【文章內容簡介】 標準建模語言UML（Unified Modeling Language）UML是由世界著名的面向對象技術專家Grady Booch、Jim Rumbaugh和Ivar Jacobson發(fā)起，在著名的Booch方法、OMT方法和OOSE方法的基礎上，廣泛征求意見，集眾家之長，幾經修改而完成的[16]。設計者們?yōu)閁ML設定的目標是：1) 運用面向對象概念來構造系統(tǒng)模型（不僅僅是針對軟件）。2) 建立起從概念模型直至可執(zhí)行體之間明顯的對應關系。3) 著眼于那些有重大影響的問題。4) 創(chuàng)建一種對人和機器都適用的建模語言。UML采用了一整套成熟的建模技術，廣泛適用于各種應用領域。它得到了工業(yè)界的廣泛支持，人們普遍認為UML定將成為工業(yè)界廣泛接受的一種標準建模語言。在美國，截至1996年10月，UML已經獲得工業(yè)界和科技界的廣泛支持，有700多家公司表示將采用UML語言作為建模語言。（Object Management Group）批準作為標準，這標志著近15年來面向對象技術中關于建模語言的爭論暫時告一段落[17] [18]。我們認為，在世界范圍內，至少在近10年，如同80年代的C語言和90年代的C++語言那樣，UML將成為面向對象技術領域內占主導地位的標準建模語言。我們還認為，采用UML作為我國的標準建模語言是完全必要的：首先是因為過去數(shù)十種面向對象的建模語言都是相互獨立地發(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，通過統(tǒng)一語義和符號表示，能夠穩(wěn)定我國的面向對象技術市場，使項目植根于一個成熟的標準建模語言；同時也可大大拓寬相應的支持工具和開發(fā)環(huán)境的應用領域，從而可以加強領域分析和軟件設計開發(fā)的能力[19]?？傊?，面向對象技術是軟件產業(yè)的主要技術支柱之一，至少在近10年內，應該積極提倡采用標準建模語言UML進行建模。 VC++ Visual C++是微軟公司推出的一種功能強大而復雜的C++編譯器，它是目前PC 機上最優(yōu)秀的應用程序開發(fā)環(huán)境。它把完全的可視化與真正的面向對象及C++的高效率、高性能完美地結合起來[20]。它提供了功能最強大的Windows 應用框架，微軟基本類庫(MFC)封裝了Win 32 API 的函數(shù)，提供了大量編寫好的代碼實現(xiàn)多數(shù)Windows標準操作。在Visual C++中，編寫程序時，可以使用SDK（軟件開發(fā)包）調用Windows本身提供的Win32 API 函數(shù)編程，也可以利用MFC 封裝的類庫編寫程序，而最方便的是利用APP Wizard 向導建立程序的主體部分[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的接口及RAD(快速應用程序開發(fā)工具)開發(fā)向導。Open CASCADE幾何內核就為VC++提供了OCAF（Open CASCADE Application Frame）的開發(fā)向導。 Open CASCADE幾何內核Open CASCADE幾何內核技術是一個免費開源的軟件開發(fā)平臺，它包括3D曲面和實體建模組件、可視化組件、數(shù)據交換組件和適合快速開發(fā)的應用程序開發(fā)框架（Application Framework ,AF）. Open CASCADE技術可以用于數(shù)字仿真軟件的開發(fā)，包括CAD/CAM/CAE，AEC、GIS和PDM應用程序。該技術是九十年代中期出現(xiàn)的，已經被許多不同領域的商業(yè)客戶用來開發(fā)自己的軟件產品[23]。所謂幾何內核實際上就是一個類庫，里面定義了圖形數(shù)據的存儲格式以及大量的圖形算法， Open CASCADE類庫是為了方便了精細設計應用的快速設計面向對象的類庫?；贠pen CASCADE的應用程序可以開發(fā)處理二維、三維幾何模型等其他目的的CAD系統(tǒng)，比如說，制造或分析應用、仿真應用等。Open CASCADE類庫可以幫助開發(fā)人員進行快速開發(fā)。 本章小結 本章介紹了《工程圖學》教學的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，提出利用虛擬現(xiàn)實技術和CAI技術結合的方式來解決當今《工程圖學》中存在的問題，以提高學生的空間想象能力；對本課題的背景、目的、意義、主要內容及創(chuàng)新點進行簡單介紹；并對所要使用的開發(fā)工具進行介紹。7山東大學碩士學位論文第2章 基于UML的虛擬三維建模平臺的總體設計 UML概述從普遍意義上說,UML是一種語言。語言的基本含義是一套按照特定規(guī)則和模式組成的符號系統(tǒng)，能被熟悉該符號系統(tǒng)的人或物使用。自然語言用于熟悉該語言的人群之間的交流，編程語言用于編程人員與計算機的交流。比如機械制圖也是一種語言，它用于工程技術人員與工人之間的交流。UML作為一種建模語言，則用于系統(tǒng)開發(fā)人員之間、開發(fā)人員與用戶之間的交流。需要說明的是，UML是一種建模評議，而不是一種方法，在原理上，任何方法都應由建模語言和建模過程兩部分所構成，其中建模語言提供的這種方法中用于表示設計的符號（通常是圖形符號）；建模過程則描述進行設計所需要遵循的步驟。標準建模語言UML統(tǒng)一了面向對象建模的基本概念、術語及其圖形符號，為人們建立了便于交流的共同語言。然而，人們可以根據所開發(fā)軟件的類型、環(huán)境和條件下，選用不同的建模過程[24]。UML是國際上先進的用于軟件分析與設計的統(tǒng)一建模語言，在全世界得到了廣泛的支持和應用，已經成為事實上的工業(yè)標準了[25]。 UML進行平臺的總體設計的意義對于一個問題的解決，通常把這個問題視為一個模型來對待，要解決這個問題，首先要對這個問題進行建模，然后再利用各種學科的知識來進行解答。模型建立的好壞，直接影響著對于問題的處理結果，所以建模是一個很重要的步驟，基于UML的虛擬三維建模平臺的總體設計就是一個建模過程[26]。各種工程學科都有其豐富的建模運用歷史，這些經驗形成了建模的幾條原則，如下[27] [28] [29]：l 選擇要創(chuàng)建什么模型，對如何動手解決問題和如何形成解決方案有著意義深遠的影響。換句話說，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發(fā)問題；錯誤的模型將使人誤入歧途，把精力花在不相關的問題上。對于軟件而言，所選擇的模型將在很大程度上決定于開發(fā)人員對該領域的看法。如果以面向對象開發(fā)者的觀點建造一個系統(tǒng)，將可能得到這樣一個系統(tǒng)：它的體系結構以一組類和交互模式（指出類如何一起工作）為中心?？蓤?zhí)行的模型對測試有很大幫助。經驗表明，在構建有彈力的體系結構中面向對象的方法表現(xiàn)得更為出眾。在UML中匯入了面向對象領域中很多人的思想，這些思想是依據最優(yōu)秀的面向對象方法和豐富的計算機科學實踐經驗綜合提煉而成的；消除過去數(shù)十種建模語言之間的不必要的差異，以免用戶混淆；通過統(tǒng)一語義和符號表示，為人們建立了一個便于交流的語言。本課題是使用面向對象方法來進行建模的。使用的開發(fā)工具為VC++編程工具和Open CASCADE幾何內核，它們都是面對對象技術的典型代表，具有封裝性，繼承性，多態(tài)性這三大特點。l 可以在不同的精度級別上表示每一種模型。在任何情況下，最好的模型應該是這樣的：它可以讓你根據誰在進行觀察以及為什么要觀察選擇它的詳細程度。分析人員或最終用戶主要考慮“做什么”的問題，開發(fā)人員主要考慮“怎樣做”的問題。這些人員都要在不同的時間以不同的詳細程度對系統(tǒng)進行可視化。 　本課題使用了UML中的用例圖和類圖來對系統(tǒng)進行建模，用例圖用來建構用戶需求與系統(tǒng)功能之間的關系，類圖用來構建實現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要類模型。用例圖的精度級別分為三層，系統(tǒng)層、事務管理層和事務層，在系統(tǒng)層中分析系統(tǒng)的總體需求，事務管理層用于管理和組織具體事務，事務層用于設計事務解決方案，即設計事務流程。l 單個模型或視圖是不充分的,對每個重要的系統(tǒng)最好用一組幾乎獨立的模型從多個視角去逼近。在《工程制圖》中，單一視圖無法描述機件的所有細節(jié)，這就需要用三視圖來從不同角度來反應同一機件。視圖與視圖之間是獨立的、相互聯(lián)系的，它們共同從多視角來描述機件的形體特征。面向對象的軟件系統(tǒng)也如此。為了理解系統(tǒng)的體系結構，需要幾個互補和連鎖的視圖，UML提供了解決方案如下：用例視圖（揭示系統(tǒng)的需求）、設計視圖（捕獲問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）、實現(xiàn)視圖（描述系統(tǒng)的物理實現(xiàn)）和部署視圖（著眼于系統(tǒng)的工程問題），每一種視圖都可能有結構方面和行為方面，這些視圖一起從整體上描繪了軟件藍圖。UML提供了9種圖來從不同應用層次和不同角度為軟件系統(tǒng)從系統(tǒng)分析、設計直至實現(xiàn)提供了有力支持，使用這9種圖可以描繪任何復雜的系統(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，并以用例視圖驅動生成系統(tǒng)的設計視圖，即類圖；類圖是系統(tǒng)實現(xiàn)功能的物理層。 總之，面向對象技術是當今軟件產業(yè)的主要技術之一，UML吸收了這一領域許多先進的思想，因此，利用UML可以構建一個有彈力的體系結構；UML類似于自然語言，可以從不同應用層次和不同角度為軟件系統(tǒng)從系統(tǒng)分析、設計直至實現(xiàn)提供了有力支持；UML提供了靜態(tài)模型和動態(tài)模型兩種模式來描述系統(tǒng)，允許開發(fā)人員從多視角來對系統(tǒng)進行建模，本課題采用了靜態(tài)模型來設計系統(tǒng)的總體框架。[30]。 UML總體設計思路眾所周知，一種自然語言一般由字、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、擴展機制、圖及視圖等部分構成。由模型元素或擴展機制構成圖，由圖構成視圖。模型元素是構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、對象圖、組件圖和配置圖；另一類是動態(tài)圖，包括序列圖、協(xié)作圖、狀態(tài)圖和活動圖[31]。以上是UML組成元件的大體介紹，我們就是通過這些UML規(guī)范化的符號來對系統(tǒng)進行建模的，本課題使用了UML的靜態(tài)圖（用例圖和類圖）對系統(tǒng)進行靜態(tài)建模，用例圖是對系統(tǒng)需求進行分析，也是系統(tǒng)開發(fā)的起點，由用例圖來驅動建模過程；類圖是系統(tǒng)的核心部分，是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的關鍵。用例圖主要描述系統(tǒng)和外部環(huán)境的關系和系統(tǒng)所能提供的服務，圖中包含系統(tǒng)、活動者以及元素之間的各種關系。因此，本課題的用例圖部分的設計思路為：首先，用自然語言描述系統(tǒng)的功能需求；其次,把系統(tǒng)看作黑盒，從外部活動者的角度來理解系統(tǒng)，描述活動者所需要完成的事務；最后，用UML的模型元素來進行用例圖的建模。當然，用例圖的建立是分階段、分層次的，本課題對系統(tǒng)層及模型庫管理用例進行分析，從而得到用例圖。類圖的設計是實現(xiàn)系統(tǒng)的關鍵部分，類圖分為實體類和接口類兩部分，它們的設計思路如下：首先，類圖是由用例圖驅動的，通過一定的識別方法識別出實體類和接口類；其次，分析類類之間的關系，建立類關聯(lián)表；最后，利用UML模型元素來制作類圖[32]。 UML對系統(tǒng)的建模過程建模過程描述的是做什么、怎么做、什么時候做以及為什么要做，描述一組按某種順序完成的活動。利用UML工具來對虛擬三維建模平臺進行總體設計，在已產生的軟件過程中，Rational統(tǒng)一過程（Rational Unified Process, RUP）是目前最具有普遍意義的開發(fā)過程。RUP的核心思想是：用例驅動、迭代化開發(fā)。虛擬現(xiàn)實三維建模平臺的建模過程吸取RUP的思想，借鑒RUP的過程成分“需求分析”及“分析與設計”中的工作流程，將建模過程劃分為以下幾個活動[33]。l 系統(tǒng)描述l 事務描述l 設計用例模型l 設計實體類模型l 設計接口類模型系統(tǒng)描述和事務描述是設計用例模型的前提，是一個用自然語言對系統(tǒng)需求進行描述的過程；設計用例模型是開發(fā)過程的起點，用例模型驅動著系統(tǒng)的整個開發(fā)過程；類模型是面向對象分析的核心，類圖是定義其他圖的基礎。用例就是通過類之間的交互實現(xiàn)的；實體類為代表了應用領域的核心內容，它的作用是用來持久地保存應用程序的實體，同時提供驅動應用程序中大多數(shù)的交互服務；接口類模型描述系統(tǒng)活動者與系統(tǒng)交互的界面。 系統(tǒng)描述本節(jié)用自然語言對系統(tǒng)進行描述，了解系統(tǒng)的整體情況，包括系統(tǒng)用途、功能及實現(xiàn)的過程等等。該平臺的主要用于三維模型的建立，同時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。管理者可以進行模型庫的管理，即建立模型保存至模型庫中、把模型庫中的模型刪除、其他格式模型導入模型庫等操作，建立的模型庫保存在數(shù)據庫中，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形式進入系統(tǒng)，進入系統(tǒng)可以觀察模型庫中的三維模型，也可以建立模型，但無法保存入模型庫；無法修改系統(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、模型庫管理、修改密碼、退出系統(tǒng)等；管理者進入系統(tǒng)后，菜單項中的模型庫管理可以實現(xiàn)如下操作：瀏覽模型、新建模型并保存至模型庫、刪除模型、導入模型，管理者還可以執(zhí)行修改系統(tǒng)密碼及退出系統(tǒng)操作；一般用戶進入系統(tǒng)后，菜單項中模型庫管理只能進行瀏覽操作、新建模型（不可保存至模型庫），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程的區(qū)域。 從對系統(tǒng)進行描述中，我們可以看出系統(tǒng)需要處理的事務有：用戶登錄、模型庫管理、修改密碼及退出系統(tǒng)。其中模型庫管理細分為：瀏覽模型、新建模型、刪除模型、導入模型四個事務。注：一般用戶暫時沒有向模型庫添加模型的權限，可以根據不同的需要進行相應的修改。 事務描述事務即系統(tǒng)所需要完成功能的處理過程，對事務的描述就是對實現(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，在些基礎上，我們從系統(tǒng)層和服務層的角度來對具體事務進行分析，從而得到最終功能實現(xiàn)的流程圖。系統(tǒng)層的事務有：用戶登錄、模型庫管理、修改密碼及退出系統(tǒng)。其中模型庫管理細分為：瀏覽模型、新建模型、刪除模型、導入模型四個事務。 用戶登錄程序一進入的時候就是用戶登錄界面，用戶分為管理者和一般用戶(guest)，管理者可以訪問模型庫，也可以在模型庫中建立、刪除其中的模型；一般用戶沒有管理模型庫的權限(即在模型庫中建立、刪除模型),僅可以