CN102663160A - 一种构建三维物理电路设计模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种构建三维物理电路设计模型的方法，通过打开和提取电路物理设计模型文件和电路工艺设计文件中的数据形成三维模型数据结构，再根据三维模型数据结构，分别绘制模型的上下面和侧面，形成三维模型，并确定其坐标***，使该模型显示其中，实现了构建三维物理电路设计模型的方法，本发明为电路物理设计提供了视觉与直觉的操作，从而提高了设计效率，有效地弥补了传统二维物理电路设计时的不足。

Description

一种构建三维物理电路设计模型的方法

技术领域

本发明涉及电子设计自动化领域，尤其涉及一种构建三维物理电路设计模型的方法。

背景技术

射频集成电路是指使用半导体集成电路工艺技术制作的射频电路，具有体积小，功耗低，可靠性高等特点。常见的射频电路有：低噪声放大器、功率放大器、振荡器和混频器等，它们的工作频率从几百MHz到几个GHz、几十个GHz不等，是无线通信设备非常重要的信号处理模块，其性能好坏直接影响产品质量。

近年来，无线通信技术发展迅速，无线产品被广泛的应用于人们生活的各个方面，对射频集成电路也提出了更高的要求，要求具有更优的信号处理能力和更短的产品开发周期。

然而，传统的物理电路设计模型受限于其使用的是二维的视图方式，所以在设计操作中，设计者很难直觉化地进行物理电路的设计，设计者往往需要花费很多时间在物理电路中的各层级之间进行切换，即使这样，也难以直接比较物理电路中各层级之间的关系，对于用于优化电路参数和电路的版图而言，结果却同样是收效甚微。于是设计者就不得不在二维的视图中想像出三维的视图，这样就降低了设计的合理度及效率，不仅增加了产品的开发周期，而且还增加了产品的开发成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种改进电路设计物理模型的显示效果，并能够简化三维模型中各层级的呈现，提高三维物理电路模型设计效率的构建三维物理电路设计模型的方法。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种构建三维物理电路设计模型的方法，该方法包括如下步骤：

（1）提取电路设计文件中的二维坐标和层信息数据形成三维模型数据结构；

（2）根据三维模型数据结构，分别绘制模型的上下面和侧面，形成三维模型，并确定其坐标***，使该模型显示其中。

作为本发明的一种优化方法：所述步骤（2）中采用OpenGL库中的函数分别绘制模型的上下面和侧面，形成三维模型。

作为本发明的一种优化方法：所述采用OpenGL库中的函数分别制模型的上下面和侧面,包括如下步骤：

（ⅰ）根据三维模型数据结构中每层上下表面各点的三维坐标，在OpenGL库中函数gluTessBeginPolygon和gluTessBeginContour之间多次调用函数gluTessVertex以设定各点的三维坐标，即由OpenGL绘制出模型的上下表面；

（ⅱ）根据三维模型数据结构中每层上下表面边缘对应的坐标可确定相应侧面的4个顶点的坐标，在OpenGL库中函数glBegin(GL_QUADS)和glEnd()之间调用4次gluTessVertex以设定相应侧面4个顶点的三维坐标，即由OpenGL绘制出模型的相应侧面；

（ⅲ）调用OpenGL库中的函数glColor对三维模型的每层绘制不同的颜色。

作为本发明的一种优化方法：在步骤（2）之后还包括对三维模型进行剖面切割，切割完成后形成新的三维模型数据结构。

作为本发明的一种优化方法：所述对三维模型进行剖面切割包括如下步骤：

（ⅰ）将三维模型剖面切割转化为切割线与多边形的切割问题，将切割线与多边形相交后的交点计算出来，确保交点的个数为偶数个，并将其两两配对，***到原多边形各顶点的有向序列中；

（ⅱ）遍历新的有向序列，遇到第一个交点后，继续遍历，直到遇到与之配对的另一个交点，此时，这两交点以及两交点之间的序列形成一个新的闭环，即新多边形，其中，当两个配对交点之间亦有另外两个配对交点时，优先匹配它们，并从它们之后的序列重新开始遍历；

（ⅲ）对于剩下的序列采用同样的方向进行遍历，直到所有的点遍历完成；

（ⅳ）对于切割后形成的新多边形上的各顶点，通过映射，将其转化为三维坐标，形成新的三维模型数据结构。

本发明所述一种构建三维物理电路设计模型的方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：提供了电路物理设计时视觉与直觉的操作，从而提高了设计效率，有效地弥补了传统二维物理电路设计时的不足。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为对三维模型进行剖面切割的示意图；

图3为对三维模型进行剖面切割的示意图；

图4为对三维模型进行剖面切割的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明设计的一种构建三维物理电路设计模型的方法，具体采用OpenGL构建三维模型，使用Qt和OpenGL共同构建平台，Qt用于搭建GUI应用程序框架，OpenGL图形工具库则用来构建三维显示平台。

其中，Qt是诺基亚开发的一个跨平台的C++图形用户界面应用程序框架。它提供给应用程序开发者建立艺术级的图形用户界面所需的所有功能。Qt是完全面向对象的，且很容易扩展的，并且允许真正地组件编程。

自从1996年早些时候，Qt进入商业领域，它已经成为全世界范围内数千种成功的应用程序的基础。Qt也是流行的Linux桌面环境KDE的基础。基本上，Qt同X Window上的 Motif，Openwin，GTK等图形界面库和Windows平台上的MFC，OWL，VCL，ATL是同类型的东西，但Qt具有优良的跨平台特性、且面向对象、具有丰富的API和大量的开发文档等优点。

GUI即图形用户界面，是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面。

OpenGL（全写Open Graphics Library）定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口的规格，它用于三维图象（二维的亦可）。OpenGL是个专业的图形程序接口，是一个功能强大，调用方便的底层图形库。OpenGL是行业领域中最为广泛接纳的 2D/3D 图形 API, 其自诞生至今已催生了各种计算机平台及设备上的数千优秀应用程序。

OpenGL是独立于视窗操作***或其它操作***的，亦是网络透明的。在包含CAD、内容创作、能源、娱乐、游戏开发、制造业、制药业及虚拟现实等行业领域中，OpenGL帮助程序员实现在 PC、工作站、超级计算机等硬件设备上的高性能、极具冲击力的高视觉表现力图形处理软件的开发。OpenGL的前身是SGI公司为其图形工作站开发的IRIS GL。IRIS GL是一个工业标准的3D图形软件接口，功能虽然强大但是移植性不好，于是SGI公司便在IRIS GL的基础上开发了OpenGL。OpenGL的英文全称是“Open Graphics Library”，顾名思义，OpenGL便是“开放的图形程序接口”。虽然DirectX在家用市场全面领先，但在专业高端绘图领域，OpenGL是不能被取代的主角。

OpenGL是个与硬件无关的软件接口，可以在不同的平台如Windows 95、Windows NT、Unix、Linux、MacOS、OS/2之间进行移植。因此，支持OpenGL的软件具有很好的移植性，可以获得非常广泛的应用。由于OpenGL是图形的底层图形库，没有提供几何实体图元，不能直接用以描述场景。但是，通过一些转换程序，可以很方便地将AutoCAD、3DS/3DSMAX等3D图形设计软件制作的DXF和3DS模型文件转换成OpenGL的顶点数组。

窗口坐标系X轴正方向水平向右，Y轴负方向垂直向下，定义视图的中心坐标为（0，0），视口高度与宽度为模型坐标Y和X的最大值与最小值差值。

其中，在计算机领域里，应用程序窗口包括许多元素，如标题栏、菜单栏、工具栏、最小化、最大化按钮等，该应用程序窗口中用于图形显示的部分即为视图。

视口就是二维的矩形，一个视口就是一个二维的矩形，是实际的屏幕显示区。三维场景则投影在这个矩形中，现有的显示方法基本都是一个视图对应一个视口，因此它们的显示区域大小是相同的。

如图1所示，本发明设计了一种构建三维物理电路设计模型的方法，该方法按照如下步骤进行执行：

（1）打开软件，可以通过GUI界面形式打开，或通过命令行打开电路物理设计模型文件（*.geom）和电路工艺设计文件（*.lyr），并且三角网格剖分文件（*.mesh）可以作为可选文件进行打开；

（2）提取电路物理设计模型文件（*.geom）中的二维坐标和电路工艺设计文件（*.lyr）中的层信息数据形成三维模型数据结构； 

（3）根据三维模型数据结构，采用OpenGL库中的函数分别绘制模型的上下面和侧面，形成三维模型，并确定其坐标***，使该模型显示其中；

（4）进入事件消息循环，等待键盘鼠标事件，有以下三种事件可供选择：

① 若是选择缩放，平移，旋转鼠标事件，则根据鼠标按下时的起始坐标和终点坐标，计算出旋转矩阵变换，重绘后，三维模型以新的旋转角度处于新的位置，这样所述三维模型，通过OpenGL中的矩阵变换能够实现三维模型旋转、缩放、平移的交互操作。

② 若是选择切割操作，则对三维模型进行剖面切割的操作，根据确定后的切割面计算切割后剩余的模型形状，形成新的三维模型数据结构并返回步骤（3），采用OpenGL库中的函数绘制新的三维模型，并将不需要显示的模型部分隐藏，然后再进入事件消息循环，等待键盘鼠标事件。

对三维模型进行剖面切割的操作，是为了实现让设计者能够观察三维模型的截面，当切割完成后形成了新的三维模型数据结构，此时返回到步骤（3），通过OpenGL库中函数的绘制，生成了可以观察到原三维模型的截面的新三维模型，然后再进入事件消息循环，等待键盘鼠标事件。

③ 若是关闭操作，则关闭软件。 

其中采用OpenGL库中的函数依次绘制模型的上下面和侧面,包括如下步骤：

（ⅰ）根据三维模型数据结构中每层上下表面各点的三维坐标，在OpenGL库中函数gluTessBeginPolygon和gluTessBeginContour之间多次调用函数gluTessVertex以设定各点的三维坐标，即由OpenGL绘制出模型的上下表面；

（ⅱ）由于三维模型的侧面是由多个四边形组成的，根据三维模型数据结构中每层上下表面边缘对应的坐标可确定相应侧面的4个顶点的坐标，在OpenGL库中函数glBegin(GL_QUADS)和glEnd()之间调用4次gluTessVertex以设定相应侧面4个顶点的三维坐标，即由OpenGL绘制出模型的相应侧面；

（ⅲ）调用OpenGL库中的函数glColor对三维模型的每层绘制不同的颜色。

对于步骤中所述对三维模型进行剖面切割的操作，包括如下步骤：

（ⅰ）由于当前切割平面与被切割平面垂直，将三维模型剖面切割转化为切割线与多边形的切割问题，将切割线与多边形相交后的交点计算出来，确保交点的个数为偶数个，并将其两两配对，***到原多边形各顶点的有向序列中；

（ⅱ）遍历新的有向序列，遇到第一个交点后，继续遍历，直到遇到与之配对的另一个交点，此时，这两交点以及两交点之间的序列形成一个新的闭环，即新多边形，其中，当两配对交点之间亦有两另外的配对交点时，优先匹配它们，并从它们之后的序列重新开始遍历；

（ⅲ）对于剩下的序列采用同样的方向进行遍历，直到所有的点遍历完成，；

（ⅳ）对于切割后形成的新多边形上的各顶点，通过映射，将其转化为三维坐标，形成的新三维模型数据结构。

针对上述三维模型进行剖面切割的步骤，具体操作过程如下：

（a）由于三维模型信息实际是由二维平面加上厚度构成的，而剖面切割目前是用垂直于这些二维平面的面进行切割的，因而可以转化为用一条切割线段切割二维平面。

（b）二维平面切割可分为以下两种情况：一种如图2所示的两个多边形，切割线段与被切割平面的交点个数为奇数个；另一种如图3所示的两个多边形，切割线段与被切割平面的交点个数为偶数个。

（c）为了将问题简化，如果遇到图2的情况，则将切割线段偏移相对原来位置微小的距离，从而将其转化为图3所示的情况，即切割线段与被切割平面的交点个数为偶数个。

（d）以图4为例，平面F由P1到P14共14个点组成，切割线段S将平面F切割成三个多边形，且有4个交点A,B,C,D；

（e）由P1开始，将P1,P2组成的线段与切割线段S求交点，得到交点D，并将D***到P1和P2中，形成新的序列；

（f）重复步骤（e），将P2,P3组成的线段与切割线段S求交点，若有交点，将其***P2,P3中，依此类推，将平面F所有的线段与切割线段S求交点并将其***序列后，新的序列形成；

（g）根据步骤(f)，A、B、C、D四个交点的产生顺序为D,A,B,C，将其按从左到右或从右到左的顺序排列，得到A,B,C,D，或D,C,B,A，再将其两两配对，即A,B为一对，C,D为一对，由于交点的个数为偶数个，因此所有点都将配对；

（h）由P1开始，将步骤（f）形成的新的序列进行遍历，P1后面遇到交点D时，做个记号①，并根据步骤（g）得到的配对结果可知与D配对的为交点C，而继续遍历，得到下一个交点为点A，与点D不配对，此时，再做记号②，继续遍历，先找到与点A配对的点B，将遍历过程中记录的点A,P4,P5,B各点组成第一个多边形；继续遍历，找到与点D配对的点C，将点D,P2,P3,A,B,P6,P7,C各点组成第二个多边形；继续遍历,将剩下的点组成第三个多边形。这样，切割后形成的三个多边形便计算完成了。

其中，电路物理设计模型文件（*.geom）是根据设计的集成电路的版图中，构成各个平面几何图形的坐标位置而生成的文件。它包含了电路设计中平面图形的信息，是产生三维图形必须的文件，在它的基础上做高度延伸即可得到三维图形。

电路工艺设计文件（*.lyr），包含了集成电路设计中，所有对应的工艺技术信息，包含的信息有：芯片有几层，每个层有多厚，每个层的材料是什么，材料的电气特性是什么等技术信息。这些信息是进行三维电磁场仿真时所必须的。

对于三角网格剖分文件（*.mesh）而言，在集成电路的设计中，需要对设计的集成电路的版图进行三角网格剖分，这个过程中会将完整的几何图形剖分为一个个小三角形，而三角网格剖分文件（*.mesh）就包含了这些小三角形的坐标，个数，端点坐标，线段坐标等信息，这些信息是三维电磁场仿真所必须的。

对于三维模型的显示而言，一个物理模型最终在屏幕上进行显示，中间需要经过多步变换，包括视图、模型和投影操作，这些操作包括旋转、移动、缩放、反射、正投影和透视投影等。这些变换是用矩阵乘法来表示的，每种变换都会创建一个矩阵。一般情况下，在绘制时需要组合使用几种变换。

视图变换用于指定观察点的位置和方向，模型变换的目的则是设置模型的位置和方向，这两者从本质来说具有一定的相同之处，如既可以通过移动观察点位置来从各个方向观察模型，也可以通过旋转、移动这个模型来进行全方位观察，两者的效果在某种意义上来说是相同的，因此通常将这两种变换的矩阵相乘，其结果作为新的模型视图矩阵，该矩阵为一个4*4的矩阵。

对三维模型进行旋转并放大操作时，若总以模型的中心为旋转中心，则会出现所观察的模型部分旋转太快而无法准确把握旋转角度，这是由于将旋转看成是围绕一个球体旋转，而在相同旋转角度下，近球心处旋转的轨迹总比远球心处要小，即旋转相对慢一些，这样精度更高，利于把握旋转角度，因此将鼠标所指定位置视为观察中心，将该中心通过OpenGL的矩阵变换设为旋转中心后，旋转操作更加可控。

本发明设计一种构建三维物理电路设计模型的方法采用OpenGL构建三维模型提供了电路物理设计时视觉与直觉的操作，从而提高了设计效率，有效地弥补了传统二维物理电路设计时的不足。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1. 一种构建三维物理电路设计模型的方法，其特征在于包括如下步骤:

（1）提取电路设计文件中的二维坐标和层信息数据形成三维模型数据结构；

（2）根据三维模型数据结构，分别绘制模型的上下面和侧面，形成三维模型，并确定其坐标***，使该模型显示其中。

2. 根据权利要求1所述一种构建三维物理电路设计模型的方法，其特征在于：所述步骤（2）中采用OpenGL库中的函数分别绘制模型的上下面和侧面，形成三维模型。

3. 根据权利要求2所述一种构建三维物理电路设计模型的方法，其特征在于：所述采用OpenGL库中的函数分别绘制模型的上下面和侧面,包括如下步骤：

（ⅰ）根据三维模型数据结构中每层上下表面各点的三维坐标，在OpenGL库中函数gluTessBeginPolygon和gluTessBeginContour之间多次调用函数gluTessVertex以设定各点的三维坐标，即由OpenGL绘制出模型的上下表面；

（ⅱ）根据三维模型数据结构中每层上下表面边缘对应的坐标可确定相应侧面的4个顶点的坐标，在OpenGL库中函数glBegin(GL_QUADS)和glEnd()之间调用4次gluTessVertex以设定相应侧面4个顶点的三维坐标，即由OpenGL绘制出模型的相应侧面；

（ⅲ）调用OpenGL库中的函数glColor对三维模型的每层绘制不同的颜色。

4. 根据权利要求1所述一种构建三维物理电路设计模型的方法，其特征在于：在所述步骤（2）之后还包括对三维模型进行剖面切割，切割完成后形成新的三维模型数据结构。

5. 根据权利要求4所述一种构建三维物理电路设计模型的方法，其特征在于：所述对三维模型进行剖面切割包括如下步骤：

（ⅰ）将三维模型剖面切割转化为切割线与多边形的切割问题，将切割线与多边形相交后的交点计算出来，确保交点的个数为偶数个，并将其两两配对，***到原多边形各顶点的有向序列中；

（ⅱ）遍历新的有向序列，遇到第一个交点后，继续遍历，直到遇到与之配对的另一个交点，此时，这两交点以及两交点之间的序列形成一个新的闭环，即新多边形，其中，当两个配对交点之间亦有另外两个配对交点时，优先匹配它们，并从它们之后的序列重新开始遍历；

（ⅲ）对于剩下的序列采用同样的方向进行遍历，直到所有的点遍历完成；

（ⅳ）对于切割后形成的新多边形上的各顶点，通过映射，将其转化为三维坐标，形成新的三维模型数据结构。

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