OpenCascade Tcl vs. ACIS Scheme

eryar@163.com

摘要Abstract：本文通过OpenCascade的Tcl/Tk和ACIS的Scheme的对比来说明脚本语言在程序中的重要作用。及通过在Tcl中实现自定义的命令来理解Draw Test Harness的实现，在此基础上更有利于对OpenCascade的理解，其中Draw Test Harness一些命令的实现可以做为程序实现的参考。

关键字Key Words：OpenCascade, Tcl/Tk, ACIS, Scheme, Test

一、引言 Introduction

解释型的语言为程序开发提供了快速原型方法，由于是解释型的程序开发语言，所以用它编写的程序不需要编译和链接就可以在解释器中直接运行，用这种方式可以快速验证一些想法，用来测试程序等。

解释型的脚本开发语言有很多，流行的有Python、Tcl/Tk、Perl、Lua、LISP、Javascript等等。在应用程序中嵌入这些脚本语言，方便程序的扩展，用户可以根据需要对程序进行定制。像应力分析软件Abaqus中就使用了Python对其进行二次开发；绘图软件AutoCAD中可使用AutoLISP对其进行二次开发；造船软件KCS Tribon中也使用了Python；AVEVA Marine/Plant中使用了PML；许多游戏程序中使用了Lua等等。程序有了脚本这个二次开发的强有力工具，软件开发者只需要关注核心领域，其它各种客户化的需求，可以通过这些脚本来实现，既能满足用户花样繁多的需求，也可确保程序质量。

ACIS对Scheme的扩展为Scheme解释器提供了调用ACIS内部函数和访问ACIS内部数据的功能，其中，每个Scheme函数都调用相应的ACIS C++函数。开发者可以利用Scheme来熟悉ACIS的基本功能、测试某些思想或者产生应用程序原型。Scheme语言的初学者可以通过它来熟悉和掌握ACIS的Scheme程序开发方法。

OpenCascade中使用Tcl/Tk来实现的Draw Test Harness提供了交互创建、显示和修改形状的功能。可以编写Tcl的脚本来自定义Draw或者实现程序的自动化测试。

本文通过OpenCascade的Tcl/Tk和ACIS的Scheme的对比来说明脚本在程序中的重要作用。及通过在Tcl中实现自定义的命令来理解Draw Test Harness的实现，在此基础上更有利于对OpenCascade的理解，其中一些命令的实现代码可以做为程序实现的参考。

二、ACIS Scheme

ACIS中的Scheme接口是一些函数的集合，基于Scheme的应用程序可以通过这些函数调用ACIS的API、类的公共成员函数及访问ACIS的数据。ACIS系统中含有一个Scheme解释器，Scheme应用程序就在这个解释器上运行，所以该解释器负责Scheme应用程序与ACIS系统之间的通信。ACIS中的Scheme解释器是按Elk版的Scheme语言规则设计的，它被用来解释Scheme命令并调用相关的C++代码。

Figure 2.1 Scheme and ACIS

Scheme的多功能性来自解释器语言的可扩展能力。应用程序开发者可以快速地将Scheme语言用于自己的开发任务，他们可以用C++扩展Scheme，然后就可以利用这些扩展写可解释执行的Scheme过程。开发者也可以构造特殊的Scheme数据类型和相应的操作方法，Scheme应用程序和C++函数可以使用这些自定义的Scheme数据类型。

Figure 2.2 ACIS Scheme pipeline

与C++相比Scheme是一种快速程序设计语言。尽管C++语言有很多优点，但是也不得承认它的复杂性，例如要用C++开发ACIS应用程序，需要包含所需的组件头文件并在程序中初始化这些组件，除此之外还要进行复杂的程序调试，所以使用C++开发应用程序的速度就受到较大影响。与其相反，Scheme可以进行交互式程序开发，一段程序或一个命令的执行结果会及时反映出来，正是这种机制使我们可以利用Scheme语言进行快速的程序开发。虽然Scheme不能替代C++成为主要的软件开发工具，但是在开发一个软件系统之前可以利用它进行算法的测试。

Scheme语言与C++语言相比有三个特点：没有指针、不需要头文件及可进行交互式程序设计，程序员可以在解释器中立即执行这些程序，从这个特点来看Scheme更像Basic和Prolog等程序设计语言。

在ACIS中使用Scheme来生成一个立方体的命令如下所示：

acis>(solid:block(position -10, -10, -10) (position 10, 10, 10)) 
# [entity 1 0] 

上述命令生成一个正方体，总共调用两个ACIS Scheme过程position和solid:block，#[entity 1 0]是该正方体的默认名称。

Figure 2.3 The block made by ACIS Scheme

三、OpenCascade Tcl

Tcl是一种用于控制和扩展应用程序的动态语言，也称为脚本语言。它的名字代表“工具命令语言”Tool Command Language。Tcl提供的通用编程能力可以满足大多数应用程序的需要。而且Tcl既是可嵌入的（embeded），也是可扩展的（extensible）。它的解释器是一个C函数库，可以很容易地整合到应用程序中；而任何一个应用程序都可以通过增加命令来扩展Tcl内核的功能。Tcl最有用的一个扩展就是Tk，这是一个用于开发图形用户界面（Graphical User Interface, GUI）应用程序的工具集。Tk扩展了Tcl内核的功能，增加了构建用户界面的命令，使您可以使用Tcl脚本来构建图形用户界面，而不必写C代码。

Tcl/Tk一起为应用程序开发者和使用者提供了很多好处。首先是快速开发。很多有意思的程序完全可以用Tcl脚本编写。这使您可以在比C/C++或Java更高的层次上进行开发，Tk隐藏了C或Java程序员必须关心的很多细节。与低级工具相比，使用Tcl/Tk所需要学习的知识更少，需要编写的代码更少。通过几个小时的学习，Tcl/Tk新手用户就可以创建有意思的用户界面，很多开发人员从其他工具集转而使用Tcl/Tk工具集后，应用程序开发所需的代码数量和开发时间都减少了90%。

Tcl/Tk适于快速开发的另一个原因在于Tcl是解释型语言。使用Tcl应用程序时，可以在运行中生成和使用新的脚本，而无需重新编译和重启程序。这使您可以迅速尝试新的想法，迅速修正程序中的错误。因为Tcl是解释型语言，它的运行速度比C程序慢。但是通过内部优化，与编译语言相比的大部分性能差距都可以消除。例如，您可以运行有数百条Tcl命令的脚本，鼠标的每一次移动都不会有能感知的延迟。在一些特别的场合，当性能成为重要问题时，可以把Tcl脚本中影响性能的部分替换为C代码。

Tcl的第二个好处是在于它是跨平台的语言，它的大多数扩展包括Tk也是如此。这意味着在一个平台（如Linux）上开发的程序，在大多数情况下可以不加改动地在另一个平台上运行，如在Macintosh或Windows上运行。

Tcl还是第一种拥有原生Unicode支持的动态语言。因此，Tcl可以处理这个世界上几乎所有的书面语言。Tcl无需扩展就可以处理Unicode支持的所有文本。

使用Tcl的另一个显著优点在于它和它的大多数扩展都是免费的开源软件。Tcl和Tk遵循BSD授权，允许所有人免费下载、查看、修改及再发布。

Tcl是一种绝妙的“胶合语言”，可以让应用程序很容易地拥有强大的脚本语言功能。例如，要为一个已经存在的应用程序添加脚本能力，只需要实现几条新的Tcl命令，用来为应用程序提供相应的基本功能。然后再把您的新命令和Tcl库链接起来生成全功能的脚本语言，该语言就包含了Tcl提供的命令（称为Tcl内核）和您编写的那些命令。

Tcl还为用户提供了方便。一旦学习了Tcl/Tk，就能为任何Tcl/Tk应用程序编写脚本，只需要学习该应用程序特有的少数几条命令即可。这使得更多的用户有能力对应用程序进行个性化改造和强化。

在Tcl中实现自定义命令很方便，只需要按Tcl的格式定义一个命令函数。基于对象的命令函数的声明如下：

typedef int (Tcl_ObjCmdProc) _ANSI_ARGS_((ClientData clientData, Tcl_Interp *interp, int objc, struct Tcl_Obj * CONST * objv)); 

为了能在Tcl中调用一个命令函数，必须先调用Tcl_CreateObjCommand注册它，格式如下所示：

EXTERN Tcl_Command Tcl_CreateObjCommand (Tcl_Interp * interp,  CONST char * cmdName, Tcl_ObjCmdProc * proc, ClientData clientData,  Tcl_CmdDeleteProc * deleteProc); 

这就是把Tcl中的字符串与实现它的C函数关联起来“魔术”。更详细内容请参考：《Create New Commands in Tcl》。下面主要来分析一下Draw Test Harness代码实现：

首先在Draw_PInterp.hxx中将Tcl_Interp定义为*Draw_PInterp，并在类Draw_Interpretor中对Tcl解释器进行了简单封装，在Init时创建一个新的Tcl_Interp，并可管理自定义的命令；

然后，在Draw_Main中来加载Tcl的解析器。程序代码如下所示：

// Declarations of macros DRAW_MAIN to be used in executables instead of explicit main/WinMain
#ifndef WNT
// main()
#define DRAW_MAIN int main (Standard_Integer argc, char* argv[])\
{return _main_ (argc, argv, Draw_InitAppli);}
#else
// WinMain() and main()
#define DRAW_MAIN Standard_Integer PASCAL WinMain (HINSTANCE hInstance, HINSTANCE hPrevinstance, LPSTR lpCmdLine, Standard_Integer nCmdShow)\
{return _WinMain_ (hInstance, hPrevinstance, lpCmdLine, nCmdShow, Draw_InitAppli);}\
\
int main (int argc, char* argv[], char* envp[])\
{return _main_ (argc, argv, envp, Draw_InitAppli);}  
#endif

自定义了main函数，实现如下所示：

//=======================================================================
//function : _main_
//purpose  : 
//=======================================================================
Standard_Integer _main_ (int argc, char* argv[], char* envp[], const FDraw_InitAppli fDraw_InitAppli)
{
  Draw_IsConsoleSubsystem = Standard_True;
  //return _WinMain_(::GetModuleHandle(NULL), NULL, GetCommandLine(), SW_SHOW, fDraw_InitAppli);
  theDraw_InitAppli = fDraw_InitAppli;
  //ParseCommandLine(GetCommandLine());

  // MKV 01.02.05
#if ((TCL_MAJOR_VERSION > 8) || ((TCL_MAJOR_VERSION == 8) && (TCL_MINOR_VERSION >= 4)))
  Tcl_FindExecutable(argv[0]);
#endif

  Draw_Appli(::GetModuleHandle(NULL), NULL, GetCommandLine(), SW_SHOW, fDraw_InitAppli);
  return 0;

}

Draw Test Harness中自定义的命令是通过类Draw_Commands来添加的，程序如下所示：

void Draw::Commands(Draw_Interpretor& theCommands)
{
  Draw::BasicCommands(theCommands);
  Draw::VariableCommands(theCommands);
  Draw::GraphicCommands(theCommands);
  Draw::PloadCommands(theCommands);
  Draw::UnitCommands(theCommands);
}

分别对应的定义文件为：

l Draw_BasicCommands.cxx：基本命令；

l Draw_VariableCommands.cxx：变量命令；

l Draw_GraphicCommands.cxx：图形命令；

l Draw_PloadCommands.cxx：加载命令；

l Draw_UnitCommands.cxx：单位命令；

如可以打开Draw_BasicCommands可以看到OpenCascade定义了哪些基本命令，我发现一个查看OpenCascade编译时的配置信息的命令dversion：

运行结果如下图所示：

Figure 3.1 dversion command in Draw Test Harness

由上图可知编译OpenCascade时的相关配置信息，如版本号、使用了哪些第三方库、编译器类型及版本、系统类型x86/AMD64、操作系统等等。

Figure 3.2 The OS OpenCascade supported

由上图可知OpenCascade可识别的操作系统涵盖发当今主流的操作系统，如Windows、Mac OS、Android、Linux等。

最后以一个实现光线追踪的脚本来演示一下使用脚本的灵活性，Tcl脚本如下所示：

# 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
    }
}

脚本实现了在一个box上cut掉文本后的光线跟踪效果，如下图所示：

Figure 3.3 Ray Tracing Rendering by Tcl

理解了Tcl的作用之后，我认为OpenCascade提供的最快速的的开发方式应该就是全部使用Tcl/Tk来开发程序。利用OpenCascade已经定义好的命令，包括操作ApplicationFramework的自定义命令。在此基础上，使用Tk来实现GUI及用户交互操作，这样开发程序事办功倍，而且还可提供用户二次开发功能，即使用Tcl/Tk来对程序进行二次开发，扩展能力强。

四、结论 Conclusion

造型程序中引入脚本语言的共同优点有：脚本语言是解释执行，不需要编译链接，可以即时验证一些想法。还可使用脚本来执行自动化测试，保证算法质量。便于扩展，提供用户二次开发的工具。

与ACIS的Scheme相比，OpenCascade的Tcl/Tk有着明显的优势。其中最明显的就是源代码开放，可以通过查看源程序，来完全理解脚本的实现。而这在ACIS中是不可能的。

理解如何在Tcl实现自定义的命令后，可以查看OpenCascade在Draw Test Harness中相关程序的实现方法，对学习一些造型算法的使用还是很有帮助的。

五、后记 Postscript

在曹金凤《Python语言在Abaqus中的应用》的序言一中看到这样一段话：“我还想顺便谈一个体会：同50年前有限元方法出现的时代相比，现在有了大量有效的计算力学软件。既然已经有了大家公认的很优秀的分析平台，研究者不应再奋力去开发具有竞争力的新软件了，而应当把精力花在基于这些平台进行二次开发上面了。从科学技术共同体的角度去思考，这应当是如今计算力学软件研发的最佳策略。”——隋允康于北京工业大学。

对于这段话的大部分内容是赞同的，即站在巨人的肩上才能看得更远。但纵观当今力学分析的CAE软件优秀的大都是国外产品，如ANSYS、Abaqus、COADE.CAESAR、MSC/PATRAN、ADINA等等，而国内同类产品鲜有耳闻。原因可能是CAE软件的开发涉及的知识很多，需要计算机图形学、软件工程、力学、数学等等多学科知识的结合，所以开发具有自主知识产权的CAE软件也是国家科技实力的一个表现。若只是在外国人的平台上二次开发，总是会受制于人。也许有些狭隘，如今世界已然是个地球村，科学无国界。

六、参考资料 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的几何造型技术与系统开发, 清华大学出版社, 2002

7. 曹金凤, 王旭春, 孔亮. Python语言在Abaqus中的应用. 机械工业出版社, 2011

致谢：
    感谢王婷让我接触到ABAQUS这个软件。

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