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打开CAD内核的奥秘

摘要: 如果一个产业要寻根,就会发现一个万千世界,最后会聚焦到一个点上。“一沙一世界”,一世界满眼千秋,亦不过是投射到一粒沙芥。当下,作为工业主流的数字化设计与制造,都需要用到CAD(计算机辅助设计)这样的工具 ...

如果一个产业要寻根,就会发现一个万千世界,最后会聚焦到一个点上。

“一沙一世界”,一世界满眼千秋,亦不过是投射到一粒沙芥。当下,作为工业主流的数字化设计与制造,都需要用到CAD(计算机辅助设计)这样的工具。而CAD的基础底层支撑,就是通用几何造型平台,也可以称之为几何内核。作为实体造型的关键引擎,许多CAD供应商,都会通过购买或者自研的方式,往上建立自己的CAD功能。

然而从萌芽开始,四十年过去了,这个世界却是笼罩在数学家的神话之下。

而这个世界,仍然无比地狭小。这是一个拿着放大镜也找不到的利基市场。而它却是万神之殿的基座。

01

天才工程师的两枚金蛋

几何造型平台是CAD软件最核心的基础部分,通常称为几何内核,或者叫做几何引擎。一般目前的CAD系统都会提供参数建模方法。

这是一个关于数学家传奇的故事,英国剑桥大学是那个时代最璀璨的光亮之地。剑桥大学CAD实验室的Ian Braid在1973年完成了实体造型的博士论文之后,和导师Charles,以及同窗Alan创办了Shape Data公司,随后开发出第一代实体造型软件Romulus。1981年一家美国公司买下工程师的公司,着手开发美国版权的第二代产品,也就是后来大名鼎鼎的几何引擎Parasolid。1988年美国CAD供应商UG,买下Parasolid,将它融入UG集成系统中,将它变成一个实体和曲面造型通用几何平台。

与此同时,Parasolid也作为一个单独的内核产品,为其他CAD软件开发商提供高质量的、世界一流的几何造型核心功能。

这个几何内核的故事,本来可以到此结束了。

然而神人永远不会停止折腾。1986年,Ian被找上门来的美国Spatial Technology公司说的心头发痒,再次开发了第三代面向对象的实体和曲面通用平台ACIS:ACI分别是三位大仙Alan Grayer,Charles Lang和Ian Braid的名字字首,而S则取自实体(Solid)的字首。由于ACIS采用了面向对象的数据结构,并采用了C++编程,使得算法大为改进,它的运行速度是第一代Romulus的4-20倍,是第二代Parasolid的2-6倍。

除了技术先进性之外,ACIS还采用了一种有效的商业模式:那就是鼓励各家软件公司在ACIS上开发,并与STEP标准相兼容的集成制造系统。凡是在ACIS上开发的CAX系统都有共享的几何模型,相互可以直接交换产品数据。ACIS构成了这些系统的几何总线。这样一来,信徒大增。

神剑再次成功出鞘。

1989年ACIS上市后,影响巨大。很多CAD公司都纷纷或者采用ACIS内核,或者采用了它的思想改进了自己的内核。例如法国的Euclid-S、CATIA 以及美国的Intergraph、I-DEAS都纷纷跟进,采用这种面向对象的思想进行改进。最重要的时间发生在1993年,Autodesk与Spatial Technology签约,在ACIS平台上开发出MDT三维参数化特征设计系统,成为ACIS的最大用户。

02

内核不等于CAD:没有UG就没有几何引擎

然而,对于几何引擎,却有一个极大的误解,以为先有几何引擎,后有之上的CAD软件。几何引擎本来并不存在,它是藏在CAD里面。

达索航空公司,把CAD部门独立出来,并起名叫做CATIA的时候,没有几何引擎的存在。从麦道公司发展出来的CAD软件商UG,以及Autodesk的MDT,这些都是没有几何引擎的概念。所有的系统模块,都放在一块。同样,后来靠参数造型而名声大噪的PTC也没有这些引擎的概念。

是UGS在发展自己的商业策略所采用的方针,使得Parasolid几何引擎,成为一个独立的概念,随后甚至发展处来一个很小的利基生意。

最早UGS的CAD也是跟几何引擎搅在一起,后来逐渐将内核方面的工作外包给ShapeData公司。这意味着,PARASOLID一开始就是两条腿独立走。UGS只是在外包体系中使用PARASOLID的团队,Parasolid也允许使用UG提供的一些反馈所丰富的功能。这意味着,UG在相当长的时间,一直是负责Parasolid的“测试工作”。

这种唇齿相依的关系到了一定的程度,几何引擎,也逐渐达到了产品级的应用成熟度。一定时间之后,UG和Parasolid已经密不可分了。最后UG索性,将Parasolid购买过来。

没有UG,就没有Parasolid。就没有“几何引擎”的说法。

03

内核阵营开始分化

虽然很重要,但市场很小,内核公司单独存在是无法存活的。2000年Spatial被达索系统收购。历经14年之后,著名的几何建模内核ACIS终于归到了大型CAD厂商手中。跟它的前一代几何内核一样,嫁个大户人家,是最好的选择。

然而,在此之前,CATIA跟ACIS一点关系没有。CATIA都是土生土长的内核。高傲自负的法国人一直在为CATIA完善自己的几何造型引擎,从原来的曲面造型到后来的基于BRep的实体造型。甚至,CATIA也没有购买通用约束求解器,而是自己开发。

直到后来,CATIA决定把底层部分独立出来,单独做成独立的生意。达索也是花了好几年时间,才把所谓的几何内核独立出来,就是CGM。

因此,购买ACIS,对CATIA而言,主要出于商业需要和数据交换。

如此一来,Parasolid和Acis分别被西门子、达索控制着,已发展为巨大的深坑。并成为两个大的阵营。

AutoCAD、MDT和Inventer、Microstation均采用ACIS几何造型器为内核。 而UG、 SolidWorks、SolidEdge则采用Parasolid几何造型器。

在这些三维 CAD的实体几何造型内核中,老将Parasolid和Acis是几何建模系统的两棵老根,由于一开始就相对独立发展,比较著名,也成就了一代又一代的CAD厂商;加上达索的CGM,是市面上能买到的三款商业化几何引擎。

表1 ACIS与Parasolid的对比

但是大的CAD软件公司,一般都是有自己的内核的。除了CATIA之外,开创参数建模时代的PTC,其内核Granite也是独成一派,主要是自己使用。这是一个情节不断翻转、充满了八卦的故事。当年日入中天的CAD公司如CV,也有自己的内核,但在转向参数化实体造型方面不成功。从CV“离家出走”的高管创建的PTC了,大获成功,反手倒是收购了CV。

04

几何引擎让CAD市场充满了猜忌与阴谋

Parasolid被卖了之后,Braid等人,重新做了一个公司,继续做内核生意。这让后起之秀SolidWorks得到了很好的机会,它最初给投资者的版本,正是以ACIS为基础。

但有了投资之后,就开始测试Parasolid和ACIS。几个月之后,换成了Parasolid。尽管ACIS功能表跟Parasolid看上去差不多,但实战不行。前面提到,尽管ACIS是第三代几何引擎产品,实验室性能甚至更优,但它自从诞生后,没有一个大公司,愿意像当年UG那样,如此紧密地对ACIS进行捆绑。所以ACIS在市场占有率,一直低于它的前一个版本Parasolid。这充分证明了一点,在工业软件CAD\CAE\EDA领域,没有交互的工程用户反馈,任何工业软件都不可能发展起来。

然而,作为UG的竞争对手之一SolidWorks一直活在一个“杯弓蛇影”的猜忌之中。如果UG将来不肯卖Parasolid,哪会怎么办?这是一个若有若无的阴影下。而这个问题的解决,要来自更大的家伙。1997年达索以3.1亿美元,收购了SolidWorks。

这次轮到达索进行猜忌了,Parasolid在UG的手中,对Solidworks而言,是一个巨大的威胁。2000年,达索决定出手,战略性地收购ACIS所在的Spatial Tech公司,为SolidWorks也提供一个备选的安全保障。从这里开始,达索才跟ACIS开始有交集。随后达索将自己的内核CGM和ACIS,都放在Spatial公司之下。

然而这次收购,又惊动了另外一个巨头的利益。正在使用ACIS作为内核的Autodesk的Inventor,也感受到了同样巨大的威胁。

非常警惕的欧特克,为了避免受制于达索,用反垄断为法律手段,开始跟达索打官司。拉锯的结果是,达索可以拥有ACIS,但欧特克拥有随时购买ACIS源代码的权利。有了这个条件作为限制,达索随后顺利完成收购ACIS。

几年以后,欧特克迅速地使用了这个权利,掏钱购买了ACIS的全部源代码,也就是ACIS R14版本。随后Inventor在此基础上,经过多次版本的迭代。应该说,欧特克的几何内核,虽然源自ACIS,但跟原来的版本,已经区别很大。也可以认为欧特克已经拥有了自己的内核。

05

开源还有一棵独苗

一款开源的OpenCasCade,是一棵奇特的幼苗。成立于1964年的法国马特拉公司MATRA的Euclid系统,也有自己的内核,主要是曲面造型。为了和PTC抗衡,开发了Cas.Cade新一代内核。现在在华天的一个总工,当年就是在负责基于Cas.Cade的新一代CAD系统Euclid Designer开发。彼时中国航天对它的理念非常欣赏,认为符合航天设计需求,可以从老的Euclid平稳过渡到新的Euclid Designer。可惜最终马特拉被达索并购了,整个新一代系列基本停止开发了,曾给予厚望的航天,也只好逐步转向Pro/E了。

达索与马特拉合并后,并没有吸纳所有的研发人员,也没有说要如何用Cas.Cade,让剩下的人员成立了一个公司。这部分团队,索性将其变成开源,按照全开源(LGPL)协议进行管理。代码主要还是法国团队管理,但是在俄罗斯有一个较大的团队,进行应用定制开发。虽然这并不是达索所期望的局面,但是已经晚了。最近几年版本更新比较快。在此内核的基础上,开发出一个开源CAD系统FreeCAD。 目前国内也有运用OpenCasCade的社群,开发些小系统。作为开源的几何引擎,做成商业CAD软件开发难度不小。

06

造不如买,再次毁掉商业化机会

拥有高水平的内核,是发展自主CAD/CAM/CAE和的核心工作。然而,世界上几何引擎不多了,基本处于垄断地位。中国人手里的中望的Overdrive内核(本来是美国VX CAD的内核,2010年被中望收购)和华天的CRUX IV (华天CAD系统SV的内核)等。

然而,这件事情完全不能商业化。例如中望,也曾经考虑做一套更商业化的内核。然而市场需求并不支持。最大的几何内核Parasolid一年的生意,也就是3000多万美元。如果做内核, 跟Parasolid去竞争争,是不可能活不下去的。

由于处于商业上的原因,西门子的UG,对于出售给中国内核,一直都不是太热心。于是中国很多项目,只能二选一,一般都是在跟Spatial公司进行合作。尽管ACIS的价格很高,但国内CAD厂商都只能让步。

中国有自主的内核是个振奋的信息。但是,单独研发CAD几何内核是没有太大市场的,需要与三维CAD软件系统整合起来做。实际上,国内的CAE和CAM可以用国内的核,共同打开市场。当然这只是一个假设。在中国谁都有生存压力, “造不如买”。无论是几何内核,还是约束求解器,都可以是核心共性技术,但没有一家厂商能否负担。最后只能是一盘沙子。

中国CAD行业著名的专家、当时中国工程图学学会理事长唐荣锡,在2000年还曾经雄心勃勃地行业喊出“几何造型平台振兴”的口号。按照唐老的看法,高水平的通用几何造型平台是发展CAD软件产业的一级火箭助推器。而在当时,中国许多CAD公司,正在借助CIMS和甩图板的东风,蓬勃发展。跟国外的差距不是没有,但看上去还能看得见、够的着。

然而,几何内核,是从众多成功的工业软件功能中萃取得来。没有成功的研制优秀CAD软件的基础,就谈不上研制几何平台。而对于软件公司,要在市场活命,不采用先进、流行的通用平台,不但耽误进度,甚至会劳而无功。

这像不像一个死结?在西方,主流CAD都是脱胎于航空业,波音公司、达索公司,都给了那些CAD软件厂商足够的机会、充分的反馈,这才使得国外的CAD厂商逐渐壮大。而在中国,急功近利、追求速度的中国制造,从来不会给上游软件供应商的机会。要么出彩,要么出局。缺少来自用户端的悉心呵护和战略性扶持,是中国CAD、CAE以及EDA在发展路程上的最大死结。

07

错失的就不会再来

唐老甚至在2004年建议行业,不要将自主研制的开发平台的目标,定位在类似于 ACIS、Parasolid 的几何平台产品,而是要将目标确定为创建新一代的功能特征平台,以功能特征为操作对象,使得新一代平台必须兼顾几何和功能两大方面。 这是一个更高的志向。

现在回想起来,本世纪初的几年,正是中国自主CAD还方兴正艾的时候,很多企业都跃跃欲试地要做几何内核。结果后来都是铩羽而归。在十五时候。大家普遍误解,以为几何内核就是CAD系统。这是,历史天空下的误解。随之而来的相应决策,也是是失误的。

近20年过去了,随着国外CAD、CAE厂商的市场占有率超过95%,高端CAD比例更高。唐老的梦想,已经成为不可实现的愿望。

当务之急,还是要把CAD市场做大做活起来。以手机举例来看,华为去做手机芯片是合理的。因为他有足够的体量和自有市场做支撑,当然更是因为有足够的资金。至于其他小手机厂商,还处于解决生存问题阶段,能抓住一个细分市场存活下才是他们的主要目标。谈做芯片,是不可想象的事情。国产CAD内核,是能打破国外垄断的潜在希望,就像华为的麒麟芯片一样,是一烛跳动不已的小火苗

08

小记

布雷德等三人从1970年起,直到2000年7月5日法国达索系统公司签约以2,150万美元现金收购ACIS业务,三人决定退出ACIS,也退出了几何内核领域。闪耀了一代人的星空开始暗淡。整整30年,这三个天才工程师科学家的主要精力,都集中在实体造型平台的开发和完善上,也照亮了其他几个CAD公司的探索之旅。它把后来所有通用几何造型平台要走的路,都几乎探索完毕。


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2018-9-13 11:04
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