OpenCascade Tcl vs. ACIS Scheme

eryar@163.com

摘要Abstract：本文通過OpenCascade的Tcl/Tk和ACIS的Scheme的對比來說明腳本語言在程序中的重要作用。及通過在Tcl中實現(xiàn)自定義的命令來理解Draw Test Harness的實現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上更有利于對OpenCascade的理解，其中Draw Test Harness一些命令的實現(xiàn)可以做為程序?qū)崿F(xiàn)的參考。

關(guān)鍵字Key Words：OpenCascade, Tcl/Tk, ACIS, Scheme, Test

一、引言 Introduction

解釋型的語言為程序開發(fā)提供了快速原型方法，由于是解釋型的程序開發(fā)語言，所以用它編寫的程序不需要編譯和鏈接就可以在解釋器中直接運行，用這種方式可以快速驗證一些想法，用來測試程序等。

解釋型的腳本開發(fā)語言有很多，流行的有Python、Tcl/Tk、Perl、Lua、LISP、Javascript等等。在應(yīng)用程序中嵌入這些腳本語言，方便程序的擴展，用戶可以根據(jù)需要對程序進行定制。像應(yīng)力分析軟件Abaqus中就使用了Python對其進行二次開發(fā)；繪圖軟件AutoCAD中可使用AutoLISP對其進行二次開發(fā)；造船軟件KCS Tribon中也使用了Python；AVEVA Marine/Plant中使用了PML；許多游戲程序中使用了Lua等等。程序有了腳本這個二次開發(fā)的強有力工具，軟件開發(fā)者只需要關(guān)注核心領(lǐng)域，其它各種客戶化的需求，可以通過這些腳本來實現(xiàn)，既能滿足用戶花樣繁多的需求，也可確保程序質(zhì)量。

ACIS對Scheme的擴展為Scheme解釋器提供了調(diào)用ACIS內(nèi)部函數(shù)和訪問ACIS內(nèi)部數(shù)據(jù)的功能，其中，每個Scheme函數(shù)都調(diào)用相應(yīng)的ACIS C++函數(shù)。開發(fā)者可以利用Scheme來熟悉ACIS的基本功能、測試某些思想或者產(chǎn)生應(yīng)用程序原型。Scheme語言的初學(xué)者可以通過它來熟悉和掌握ACIS的Scheme程序開發(fā)方法。

OpenCascade中使用Tcl/Tk來實現(xiàn)的Draw Test Harness提供了交互創(chuàng)建、顯示和修改形狀的功能。可以編寫Tcl的腳本來自定義Draw或者實現(xiàn)程序的自動化測試。

本文通過OpenCascade的Tcl/Tk和ACIS的Scheme的對比來說明腳本在程序中的重要作用。及通過在Tcl中實現(xiàn)自定義的命令來理解Draw Test Harness的實現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上更有利于對OpenCascade的理解，其中一些命令的實現(xiàn)代碼可以做為程序?qū)崿F(xiàn)的參考。

二、ACIS Scheme

ACIS中的Scheme接口是一些函數(shù)的集合，基于Scheme的應(yīng)用程序可以通過這些函數(shù)調(diào)用ACIS的API、類的公共成員函數(shù)及訪問ACIS的數(shù)據(jù)。ACIS系統(tǒng)中含有一個Scheme解釋器，Scheme應(yīng)用程序就在這個解釋器上運行，所以該解釋器負責(zé)Scheme應(yīng)用程序與ACIS系統(tǒng)之間的通信。ACIS中的Scheme解釋器是按Elk版的Scheme語言規(guī)則設(shè)計的，它被用來解釋Scheme命令并調(diào)用相關(guān)的C++代碼。

Figure 2.1 Scheme and ACIS

Scheme的多功能性來自解釋器語言的可擴展能力。應(yīng)用程序開發(fā)者可以快速地將Scheme語言用于自己的開發(fā)任務(wù)，他們可以用C++擴展Scheme，然后就可以利用這些擴展寫可解釋執(zhí)行的Scheme過程。開發(fā)者也可以構(gòu)造特殊的Scheme數(shù)據(jù)類型和相應(yīng)的操作方法，Scheme應(yīng)用程序和C++函數(shù)可以使用這些自定義的Scheme數(shù)據(jù)類型。

Figure 2.2 ACIS Scheme pipeline

與C++相比Scheme是一種快速程序設(shè)計語言。盡管C++語言有很多優(yōu)點，但是也不得承認它的復(fù)雜性，例如要用C++開發(fā)ACIS應(yīng)用程序，需要包含所需的組件頭文件并在程序中初始化這些組件，除此之外還要進行復(fù)雜的程序調(diào)試，所以使用C++開發(fā)應(yīng)用程序的速度就受到較大影響。與其相反，Scheme可以進行交互式程序開發(fā)，一段程序或一個命令的執(zhí)行結(jié)果會及時反映出來，正是這種機制使我們可以利用Scheme語言進行快速的程序開發(fā)。雖然Scheme不能替代C++成為主要的軟件開發(fā)工具，但是在開發(fā)一個軟件系統(tǒng)之前可以利用它進行算法的測試。

Scheme語言與C++語言相比有三個特點：沒有指針、不需要頭文件及可進行交互式程序設(shè)計，程序員可以在解釋器中立即執(zhí)行這些程序，從這個特點來看Scheme更像Basic和Prolog等程序設(shè)計語言。

在ACIS中使用Scheme來生成一個立方體的命令如下所示：

上述命令生成一個正方體，總共調(diào)用兩個ACIS Scheme過程position和solid:block，#[entity 1 0]是該正方體的默認名稱。

Figure 2.3 The block made by ACIS Scheme

三、OpenCascade Tcl

Tcl是一種用于控制和擴展應(yīng)用程序的動態(tài)語言，也稱為腳本語言。它的名字代表“工具命令語言”Tool Command Language。Tcl提供的通用編程能力可以滿足大多數(shù)應(yīng)用程序的需要。而且Tcl既是可嵌入的（embeded），也是可擴展的（extensible）。它的解釋器是一個C函數(shù)庫，可以很容易地整合到應(yīng)用程序中；而任何一個應(yīng)用程序都可以通過增加命令來擴展Tcl內(nèi)核的功能。Tcl最有用的一個擴展就是Tk，這是一個用于開發(fā)圖形用戶界面（Graphical User Interface, GUI）應(yīng)用程序的工具集。Tk擴展了Tcl內(nèi)核的功能，增加了構(gòu)建用戶界面的命令，使您可以使用Tcl腳本來構(gòu)建圖形用戶界面，而不必寫C代碼。

Tcl/Tk一起為應(yīng)用程序開發(fā)者和使用者提供了很多好處。首先是快速開發(fā)。很多有意思的程序完全可以用Tcl腳本編寫。這使您可以在比C/C++或Java更高的層次上進行開發(fā)，Tk隱藏了C或Java程序員必須關(guān)心的很多細節(jié)。與低級工具相比，使用Tcl/Tk所需要學(xué)習(xí)的知識更少，需要編寫的代碼更少。通過幾個小時的學(xué)習(xí)，Tcl/Tk新手用戶就可以創(chuàng)建有意思的用戶界面，很多開發(fā)人員從其他工具集轉(zhuǎn)而使用Tcl/Tk工具集后，應(yīng)用程序開發(fā)所需的代碼數(shù)量和開發(fā)時間都減少了90%。

Tcl/Tk適于快速開發(fā)的另一個原因在于Tcl是解釋型語言。使用Tcl應(yīng)用程序時，可以在運行中生成和使用新的腳本，而無需重新編譯和重啟程序。這使您可以迅速嘗試新的想法，迅速修正程序中的錯誤。因為Tcl是解釋型語言，它的運行速度比C程序慢。但是通過內(nèi)部優(yōu)化，與編譯語言相比的大部分性能差距都可以消除。例如，您可以運行有數(shù)百條Tcl命令的腳本，鼠標的每一次移動都不會有能感知的延遲。在一些特別的場合，當性能成為重要問題時，可以把Tcl腳本中影響性能的部分替換為C代碼。

Tcl的第二個好處是在于它是跨平臺的語言，它的大多數(shù)擴展包括Tk也是如此。這意味著在一個平臺（如Linux）上開發(fā)的程序，在大多數(shù)情況下可以不加改動地在另一個平臺上運行，如在Macintosh或Windows上運行。

Tcl還是第一種擁有原生Unicode支持的動態(tài)語言。因此，Tcl可以處理這個世界上幾乎所有的書面語言。Tcl無需擴展就可以處理Unicode支持的所有文本。

使用Tcl的另一個顯著優(yōu)點在于它和它的大多數(shù)擴展都是免費的開源軟件。Tcl和Tk遵循BSD授權(quán)，允許所有人免費下載、查看、修改及再發(fā)布。

Tcl是一種絕妙的“膠合語言”，可以讓應(yīng)用程序很容易地擁有強大的腳本語言功能。例如，要為一個已經(jīng)存在的應(yīng)用程序添加腳本能力，只需要實現(xiàn)幾條新的Tcl命令，用來為應(yīng)用程序提供相應(yīng)的基本功能。然后再把您的新命令和Tcl庫鏈接起來生成全功能的腳本語言，該語言就包含了Tcl提供的命令（稱為Tcl內(nèi)核）和您編寫的那些命令。

Tcl還為用戶提供了方便。一旦學(xué)習(xí)了Tcl/Tk，就能為任何Tcl/Tk應(yīng)用程序編寫腳本，只需要學(xué)習(xí)該應(yīng)用程序特有的少數(shù)幾條命令即可。這使得更多的用戶有能力對應(yīng)用程序進行個性化改造和強化。

在Tcl中實現(xiàn)自定義命令很方便，只需要按Tcl的格式定義一個命令函數(shù)。基于對象的命令函數(shù)的聲明如下：

為了能在Tcl中調(diào)用一個命令函數(shù)，必須先調(diào)用Tcl_CreateObjCommand注冊它，格式如下所示：

這就是把Tcl中的字符串與實現(xiàn)它的C函數(shù)關(guān)聯(lián)起來“魔術(shù)”。更詳細內(nèi)容請參考：《Create New Commands in Tcl》。下面主要來分析一下Draw Test Harness代碼實現(xiàn)：

首先在Draw_PInterp.hxx中將Tcl_Interp定義為*Draw_PInterp，并在類Draw_Interpretor中對Tcl解釋器進行了簡單封裝，在Init時創(chuàng)建一個新的Tcl_Interp，并可管理自定義的命令；

然后，在Draw_Main中來加載Tcl的解析器。程序代碼如下所示：

自定義了main函數(shù)，實現(xiàn)如下所示：

Draw Test Harness中自定義的命令是通過類Draw_Commands來添加的，程序如下所示：

分別對應(yīng)的定義文件為：

l Draw_BasicCommands.cxx：基本命令；

l Draw_VariableCommands.cxx：變量命令；

l Draw_GraphicCommands.cxx：圖形命令；

l Draw_PloadCommands.cxx：加載命令；

l Draw_UnitCommands.cxx：單位命令；

如可以打開Draw_BasicCommands可以看到OpenCascade定義了哪些基本命令，我發(fā)現(xiàn)一個查看OpenCascade編譯時的配置信息的命令dversion：

運行結(jié)果如下圖所示：

Figure 3.1 dversion command in Draw Test Harness

由上圖可知編譯OpenCascade時的相關(guān)配置信息，如版本號、使用了哪些第三方庫、編譯器類型及版本、系統(tǒng)類型x86/AMD64、操作系統(tǒng)等等。

Figure 3.2 The OS OpenCascade supported

由上圖可知OpenCascade可識別的操作系統(tǒng)涵蓋發(fā)當今主流的操作系統(tǒng)，如Windows、Mac OS、Android、Linux等。

最后以一個實現(xiàn)光線追蹤的腳本來演示一下使用腳本的靈活性，Tcl腳本如下所示：

# Script reproducing creation of bottle model as described in OCCT Tutorial
pload MODELING VISUALIZATION
puts "Writing \"eryar@163.com\""
box body 0 0 0 130 20 8
# define text Courier Consolas
text2brep text2d eryar@163.com Times-Roman 18 bold composite=0
#text2brep text2d eryar@163.com Consolas 18 bold composite=0
#text2brep text2d eryar@163.com Courier 18 bold composite=0
prism text text2d 0 0 2
ttranslate text 4 5 6

# cut operation
bcut bodytext body text
ttranslate text 0 20 0

puts "Showing result"
# display result
vdisplay bodytext
vdisplay text
vzfit
vfit
vsetdispmode 1
# set ray tracing
if { [regexp {HAVE_OPENCL} [dversion]] } {
    puts "Trying raytrace mode"
    if { ! [catch {vraytrace 1}] } {
        vtextureenv on 1
        vfit
    }
}

腳本實現(xiàn)了在一個box上cut掉文本后的光線跟蹤效果，如下圖所示：

Figure 3.3 Ray Tracing Rendering by Tcl

理解了Tcl的作用之后，我認為OpenCascade提供的最快速的的開發(fā)方式應(yīng)該就是全部使用Tcl/Tk來開發(fā)程序。利用OpenCascade已經(jīng)定義好的命令，包括操作ApplicationFramework的自定義命令。在此基礎(chǔ)上，使用Tk來實現(xiàn)GUI及用戶交互操作，這樣開發(fā)程序事辦功倍，而且還可提供用戶二次開發(fā)功能，即使用Tcl/Tk來對程序進行二次開發(fā)，擴展能力強。

四、結(jié)論 Conclusion

造型程序中引入腳本語言的共同優(yōu)點有：腳本語言是解釋執(zhí)行，不需要編譯鏈接，可以即時驗證一些想法。還可使用腳本來執(zhí)行自動化測試，保證算法質(zhì)量。便于擴展，提供用戶二次開發(fā)的工具。

與ACIS的Scheme相比，OpenCascade的Tcl/Tk有著明顯的優(yōu)勢。其中最明顯的就是源代碼開放，可以通過查看源程序，來完全理解腳本的實現(xiàn)。而這在ACIS中是不可能的。

理解如何在Tcl實現(xiàn)自定義的命令后，可以查看OpenCascade在Draw Test Harness中相關(guān)程序的實現(xiàn)方法，對學(xué)習(xí)一些造型算法的使用還是很有幫助的。

五、后記 Postscript

在曹金鳳《Python語言在Abaqus中的應(yīng)用》的序言一中看到這樣一段話：“我還想順便談一個體會：同50年前有限元方法出現(xiàn)的時代相比，現(xiàn)在有了大量有效的計算力學(xué)軟件。既然已經(jīng)有了大家公認的很優(yōu)秀的分析平臺，研究者不應(yīng)再奮力去開發(fā)具有競爭力的新軟件了，而應(yīng)當把精力花在基于這些平臺進行二次開發(fā)上面了。從科學(xué)技術(shù)共同體的角度去思考，這應(yīng)當是如今計算力學(xué)軟件研發(fā)的最佳策略。”——隋允康于北京工業(yè)大學(xué)。

對于這段話的大部分內(nèi)容是贊同的，即站在巨人的肩上才能看得更遠。但縱觀當今力學(xué)分析的CAE軟件優(yōu)秀的大都是國外產(chǎn)品，如ANSYS、Abaqus、COADE.CAESAR、MSC/PATRAN、ADINA等等，而國內(nèi)同類產(chǎn)品鮮有耳聞。原因可能是CAE軟件的開發(fā)涉及的知識很多，需要計算機圖形學(xué)、軟件工程、力學(xué)、數(shù)學(xué)等等多學(xué)科知識的結(jié)合，所以開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CAE軟件也是國家科技實力的一個表現(xiàn)。若只是在外國人的平臺上二次開發(fā)，總是會受制于人。也許有些狹隘，如今世界已然是個地球村，科學(xué)無國界。

六、參考資料 References

1. Tcl and the Tk Toolkit

2. Practical Programming in Tcl and Tk

3. Tcl/Tk A Developer’s Guide

4. http://sourceforge.net/projects/tcl/

5. http://www.tcl.tk/

6. 詹海生等, 基于ACIS的幾何造型技術(shù)與系統(tǒng)開發(fā), 清華大學(xué)出版社, 2002

7. 曹金鳳, 王旭春, 孔亮. Python語言在Abaqus中的應(yīng)用. 機械工業(yè)出版社, 2011

致謝：
    感謝王婷讓我接觸到ABAQUS這個軟件。