Операции внутри геометрического ядра cad системы. Корейцы купили российское геометрическое ядро для сапр. история развития сапр

Системы автоматизации черчения (Computer-Aided Drafting), созданные в 1960-х гг. для замены кульмана (традиционного чертежного инструмента, которым архитекторы и инженеры всего мира привыкли пользоваться со времен промышленной революции XVIII в.), в настоящее время превратились из средства автоматизации рутинной работы в ключевой инструмент инноваций в разных отраслях промышленности, став системами автоматизации проектирования (Computer-Aided Design).

С помощью CAD архитектор сегодня создает информационную (трехмерную) модель здания, вместо того, чтобы чертить его поэтажные планы и фасады. Дизайнер интерьеров обсуждает с заказчиком оформление офиса или квартиры, перемещаясь по ее виртуальной трехмерной модели, интегрированной в окружающее пространство реального здания. Художник создает свои скетчи не на листах бумаги, а на сложных трехмерных поверхностях. Промышленный дизайнер печатает созданную модель на трехмерном принтере и передает ее для анализа специалисту по эргономике. Конструктор за секунды локализует и модифицирует проблемный узел в сборке, состоящей из сотен тысяч деталей, который был найден в результате автоматического моделирования поведения изделия под нагрузкой. Инженер-технолог быстро и безошибочно составляет управляющую программу для станка с ЧПУ, позволяющую вырезать из заготовки деталь со сложнейшей геометрией поверхности, оптимально спроектированной для того, чтобы обладать нужными эксплуатационными качествами. Рабочий, осуществляющий сборку и обслуживание изделия, обращается к трехмерной модели как к справочнику — для того, чтобы рассмотреть демонстрацию предписанной операции под нужным углом и с нужным ему приближением. Это лишь малая часть тех задач, которые сегодня способна решать CAD. И ключевую роль здесь играет трехмерная модель.

Трехмерное моделирование и виртуальная реальность

Еще в 1970-х гг. ученые всего мира, работающие вместе с представителями военных ведомств и промышленных предприятий, начали исследовать различные способы представления трехмерных данных в компьютере, облегчающих последующую работу с ними. До недавних пор трехмерная модель существовала лишь в головах конструкторов, что порождало множество проблем и ошибок — как при проектировании изделия, так и при его производстве, эксплуатации и утилизации. Полученный за последние годы опыт передовых предприятий свидетельствует, что использование трехмерных цифровых моделей изделия на всех этапах его жизненного цикла позволяет сократить затраты на проектирование, ускорить вывод нового продукта на рынок, удешевить производство, оперативно вносить предлагаемые пользователями изменения в его конструкцию и сократить до необходимого минимума вред окружающей среде. В конечном счете, трехмерное моделирование значительно повышает конкурентоспособность предприятия и его способность оперативно реагировать на любые изменения в экономике.

Трехмерное моделирование к настоящему моменту имеет за спиной более чем 30-летнюю историю. Далеко не все предложенные идеи оказались плодотворными. Далеко не все компании-разработчики средств трехмерного моделирования, смогли пережить рыночные пертурбации. Но лучший опыт оказался накоплен в программных компонентах, называемых ядрами трехмерного моделирования (3D modeling kernels), которые ныне лежат в основе почти любой CAD (а также CAE и CAM). Такие компоненты разработчики инженерного ПО либо проектируют, кодируют и поддерживают самостоятельно, либо лицензируют их у сторонних технологических поставщиков. 3D-ядро — это фундамент, на котором строится здание любой современной CAD. От этого фундамента зависит все остальное — возможности различных инструментов, их быстродействие, устойчивость к ошибкам, и даже общая интеллектуальность системы.

С точки зрения программиста геометрическое ядро — это библиотека функций/классов для создания геометрических объектов (точка, отрезок/дуга/кривая, кусок поверхности, твердое тело), изменения их форм и размеров, создания на их основе новых объектов, визуализации модели на экране компьютера и обмена трехмерными данными с другими программами. Перечисление функций ядра можно ужать в одно предложение, но их реализация растягивается на десятки и сотни человеко-лет. Дело в том, что за каждой элементарной операцией (типа пересечения двух поверхностей класса NURBS) стоит вычислительный алгоритм, реализация и отладка которого является весьма трудоемкой задачей, требующей как безукоризненного владения аппаратом вычислительной математики, так и профессионального знания предметной области. А подобных операций в ядре — сотни (с учетом разнообразия типов геометрических данных).

NURBS — основной класс поверхностей в трехмерном моделировании

Далеко не все разработчики CAD (а тем более CAE и CAM) готовы инвестировать в таком объеме в базовую технологию, поэтому большинство из них предпочитают лицензировать готовое 3D-ядро у сторонних производителей (иногда у своих прямых конкурентов), осуществляя компании-разработчику ядра регулярные платежи (обычно включающие определенную сумму с каждой проданной копии конечного продукта). Взамен они получают возможность использовать ядро, которое уже было «обкатано» в других системах, поэтому обладает богатой функциональностью и высоким уровнем надежности. Наконец, взяв готовое ядро, разработчик САПР сможет быстрее вывести свой программный продукт на рынок. Иногда этот фактор является определяющим — если опоздать с релизом продукта на год-другой, то рынок может оказаться занятым конкурентами. Ярчайшим примером является выпуск MCAD (Mechanical CAD) SolidWorks, ставшей первой в мире системой параметрического твердотельного моделирования для платформы Windows и до сих пор остающейся абсолютным лидером в отрасли MCAD (машиностроительного проектирования) по числу проданных лицензий. Этим же путем впоследствии пошли разработчики множества других успешных систем, включая российские компании ADEM и Топ Системы.

T-FLEX CAD (Топ Системы), созданный на основе ядра Parasolid

Однако, в мире САПР существует небольшое количество компаний, которые ставят во главу угла возможность полного контроля над исходным кодом, оперативного исправления ошибок и наращивания функционала, быстрого переноса на новые платформы и поэтому готовы расплачиваться за это собственными ресурсами. К этой группе принадлежат как четверка лидеров рынка САПР с миллиардными доходами (Dassault, Autodesk, Siemens и PTC), так и российский разработчик АСКОН.

КОМПАС-3D (АСКОН), созданный на основе собственного ядра

Достаточно полный список примеров разработчиков, как первой, так и второй категории приведен в таблице ниже. Из нее видно, что наиболее активно лицензируются ядра ACIS (развивается и поддерживается Spatial, дочерней компанией Dassault Systemes) и Parasolid (Siemens PLM Software).

Продукт	Производитель	Область	3D-ядро
4MCAD IntelliCAD	4M S.A., Греция	CAD, AEC	Open CASCADE Technology
Adams	MSC Software, США	CAE	Parasolid
ADEM	Группа компаний ADEM, Россия-Израиль-Германия	CAD, CAM, CAPP	ACIS
ADINA Modeler	ADINA R&D Inc., США	CAE	Parasolid и Open CASCADE Technology
Alibre Design	3D Systems, США	MCAD	ACIS
Allplan	Nemetschek AG, Германия	AEC/BIM	SMLib
AMPSolid	AMPS Technologies, США	CAE	ACIS
ANSYS	ANSYS Inc., США	CAE	ACIS и Parasolid
APM Studio	НТЦ АПМ, Россия	MCAD	Собственное (APM Engine)
ArchiCAD	Graphisoft, Венгрия	AEC/BIM	Собственное
ARES	Graebert, Германия	CAD	ACIS
Ashlar-Vellum Cobalt, Xenon, Argon	Ashlar-Vellum, США	MCAD	ACIS
AutoCAD	Autodesk, США	CAD, AEC, GIS
Autodesk Inventor	Autodesk, США	MCAD	Собственное (ASM), совместимое с ACIS
Autodesk Moldflow	Autodesk, США	CAE	Parasolid
Autodesk Revit Architecture	Autodesk, США	AEC/BIM	Собственное (ASM), совместимое с ACIS
bonzai3d	AutoDesSys, США	CAD
Bricscad	Bricsys NV, Бельгия	AEC, MCAD	ACIS
BtoCAD	YuanFang Software Co., Ltd., Китай	CAD	ACIS
CADopia	CADopia Inc., США	CAD	ACIS
CATIA	Dassault Systemes, Франция	CAD/CAM/CAE, AEC	CGM
Cimatron	Cimatron Limited, Израиль	CAM	ACIS
CollabCAD	National Informatics Centre, Индия	CAD/CAM	Open CASCADE Technology
Creo (прежнее название – Pro/Engineer)	Parametric Technology, США	MCAD	GRANITE
Creo Elements/Direct Modeling (прежнее название – CoCreate)	Parametric Technology, США	CAD	ACIS
Edgecam	Planit Software, Великобритания	CAM	Parasolid и GRANITE
ESPRIT	DP Technology Corp., США	CAM	Parasolid
form-Z	AutoDesSys, США	CAD	ACIS в комбинации с собственным ядром
FreeCAD	Открытый онлайн-проект	CAD	Open CASCADE Technology
GibbsCAM	Cimatron, Израиль	CAD/CAM	Parasolid и GRANITE
GstarCAD	Suzhou Gstarsoft Co., Ltd, Китай	CAD	ACIS
IRONCAD	IronCAD LLC, США	MCAD	ACIS и Parasolid
KeyCreator	Kubotek USA Inc., Япония-США	CAD	ACIS
Mastercam	CNC Software, США	CAD/CAM	ACIS
Masterwork	Tecnos G.A., Италия	CAM	Open CASCADE Technology
MicroStation	Bentley Systems, США	AEC
Moment of Inspiration	Triple Squid Software Design, США	CAD	SOLIDS++
NX		CAD/CAM/CAE	Parasolid
Patran	MSC Software, США	CAE	Parasolid
Power NURBS	Ideate Inc., США	CAD	SOLIDS++
PowerSHAPE	Delcam plc, Великобритания	CAD/CAM	Parasolid
progeCAD	progeCAD Srl Uninominale, Италия	CAD	ACIS
Radan	Planit, Великобритания	CAD/CAM	ACIS
Rhinoceros	Robert McNeel and Associates, США	CAD	SOLIDS++ (отдельные модули)
Shark LT	Encore, США	CAD	ACIS
SmartCAM	SmartCAMcnc	CAM	ACIS
Solid Edge	Siemens PLM Software, Германия	MCAD	Parasolid (ранние версии – ACIS)
SolidWorks	Dassault Systemes, Франция	MCAD	Parasolid
SpaceClaim	SpaceClaim Corp., США	MCAD	ACIS
STAR-CCM+	CD-adapco, Великобритания-США	CAE	Parasolid
StruCad	AceCad Software, Великобритания	AEC/BIM	Собственное
T-FLEX	Топ Системы, Россия	MCAD	Parasolid
ThinkDesign	Versata, США	MCAD	Собственное ядро
TopSolid	Missler Software, Франция	CAD/CAM	Parasolid
TurboCAD	IMSI/design, США	AEC, MCAD	ACIS
Vectorworks	Nemetschek, Германия	AEC	Parasolid (ранние версии – SMLib)
ViaCAD 2D/3D	Encore, США	CAD	ACIS
ZW3D (прежнее название – VX CAD/CAM)	ZWCAD Software, Китай	MCAD	Собственное ядро (VX Overdrive)
ZWCAD	ZWCAD Software, Китай	CAD	ACIS
КОМПАС-3D	АСКОН, Россия	MCAD, AEC	Собственное ядро

С 2007 г. Правительство Российской Федерации осуществляет федеральную целевую программу «Национальная технологическая база» с целью создания новых передовых технологий и оборудования, внедрения разработанных технологий в производство, коммерциализации новых технологий, создания перспективного научно-технологического задела для разработки перспективной наукоемкой продукции, решения проблем улучшения экологической ситуации в стране. В рамках этой программы Министерство промышленности и торговли РФ объявило тендер на выполнение научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы «Создание отечественного лицензируемого программно-математического ядра трехмерного моделирования как базы для компьютерных систем автоматизированного проектирования сложной машиностроительной продукции». Такое ядро, будучи положено в основу нового поколения компьютерных систем проектирования, инженерного анализа, подготовки производства, создания технической документации, будет способствовать созданию российской промышленностью инновационных изделий, конкурентоспособных на мировом рынке, став частью национальной технологической базы. Победителем тендера стало Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», а одним из субподрядчиков — компания ЛЕДАС.

Российская компания ЛЕДАС обладает тринадцатилетним опытом разработки наукоемких программных компонент САПР по заказу лидеров мирового рынка инженерного ПО. Среди успешно выполненных компанией проектов — интервальный решатель для работы с инженерными знаниями; решатель геометрических и размерных ограничений для параметрического черчения, проектирования сборок, кинематической анимации и прямого моделирования; модули для работы с полигональными сетками в режиме реального времени (преобразование сетки в поверхность подразделения, развертка сетки на плоскость, вычисление минимальных расстояний и определение пересечений между сетками); модули трансляции инженерных данных. С учетом указанного опыта, компании ЛЕДАС в проекте «3D-ядро» поручен сектор работ, связанных с разработкой алгоритмов вычислительной и дискретной математики, и включающий известную своей сложностью задачу высокоточного построения пересечения произвольных поверхностей и кривых.

Безусловно, при разработке нового 3D-ядра необходимо опираться на опыт предшественников, чтобы взять лучшее из этого опыта и не повторить их ошибок. Поэтому в последующих публикациях мы планируем кратко осветить историю предыдущих попыток создания ядер трехмерного моделирования, а также рассказать о том, чем будет отличаться от них создаваемое сейчас российское ядро. nbsp;обслуживание изделия, обращается к

Ядро геометрического моделирования является сердцем каждого коммерчески доступной системы 3D-моделирования. Понимание того, как работает ядро и различий между их типами поможет вам определить, какая система CAD-моделирования лучшая для вас.

Основные понятия о ядре

Ядро - это библиотека основных математических функций CAD-системы, которая определет и хранит 3D-формы ожидая команды пользователя.

Ядро обрабатывает команды, сохраняет результаты и осуществляет вывод на дисплей. На Рис. 1 показано это взаимодействие, на примере ядра thinkdesign (think3 Inc.) Архитектура, показанная здесь оптимизирована чтобы гарантировать максимальную интеграцию между CAD-приложением и низкоуровневыми компонентами ядра, обеспечивая большую гибкость приложения, устойчивость к ошибкам и быстродействие.

Рис. 1. Архитектура ядра thinkdesign

В настоящий момент существуют три типа ядер геометрического моделирования: лицензируемые, частные и доступные в исходном коде. Рассмотрим по два ядра каждого типа.

Лицензируемые ядра

Лицензируемые ядра геометрического моделирования разработаны и поддерживаются одной компанией, которая лицензирует их другим компаниям для их CAD-систем. К примеру, ядро Parasolid, разработано UGS (бывшая Unigraphics Solutions). Оно используется в Unigraphics и Solid Edge и лицензировано другим компаниям, включая CADMAX Corp. (True Solid/Master) и SolidWorks Corp. (SolidWorks). Лицензированные ядра могут обеспечивать более прямую совместимость (через форматы обмена, такие как SAT и X_T) между CAD-системами, которые их лицензировали.

В Ноябре 2000 года разработчика ядра Dassault Systemes купила Spatial Corporation, чем был дан новый толчек для улучшения этого ядра. Подразделение Spatial PlanetCAD образовало собственную компанию, под названием PlanetCAD Inc.

ACIS это объектно-ориентированная C++ геометрическая библиотека которая состоит из более чем 35 DLL-файлов и включает каркасные структуры, поверхности и твердотельное моделирование. Оно дает разработчикам программ богатый выбор геометрических операций для конструирования и манипулирования сложными моделями а так же полный набор булевых операций. Его математический интерфейс Laws Symbolic и основанная на NURBS деформация позволяют интегрировать поверхностное и твердотельное моделирование. Ядро ACIS осуществляет вывод в формат файлов SAT, который любая поддерживающая ACIS программа может читать напрямую.

Новое ядро ACIS 6.3 было выпущено в первом квартале 2001. Компания сообщает что качество и надежность - основные черты этой самой последней версии. ACIS 6.3 - всесторонне качественная программа, которая включает строгие тестовые критерии и ситуации. Как результат, в ACIS 6.3 для Windows NT неизвестно ни одной ошибки при работе с памятью.

Также новым является изобилие компонентов, которые позволяют ACIS 6.3 дать разработчикам программного обеспечения больше возможностей при создании приложений. ACIS теперь содержит более чем 50 компонент, включая смешивание, локальные операции, точные скрытые линии, пространственное изменение масштаба, продвинутые средства работы с поверхностями, ячеистую топологию и VISMAN (Visualization Manager).

Рис. 2. Фильтр, выполненый в использующем ACIS Autodesk Mechanical Desktop

И наконец, Spatial начала новую программу по продвижению ядра на рынке, основная идея которой заключается в том, что разработчики не платят за лиценизирования до момента выпуска ими готового программного продукта на этом ядре.

Parasolid - это самое быстрое ядро, доступное для лицензирования, разработано UGS. Parasolid обеспечивает технологию для твердотельного моделирования, обобщенного ячеистого моделирования, интегрированные поверхности свободной формы и листовое моделирование. Parasolid позволяет разработчикам быстро создавать конкурентоспособные продукты используя эти технологии. На этом ядре разработано много CAD/ CAM/CAE систем высокого и среднего уровня - к примеру SolidWorks, Delmia, Pro/DESKTOP, и FEMAP.

Parasolid поддерживает SMP (многопроцессорное аппаратное обеспечение), что позволяет увеличить производительность. Parasolid включает более чем 600 объектно-ориентированных функций для приложений под управлением Windows NT, UNIX, и LINUX.

Parasolid достиг 500,000 конечных пользователей во втором квартале 2000 года, а в настоящий момент число пользователей перевалило за 700,000, и это ядро используется более чем в 230 программных продуктах. Parasolid используют в своих программных продуктах Bentley Systems, Visionary Design Systems, CADKEY, ANSYS, Mechanical Dynamics, и MSC.Software.

В дополнении к формату обмена XT, Parasolid позволяет трансляцию и восстановление данных из других систем моделирования с помощью уникальной технологии Tolerant Modeling. В третьем квартале 2000 года был выпущен основанный на XML формат eXT для расширения возможностей обмена данными.

Рис. 3. Отвертки, выполненые на ядре Parasolid в Unigraphics

Последние версии Parasolid сфокусированы на расширении экстермального моделирования в наиболее технически сложных областях. Они были пионерами прямого моделирования, которое позволяет пользователям интуитивно модифицировать непараметризованые модели, как будто бы они имеют параметры.

Частные ядра

Частные ядра геометрического моделирования разрабатываются и поддерживаются разработчиками CAD-систем для использования исключительно в своих приложениях. Преимуществом частных ядер является более глубокая интеграция с интерфейсом CAD-приложения. Как результат этого - большие возможности управления системой пользователем - к примеру неограниченные undo и redo. Два представленных ниже ядра объединяют пространственное и твердотельное моделирование в одном приложении.

Основой CAD-системы think3 является ядро thinkdesign. Его уникальная архитектура дает разработчикам параметризированные твердые тела, расширенные средства по моделированию поверхностей, каркасные структуры, и 2D-черчение в одной CAD-системе (Рис. 4). Топология ядра thinkdesign делает возможным смешивать поверхности и твердые тела, импортировать и использовать несовершенную 3D-геометрию, полностью интегрировать 2D-чертежи в трехмерные базы данных и обеспечивает диогностическую информацию на событие, когда операция твердотельного моделирования не может быть завершена. Ядро также может назначать переменные допуски к различным геометрическим примитивам.

Рис. 4. Ядро thinkdesign поддерживает внутри сборки все геометрические типы данных.

Высоко-производительное эксклюзивное ядро, которое обладает сложными возможностями трехмерного гибридного моделирования и предоставляет высоко-технологичные средства на рабочем столе. VX Overdrive предлагает реальную гибридную систему, которая объединяет твердотельное и расширеное свободно-форменное поверхностное моделирование.

VX Overdrive поддерживает такие функции как одновременная разработка, храненит информацию о версиях объекта, гибкий хронологический контроль, сложные средства заполнения и смешивания, неограниченное undo/redo, и настоящее моделирование сборки "в контексте".

CAM - родная среда для VX Overdrive - не дополнение, позднейшая доработка или разработка другой компании. Планирование производства и подпрограммы для станков с ЧПУ - интегрированая часть ядра, которая гарантирует полную синхронизацию между проектированием и производством. Изменения в спроектированной геометрии напрямую отражаются изменениями в автоматических производственных операциях.

Рис. 5. Пример разработки на VX Overdrive

VX Overdrive имеет открытую, масштабированную архитектуру разработанную чтобы удовлетворять возрастающие требования рынка. Его API позволяет сторонним разработчикам создавать свои свои специализированные дополнения.

Ядра, доступные в исходном коде

Ядра, доступные в исходном коде подобны лицензированным ядрам.Они также разрабатываются и поддерживаются одной компанией и затем лицензируются другим компаниям для использования в CAD-приложениях.

Отличие стоит в том, что эти разработчики обеспечиваю исходный код ядра. Для пользователей которые имеют группы разработки и хотят сами настраивать ядро системы очень удобно иметь возможности настройки, посколько исходный код доступен.

Open CASCADE (Matra Datavision)

Open CASCADE v3.1 (выпущен в Ноябре 2000 года) представляет Visual C++ проекты, которые позволяют пользователям компилировать код Open CASCADE на их платформах. В дополнении, форматы экспорта данных теперь доступны для STL, VRML и HPGL2, и представлен Open CASCADE Application Framework для быстрой разработки приложений 3D моделирования.

SMLib от Solid Modeling Solutions - это набор основанных на NURBS геометрических и топологических библиотек, который существует на рынке семь лет и который используют более чем 200 компний и университетов. SMLib включает обширный набор NURBS-функций криволинейного и поверхнсотного моделирования а также оптимизированный код для быстрого измерения расстояния между объектами.

Ядро SMLib недавно предоставило новые возможности, включая основаную на топологие сеточную генерацию для двумерных сот, расширеное заполнение и затенение, смещение оболочки и возможности множественного объединения.

SMLib имеет уникальную бизнес-модель, по которой продукт распространяется в форме исходного кода без авторских отчислений. Это обеспечивает чрезвычайно притягательную возможность для поддержки и обновления без всякого смещения к приватизации программного обеспечения или форматов данных.

	Типы ядер геометрического моделирования
	Ядро Разработчик Web-сайт Тип ядра ACIS 3D Geometric Modeler Spatial/Dassault Systemes http://www.spatial.com/ Лицензируемое Open CASCADE Matra Datavision http://www.opencascade.org/ Доступно в исходном коде Parasolid UGS http://www.parasolid.com/ Лицензируемое SMLib Solid Modeling Solutions http://www.smlib.com/ Доступно в исходном коде thinkdesign kernel think3 Inc. http://www.think3.com/ Частное VX Overdrive Varimetrix Corp. http://www.varimetrix.com/ Частное

Обзор ядер геометрического моделирования

Как известно, в центре Земли находится ядро. Именно в нем сосредоточена значительная часть энергии нашей планеты. Аналогичная ситуация наблюдается и в мире САПР. Основой и движущей силой каждой системы служит ядро.

Двигатель САПР

Ядро - это набор математических функций, который предназначен для точного математического представления трехмерной формы изделия и управления этой моделью. Полученные с его помощью геометрические данные используются системами автоматизированного проектирования (CAD), технологической подготовки производства (CAM) и инженерного анализа (САЕ) для разработки конструктивных элементов, сборок и изделий. Проектировщик получает доступ к функциям ядра из соответствующей САПР через графический пользовательский интерфейс. Таким образом, ядро имеет очень важное значение. Не зря его иногда называют "двигателем" системы проектирования. Именно оно определяет ее функциональные возможности и производительность.

Кроме того, от "начинки" зависит совместимость системы с другими САПР. Ведь ядро задает формат хранения моделей. Поэтому продукты, основанные на одном и том же ядре, могут читать проекты из других "братских" САПР как свои собственные. Это позволяет точно передавать геометрические и топологические параметры модели. И напротив экспорт данных из "неродных" систем сопряжен с трудностями. Для этого применяются конверторы и трансляторы, которые выполняют преобразование форматов либо напрямую (из одной системы в другую), либо через стандарты геометрического моделирования (например, IGES или STEP). Но в любом случае полной точности добиться не удается.

Сегодня в мире существует несколько десятков известных математических ядер. Исторически сложилось так, что они разделились на три типа: частные, лицензируемые и с открытым кодом. Рассмотрим особенности каждого из них.

Свое ядро ближе к САПР

Наиболее "старыми" являются частные ядра, которые создаются и развиваются только для использования с конкретной системой проектирования. Именно на них были основаны первые САПР, появившиеся еще на заре компьютерной эры. И сейчас многие компании придерживаются такого же подхода. В их числе поставщик тяжелой САПР - Dassault Systemes, разработчики систем среднего класса - think3 и VX Corporation, отечественные фирмы - АСКОН, "ГеММа", "Кредо" и др.

У своего ядра есть немало преимуществ. Во-первых, тесная интеграция с интерфейсом приложения расширяет проектировщику доступ к функциям ядра и тем самым упрощает его работу. Например, он может сколько угодно раз выполнять операции отката или повторного выполнения задания. Во-вторых, разработчик САПР может делать ядро под собственные нужды, создавая только ту функциональность, которая требуется для конкретной системы. В-третьих, у него есть возможность быстро устранять ошибки и оптимизировать свой продукт по скорости работы и по объему данных. "Собственное ядро - гибко и управляемо, изменения вносятся в него настолько оперативно, насколько это требуется самому создателю САПР", - объяснил Евгений Бахин, директор по стратегическому развитию компании АСКОН.

Кроме того, нельзя забывать финансовый фактор. При использовании покупного ядра его стоимость закладывается в цену продукта. Более того, даже за написание модулей импорта-экспорта в форматы готовых ядер нужно платить. От этого избавлены владельцы своего механизма. "Если применяется собственное ядро, то его доля в цене САПР, как правило, оптимальна и не зависит от изменений лицензионной политики стороннего разработчика", - утверждает г-н Бахин.

Но, как известно, ничего не дается даром. "Создание геометрического ядра - действительно дело сложное, - сказал Прокопий Николаев, начальник отдела разработки компании "ГеММа". - У нас такое решение сложилось исторически. В начале 90-х, когда мы начали создавать ГеММу-3D, в нашей стране не было принято использовать готовые решения для обеспечения базовой функциональности системы. Тогда практически все разработчики САПР строили продукты с нуля в меру своих сил и умения". Но для этого требовались квалифицированные специалисты в области вычислительной геометрии и компьютерной графики. Без них построить геометрическое ядро невозможно. "Найти специалиста, свободно разбирающегося в каверзных вопросах вычислительной геометрии, да еще и имеющего практический опыт, - задача очень непростая", - подчеркнул г-н Николаев.

Помимо опытных кадров нужны еще и деньги. "Разработка ядра - чрезвычайно наукоемкое и дорогостоящее дело, - сказал генеральный директор АСКОНа Александр Голиков. - На первом этапе фактически вся наша прибыль от продажи редактора конструкторской документации "КОМПАС-График" инвестировалась в написание нового математического ядра, не обеспечивавшего, естественно, в тот момент сиюминутной экономической отдачи". При этом инвестировать нужно в течение довольно длительного времени. Ведь быстро хороший продукт не получишь. "Для создания ядра с нуля до достижения уровня функциональности и надежности, необходимого для выполнения большинства задач машиностроительного проектирования, потребуются приблизительно 20 человек и около пяти лет работы", - сообщил Владимир Панченко, руководитель аналитического отдела подразделения АСКОН-Коломна (именно здесь осуществляется разработка математического ядра КОМПАС-3D и самого CAD-продукта).

Конечно, 100 человеко-лет - это немало. Неужели задачи геометрического моделирования так сложны? Оказывается, что главную трудность представляет не столько реализация стандартных функций ядра, сколько его "шлифовка" - отработка функционала и обеспечение высокой надежности. "Этого невозможно добиться одним только тестированием, - объяснил г-н Панченко. - Совершенно необходимо успешное практическое применение ядра вместе с САПР на реальных рабочих местах. Никто не будет покупать ядро и базирующуюся на нем систему, если оно ненадежно, а его функционал непригоден для использования".

Мало создать хорошее ядро, его нужно постоянно совершенствовать. Ведь требования к ядру меняются со временем. "Они зависят от очень многих факторов: круга решаемых задач, мощности вычислительной техники, да и просто от текущей моды на внешнее представление геометрических данных, - рассказал Прокопий Николаев. - Поэтому процесс улучшения ядра никогда не прекращается. При этом не только создаются новые функции, но и зачастую переделываются отлаженные части. Таким образом, идет его постоянная подстройка под текущие нужды разработчиков САПР".

Ядро напрокат

Трудоемкость создания собственного ядра заставляет некоторых игроков идти другим путем и брать готовый продукт. "Первоначально мы разрабатывали собственное ядро, часть его функций и сейчас используется в нашей системе, - рассказал Виталий Талдыкин, директор по маркетингу компании "Топ Системы". - Однако вскоре выяснилось, что это задача огромной сложности. Можно довольно быстро сделать прототип ядра, который будет выполнять основной набор требуемых функций на тестовых примерах, но потом выясняется, что для решения реальных задач нужно постоянно совершенствовать алгоритмы, учитывать частные случаи и т. д. При этом объем и сложность программного кода вырастают нелинейно, и объективно говоря, трудоемкость получения собственного промышленного ядра составляет сотни человеко-лет". По мнению Талдыкина, небольшая группа, пусть даже и одаренных людей, не может создать ядро, решающее все основные задачи геометрического моделирования на всем множестве практических примеров. "Одного таланта здесь недостаточно, - уверен г-н Талдыкин. - Это гигантский, кропотливый труд". Поэтому компания "Топ Системы" решила строить САПР на базе готового механизма.

Лицензируемое ядро разрабатывается и поддерживается одной компанией, которая продает на него лицензии другим создателям САПР. Пионером в "ядерном" бизнесе стала компания UGS, которая в 1988 г. выпустила в продажу ядро Parasolid, составляющее основу ее системы Unigraphics. В 1990 г. ее примеру последовала фирма Spatial Technologies, представившая ядро ACIS. Сейчас эти два продукта используются во многих известных системах твердотельного моделирования. Так, ACIS применяется в AutoCAD и Mechanical Desktop (Autodesk), TurboCAD (IMSI), CADKEY (Kubotek), а Parasolid - в SolidWorks (Dassault Systemes), Solid Edge (UGS), MicroStation (Bently), T-Flex ("Топ Системы"). В 2001 г. в лагерь сторонников лицензируемого ядра перешла компания PTC и начала распространять лицензии на Granite One - основу своей САПР Pro/ ENGINEER.

В общей сложности лицензируемые ядра составляют основу более сотни САПР, а число пользователей насчитывается миллионами. Таким образом, "ядерный" бизнес оказался весьма выгодным, причем с точки зрения как финансов, так и влияния на отрасль. Ведь от владельца ядра зависят многие другие игроки. Недаром в 2000 г. фирму Spatial купила Dassault Systemes, которая сейчас занимается развитием ядра ACIS. Активно совершенствует ядро и UGS. В частности, в октябре прошлого года она приобрела фирму D-Cube, чтобы встроить в Parasolid ее функции геометрического моделирования.

Разработчик получает доступ к документированным функциям ядра через интерфейс прикладного программирования (API). "Но это не значит, что мы используем только функциональность ядра и больше ничего, - подчеркнул Виталий Талдыкин. - Наши программисты самостоятельно пишут команды трехмерного моделирования с помощью мощных средств параметрического ядра системы T-FLEX. Это позволяет нам иметь ряд конкурентных преимуществ перед другими САПР, реализованными на Parasolid". Аналогично поступают и другие поставщики САПР, поэтому системы, построенные на базе одного и того же ядра, различаются по производительности и функционалу.

Компания Vero International Software использует Parasolid для создания систем проектирования пресс-форм, совместимых с различными САПР

Главное преимущество готового ядра заключается в том, что оно избавляет разработчиков САПР от решения трудоемких задач создания собственного механизма твердотельного моделирования и дает возможность сконцентрироваться на конкретной задаче, освобождая их от знания тонкостей внутреннего представления геометрических объектов. "Использование лицензируемого ядра позволяет резко сократить сроки разработки системы, повысить качество и функциональность решения и в результате быстро вывести систему в разряд пригодных к серьезному промышленному внедрению", - сказал г-н Талдыкин.

Именно так в середине 90-х поступили создатели первых систем среднего класса - SolidWorks и Solid Edge. И оказались правы: эти продукты совершили революционный переворот в мире САПР и успешно развиваются до сих пор.

У владельца ядра может быть свой интерес. Ведь открывая к нему доступ, он расширяет число приложений, совместимых со своей САПР и между собой. "Выпуская Granite One в качестве самостоятельного продукта, компания PTC не только сделала доступной базовую функциональность системы Pro/ENGINEER, но и обеспечила разработчиков инструментом для улучшения взаимодействия с этой САПР", - сказал Дмитрий Мотовилов, специалист из фирмы PTS, реселлера компании PTC.

Однако использование чуждого ядра имеет и оборотную сторону. Ведь даже имея лицензию, разработчик не может "залезть" внутрь ядра и подправить какой-либо базовый алгоритм для его улучшения. Но Виталий Талдыкин считает это положительным качеством: "Для творческих людей экспериментаторского склада это - весьма существенный недостаток, но если мы говорим о системе, которая сама является качественным промышленным изделием, то это скорее преимущество".

Кроме того, проблему может создать зависимость разработчиков от поставщика ядра. Ведь не известно, как сложится судьба этого поставщика. А вдруг он уйдет с рынка, перестанет развивать ядро или изменит правила лицензирования? Эти опасения не лишены основания. Например, с непростой ситуацией в свое время столкнулась компания "Топ Системы". "До Parasolid мы на протяжении нескольких лет использовали ACIS, но начавшаяся неразбериха с этим ядром, которая приводила к выпуску откровенно "сырых" версий, вынудила нас искать альтернативные решения, - рассказал г-н Талдыкин. - Немаловажную роль сыграла и странная политика лицензирования важных функций, которой придерживалась Spatial. Из-за этого разные разработчики оказывались в неравном положении в плане доступа к функциональности ядра. Были и другие проблемы. В результате мы перешли на Parasolid и ни разу не пожалели о своем выборе". Но, несмотря на такой опыт, он считает проблему зависимости преувеличенной: "Степень такой зависимости не превышает обычные житейские риски; например, где гарантия того, что главные разработчики "собственного" ядра не уволятся"?

К счастью, сейчас опасаться за судьбу ACIS и Parasolid не приходится. Это - зрелые продукты, существующие более десятка лет. В прошлом году у ACIS вышла 14-я версия, а у Parasolid - 16-я. Они принадлежат двум лидерам рынка САПР - компаниям UGS и Dassault, прочное положение которых сейчас не подвергается сомнению. О стабильности ситуации свидетельствует также сложившаяся вокруг ядер парадоксальная ситуация. Так, Parasolid составляет основу системы SolidWorks, которую выпускает компания Dassault - главный соперник UGS, а Autodesk использует в системе AutoCAD ядро ACIS, принадлежащее Dassault. Вроде бы все эти компании жестко конкурируют между собой, но в то же время - предоставляют друг другу лицензии на ядра. Видимо, совместно развивать рынок выгоднее.

На базе ядра ACIS компания Digital ArtForms

построила систему трехмерной графики

Впрочем, еще недавно обстановка в области механизмов моделирования была далеко не такой спокойной: между поставщиками Parasolid и ACIS бушевала война ядер: они беспрерывно снижали цены и выпускали новые версии так часто, что пользователи не успевали на них переходить. Но в 2001 г. воюющие стороны устали от "боевых" действий и предпочли заключить перемирие. Договорившись о взаимном лицензировании, они с помощью трансляторов обеспечили возможность обмена моделями между САПР с разными ядрами.

Ядро с открытым кодом

Механизмы моделирования этого типа появились позднее вышеописанных предшественников и представляют собой некоторое промежуточное звено. С одной стороны, они похожи на лицензируемые ядра, поскольку разработчик САПР получает на них лицензию у сторонней компании, а с другой - на собственные, поскольку открывают пользователю доступ к исходному коду и позволяют вносить в него изменения по своему усмотрению.

Наиболее известны два ядра с открытым кодом: Open CASCADE и комплект компании Solid Modeling Solutions (SMS), включающий программы геометрического моделирования SMLib, NLib, GSLib, TSNLib и SDLib. Оба представляют собой библиотеки функций геометрического моделирования и распространяются с открытым исходным текстом, но с одним существенным отличием: Open CASCADE можно использовать бесплатно, а за SMS нужно платить.

Open CASCADE имеет глубокие исторические корни. Его основу составляет CAS.CADE - платформа известной САПР Euclid компании Matra Datavision. Когда в 1998 г. ее купила Dassault, проект Euclid был закрыт, а ядро - опубликовано в Интернете под названием Open CASCADE. Сейчас оно принадлежит французской компании Principia Research & Development, развивающей это ядро и предоставляющей платные услуги по созданию специализированных приложений на его базе. В мае 2003 г. вышла пятая версия Open CASCADE, а сам код загрузили уже более 10 тыс. пользователей. Большой вклад в рост его популярности вносит образовавшееся вокруг него сообщество разработчиков. Они не только его используют, но и активно совершенствуют. Ведь в соответствии с принципами Open Source они должны открывать доступ к своим разработкам всем желающим.

Компания SMS пошла другим путем. Она продает лицензии на свои продукты, но утверждает, что они обойдутся гораздо дешевле, чем создание и поддержка собственного ядра. Тем более что через два года заказчик получает на них полное право и может больше не платить за лицензию. Правда, тогда он лишится новых версий и поддержки. Важное значение для стратегии SMS имеет ее независимость от крупных поставщиков САПР. Это - частная компания, принадлежащая сотрудникам и не имеющая партнеров. Штат ее невелик, но опыт в области геометрического моделирования довольно большой. В 1998 г. она выпустила библиотеку SMLib (сейчас поставляется версия 6.5), в 2002-м - дополнительные продукты TSNLib, GSNLib и NLib, а в 2004-м - SDLib.

Ядра с открытым кодом открывают возможность выбора перед компаниями, которые не хотят использовать лицензируемый механизм моделирования, но не имеют средств для разработки собственной платформы. Но такие ядра пока не особенно популярны. Одна из причин этого - недоверие к качеству данного ПО. "Проектов на базе ядра с открытым кодом очень мало, - сказал Прокопий Николаев. - Ведь непонятно, что проще - написать свой код или разобраться с чужим". С ним согласен Виталий Талдыкин: "Это некоторая диковинка на рынке. Насколько мы знаем, в промышленном масштабе они применяются еще очень редко. Исправлять чужие ошибки в огромном программном комплексе - сомнительное удовольствие".

Выбор за пользователем

"Вопрос о том, что лучше - использовать чужое или сделать самому, останется вечным, - подвел итог Прокопий Николаев. - В каждом конкретном случае решение будет приниматься индивидуально, с учетом текущих объективных и субъективных факторов. Готового рецепта нет, так как у каждого варианта есть как преимущества, так и недостатки".

На сегодняшний день уровень редактора трехмерной графики определяется не только набором команд для создания и редактирования трехмерных моделей или чертежей.

Важнейшей характеристикой современной САПР-системы, наряду с инструментальными средствами моделирования, является возможность использования типовых элементов и быстрый корректный обмен геометрическими моделями и чертежами между различными CAD-системами.

На мой взгляд, существуют два основных момента, которые влияют на актуальность данной проблемы.

Первый состоит в том, что разработчики ПО не всегда имеют возможность учесть особенности и охватить все существующие направления в машиностроении, строительстве, энергетике, а также удовлетворить запросы всех пользователей. Поэтому в настоящее время архитектуру САПР формируют таким образом, чтобы любой пользователь мог без труда максимально приблизить ее к своим требованиям..

Второй заключается в том, что интернет буквально напичкан предложениями «пиратских» копий программного обеспечения. А это приводит к тому, что пользователь сам выбирает ту проектную программу, которой будет пользоваться. Кроме того, зачастую предприятие не может обойтись одной системой в связи с особенностями производства. В результате, даже на одном предприятии появляется несколько совершенно равноправных систем проектирования, которые должны взаимодействовать.

Поэтому, конечно, было бы удобно и разумно использовать для обмена данными универсальные компоненты с общим форматом. Общий формат поможет обеспечить единство данных между внутренними приложениями.

Формат определяется геометрическим ядром. Ядро — это библиотека основных математических функций CAD-системы, которая определяет и хранит 3D-формы, ожидая команды пользователя. Пакет геометрического моделирования - набор библиотек с программным интерфейсом (API), с помощью которого можно пользоваться функциями геометрического моделирования. Ядра реализуют примерно одинаковый набор функций, используют похожие модели данных и алгоритмы. Однако перенос данных между разноядерными САПР представляет собой достаточно трудоемкую задачу и занимает продолжительное время.

В литературе такие форматы часто называются «промежуточными». Выбор формата имеет большое значение т.к. определяет какие опции доступны при использовании данных.

Итак, рассмотрим основные универсальные форматы.

Parasolid

Parasolid основан на профессиональном расширении STEP – PROSTEP. Это коммерческие форматы (www.parasolid.com, www.spatial.com) – на них базируются большинство современных CAD/CAM/CAE систем. К примеру, их используют NX, Solid Edge, SolidWorks, ANSYS, T-FLEX, и др.

Объектно-ориентированная библиотека программ Parasolid разработана таким образом, чтобы легко быть интегрированной в CAD/CAM/CAE системы различных уровней.

Из википедии: «Общий формат обеспечивает единство данных между внутренними предложениями и коммерческими системами. Концепция обмена данными известна как «Parasolid Pepeline» и означает обмен твердотельными моделями, сохраненными в открытом файловом формате.x_t , другой формат.x_b-двоичный формат, менее зависимый от аппаратных средств и не дающий ошибок при преобразовании…Импорт данных из других CAD-систем поддерживается благодаря технологии Tolerant Modeling (моделирование с заданной точностью)»

Поддерживает огромные сборки в сотни тысяч компонентов.

(ISO/IEC 10303 Standard for the Exchange of Product Model Data) — серия форматов изначально разработанная компанией Dassault (Catia) для хранения информации о сборке и структуре изделия. В соответствии с названием стандарта STEP определяет “нейтральный” формат представления данных об изделии в виде информационной модели. Это очень зрелый формат, стандартизированный достаточно давно. Данные об изделии включают в себя: состав и конфигурацию изделия; геометрические модели разных типов; административные данные; специальные данные. Геометрия отдельной детали описана прикладным> протоколами AP203, AP214. На сегодня STEP ISO(www.steptools.com) признан международным стандартом.

Чаще всего STEP используется для обмена данными между CAD-, CAM-, CAE- и PDM-системами

На официальном сайте разработчиков формата STEP

IGES (International Graphics Exchange Standard)– разрабатываемый Национальным институтом стандартов и технологий США(NIST) . Двумерный/трехмерный векторный формат графики; используется многими CAD-программами. Наиболее распространённый формат для хранения геометрии сложных поверхностей,достаточно громоздок. Многие системы не поддерживают все возможности этого формата, что создает сложности при обмене данными. IGES ISO – признан международным стандартом. Поддерживает традиционные инженерные чертежи и трехмерные модели.

общее наименование для данных, с которыми работает лицензируемое (то есть доступное сторонним разработчикам) ядро системы геометрического моделирования ACIS. Ядро ACIS для своих программ в частности использует корпорация Autodesk (Inventor, Mechanical Desktop). Для выводимых данных применяются форматы SAT и SAB.

ACIS- это объектно-ориентированная C++ геометрическая библиотека, которая состоит из более чем 35 DLL-файлов и включает каркасные структуры, поверхности и твердотельное моделирование. Оно дает разработчикам программ богатый выбор геометрических операций для конструирования и манипулирования сложными моделями, а так же полный набор булевых операций. Ядро ACIS осуществляет вывод в формат файлов SAT, который любая поддерживающая ACIS программа может читать напрямую.

(HOOPS Stream Format www.openhsf.org)) — новый открытый, базирующийся на XML и компактный формат обмена визуальной 3D–информацией между различными инженерными приложениями. Широко принят разработчиками для визуализации 3D моделей (более 200 современных систем:SolidWorks, Catia, Unigraphics и т.д.).

(Virtual Reality Modelling Language)

язык моделирования виртуальной реальности.

Как графический формат базируется на подмножестве Open Inventor File Format фирмы Silicon Graphics. Позволяет описывать трехмерные интерактивные объекты (миры), с которыми средствами WWW могут взаимодействовать пользователи. Для просмотра VRML — файлов необходимо иметь специальный VRML — браузер, либо дополнительный модуль к стандартному браузеру.

Каждый нейтральный 3D-формат имеет свои достоинства, которые обеспечивают его преимущество в одной или нескольких из рассмотренных областей применения.

Основные характеристиками любого нейтрального 3D-формата – это многофункциональность и возможность использовать 3D-данные не только инженером, но и за пределами конструкторских отделов, и возможность расширения формата для охвата будущих потребностей.

В настоящее время существует множество систем геометрического моделирования, различающихся как по функциональности, так и по области применения. Как можно было заметить, все эти системы обладают сходными чертами, все они служат для работы с трех- и двумерными объектами. Однако во всех этих программных разработках есть и свои отличия – все они специализированы в своей определенной области. Таким образом, во всех системах геометрического моделирования есть какая то общая часть, которая служит основой для моделирования. В графических системах геометрического моделирования основой служит так называемое ядро, в котором заложены основные функциональные возможности.

Однако, ядро не самоценно, оно создается для использования в прикладных программах. Доступ к функциям ядра открывает CAD-система (как правило через графический пользовательский интерфейс. Математическое ядро определяет предел функциональных возможностей использующей его САПР. При использовании множеством продуктов одного и того же ядра в пределе все они имеют одинаковые возможности и ограничения, а различаются только интерфейсом. Можно идти двумя путями: использовать все возможности ядра и сделать систему «тяжелой» для использования или сделать удобный пользовательский интерфейс, но пренебречь некоторыми функциями ядра.

Ядро (Geometric modeling kernel) (синонимы: движок моделирования; геометрическая библиотека) – это библиотека основных математических функций CAD системы, которая определяет и сохраняет элементы трехмерной модели в ответ на команды пользователя.

Ядро обрабатывает команды изменения модели, сохраняет результаты и производит их вывод на дисплей.

Если вкратце изложить возможности геометрического ядра, то они заключаются в следующем:

моделирование каркасных, поверхностных и твердотельных объектов;

создание объектов на основе кинематических операций, например, выталкивания профиля вдоль заданного пути;

пересечение поверхностей и кривых;

операции сопряжения и сшивки поверхностей;

операции сопряжения граней твердого тела (vertex and edge blending);

булевы операции над твердотельными объектами;

параметрические 2D-чертежи

Обзор ядер геометрического моделирования

В настоящий момент существуют три типа ядер геометрического моделирования: лицензируемые, частные и доступные в исходном коде.

Лицензируемые ядра

Лицензируемые ядра разрабатываются и поддерживаются одной компанией, которая продает на них лицензии другим создателям САПР. Впервые ядра такого тип появились в 1988 году (первая версия Parasolid), когда компания UGS выпустила в продажу ядро Parasolid, составляющее основу ее системы Unigraphics. Parasolid – дальнейшая разработка ядра ROMULUS, разработанного в 1978 г. В 1990 году появилось ядро ACIS фирмы Spatial Technologies. Преимущества лицензируемых ядер:

Избавляет разработчиков САПР от решения трудоемких задач создания собственного ядра. В результате сокращаются сроки разработки систем, повышается качество.

Ядро опробовано на большом количестве пользователей, что сводит к минимуму возможность ошибки.

Недостатки:

Нельзя «залезть» внутрь ядра и подправить какой-либо базовый алгоритм для его улучшения.

Зависимость от разработчиков

Лицензированные ядра могут обеспечивать прямую совместимость через форматы ядра.

После покупки ядра создатели САПР расширяют его функциональность под свои задачи.

Ядро ACIS создавалось как некая общая математическая модель, поэтому оно слишком универсальное, решает множество задач. Spatial (ACIS) придерживается политики, что разработчики не платят за лиценизирования до момента выпуска ими готового программного продукта на этом ядре. Название ACIS взято из греческой мифологии. Используется – AutoCAD и Mechanical Desktop, Inventor (Autodesk), Cimatron. Форматы – SAT (SAB).

Parasolid – это самое быстрое и разработанное ядро, доступное для лицензирования. Оно изначально создавалось как ядро САПР. Это ядро используется более чем в 350 программных продуктах. Лучшее ядро для твердотельного моделирования. Форматы – X_T.

В Parasolid впервые было применено прямое моделирование, которое позволяет пользователям интуитивно модифицировать непараметризованые модели, как будто бы они имеют параметры. Parasolid – Unigraphics NX, SolidWorks (Dassault Systems), SolidEdge (UGS), T-FLEX (Топ Системы, Москва, сначала была на собственном ядре (ядро Баранова), потом на ACIS), ANSYS. Также используется машиностроительными компаниями Boeing, General Electric, Mitsubishi Motors и др.)

В 2001 году стала продавать лицензии на свое ядро компания PTC – система Pro/Engineer.