出現不同的曲線或丟失該曲線。
l IGES文件本身規模太大，影響數據文件的處理速度，使數據傳輸效率不高。
l 在轉換數據的過程中發生的錯誤很難確定，常要人工去處理IGES文件，如在轉換數據的過程中經常發生某個或某幾個小曲面丟失的情況，這是要利用原有曲面邊界重新生成曲面；某些小曲面（Face）在轉換過程中變成大曲面（Surface），此時要對曲面進行裁剪。
六、參考資料 References
1. 李原，張開富，余劍鋒. 計算機輔助幾何設計技術及應用. 西北工業大學出版社. 2007
2. US PRO. Initial Graphics Exchange Specification .1997
3. OpenCascade. Data Exchange IGES Format User’s Guide. 2013
PDF Version: Open Cascade DataExchange IGES