【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言UML（Unified Modeling Language）UML是由世界著名的面向?qū)ο蠹夹g(shù)專家Grady Booch、Jim Rumbaugh和Ivar Jacobson發(fā)起，在著名的Booch方法、OMT方法和OOSE方法的基礎(chǔ)上，廣泛征求意見(jiàn)，集眾家之長(zhǎng)，幾經(jīng)修改而完成的[16]。設(shè)計(jì)者們?yōu)閁ML設(shè)定的目標(biāo)是：1) 運(yùn)用面向?qū)ο蟾拍顏?lái)構(gòu)造系統(tǒng)模型（不僅僅是針對(duì)軟件）。2) 建立起從概念模型直至可執(zhí)行體之間明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。3) 著眼于那些有重大影響的問(wèn)題。4) 創(chuàng)建一種對(duì)人和機(jī)器都適用的建模語(yǔ)言。UML采用了一整套成熟的建模技術(shù)，廣泛適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。它得到了工業(yè)界的廣泛支持，人們普遍認(rèn)為UML定將成為工業(yè)界廣泛接受的一種標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言。在美國(guó)，截至1996年10月，UML已經(jīng)獲得工業(yè)界和科技界的廣泛支持，有700多家公司表示將采用UML語(yǔ)言作為建模語(yǔ)言。（Object Management Group）批準(zhǔn)作為標(biāo)準(zhǔn)，這標(biāo)志著近15年來(lái)面向?qū)ο蠹夹g(shù)中關(guān)于建模語(yǔ)言的爭(zhēng)論暫時(shí)告一段落[17] [18]。我們認(rèn)為，在世界范圍內(nèi)，至少在近10年，如同80年代的C語(yǔ)言和90年代的C++語(yǔ)言那樣，UML將成為面向?qū)ο蠹夹g(shù)領(lǐng)域內(nèi)占主導(dǎo)地位的標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言。我們還認(rèn)為，采用UML作為我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言是完全必要的：首先是因?yàn)檫^(guò)去數(shù)十種面向?qū)ο蟮慕ＵZ(yǔ)言都是相互獨(dú)立地發(fā)展的，UML可以消除一些潛在的不必要的差異，以免用戶混淆；其次，通過(guò)統(tǒng)一語(yǔ)義和符號(hào)表示，能夠穩(wěn)定我國(guó)的面向?qū)ο蠹夹g(shù)市場(chǎng)，使項(xiàng)目植根于一個(gè)成熟的標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言；同時(shí)也可大大拓寬相應(yīng)的支持工具和開(kāi)發(fā)環(huán)境的應(yīng)用領(lǐng)域，從而可以加強(qiáng)領(lǐng)域分析和軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的能力[19]。總之，面向?qū)ο蠹夹g(shù)是軟件產(chǎn)業(yè)的主要技術(shù)支柱之一，至少在近10年內(nèi)，應(yīng)該積極提倡采用標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言UML進(jìn)行建模。 VC++ Visual C++是微軟公司推出的一種功能強(qiáng)大而復(fù)雜的C++編譯器，它是目前PC 機(jī)上最優(yōu)秀的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。它把完全的可視化與真正的面向?qū)ο蠹癈++的高效率、高性能完美地結(jié)合起來(lái)[20]。它提供了功能最強(qiáng)大的Windows 應(yīng)用框架，微軟基本類庫(kù)(MFC)封裝了Win 32 API 的函數(shù)，提供了大量編寫(xiě)好的代碼實(shí)現(xiàn)多數(shù)Windows標(biāo)準(zhǔn)操作。在Visual C++中，編寫(xiě)程序時(shí)，可以使用SDK（軟件開(kāi)發(fā)包）調(diào)用Windows本身提供的Win32 API 函數(shù)編程，也可以利用MFC 封裝的類庫(kù)編寫(xiě)程序，而最方便的是利用APP Wizard 向?qū)Ы⒊绦虻闹黧w部分[21]。 VC++作為世界最為流行的編程工具[22]，許多其他類型軟件都為它提供了相應(yīng)的接口及RAD(快速應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具)開(kāi)發(fā)向?qū)?。Open CASCADE幾何內(nèi)核就為VC++提供了OCAF（Open CASCADE Application Frame）的開(kāi)發(fā)向?qū)А?Open CASCADE幾何內(nèi)核Open CASCADE幾何內(nèi)核技術(shù)是一個(gè)免費(fèi)開(kāi)源的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它包括3D曲面和實(shí)體建模組件、可視化組件、數(shù)據(jù)交換組件和適合快速開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架（Application Framework ,AF）. Open CASCADE技術(shù)可以用于數(shù)字仿真軟件的開(kāi)發(fā)，包括CAD/CAM/CAE，AEC、GIS和PDM應(yīng)用程序。該技術(shù)是九十年代中期出現(xiàn)的，已經(jīng)被許多不同領(lǐng)域的商業(yè)客戶用來(lái)開(kāi)發(fā)自己的軟件產(chǎn)品[23]。所謂幾何內(nèi)核實(shí)際上就是一個(gè)類庫(kù)，里面定義了圖形數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式以及大量的圖形算法， Open CASCADE類庫(kù)是為了方便了精細(xì)設(shè)計(jì)應(yīng)用的快速設(shè)計(jì)面向?qū)ο蟮念悗?kù)?；贠pen CASCADE的應(yīng)用程序可以開(kāi)發(fā)處理二維、三維幾何模型等其他目的的CAD系統(tǒng)，比如說(shuō)，制造或分析應(yīng)用、仿真應(yīng)用等。Open CASCADE類庫(kù)可以幫助開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行快速開(kāi)發(fā)。 本章小結(jié) 本章介紹了《工程圖學(xué)》教學(xué)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，提出利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和CAI技術(shù)結(jié)合的方式來(lái)解決當(dāng)今《工程圖學(xué)》中存在的問(wèn)題，以提高學(xué)生的空間想象能力；對(duì)本課題的背景、目的、意義、主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹；并對(duì)所要使用的開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行介紹。7山東大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章 基于UML的虛擬三維建模平臺(tái)的總體設(shè)計(jì) UML概述從普遍意義上說(shuō),UML是一種語(yǔ)言。語(yǔ)言的基本含義是一套按照特定規(guī)則和模式組成的符號(hào)系統(tǒng)，能被熟悉該符號(hào)系統(tǒng)的人或物使用。自然語(yǔ)言用于熟悉該語(yǔ)言的人群之間的交流，編程語(yǔ)言用于編程人員與計(jì)算機(jī)的交流。比如機(jī)械制圖也是一種語(yǔ)言，它用于工程技術(shù)人員與工人之間的交流。UML作為一種建模語(yǔ)言，則用于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員之間、開(kāi)發(fā)人員與用戶之間的交流。需要說(shuō)明的是，UML是一種建模評(píng)議，而不是一種方法，在原理上，任何方法都應(yīng)由建模語(yǔ)言和建模過(guò)程兩部分所構(gòu)成，其中建模語(yǔ)言提供的這種方法中用于表示設(shè)計(jì)的符號(hào)（通常是圖形符號(hào)）；建模過(guò)程則描述進(jìn)行設(shè)計(jì)所需要遵循的步驟。標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言UML統(tǒng)一了面向?qū)ο蠼５幕靖拍?、術(shù)語(yǔ)及其圖形符號(hào)，為人們建立了便于交流的共同語(yǔ)言。然而，人們可以根據(jù)所開(kāi)發(fā)軟件的類型、環(huán)境和條件下，選用不同的建模過(guò)程[24]。UML是國(guó)際上先進(jìn)的用于軟件分析與設(shè)計(jì)的統(tǒng)一建模語(yǔ)言，在全世界得到了廣泛的支持和應(yīng)用，已經(jīng)成為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)了[25]。 UML進(jìn)行平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)的意義對(duì)于一個(gè)問(wèn)題的解決，通常把這個(gè)問(wèn)題視為一個(gè)模型來(lái)對(duì)待，要解決這個(gè)問(wèn)題，首先要對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行建模，然后再利用各種學(xué)科的知識(shí)來(lái)進(jìn)行解答。模型建立的好壞，直接影響著對(duì)于問(wèn)題的處理結(jié)果，所以建模是一個(gè)很重要的步驟，基于UML的虛擬三維建模平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)就是一個(gè)建模過(guò)程[26]。各種工程學(xué)科都有其豐富的建模運(yùn)用歷史，這些經(jīng)驗(yàn)形成了建模的幾條原則，如下[27] [28] [29]：l 選擇要?jiǎng)?chuàng)建什么模型，對(duì)如何動(dòng)手解決問(wèn)題和如何形成解決方案有著意義深遠(yuǎn)的影響。換句話說(shuō)，就是要好好地選擇模型。正確的模型將清楚地表明最棘手的開(kāi)發(fā)問(wèn)題；錯(cuò)誤的模型將使人誤入歧途，把精力花在不相關(guān)的問(wèn)題上。對(duì)于軟件而言，所選擇的模型將在很大程度上決定于開(kāi)發(fā)人員對(duì)該領(lǐng)域的看法。如果以面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)者的觀點(diǎn)建造一個(gè)系統(tǒng)，將可能得到這樣一個(gè)系統(tǒng)：它的體系結(jié)構(gòu)以一組類和交互模式（指出類如何一起工作）為中心?？蓤?zhí)行的模型對(duì)測(cè)試有很大幫助。經(jīng)驗(yàn)表明，在構(gòu)建有彈力的體系結(jié)構(gòu)中面向?qū)ο蟮姆椒ū憩F(xiàn)得更為出眾。在UML中匯入了面向?qū)ο箢I(lǐng)域中很多人的思想，這些思想是依據(jù)最優(yōu)秀的面向?qū)ο蠓椒ê拓S富的計(jì)算機(jī)科學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)綜合提煉而成的；消除過(guò)去數(shù)十種建模語(yǔ)言之間的不必要的差異，以免用戶混淆；通過(guò)統(tǒng)一語(yǔ)義和符號(hào)表示，為人們建立了一個(gè)便于交流的語(yǔ)言。本課題是使用面向?qū)ο蠓椒▉?lái)進(jìn)行建模的。使用的開(kāi)發(fā)工具為VC++編程工具和Open CASCADE幾何內(nèi)核，它們都是面對(duì)對(duì)象技術(shù)的典型代表，具有封裝性，繼承性，多態(tài)性這三大特點(diǎn)。l 可以在不同的精度級(jí)別上表示每一種模型。在任何情況下，最好的模型應(yīng)該是這樣的：它可以讓你根據(jù)誰(shuí)在進(jìn)行觀察以及為什么要觀察選擇它的詳細(xì)程度。分析人員或最終用戶主要考慮“做什么”的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)人員主要考慮“怎樣做”的問(wèn)題。這些人員都要在不同的時(shí)間以不同的詳細(xì)程度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可視化。 　本課題使用了UML中的用例圖和類圖來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，用例圖用來(lái)建構(gòu)用戶需求與系統(tǒng)功能之間的關(guān)系，類圖用來(lái)構(gòu)建實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要類模型。用例圖的精度級(jí)別分為三層，系統(tǒng)層、事務(wù)管理層和事務(wù)層，在系統(tǒng)層中分析系統(tǒng)的總體需求，事務(wù)管理層用于管理和組織具體事務(wù)，事務(wù)層用于設(shè)計(jì)事務(wù)解決方案，即設(shè)計(jì)事務(wù)流程。l 單個(gè)模型或視圖是不充分的,對(duì)每個(gè)重要的系統(tǒng)最好用一組幾乎獨(dú)立的模型從多個(gè)視角去逼近。在《工程制圖》中，單一視圖無(wú)法描述機(jī)件的所有細(xì)節(jié)，這就需要用三視圖來(lái)從不同角度來(lái)反應(yīng)同一機(jī)件。視圖與視圖之間是獨(dú)立的、相互聯(lián)系的，它們共同從多視角來(lái)描述機(jī)件的形體特征。面向?qū)ο蟮能浖到y(tǒng)也如此。為了理解系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，需要幾個(gè)互補(bǔ)和連鎖的視圖，UML提供了解決方案如下：用例視圖（揭示系統(tǒng)的需求）、設(shè)計(jì)視圖（捕獲問(wèn)題空間和解空間里的詞匯）、交互視圖（展示系統(tǒng)各部分之間以及系統(tǒng)與環(huán)境之間的聯(lián)系）、實(shí)現(xiàn)視圖（描述系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)）和部署視圖（著眼于系統(tǒng)的工程問(wèn)題），每一種視圖都可能有結(jié)構(gòu)方面和行為方面，這些視圖一起從整體上描繪了軟件藍(lán)圖。UML提供了9種圖來(lái)從不同應(yīng)用層次和不同角度為軟件系統(tǒng)從系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)直至實(shí)現(xiàn)提供了有力支持，使用這9種圖可以描繪任何復(fù)雜的系統(tǒng)。本課題選用了UML提供的用例視圖和類圖。用例視圖用以分析系統(tǒng)的需求情況，并以用例視圖驅(qū)動(dòng)生成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)視圖，即類圖；類圖是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的物理層。 總之，面向?qū)ο蠹夹g(shù)是當(dāng)今軟件產(chǎn)業(yè)的主要技術(shù)之一，UML吸收了這一領(lǐng)域許多先進(jìn)的思想，因此，利用UML可以構(gòu)建一個(gè)有彈力的體系結(jié)構(gòu)；UML類似于自然語(yǔ)言，可以從不同應(yīng)用層次和不同角度為軟件系統(tǒng)從系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)直至實(shí)現(xiàn)提供了有力支持；UML提供了靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型兩種模式來(lái)描述系統(tǒng)，允許開(kāi)發(fā)人員從多視角來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，本課題采用了靜態(tài)模型來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體框架。[30]。 UML總體設(shè)計(jì)思路眾所周知，一種自然語(yǔ)言一般由字、詞、句、段、篇等部分組成。由字組成詞，由詞組成句，由句組成段，由段組成篇。類似地，UML由模型元素、擴(kuò)展機(jī)制、圖及視圖等部分構(gòu)成。由模型元素或擴(kuò)展機(jī)制構(gòu)成圖，由圖構(gòu)成視圖。模型元素是構(gòu)成圖的最基本的元素。UML定義了9種不同的圖。9種圖分為兩類：一類是靜態(tài)圖，包括用例圖、類圖、對(duì)象圖、組件圖和配置圖；另一類是動(dòng)態(tài)圖，包括序列圖、協(xié)作圖、狀態(tài)圖和活動(dòng)圖[31]。以上是UML組成元件的大體介紹，我們就是通過(guò)這些UML規(guī)范化的符號(hào)來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模的，本課題使用了UML的靜態(tài)圖（用例圖和類圖）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)建模，用例圖是對(duì)系統(tǒng)需求進(jìn)行分析，也是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的起點(diǎn)，由用例圖來(lái)驅(qū)動(dòng)建模過(guò)程；類圖是系統(tǒng)的核心部分，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。用例圖主要描述系統(tǒng)和外部環(huán)境的關(guān)系和系統(tǒng)所能提供的服務(wù)，圖中包含系統(tǒng)、活動(dòng)者以及元素之間的各種關(guān)系。因此，本課題的用例圖部分的設(shè)計(jì)思路為：首先，用自然語(yǔ)言描述系統(tǒng)的功能需求；其次,把系統(tǒng)看作黑盒，從外部活動(dòng)者的角度來(lái)理解系統(tǒng)，描述活動(dòng)者所需要完成的事務(wù)；最后，用UML的模型元素來(lái)進(jìn)行用例圖的建模。當(dāng)然，用例圖的建立是分階段、分層次的，本課題對(duì)系統(tǒng)層及模型庫(kù)管理用例進(jìn)行分析，從而得到用例圖。類圖的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，類圖分為實(shí)體類和接口類兩部分，它們的設(shè)計(jì)思路如下：首先，類圖是由用例圖驅(qū)動(dòng)的，通過(guò)一定的識(shí)別方法識(shí)別出實(shí)體類和接口類；其次，分析類類之間的關(guān)系，建立類關(guān)聯(lián)表；最后，利用UML模型元素來(lái)制作類圖[32]。 UML對(duì)系統(tǒng)的建模過(guò)程建模過(guò)程描述的是做什么、怎么做、什么時(shí)候做以及為什么要做，描述一組按某種順序完成的活動(dòng)。利用UML工具來(lái)對(duì)虛擬三維建模平臺(tái)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，在已產(chǎn)生的軟件過(guò)程中，Rational統(tǒng)一過(guò)程（Rational Unified Process, RUP）是目前最具有普遍意義的開(kāi)發(fā)過(guò)程。RUP的核心思想是：用例驅(qū)動(dòng)、迭代化開(kāi)發(fā)。虛擬現(xiàn)實(shí)三維建模平臺(tái)的建模過(guò)程吸取RUP的思想，借鑒RUP的過(guò)程成分“需求分析”及“分析與設(shè)計(jì)”中的工作流程，將建模過(guò)程劃分為以下幾個(gè)活動(dòng)[33]。l 系統(tǒng)描述l 事務(wù)描述l 設(shè)計(jì)用例模型l 設(shè)計(jì)實(shí)體類模型l 設(shè)計(jì)接口類模型系統(tǒng)描述和事務(wù)描述是設(shè)計(jì)用例模型的前提，是一個(gè)用自然語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)需求進(jìn)行描述的過(guò)程；設(shè)計(jì)用例模型是開(kāi)發(fā)過(guò)程的起點(diǎn)，用例模型驅(qū)動(dòng)著系統(tǒng)的整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程；類模型是面向?qū)ο蠓治龅暮诵?，類圖是定義其他圖的基礎(chǔ)。用例就是通過(guò)類之間的交互實(shí)現(xiàn)的；實(shí)體類為代表了應(yīng)用領(lǐng)域的核心內(nèi)容，它的作用是用來(lái)持久地保存應(yīng)用程序的實(shí)體，同時(shí)提供驅(qū)動(dòng)應(yīng)用程序中大多數(shù)的交互服務(wù)；接口類模型描述系統(tǒng)活動(dòng)者與系統(tǒng)交互的界面。 系統(tǒng)描述本節(jié)用自然語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述，了解系統(tǒng)的整體情況，包括系統(tǒng)用途、功能及實(shí)現(xiàn)的過(guò)程等等。該平臺(tái)的主要用于三維模型的建立，同時(shí)具有觀察三視圖的功能，及其他不同的接口。系統(tǒng)的整體情況如下：用戶首先登錄系統(tǒng)，用戶分管理員和一般用戶。管理者可以進(jìn)行模型庫(kù)的管理，即建立模型保存至模型庫(kù)中、把模型庫(kù)中的模型刪除、其他格式模型導(dǎo)入模型庫(kù)等操作，建立的模型庫(kù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以供用戶使用；還可以修改系統(tǒng)密碼、退出系統(tǒng)等。一般用戶以guest形式進(jìn)入系統(tǒng)，進(jìn)入系統(tǒng)可以觀察模型庫(kù)中的三維模型，也可以建立模型，但無(wú)法保存入模型庫(kù)；無(wú)法修改系統(tǒng)，可以退出系統(tǒng)。 主界面包括菜單及圖形工具欄、顯示區(qū)、控制區(qū)；菜單中有用戶登錄、模型庫(kù)管理、修改密碼、退出系統(tǒng)等；管理者進(jìn)入系統(tǒng)后，菜單項(xiàng)中的模型庫(kù)管理可以實(shí)現(xiàn)如下操作：瀏覽模型、新建模型并保存至模型庫(kù)、刪除模型、導(dǎo)入模型，管理者還可以執(zhí)行修改系統(tǒng)密碼及退出系統(tǒng)操作；一般用戶進(jìn)入系統(tǒng)后，菜單項(xiàng)中模型庫(kù)管理只能進(jìn)行瀏覽操作、新建模型（不可保存至模型庫(kù)），一般用戶不允許修改密碼，但是可以退出系統(tǒng)；圖形工具欄是三維環(huán)境的快捷控制菜單；顯示區(qū)包括主顯示區(qū)、第一視圖顯示區(qū)、第二視圖顯示區(qū)、第三視圖顯示區(qū)；控制區(qū)用于控制模型的生成過(guò)程的區(qū)域。 從對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述中，我們可以看出系統(tǒng)需要處理的事務(wù)有：用戶登錄、模型庫(kù)管理、修改密碼及退出系統(tǒng)。其中模型庫(kù)管理細(xì)分為：瀏覽模型、新建模型、刪除模型、導(dǎo)入模型四個(gè)事務(wù)。注：一般用戶暫時(shí)沒(méi)有向模型庫(kù)添加模型的權(quán)限，可以根據(jù)不同的需要進(jìn)行相應(yīng)的修改。 事務(wù)描述事務(wù)即系統(tǒng)所需要完成功能的處理過(guò)程，對(duì)事務(wù)的描述就是對(duì)實(shí)現(xiàn)功能的流程描述，從上一小節(jié)的系統(tǒng)描述我們可以分析出系統(tǒng)有哪些需要完成的事務(wù)，在些基礎(chǔ)上，我們從系統(tǒng)層和服務(wù)層的角度來(lái)對(duì)具體事務(wù)進(jìn)行分析，從而得到最終功能實(shí)現(xiàn)的流程圖。系統(tǒng)層的事務(wù)有：用戶登錄、模型庫(kù)管理、修改密碼及退出系統(tǒng)。其中模型庫(kù)管理細(xì)分為：瀏覽模型、新建模型、刪除模型、導(dǎo)入模型四個(gè)事務(wù)。 用戶登錄程序一進(jìn)入的時(shí)候就是用戶登錄界面，用戶分為管理者和一般用戶(guest)，管理者可以訪問(wèn)模型庫(kù)，也可以在模型庫(kù)中建立、刪除其中的模型；一般用戶沒(méi)有管理模型庫(kù)的權(quán)限(即在模型庫(kù)中建立、刪除模型),僅可以