На ядре

Недавняя новость о том, что новое поколение популярной САПР SolidWorks (работа над которым идет в лабораториях Dassault Systemes в Велизи, глухом местечке под Парижем) будет основано на собственном ядре геометрического моделирования, вызвала широкий резонанс отечественных и мировых специалистов. Зачем переходить с проверенного временем Parasolid на доморощенное французское ядро CGM, спрашивали одни. Смена геометрического ядра в существующей САПР подобна замене установленного на заводе двигателя на другой, который вовсе не был предназначен для установки в данную модель автомобиля, восклицали другие. Кто же прав? Неужели Dassault и вправду рискует потерять SolidWorks, выполнив ему пересадку абсолютно здорового сердца на новое, неизведанное? Давайте разберемся, а заодно напомним нашим читателям историю и текущее положение дел на рынке систем твердотельного моделирования.

Ядра – чистый изумруд

Любая САПР представляет собой набор конечно-пользовательских приложений, разделяющих общую платформу, в основе которой лежит несколько базовых технологий, как правило, реализуемых в отдельных модулях, называемых технологическими компонентами. Каждая компонента отвечает за что-то свое: создание и редактирование трехмерной модели, ее визуализацию на дисплее, параметризацию, импорт/экспорт данных в определенном формате и проч. Такие компоненты разработчики САПР либо проектируют, кодируют и поддерживают самостоятельно, либо лицензируют их у сторонних технологических поставщиков (таких как Spatial, Tech Soft 3D или ЛЕДАС). Технологические компоненты – это фундамент, на котором строится здание САПР. От этого фундамента зависит все остальное – возможности различных инструментов, их быстродействие, устойчивость к ошибкам, и даже общая интеллектуальность системы. Заложив в фундамент определенную компоненту, разработчик понимает, что впоследствии заменить ее на другую будет довольно трудно. Часто эта задача решается разборкой старого здания и строительством нового, т.е. выпуском нового поколения (не путать с очередной версией) программного продукта.

С точки зрения программиста каждая компонента – это набор библиотек с программным интерфейсом (API), который позволяет вызывать различные функции из приложения. В случае геометрического ядра речь идет об использовании базовых типов геометрических данных (точка, прямая, кривая, поверхность) и операций с ними (трансформация, проекция, пересечение), моделировании топологии граничной модели, реализации булевых операторов и типичных команд создания и редактирования трехмерных тел и поверхностей (заметание профиля, скругление ребра), построении треугольной сетки и экспорте/импорте данных в разных форматах (родном для ядра или нейтральном IGES/STEP).

Перечисление функций ядра занимает один абзац, но их реализация растягивается на десятки и сотни человеко-лет. Дело в том, что за каждой элементарной операцией (типа пересечения двух NURBS) стоит вычислительный алгоритм, реализация и отладка которого является весьма трудоемкой задачей. А таких операций в ядре – сотни (с учетом разнообразия типов данных, с которыми приходится работать). Далеко не все САПР-вендоры готовы инвестировать в таком объеме в базовую технологию и предпочитают лицензировать готовое ядро, осуществляя компании-разработчику ежегодные платежи (часто включающие определенную сумму с каждой проданной копии конечного продукта). Важно и то, что лицензированное ядро, как правило, уже было «обкатано» в других системах, поэтому обладает богатой функциональностью и высоким уровнем надежности. Наконец, выбрав стороннее ядро, поставщик САПР сможет быстрее закончить разработку своего продукта и вывести его на рынок. Иногда это время является определяющим – если опоздать с релизом на год-другой, то рынок может оказаться занятым конкурентами. Ярчайшим примером является выпуск САПР SolidWorks, ставшей первой системой параметрического твердотельного моделирования для платформы Windows. Этим же путем впоследствии пошли разработчики KeyCreator, Alibre Design, IRONCAD, MicroStation, T-FLEX, ADEM, SpaceClaim и множества других систем.

Немал и лагерь тех, кто ставит во главу угла возможность полного контроля над исходным кодом, оперативного исправления ошибок и наращивания функционала, быстрого переноса на новые платформы и готов расплачиваться за это собственными ресурсами. Этой трудной дорогой идут разработчики CATIA, NX, Creo Elements/Pro, Solid Edge, Autodesk Inventor, think3, КОМПАС-3D.

Кембридж как мировой ядерно-литейный центр

Рис.1. Кембриджский университет.

Здесь опять придется сделать небольшое отступление, чтобы рассказать об этой инновационной технологии – ведь ныне она лежит в основе большинства современных САПР. Граничные модели хранят информацию о границах объемного тела (гранях, ребрах и вершинах), что позволяет максимально точно описать деталь и рассчитать ее объемно-массовые характеристики. Для простоты манипулирования информация в граничной модели подразделяется на геометрические и топологические данные. Геометрические данные для каждой граничной сущности свои: для вершины – ее координаты, для ребра – параметрическое уравнение пространственной кривой (чаще всего – в виде NURBS - неоднородного рационального B-сплайна), для грани – параметрическое уравнение поверхности (опять же часто в виде NURBS). Топологические данные хранят информацию о смежности вершин и ребер, ребер и граней, а также о внутренних и внешних границах грани. Для удобного манипулирования топологической информацией было предложено несколько структур данных, обобщенно называемых BRep (от англ. Boundary Representation – граничное представление). Над разработкой первой в мире граничной структуры данных, которая позволяла описывать геометрию сложной формы, как раз и трудился в Кембридже Ян Брэйд.

Ромул — царь Древнего Рима

Рис.2. Капитолийская волчица, кормящая Ромула и Рема.

Разработка ведется на языке Fortran и основывается на идеях, обкатанных в экспериментальных программах BUILD I и BUILD II. Вскоре продается первая коммерческая лицензия на ROMULUS. Покупатель – компания Hewlett-Packard – использует ее для создания своей CAD-системы ME30 (наследником которой является CoCreate OneSpace Modeler, ныне принадлежащая компании PTC и недавно переименованная в CREO Elements/Direct). В 1981 г. Shape Data становится частью хардверной компании Evans & Sutherland (одним из основателей которой был легендарный САПР-пионер Айвэн Сазерлэнд), а в 1985 году начинает разработку пакета Parasolid – прямого наследника геометрического ядра ROMULUS.

На этого наследника довольно скоро объявился серьезный претендент – компания Unigraphics, которая к тому времени осознала, что твердотельное моделирование на основе конструктивного подхода (CSG) – тупиковый путь развития. Основной продукт Unigraphics – САПР UniSolids (ныне всем известная под именем NX и принадлежащий Siemens PLM Software), основанный на собственным CSG-ядре PADL, требовалось перевести на граничное представление твердых тел. Трезво взвесив все варианты, в 1988 г. Unigraphics полностью выкупила Parasolid-бизнес у Evans & Sutherland и начала инвестировать в разработку ядра. Годом позже был выпущен конечно-пользовательский пакет UG/Solids, полностью основанный на Parasolid, но лицензировать Parasolid сторонним разработчикам компания начала лишь с середины 1990-х, когда на время стала частью EDS.

Акид и Галатея

Рис.3. Акид (Acis) и Галатея. Иоганн Генрих Тишбейн Старший, 1758 (фрагмент).

Разработка идет по заказу компании Spatial Technology (США), которая намеревается использовать ACIS в собственных целях. Дик Соуэр (Dick Sowar), основавший Spatial в 1986 г., сначала планировал использовать новое ядро для своей инновационной CAM-системы Strata, основанной на твердотельном моделировании, но через несколько лет понял, что бизнес по лицензированию самого ядра другим компаниям оказался более выгодным, и свернул остальные разработки. Дик вообще больше верил в перспективы компаний, поставляющих технологии, а не конечно-пользовательские продукты, поэтому инвестировал часть своих средств в проект еще одного кембриджского ученого – Джона Оуэна (John Owen), создавшего на эти деньги D-Cubed для разработки первого в мире коммерческого решателя геометрических ограничений. В дальнейшем базировавшиеся в Кембридже разработчики Three-Space (со временем поглощенной Spatial) и D-Cubed тесно сотрудничали друг с другом, что сыграло решающую роль в развитии событий вокруг ACIS в начале нового века.

Разработка ACIS с самого начала велась на С++, первая версия вышла в 1989 г. (она работала как на UNIX-платформах, так и на MS DOS), а первым покупателем снова стала HP! Вскоре лицензии на ACIS приобрели компании Control Data и Autodesk. Последний контракт оказался для Spatial очень выгодным – компания получала по $25 с каждой проданной копии AutoCAD (в состав которого, начиная с релиза 13, неизменно входил ACIS). Спустя пару лет Autodesk поняла свою ошибку и убедила Spatial пересмотреть соглашение в сторону $6 с каждой копии плюс $1 млн. в год. Другими крупнейшими клиентами ACIS стали компании Bentley Systems и Intergraph.

Гранитный обелиск

Блицкриг

Путь самурая

Французская артиллерия

Рис.4. Французская гвардейская конная артиллерия, 1805-1815.

Выпущенная в 2008 г. PLM-платформа V6 базируется на том же геометрическом ядре CGM. Все эти годы ядро непрерывно совершенствовалось и развивалось. С самого начала CGM позволяло моделировать геометрию, состоящую из многообразий разных размерности: нулевых (точки), 1-manifold (криволинейные каркасы), 2-manifold (поверхности) и 3-manifold (твердые тела), произвольно смешивая их в рамках одной модели.

Сделав ставку на новое современное ядро, Dassault выиграла – CATIA V5 и смежные PLM-продукты вывели компанию в абсолютные лидеры мирового рынка САПР (как когда-то PTC). Однако, за это пришлось заплатить высокую цену: данные, созданные в CATIA 4 (основанной на старом ядре), нельзя полноценно использовать в V5. Точнее расплатиться пришлось крупнейшему клиенту DS – концерну Airbus, который, проектируя самый большой пассажирский самолет A380 одновременно в четвертой и пятой версиях CATIA, сорвал все сроки с вводом его в эксплуатацию и понес убытки в размере $6 млрд. Причина – ошибки при переносе геометрических моделей между разноядерными САПР.

Никто и не думал, что геометрическое ядро CATIA (святая святых компании – как секрет приготовления концентрата Coca-Cola) когда-нибудь будет доступно для лицензирования. Но минувшим летом компания всех удивила, начав через свою дочернюю структуру Spatial предлагать CGM всем желающим (конечно, для этого пришлось изменить расшифровку первой буквы: “C” теперь не “CATIA”, а “Convergence”). Таким образом, последнее ядро из «большой четверки» (Parasolid, ACIS, GRANITE, CGM) стало доступно для лицензирования.

С открытым забралом

Бизнес, основанный на открытом коде, давно доказал свою эффективность. Одно из подтверждений тому – судьба компании Open CASCADE SAS, которая, сменив несколько владельцев, по-прежнему продолжает свое существование: последний на сегодняшний день релиз ядра (6.4) датируется октябрем 2010 г. Помимо Open CASCADE, компания разрабатывает основанную на нем платформу для инженерных расчетом SALOME, также свободно доступную в исходном коде. Среди заказчиков преобладают европейские компании энергетического сектора.

Забил снаряд я в пушку туго

Рис.5. Царь-пушка. Московский кремль.

Глядя на успехи англичан, французов, американцев и японцев, отечественные разработчики не могли сидеть, сложа руки. Движение возглавила компания АСКОН, выпустившая в 2000 г. первую версию КОМПАС-3D, полностью основанную на собственном геометрическом движке. В 2002 почин поддержали в НТЦ АПМ, где создали собственное ядро APM Engine, используемое в системе твердотельного и поверхностного моделирования APM Studio. Впрочем, оба этих ядра не предлагаются для лицензирования сторонним разработчикам.

Ядерные войны

Компания 3D/EYE, разработчик IRONCAD, пошла еще дальше: встроив в 1995 г. в свою систему ядро ACIS, в 1999 она добавила туда Parasolid, разрешив пользователям свободно переключаться между ними! Система до сих пор сохраняет такую архитектуру, что помогает пользователям сократить затраты при работе с импортированной геометрией (созданной в другой САПР). Разные геометрические ядра обычно по-разному трактуют геометрические допуски, с разной точностью вычисляют пересечения кривых и поверхностей, в результате чего вполне корректная модель при переносе ее в систему, основанную на другом ядре, становится неработоспособной из-за многочисленных ошибок, которые приходится исправлять в полуавтоматическом режиме.

Два ядра – кто больше? Больше смогла сделать Dassault. Приобретя в 2000 г. компанию Spatial, французы получили в свое распоряжение ядро ACIS – в дополнение к CGM, лежащему в основе CATIA, и лицензированному Parasolid, работающему в составе SolidWorks. Но руководители Dassault и не думали использовать ACIS в своих САПР. Вместо этого они поставили руководить Spatial Майкла Пейна, основателя SolidWorks, которому поручили провести переговоры с Autodesk – основным лицензиатом ACIS.

Изучив дела Spatial, Майк быстро понял, почему от этого ядра отказались Bentley и Intergraph. Вот слова из его недавнего интервью Дилипу Менезесу: «Продукт был ненадежным. По возможностям он был полуфабрикатом. Клиенты были в бешенстве. Служба поддержки клиентов не существовала. Цены все были разными в зависимости от того, сколько кто-то будет в состоянии заплатить в конце квартала. И там была нулевая система проверки качества».

На встрече с руководителем Autodesk Кэрол Барц Майк пообещал исправить ситуацию. Впрочем, в самой Autodesk тогда посчитали, что Майк, напротив, шантажирует их, угрожая вовсе прекратить развитие ядра, если Autodesk не примет предложение Dassault стать реселлером SolidWorks, убрав с рынка свой конкурирующий продукт Inventor. В результате Autodesk воспользовалась условием лицензионного соглашения и после единовременной выплаты $6.5 млн. получила в свое распоряжение исходный код ACIS. Взяв его за основу, компания приступила к разработке собственного геометрического ядра, получившего название Shape Manager. Ответ на вопрос, где взять квалифицированных программистов для этой специфической работы, долго искать не пришлось – конечно в Кембридже, где же еще! Заключив соглашение с D-Cubed, Autodesk отдала эту разработку на аутсорсинг фактически авторам ACIS (разобраться в генетических связях Spatial и D-Cubed практически невозможно; можно лишь сказать, что компании тесно сотрудничали с 1986 г., а их ключевые сотрудники работали рука об руку в той самой CAD-лаборатории Кембриджского университета). Spatial подала на Autodesk в суд, но проиграла. Таким образом, кембриджское дерево принесло свой пятый плод (BUILD, ROMULUS, Parasolid, ACIS, Shape Manager) – потрясающая продуктивность!

Ядерные войны на этом закончились. А ядро ACIS, кстати, вполне успешно развивается в рамках Dassault. Регулярно выходят новые релизы, наращивается функционал по поддержке прямого редактирования геометрии. Неутомимый Майк Пейн, покинув Dassault, основал SpacaClaim, построив систему в этот раз не на Parasolid, а на ACIS. И благодаря личному знакомству разработчиков двух компаний, у них получилась отличная совместная работа, результатом которой теперь могут воспользоваться все клиенты Spatial. Не случайно, большинство систем прямого моделирования (SpaceClaim, KeyCreator, IRONCAD и частично Creo Elements/Direct) построены на ACIS.

Зал боевой славы

А теперь вернемся к ответу на вопрос, чем грозит SolidWorks пересадка геометрического ядра. Технически замена ядра несложна. Все ядра реализуют примерно одинаковый набор функций, используют похожие модели данных и алгоритмы, поэтому разработчики справятся с этой задачей в разумный срок. А вот пользователям такая пересадка ничего хорошего не сулит. Любой, кто сталкивался с проблемой переноса данных между разноядерными САПР (NX и CATIA, SolidWorks и Inventor, КОМПАС-3D и T-FLEX), хорошо знает, насколько это трудоемко. Даже с использованием специальных инструментов для трансляции и «лечения» CAD-моделей эта операция грозит занять существенную часть времени ваших сотрудников. Несложно предсказать, что переносить данные из SolidWorks V1 в SolidWorks V6 будет так же сложно, как сейчас переносить данные между SolidWorks и CATIA. К счастью, Dassault не собирается убирать с рынка SolidWorks V1, обещая, что по крайней мере несколько лет они будут существовать одновременно – один под управлением Windows, а другой в облаках. Возможно, такое разделение лучше поможет постепенной миграции пользователей с одной платформы на другую.

Отметим еще, что перевод SolidWorks с ядра Parasolid на CGM свидетельствует о том, что Dassault планирует всерьез развивать этот продукт и дальше - в течение многих лет. Это хороший сигнал всем пользователям SolidWorks. Учитывая ресурсы, которые французская компания инвестирует в исследования и разработки (заметная их доля тратится на CGM и другие базовые технологии), SolidWorks от такого перехода однозначно выиграет. А Dassault устранит нежелательную технологическую зависимость от своего прямого конкурента.