AutoCAD下分形图形参数化设计软件的实现

AutoCAD下分形图形参数化

设计软件的实现

郭冬梅 刘广武

（航天机电集团第三研究院8357所，天津300141）

孙兰凤

（.天津大学机械学院，天津300072）

摘 要：运用ObjectARX在AutoCAD环境下开发分形的应用程序，将分形实现了参数化绘图，并直接引入到设计领域中。文中介绍了具体实现的方法、过程。

关 键 词：分形；参数化设计 中图分类号：TP 391.41

文献标识码：A 文 章 编 号：1003-0158(2001)04-0101-06

自从Mandelbrot在计算机上绘出了第一张Mandelbrot集图形以来，人们对这一领域表现出了极大的关注。分形图形层次丰富、内涵深刻，体现了各种类型的混沌和有序，为非规整形状图形的计算机描述和处理提供了有利工具。并且只有用计算机才能产生出来，任何高明的画家均无法绘制。但是，由于分形的理论、建模、编程不为一般设计人员所熟悉，使其使用受到了很大限制，目前将计算机分形图形直接应用于设计行业的成果并不多。如果将分形图形计算机生成实现参数化设计，改变少量参数就能得到递归层次不同的相似图形，使之从抽象的理论研究进入到实际设计应用中，可以减少设计人员编制、调试绘图程序的时间，有力于推广分形技术的应用，具有可观的实用价值[4]。本文首次用ObjectARX开发了分形应用程序，现以分形生成的一种形式L-system分形为例介绍这种方案的具体实现方法。

1 基于 L-system的分形图形概述

L-系统是用形式语言描述植物形态与生长的拓扑结构，将其引入计算机图形学后形成了现在广为运用的模拟自然景物的L-系统方法。理论上说，L-系统可生成无限嵌套的结构，是特别类型的迭代过程。它的中心是并行重写系统。从一个初始图ω出发根据重写规则集P改写

收稿日期：2000－１0－25

作者简介：郭冬梅（1972－），女，河北永清人，工程师，硕士，主要研究领域为计算机辅助设计及图形学。

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初始元的一部分，如此迭代嵌套以生成最终图形。用L-系统可以生成典型的分形。尽管生成

，

一个复杂的L-系统常常需要花费大量的时间，但是指定L-系统的公式往往非常简单[1][2]。 　　先定义如下的图形符号：

F— 向前走一步，步长为d，画线； f — 向前走一步，步长为d，不画线； + — 向左（逆时针方向）转δ角；

－ — 向右（顺时针方向）转δ角； [ — 压栈；

] — 出栈。

统一了这些规则以后，在绘图时，要输入这些确定其形状特征的参数，即可输出图形。以图2为例，则输入参数如下：

初始元ω：F-F-F-F 重写规则集P：F+F-F-F+F 初始元角度：δ=900 步长比率因子：step=3 迭代次数：layer=5

下面是此系统的生成算法步骤： （1）数据输入函数

1）由用户输入ω,P,δ,n,step5个参数。

2）判断输入参数是否满足指定范围，若满足，则传递数据；否则要重新输入，或按ESC键退出。

（2）L—system主函数DrawTur1( ) 1）i <=0;str<=(nth ,i ,ω)。

2）i>(length ω)结束；否则转至3)。

3）如果：str=F，则调用DrawTur2( )，转至4)。

如果：str=+，则初始角度angle=angle+δ，转至4)。 如果：str=-，则初始角度angle=angle-δ，转至4)。

4）i<= i+1转至2)。

（3）L—system递归函数DrawTur2(str ) 1）j<=0。

2）j>(length P)则结束；否则转至3)。 3）str<=(nth j p)。

如果：str=F，则求出下一状态位置，向前移动一步，并画线,递归调用DrawTur2(angle step n )，转至4)。

如果：str=+，则angle=angle+δ，转至4)。 如果：str=-，则angle=angle-δ，转至4)。

如果：str=[，则将此点位置记录在TS中，即压入堆栈，转至4)。

如果：str= ]，则从堆栈中弹出TS作为当前点位置,但不画线，转至4)。 （4）j<= j+1,转至2)。

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2 参数化设计软件方案的确定

AutoCAD是目前国内最为流行的微机绘图软件，成为大多数设计人员使用的工具。但它除了具有完善的绘图、编辑功能外，一个重要的功能是它可以和高级语言交换数据。在AutoCAD提供的各种开发工具中，以C/C++开发工具的效率最高、功能最强。AutoCAD2000使用一种特定的C/C++编程环境——ObjectARX。ObjectARX（以下简称ARX）应用程序与AutoCAD在同一地址空间内运行并能直接利用AutoCAD核心数据库结构和代码。由于AutoCAD软件自身的很大一部分就是用ARX实现的，使用ARX能以无缝集成的技术方法向AutoCAD增加自定义的新实体和设计对象，以及创建全面享受AutoCAD固有命令之特权的新命令。

ARX应用程序以C++为基本开发语言，具有面向对象编程方式的数据可封装性、可继承性及多态性等特点。用其开发的工程CAD软件具有模块性好、独立性强、连接简单、使用方便、内部功能高效实用以及代码可重用性强等优点，并且支持MFC，能简洁高效地实现许多复杂功能。此外，考虑到其运行速度较快、保密性好、交互式界面容易生成等因素，绘图程序决定采用ARX编写。

在使用ObjectARX3.0开发应用程序时，需要使用Windows 9X/NT4/2000操作系统平台，Microsoft VisualC++6.0以上版本的编译器，并同时在硬盘上安装好AutoCAD 2000和 ObjectARX3.0开发系统。

此外作为程序的完善部分，在AutoCAD中定制下拉菜单和工具条来加载、运行程序,使不熟悉该命令的用户也能运用自如。

3 设计中的主要步骤及技术关键

3.1 按照ARX的要求设置Visual C++的工作环境

建立项目文件和进行项目设置。为了在以后正确地编译和链接应用程序，必须进行正确的项目设置。建立的项目文件须把ObjectARX应用程序与MFC动态链接，从而可以使用ObjectARX中的AdUi和AcUi类库。 3.2 创建对话框

ObjectARX提供了两种方法创建用户界面，PDB格式和基于MFC的用户界面。采用MFC的用户界面，这种Windows风格的对话框其外观和内建于AutoCAD的用户界面完全相同。

首先向项目文件中增加对话框资源，然后从控件工具栏中选择适当的控件资源，以满足在AutoCAD中运行程序时的需要。同时要修改对话框特性包括标题（Caption）、ID号、文字样式、窗口样式等。接下来使用ClassWizard创建与之相关的对话框类，并增加相应的变量和消息处理的函数。本例中的对话框设置如同运行程序时的结果。参见图1。 3.3 创建处理程序

包括增添由CacUiDialog派生的类，处理消息的函数，并向处理程序中添加必要的代码。 3.4 修改基本文件

在创建项目文件时自动生成了.cpp,.def,.cpp,.h等4个基本文件，必须进一步修改，为程序

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增加与ObjectARX的接口。 3.5 编写主程序代码

首先要加入与各个编辑框相关联的消息处理函数，同时设定参数的有效范围，增加一个Bool型函数，当输入的参数超出指定范围，显示一个消息框，提示用户重新输入。根据给出的算法编写主程序，实现绘图功能，并放到与OK按钮相关联的函数，即要求用户输入参数后，系统读取编辑框中的数据，点击OK按钮，开始运行程序，最后绘出图形。

由于用ARX的acedCommand函数可以直接调用AutoCAD的命令来完成绘图部分，所以这部分程序比完全在Visual C++中实现要少一半左右,而且简单易学。

3.6 编译、链接和运行应用程序

完成上述过程后，即可对程序利用Microsoft Visual C++提供的强大的集成调试器来进行编译和链接。当没有错误后，自动生成.arx 后缀的可执行文件。

然后，将在AutoCAD中加载应用程序。有多种方法，如可使用 “arx”命令。加载以后，就可在Command:提示行上直接输入应用程序中所定义的AutoCAD外部命令。 3.7 定制下拉菜单

由于每次重新打开AutoCAD软件要使用该命令都需要加载应用程序，还要找到执行文件的地址，会感到很麻烦，所以定制一个下拉菜单项是必要的。简要过程如下： （1）在AutoCAD安装目录下的Support子目录中的ACAD.MNU中* * *POP10后面加入* * *POP11，增加一个自定义的主菜单项如名为“Fractal”，在其后增添已经能运行的新命令作为菜单项，同时先加载应用程序。假设执行程序在E盘，命令名及程序名均为“Lsystem” 的语句为：

ID_U Lsystem [&Lsystem]^C^C(arxload \"E:/ Lsystem /Debug/ Lsystem.arx\"); Lsystem;^P （2）启动AutoCAD后执行 Menu命令加载以定制的菜单文件，这时可看到自定制的菜单“Fractal”以加到AutoCAD的标准菜单“help”之后了。这样，以后在点击该菜单会自动加载程序并运行此命令，如同使用AutoCAD的固有命令一样方便。 3.8 自定义工具条的生成

如果认为只有命令名的下拉菜单不够直观，可生成带有图标的工具条。工具条是快速、高效的启动AutoCAD的一种途径，这样点击图标也会自动加载程序并运行该命令，提高绘图效率。步骤如下：

（1）创建一个新工具条。

（2）定制工具条属性和图标。包括工具条按钮名称、图标、按钮注释信息以及与该按钮对应的命令。打开Toolbar对话框，右击工具条，启动Button Properties对话框，在Macro文本框中加载一个Autolisp程序，如本例为：

^C^C(arxload \"E:/Shu/Debug/Shu.arx\");Shu;^P 然后在Button Icon区单击Edit，打开Button Editor对话框定制图标。定制完毕后新的工具条已出现在AutoCAD中。 3.9 程序的运行结果

启动AutoCAD，无论是点击工具条或者下拉菜单都执行此命令。首先出现对话框，如图1所示。按要求依次设定参数，输入的参数如符合要求，即运行程序，生成所需图形。

这是一个L—系统的通用程序。该方法主要用于生成新颖图案以及模拟植物。由于字符和

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产生式是确定的，故该模型不是随机的。它经过几何解释及对数据进行变换和真实性处理，以产生最终图形。图形的复杂程度随字符和产生式而定。某些形式看虽然很简短的产生式，未必生成简单结构的图形。应用很简单，只要自己构思生成文法规则，给定指定的参数，即可立即绘出不同递归层次的图形。该方法对于分形图形的其它生成方法如随机L系统，迭代函数IFS方法以及随机插值法等也同样适用，图3是本系统的几个设计应用图例。

图1 分形图形生成界面　

　　　　　　　　　　　 图2 程序运行结果

图3 设计图例

由于是在AutoCAD中产生的图形，而且图形由基本图素组成，继而可使用AutoCAD的工具对每个图素单元进行编辑、修改、叠加、增加个人属性等等，有别于其他的剪贴图片。基于此点，原程序中一般不加入颜色、线型等属性。而有如使用AutoCAD的基本命令一样，主张个性化，由用户修改属性或随层确定。

4 结 束 语

本文首次提出用ObjectARX开发分形的应用程序，实现了参数化的分形系统设计。

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VisualC++与AutoCAD相结合，为CAD工作提供了极其强大而有效的手段。分形图形与AutoCAD相结合，成为AutoCAD的一个新实体，扩充了AutoCAD的绘图功能，运行该程序时，可进行交互输入产生所需的图形，实用方便。通过计算机的图形显示，可以表达出这些无限嵌套的精细内容，使分形之美充分的体现出来，有利于分形理论的发展；同时将分形图形放到了AutoCAD的图形编辑器中，如虎添翼，十分快捷方便。有望成为设计师的好助手，具有潜在的商业价值。尤其在当前，创意制作，平面设计，图案造型设计非常流行的时代，当设计师四处寻找艺术灵感，自感江郎才尽时，这些令人叹为观止的分形图案，定会使人耳目一新。而参数化技术使得使用者不必去考虑望而生畏的数学理论、计算机算法和程序。作为普通人，也可以创作出独具特色的艺术图形。可以肯定分形图案在自然界真实物体模拟、仿真形体生成、计算机动画、艺术装饰纹理、图案设计和创意制作等具有广泛的应用价值。

参 考 文 献

[1] 齐东旭. 分形及其计算机生成[M]. 北京: 科学出版社, 1994.

[2] 郭冬梅. 计算机分形图形技术的研究[J]. 计算机应用, 2000(增刊): 47~49.

[3] 贾瑞玉. 分形几何在图案造型设计中的应用[J]. 安徽大学学报(自然科学版), 1999(3): 67~70. [4] 陈昭炯. 一个实用的分形CAD系统设计[J]. 福州大学学报(自然科学版), 1999(2): 15~18.

The Realization of Parametric Design for Fractal

Graphics in AutoCAD

GUO Dong-mei Liu Guangwu

(The 8357 Research Institute of the 3rd Research Academacy of CAMEC, Tianjin 30014, China)

SUN Lan-feng

(Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Abstract: This paper introduces the technology of parametric design for fractal graphics. Using ObjectARX to develop application programs for second development in AutoCAD, so as to vitalize it in a practical design system directly. An example shows an application to this realization process.

Key words: fractal; parametric design