何謂Code+CAD?這代表用程式碼進行CAD(Computer-Aided Design)設計。現今可用工具多,也更為成熟,像是OpenSCAD、JSCAD、CadQuery,或是CAD軟體中的外掛設計。

OpenSCAD與它的衍生

從2015年底的第一個OpenSCAD建模作品起,至今我玩了近六年的Code+CAD,最初(可參考先前專欄〈3D建模與程式設計〉)單純就是手拙、用不好CAD軟體,轉而想透過程式碼描述、記錄建模過程,後來選擇OpenSCAD並持續把玩了這些年。

雖然OpenSCAD一直是我的主力,但這些年來,對於Code與CAD的結合,選擇已不只OpenSCAD。

最初選擇OpenSCAD的理由之一,是它本身的語法不多,是一門領域特定語言,著重在構造實體幾何(Constructive solid geometry,CSG),也就是可以使用交集、減集等邏輯運算符,將不同物體組合成複雜的曲面或者物體,對於建模新手、卻是程式設計熟手的我來說,是個很容易上手的建模方法。

對於開發者而言,透過程式建模有很大的吸引力,特別是在嘗過OpenSCAD入門的甜頭之後,只不過在這之後,有不少人會想尋找OpenSCAD的替代品,因為若模型的複雜度達到一定程度,想透過OpenSCAD來設計的難度就會急劇上升,這是因為它採用了函數式設計的典範,對於許多開發者來說,想靈活應用會有其難度。

雖然急劇攀升的難度,對我來說是練功的好對象,也因此催生了我的dotSCAD程式庫,但這個難度,讓其他開發者試圖建立了OpenSCAD的衍生工具,目的之一通常是為了能使用命令式的典範,另一個理由是想要利用某個語言既有的技術生態系。

其中之一是SolidPython,它是個Python程式庫,呼叫API時採用的語意,特意對應了OpenSCAD的語法、函式及模組,目的是為了能轉譯出對應的OpenSCAD程式碼。也就是說,還是需要使用OpenSCAD來預覽與產生模型,優點是開發者可以使用任何Python語法或程式庫,運算出模型資料後,再用模型資料來呼叫SolidPython,缺點是,若大量呼叫了SolidPython,轉譯出來的OpenSCAD程式會極為複雜,也容易有效能上的問題。

另一個選擇是OpenJSCAD,後來改名為JSCAD,生態圈相對於SolidPython活躍許多,可用JavaScript來撰寫程式,環境是基於Node.js而成,使用者介面主要提供的是模型預覽,主要是透過瀏覽器,然而,近來也有開發中的桌面版本。JSCAD主要是提供一套API用來呼叫底層的幾何程式庫,而呼叫API時的語意,模仿OpenSCAD的語法、函式及模組。

還有個特別的選擇是BlocksCAD,它是模仿了OpenSCAD,但更多是受到Scratch的影響,可透過程式積木來撰寫程式,某些程度上是推廣「人人都能寫程式」下的產物,但這也是選擇,特別是針對沒有程式基礎,又想寫程式玩玩模型的人來說。

OpenSCAD的競爭者

為何SolidPython、JSCAD被我視為OpenSCAD的衍生物?是因為它們在API上特意模仿了OpenSCAD的語法、函式或模組,對於被OpenSCAD受限,然而熟悉Python或JavaScript的開發者來說,可以很快地轉換至SolidPython、JSCAD;如果是曾經從事過3D繪圖、遊戲引擎的開發者,應該也很能立即上手SolidPython、JSCAD。

由於OpenSCAD很成功,後來出現競爭者,它們不模仿OpenSCAD,而是建立了自己的一套典範與方法,其中常見的是AngelCAD。之所以如此,是因為作者經常去OpenSCAD官方論壇挖牆角,告訴提問者若用AngelCAD,要解決他的問題會有多簡單。

AngelCAD使用的語言是AngelScript,現在應有很多開發者沒聽過這個腳本語言。它與C++有較密切的關係,例如,只要註冊C/C++實現的函式,就能直接在AngelCAD中呼叫;因為AngelScript相對而言比較冷門,這也意謂著,想使用AngelCAD前,必須先學習AngelScript,進入的門檻相對就高了一些。

若熟悉Python,或許可以關注CadQuery。因為,它有自己的一套API呼叫底層的幾何程式庫,官方文件齊全,搭配的編輯器竟然少見地具有除錯器,突顯它更進一步考量開發者在CAD方面的需求。

或許有些開發者會想說,Code+CAD這種選擇,跟3D繪圖、遊戲引擎之類的程式設計有何不同?的確,部份在實作原理是重疊的,但最大不同在於,遊戲之類的3D作品,最後還是在虛擬世界中展現,元件之間彼此遮遮掩掩,最後的外形看來沒問題就夠了;然而,Code+CAD的作品,必須能夠透過3D列印之類的技術,來呈現在實體世界。例如,在螢幕上畫個點、線、面很簡單,因為不需要大小、寬度、厚度,然而,要能成為實體世界的模型,卻需要想辦法設計出合理的大小、寬度、厚度。

不過,因為有部份在實作原理上是重疊的,確實我們也可以透過3D繪圖、遊戲引擎之類的程式庫來從事建模,然後將頂點、面等幾何資訊匯出為模型檔,有些程式庫需要外掛來達到這個目的,有些則會內建,例如,若使用Three.js繪圖,就有STLExporter可以匯出STL。

CAD軟體附屬的程式建模

其實Code+CAD需求一直都存在CAD軟體,只不過通常作為輔助角色,而在這類CAD軟體,大部份建模工作由人工完成,對於重複、規律或需精確、複雜數學運算的建模,才透過巨集或程式碼實現。

例如,在FreeCAD中,我們可使用Python,也可結合OpenSCAD,有個專用的OpenSCAD Workbench面板,能匯入或者直接撰寫OpenSCAD程式碼,而Blender、Rhino可以使用Python進行程式建模,SketchUp可以結合Ruby等。

由於在CAD軟體中,程式開發只是輔助角色,因此想在這類CAD軟體中撰寫程式,往往得先熟悉CAD軟體本身的使用,才能知道撰寫程式時,各自API代表了CAD軟體中的哪個對象。因為需要程式碼輔助的CAD軟體,往往也是功能強大,這表示API往往也較為複雜,入門的門檻相對來說比較高。

而且,在CAD軟體中,程式碼方面的功能實現,多半是以外掛方式存在。一般CAD軟體的目標使用者通常不會撰寫程式,當CAD軟體本身功能無法滿足需求,他們會尋找是否有外掛程式可用,也就是說,若你是某個CAD軟體的重度使用者,熟知該軟體的需求(或不足),正好你會寫程式,就可以試著尋找相關文件,瞭解如何撰寫程式滿足需求。

無論是商業或是開放原始碼的CAD軟體,優秀、受歡迎的外掛可以形成一個市場,例如,商業CAD軟體通常也會提供官方的外掛市集,開放原始碼的Blender也有外掛市集,提供使用者搜尋付費或非付費的外掛,因此,雖然入門的門檻會比較高,然而,若你熟悉某個CAD軟體的需求,撰寫外掛是有可能收到實質的金錢回饋。

Code is the future of CAD

若你是純粹開發者,有興趣撰寫程式碼來玩玩3D建模,個人的建議是:除了我專精的OpenSCAD之外,若熟悉JavaScript,可試著使用JSCAD;如果偏好Python,可以玩玩CadQuery,它們都是直接從程式碼下手。如果你同時想玩玩CAD軟體,可以試試方才談到的CAD軟體,它們都能輔以程式設計。

關於這類應用發展態勢,我最近發現有個CadHub,試著整合OpenSCAD、JSCAD、CadQuery等,想建立Code+CAD社群,這表示愛好者越來越多,我特別喜歡CadHub公布的一句話「Code is the future of CAD」,在CadHub上,目前條列溝通、可Hack、版本控制、軟體產業的成長等理由,某些程度也正好符合我這些年來的觀察呢!

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