-----天涯何处有芳草，高山流水觅知音-----

RootSoft

夏瑞孝


我常常心怀感恩，庆幸自己的职业，因为我的职业是软件，而且还是趣味无穷的CAD。
搞软件的最大好处在于你可以异想天开而不会伤害他人，你可以胡编乱造而不会累及自己，你可以大胆尝试而不会损坏设备，你可以屡试屡败而不必付出代价。如果时间也算代价，那么你在屡试屡败中得到的经验和教训就足以回报了。
既然如此，那就可以海阔天空地想，昏天黑地地试，一往无前地做。我个人特别喜欢思考如何提高自动化水平，我的名言（不是名人理应也有说名言的权利）是：能让计算机做的事绝不叫人做。不过，想想可以，真要做起来那是需要有一整块时间的啊，以下四个课题是我想做而没有时间做的，不知您有无兴趣，我们一起做如何？

课题一：线型光顺
背景资料：
在造船行业里，船的外壳通常是用三维坐标系中的三个平面（XY平面、YZ平面、和XZ平面）的网格线（俗称三线或型线）来定型的。船舶设计师根据船舶的用途、吨位、和航速等定出该船的长度、宽度、高度、和外形，同时给出大致的若干条三线。三线到了船厂后，船厂还要对这些三线进行光顺处理，将原有的大致的三线改造得相当光滑和柔顺，既为了美观，也为了减少阻力，然后还要进行插值加密，将原有的三线条数扩大到五至十倍。有了充分多的光顺的三线后，工人师傅就可以有根有据地制造出既美观又保证航速的船舶了。

所谓光顺，并没有严格的理论定义，用同一个光顺软件处理三线，十个人会得出十种不同的结果（因为操作过程中需要较多的人机交互），并且这十种结果都能满足生产需要。从视觉效果上来说，光顺就是光滑和顺畅，该平的平，该圆的圆；从数学概念上来说，单线光顺可以简单归纳为每条单线的一阶导数连续，二阶导数不等于零，或者说每条单线规定的区域内不得有拐点。事实上单线光顺是很简单的数学问题，真正的难点在于三线的同时光顺。

从图中可见，三线其实很像一个网兜，线间的交点是打结的。要是在网兜里放一只西瓜，由西瓜支撑的网兜外形就是光顺的。要是在网兜里放上一堆砖块呢？其结果就可想而知了，为了光顺，我们可以用手指去拉动网兜上的单线，因为线与线之间的交点是重合（打结）的，所以拉动一根单线的同时也带动了与之相交的另一根单线，如果拉动幅度大一点，那就可能同时带动好几根单线，而这好几根单线的拉动又带动了更多的单线，以致于将原本已经光顺的单线变得不光顺了。于是，周而复始、犬牙交错，也许永远也算不出一个最佳的结果来。更甚的是，网兜只是双线的，船舶线型却是三线的，计算复杂度无疑就更高了。

国外的先进软件采用了曲面函数Nurbs，其优点是自动化程度更高，光顺效果更好。缺点是算法太复杂，运行时间长，对原始数据的要求过高，价格昂贵。
国内常用的光顺软件有四个，其优点是对原始数据的要求不高，算法更简单，价格便宜。缺点是自动化程度偏低，对操作者的要求太高，光顺一条船的周期太长。

研发目标：
    我公司已经有自己的光顺软件，但是自动化程度较低，对操作者的要求也较高，因此我们打算重做一个。我们的初步设想是，充分利用如今电脑的高速度，尽可能地让计算机多做一点事，明显减少人工干预，明显降低对操作者的要求，力争做成一个傻瓜软件。国内光顺一条船的周期按船型的大小和简易程度一般为10至20天，我坚信一定能缩短到2至3天。并且光顺结果会好得多。

课题二：自动套排
背景资料：
自动套排就是将一批零件快速紧凑地排放在指定的范围（或区域）内。
自动套排包括一维自动套排、二维自动套排、和三维自动套排。一维自动套排常用于对条状物（角钢、扁铁、钢筋、圆管等）进行套排，因为形状已经固定，只需考虑长度一个因素，所以称作一维自动套排。比如仓库里原有的角钢长度都是12米，如何割出一批3.5米、5米、7.2米的短角钢，使得耗用的长角钢最少，或者说每根长角钢割剩的余料最短。一维自动套排的算法太简单，不必在此讨论。

二维自动套排常用于对平面物（钢板、布料等）进行套排，比如要将一批不同形状的平面小零件套排在一块长16米宽4米的钢板上。因为是在面上套排，所以称作二维自动套排。最佳二维套排是一个十分诱人的课题，拉格朗日和高斯等都曾为此做过大量的工作。因其在造船、机械、服装、飞机和汽车等工业生产中常要用到，有许多科技工作者在这一领域作过艰苦的努力。 六十年代，我国中科院数学所的科学家们也曾试图寻找一种行之有效的算法。然而，由于此类问题的计算复杂度随着问题的“长度”成倍增长，因此，到目前为止，还没有也不可能出现能作“最佳”套排的自动套料软件。于是，人们便致力于寻找各种近似算法，使得计算时间大大减少，其代价是稍稍降低些板材利用率(不是“最佳”套排)。至今在国外，能对任意图形进行自动套排的软件仍属凤毛麟角(不是“最佳”套排)。事实上，在国内工业生产中，普遍采用的先进手段还只是停留在计算机辅助套排阶段〈由操作者选取零件后用鼠标器拖拽，好一点的可由软件进行局部靠拢〉。
   
三维自动套排常用于仓储堆垒、集装箱运输等。在集装箱运输时，常常是将好多个小集装箱放入一个大集装箱，为了提高效率，应该在一个大集装箱里放入尽可能多的小集装箱，由于是在一个特定的“空间”内套排，所以称作三维自动套排。三维自动套排的难度自然更高，不过，由于集装箱的大小规格往往是标准化的，在设计时就已经考虑到套排的有效性，一个大的里面应该放几个小的，工人们都已熟记在心，所以根本就用不着套排了。

研发目标：
我公司已经有自己的二维自动套排软件，并且已在十几家工厂投入运行，到目前为止仍是国内唯一的“自动”套排软件（由软件自动选取合适的零件，自动放到合适的位置，然后还可以由人工拖拽调整），那是我在八十年代末用业余时间在DOS下开发的。如今用户纷纷要求我将该软件移植到WINDOWS下，可是我不想直接照般，因为现在的电脑速度快得多，内存大得多，我完全可以重新做一个套排效率高得多的。不过，重新做耗时就多，而我又没有那么多时间，所以始终下不了决心。真要做起来，我还是要追求做成傻瓜软件。




课题三：三维照相测量
背景资料：
随着社会文明的发展，随着人民生活水平的提高，城市雕塑必将有一个大发展。高度在三米以下的雕塑通常可以用石头雕凿或用水泥浇灌，也有的用铁水或铜水浇铸。因为高度有限，搭一个脚手架就可以修修补补、精工细作。要是大型雕塑的高度超过50米甚至100米呢，那就要用不锈钢材料逐段焊接而成了，制作这样的大型雕塑，其中的每一段必须一气呵成，在地面上就做好一切，在高空中除了万不得已的焊接和打磨，客观条件已不允许你再做任何修补。为了一气呵成，在地面制作时就必须已经拥有大批准确的三维数据，而这些数据往往是用相当落后的手段测得的。

一般说来，一个大型雕塑件的制作流程大致如下：
1． 雕塑家首先在脑海中构思一个造型，画出该雕塑件的立体效果图，以供初步确认。
2． 雕塑家用塑泥捏制出高度约1米的原型，以供最终确认。
3． 生产厂家将原型固定在一个平台上，以某一层面从四个方向用卡尺伸向原型的不同点，然后测出原型与假想框之间的距离，再将测得数据转换成以原型中心为原点的三维空间值。
4． 以不同的层面反复执行第3步，选取层面越多测得数据就越多，做出的雕塑就越逼真。
5.   连接某一层的空间值，并对连接后的线条作光滑处理，就得到了该层面的型线。再对层与层之间进行连接，就得到了整个原型的三维网格型线。
6.   将网格型线放大十倍，制作一个高度约10米的二级原型，在雕塑家的指导下进行局部修补，同时修改对应的（放大十倍后的）网格型线。
7． 将放大十倍后的网格型线再放大十倍，最终制作一个高度100米的雕塑件。所以要分两次放大，是为了减少误差，三维测量肯定有误差，要是一下子放大100倍，就等于将误差也放大了100倍，有了二级原型后，测量误差就只放大10倍了。

    不要以为雕塑件高于100米是故弄玄虚（上海的国际饭店才75米），2002年我公司曾经参与了海南岛观音菩萨雕像的可行性调研，那是由东南亚华侨发起的，所有资金由华侨筹措，雕像总高（包括莲花座）130米，头部做成三个正面（俯视图接近正三角形），以使任何方向都能看到观音菩萨的正面。

下图表明了对一把茶壶的测量过程。


其实测量点之间和层面之间并不是等距的，具体要看雕塑件的复杂程度，突变多的地方就多选几个点，多选几个层。



想一想吧，这个聪明的办法有多笨。说它聪明，是因为没有比它更简易的办法了，说它笨，是因为人工操作太多了。
目前世界上最先进的手段是激光测量：将原型放入一个四周有激光发射的环境中，然后向着原型密集发射，激光束遇到障碍物时的空间位置就是所测结果。据说我国也已经有了这种设备。激光测量的优点是准确、快速。缺点主要有三，一是激光测量的环境对原型的大小有限制，我想，一个高10米的二级原型必定是无法用激光测量的；二是激光测量对于不可搬动的原型将无能为力，比如自由女神像，比如乐山大佛；三是激光测量的设备代价一定很高，测量一次的价格想必也一定很高。

研发目标：
当初为了建造海南岛观音菩萨雕像，我曾经异想天开，开发一个三维照相测量软件。设想用数码相机有选择地从不同的角度对着原型拍摄至少十几张相片。然后进行图像识别和矢量化，再综合十几张矢量化后的图形信息自动进行三维智能缩放和旋转，最后自动进行光滑处理。光滑后的三维网格图还可以方便地进行人机交互，直至尽善尽美。
本软件的优点是：原型大小不限；实地测量，无须搬动；测得的数据已经在电脑里，无须再人工键入；能自动进行光滑处理；还可作可视化人工调整。
本软件的缺点是：从图像转换到图形时误差较大，好在本软件多用于粗犷豪放的大型雕塑件，外形不会太复杂，且更注重神似，在上述的人工测量和激光测量因只能测量可搬动的小型雕塑件而无能为力时确能弥补不足。再说还可进行人工调整，以保证精确度。

课题四：三维特殊件放样
背景资料：
为了迎接2008北京奥运会，我国在北京建造了奥运会主会场——中国国家体育场（俗称“鸟巢”）。“鸟巢”的设计非常独特，其上千根构架几乎没有一根是垂直的，也没有一根是水平的，并且几乎每一根都是扭曲的。所谓“扭曲”，是指又扭又曲，油条是“扭”的，将其弯成圆弧状就是“曲”的，一根弯曲的油条就是又扭又曲的。要处理“曲”并不很难，几乎所有的CAD软件都能胜任，而要处理“扭”就相当复杂了，少量的扭曲可以用死工夫慢慢“磨”出来，当扭曲件很多时，没有有效的软件支撑简直是难以想象的，“鸟巢”的用钢量多达五万吨，相当于20艘万吨轮，用死工夫慢慢“磨”必将会遥遥无期，毕竟，奥运会不可能推迟到2009年再开。
“鸟巢”因工程浩大，全国有三家大型钢结构企业同时建造，这三家大企业原先都有各自惯用的软件，有些还有自己的软件开发公司或软件开发部门，可是，因为他们的软件不能有效地处理扭曲板件，最后这三家企业都采用了我们公司开发的“三维特型构作”软件。
“三维特型构作”软件可以让操作者方便地绘制扭曲板件，还能自动将其展平后输出，并能在输出图纸上自动标出扭曲加工所需的数据和校核信息。这个过程就称做“放样”。







研发目标：
“鸟巢”已经封顶了，可是“三维特型构作”软件不能止步。我打算从立体几何的层面上再加入一系列的功能，使之能适应目前尚未遇到的甚至尚未想到的特殊结构的放样。特殊件放样对国内的每一家船厂都是难题，应用领域甚广，社会效益极高。




后记
作者夏瑞孝，原华东计算技术研究所系统软件工程师，上海启明软件有限公司研究开发部经理，1999年创办了上海路特软件有限公司（民营企业），任董事长兼总经理。
路特软件有限公司主要开发有自主版权的专用三维图形软件。专业领域涉及造船、钢结构、电力输送铁塔、城市雕塑等，是上海首批被认定的“软件企业”。
优势：到目前为止，我们所开发的软件至少都是国内先进水平，也有的是国内领先或国内唯一，我们有一整套自行开发的图形处理子程序，可以构筑不同行业的专用软件。公司宗旨是“完善自我、追求卓越”
劣势：公司偏小、起步偏高、尚未进入良性循环。

以上设想只是我脑海中的一部分，另有好多设想很难说得清，比如三维自动标注（这是世界难题，我们已经在铁塔放样软件中成功地作过尝试）。因过于专业，不便在此赘述。

这么多趣味无穷的课题，我虽跃跃欲试，却苦于没有时间，公司里的老员工个个忙得不可开交，新招来的觉得太苦又走了，太年轻的觉得太难不敢来，以致我只能空怀壮志。

读者诸君，不知您有无兴趣、有无胆量，我们一起干如何？搞CAD很苦，周期长、销量小，搞CAD很难，常要逼得您绞尽脑汁。但是，搞CAD很有趣，奥妙无穷，发展空间无限。怎样才能让您的工作既能挣钱又有意义呢？作家安德鲁.金布雷尔说过：“找一个能让你身心投入的工作吧，如果你像是听到了上帝的召唤，即使没有收入也会心甘情愿地去从事，那么你的利益和乐趣就都在里面了。”

如果您对以上课题感兴趣，如果您讨厌头脑被约束，如果您自信足够自觉，如果您不至于半途而废，如果您能用C、PASCAL、C++、DELPHI之一熟练编程；
如果您认同我们的追求，如果您正想创业、并且喜欢创新；
那么，让我们携起手来，共同去开创一片我们所向往的天地。
我不希望您只是我们的雇员，我更希望您还是我们的合伙人。


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