耿 鐵，任清海

（河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450007）

0 引言

STL（Stereo lithographic）文件格式是美國3D SYSTEMS公司提出的一種采用三角形面片離散地近似表示三維模型的接口標(biāo)準(zhǔn)，由于其接口格式規(guī)范、對三維實體描述的解釋唯一，目前已成為CAD/CAM/CAE系統(tǒng)接口的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一。因而STL文件在三維CAD設(shè)計、逆向工程、有限元分析、醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)、文物保護(hù)等方面有廣泛的應(yīng)用[1]。

OpenGL(Open Graphic Library)是一個三維真實感圖形模型庫，被廣泛地運用于科學(xué)計算可視化、計算機(jī)動畫和虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域，利用OpenGL開發(fā)圖形軟件已成為當(dāng)今業(yè)界的時尚[2]。

為了獲得STL文件三維模型的真實感顯示，以更好地進(jìn)行氣體輔助注塑成型數(shù)值模擬后置處理的研究與開發(fā)，本文在深入研究STL文件特點的基礎(chǔ)上，運用VC++6.0環(huán)境下的MFC的串行化文件I/O操作機(jī)制和OpenGL強(qiáng)大的圖形繪制渲染功能，對STL文件三維模型真實感圖形可視化進(jìn)行了研究與實現(xiàn)。

1 STL文件的數(shù)據(jù)組織格式

STL 文件是由若干空間無序排列組合的、并沒有反映拓?fù)潢P(guān)系的小三角形面片組成的集合，是一種用許多空間小三角形面片逼近三維實體表面的數(shù)據(jù)模型，每個三角形面片由三角形的三個頂點坐標(biāo)和指向模型外部的三角形面片的法向量組成[3]。目前的STL文件格式包括二進(jìn)制文件(BINARY)和文本文件(ASCII)兩種[4]。

1.1 STL的二進(jìn)制格式

二進(jìn)制STL文件用固定的字節(jié)數(shù)來給出三角形面片的幾何信息[4]。文件起始的80個字節(jié)是文件頭，用于存貯零件名等文字信息，接著用4個字節(jié)的整數(shù)來描述模型的三角形面片個數(shù)， 后面逐個給出每個三角形面片的幾何信息。每個三角形面片占用固定的50個字節(jié)，依次是3個4字節(jié)浮點數(shù)，用來描述三角形面片的法矢量；3個4字節(jié)浮點數(shù)，用來描述第1個頂點的坐標(biāo)；3個4字節(jié)浮點數(shù)，用來描述第2個頂點的坐標(biāo)；3個4字節(jié)浮點數(shù)，用來描述第3個頂點的坐標(biāo)，每個三角形面片的最后2個字節(jié)用來描述三角形面片的屬性信息(包括顏色屬性等)，暫時沒有用。一個二進(jìn)制STL文件的大小為三角形面片數(shù)乘以50再加上84個字節(jié)。

1.2 STL的ASCII文件格式

ASCII碼格式的文件逐行給出三角形面片的幾何信息，每一行以1個或2個關(guān)鍵字開頭。在STL文件中的三角形面片的信息單元facet是一個帶矢量方向的三角形面片，STL三維模型就是由一系列這樣的三角形面片構(gòu)成。STL文件的首行給出了文件路徑及文件名。在一個STL文件中,每一個facet由7行數(shù)據(jù)組成，第一行是三角形面片指向?qū)嶓w外部的法矢量坐標(biāo)，由facet normal開頭，第二行為outer loop關(guān)鍵字，隨后的第3、4、5行數(shù)據(jù)分別是三角形面片的個頂點坐標(biāo)，分別以vertex關(guān)鍵字開頭，3頂點沿指向?qū)嶓w外部的法矢量方向逆時針排列[5]，第六行為end loop關(guān)鍵字，第七行為endfacet關(guān)鍵字，表示一個三角形面片信息描述完畢。

通過對STL兩種文件格式的分析可知，其中二進(jìn)制的文件格式較小，節(jié)省文件存儲空間，而ASCII碼格式的文件可讀性較強(qiáng)，故把這種格式作為可視化研究對象。

2 STL文件的讀取和顯示

2.1 定義STL文件相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

STL文件型由一系列三角形面片構(gòu)成，即三角形面片是構(gòu)成STL文件的基本單位。每個三角形面片又由三維空間中對應(yīng)的三個頂點坐標(biāo)及其構(gòu)成的平面的法向矢量組成。所以采用結(jié)構(gòu)型變量分別定義構(gòu)成三角形面片的頂點數(shù)據(jù)和法向量，并采用基類CObject的派生類CTriangleClass定義的m_TriangleList數(shù)組來實現(xiàn)動態(tài)存儲構(gòu)成STL文件的三角形面片。

2.2 讀取STL文件數(shù)據(jù)

MFC提供了一種串行化方式（Serialize）存取文檔機(jī)制，可以方便地把對象的不同數(shù)據(jù)信息存儲到指定的二進(jìn)制文件中，也可以方便地以同樣順序從該二進(jìn)制文件中讀出數(shù)據(jù)并創(chuàng)建對象[6]。具體算法如下：

2.3 STL文件的真實感圖形可視化顯示

在OpenGL中，光照模型由環(huán)境反射光、漫反射光、鏡面反射光等組成，通過函數(shù)glLight對光源特性進(jìn)行設(shè)置，可以模擬真實的光照效果；材質(zhì)屬性是通過對光線中的紅、綠、藍(lán)三原色的反射率來近似定義的，可以采用函數(shù)glMaterial實現(xiàn)材質(zhì)的設(shè)置；OpenGL提供的Gouraud著色模式，實現(xiàn)了在頂點顏色之間進(jìn)行雙線性差值，使不同頂點之間的顏色光滑連續(xù)，可以改進(jìn)顯示效果；在OpenGL中，還可以采用融合技術(shù)，實現(xiàn)三維模型的透明處理；另外OpenGL還可以啟動深度檢測功能，進(jìn)行消隱處理，提高三維模型的立體感[7]。通過使用光照模型、材質(zhì)屬性、著色模式、深度檢測、融合以及反走樣等技術(shù)可以實現(xiàn)三維模型的真實感顯示效果。具體算法如下：

3 結(jié)束語

在Visual C++6.0環(huán)境下，運用MFC的串行化文件I/O操作機(jī)制和OpenGL函數(shù)庫對STL文件的三維模型的真實感圖形可視化進(jìn)行了研究，并且詳細(xì)介紹了STL文件的讀取和顯示方法，為后續(xù)的氣體輔助注塑成型數(shù)值模擬后置處理的研程序結(jié)果如圖1所示。究與開發(fā)提供了條件，具有一定的使用價值和應(yīng)用前景。

[1] 衛(wèi)煒, 周來水, 張麗艷.海量STL文件的快速讀取與顯示[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2006, 25(8): 935-938.

[2] 程小茁, 劉金義, 吳濤.基于OpenGL的STL格式實真實感圖形顯示工具的實現(xiàn)[J].撫順石油學(xué)院學(xué)報, 1999,19(3): 53-55.

[3] 胡海鷗, 王素.基于OpenGL的STL文件可視化研究[OL].中國科技論文在線, 2010, 3(4): 371-376.http://highlights.paper.edu.cn/page_detail.php? id=910

[4] 嚴(yán)桔銘, 鐘艷如.基于VC++和OpenGL的STL文件讀取顯示[J].計算機(jī)體系應(yīng)用, 2009, 3: 172-175.

[5] 紀(jì)峰, 陳荔, 李占利.基于STL文件的模型及應(yīng)用[J].長安大學(xué)學(xué)報, 2006, 26(1): 104-107.

[6] 王清輝, 王彪.Visual C++ CAD應(yīng)用程序開發(fā)技術(shù)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社.2003.

[7] 和克智, 等.OpenGL編程技術(shù)詳解[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社.2010.

[8] 郭兆榮.Visual C++ OpenGL 應(yīng)用程序開發(fā)[M].北京: 人民郵電出版社, 2006.