STL模型的读写

Date:02 February 2018 | Number of words:6629 | Approximately reading time:19 minutes

STL模型作为一种存储三角面片的三维模型格式现在广泛运用于3d打印行业中。一般来说用3d打印的商业软件可以直接读取模型并且进行后续的切片等操作，但是由于商业软件的封装特点，往往难以得到所需要的信息。实际上STL模型是一种很简单的模型，他只存储了模型的三角面片的三个顶点坐标和法向量坐标，面与面之间的拓扑关系等是没有存储在内的，这样虽然减少了模型的数据量，但是在后续打印中也遗留下一定的困难。

STL模型简介

STL模型实际上有两种数据存储格式，分别是二进制格式和ASCII格式，其中二进制格式占用空间少，ASCII格式便于阅读，但是不管是哪种格式，存储的内容都是一样的。

ASCII格式

ASCII码格式的STL文件逐行给出三角面片的几何信息，每一行以1个或2个关键字开头。在STL文件中的三角面片的信息单元facet是一个带矢量方向的三角面片，STL三维模型就是由一系列这样的三角面片构成。整个STL文件的首行给出了文件名。在一个STL文件中，每一个facet由7行数据组成， facet normal 是三角面片指向实体外部的法矢量坐标， outer loop 说明随后的3行数据分别是三角面片的3个顶点坐标，3顶点沿指向实体外部的法矢量方向逆时针排列。 ASCII格式的STL文件可以显示如下：

solid filename
   facet normal 0.000000e+000 1.000000e+000 0.000000e+000
      outer loop
         vertex 8.440000e+001 2.000000e+001 0.000000e+000
         vertex 0.000000e+000 2.000000e+001 0.000000e+000
         vertex 1.000000e+001 2.000000e+001 1.500000e+001
      endloop
   endfacet

二进制格式

二进制STL文件用固定的字节数来给出三角面片的几何信息。文件起始的80个字节是文件头，用于存贮文件名；紧接着用4个字节的整数来描述模型的三角面片个数，后面逐个给出每个三角面片的几何信息。每个三角面片占用固定的50个字节，依次是: 3个4字节浮点数(角面片的法矢量) 3个4字节浮点数(1个顶点的坐标) 3个4字节浮点数(2个顶点的坐标) 3个4字节浮点数(3个顶点的坐标) 三角面片的最后2个字节用来描述三角面片的属性信息。一个完整二进制STL文件的大小为三角形面片数乘以50再加上84个字节。由于解码的问题，二进制格式的STL文件如果直接用记事本打开则显示出来大多数都是乱码。二进制格式的STL文件可显示如下：

UINT8//Header//文件头
UINT32//Numberoftriangles//三角面片数量
//foreachtriangle（每个三角面片中）
REAL32[3]//Normalvector//法线矢量
REAL32[3]//Vertex1//顶点1坐标
REAL32[3]//Vertex2//顶点2坐标
REAL32[3]//Vertex3//顶点3坐标
UINT16//Attribute byte count//文件属性统计

对于二进制格式的STL文件，每个三角形面片末尾的两个字节可以用来存储15位的RGB颜色信息，对于VisCAM和SolidView软件：

第0位到第4位，用于表示蓝色的强度等级（0-31）；
第5位到第9位，用于表示绿色的强度等级（0-31）；
第10位到第14位，用于表示红色的强度等级（0-31）；
第15位用于表示颜色的有效性，颜色有效则为1，无效则为0。
对于Material Magics软件，对于颜色强度的排序则与之前正好相反：
第0位到第4位，用于表示红色的强度等级（0-31）；
第5位到第9位，用于表示绿色的强度等级（0-31）；
第10位到第14位，用于表示蓝色的强度等级（0-31）；
第15位为0表示该面片有自己独特的颜色，为1则表示使用每个面片的颜色。
由于两种表达方式正好相反，对于通用软件来说无法区分它们，当然对于大多数3d打印软件来说，颜色属性并不重要。

两种格式区别

读取STL文件首先要对文件进行分类，二进制文件和ASCII格式文件虽然信息量是相等的，但是读取方法不相同，这样判断一个STL文件到底是二进制文件还是ASCII格式文件就非常重要。从简单的方法来看，ASCII格式的STL文件，首行读取的前五个字符一定是’solid’,第二行开始的第一个非空格字符一定是’f’（由于生成STL格式的软件众多，一般来说f是第二行的第三个字符，但是由于标准不统一，这里采用非空格字符的方法），这样就可以用简单的方法将两类文件区分开来了，用C++代码实现如下：

string headStr;
string SecondStr;
getline(in, headStr);
getline(in, SecondStr);
in.close();

if (headStr.empty())
    return false;

int noempty=0;
while(SecondStr[noempty]==' ')
    noempty++;
if((headStr[0] == 's') && (SecondStr[noempty] == 'f'))
{
    cout << "ASCII File." << endl;
    ReadASCII(cfilename);
}
else
{
    cout << "Binary File." << endl;
    ReadBinary(cfilename);
}

读取ASCII格式文件

读取ASCII格式文件比较简单，由于ASCII格式是按行来储存数据的，利用C++的getline就可以很简单的来读取每一行的数据。 ASCII文件可以直接用输入的方式打开，代码如下：

ifstream in;  
in.open(cfilename, ios::in);  

读取文件之后，利用循环读取每一行数据，对其中的字母，符号等数据进行剔除，只留下浮点数的数据。由于数据包含了法向量的数据和3个顶点的坐标，法向量的数据实际上可以由三个顶点坐标求出，所以可以选择舍弃法向量数据也可以单独存储，读取代码如下：

int flag=0;
do   
{   
    i=0;   
    cnt=0;   
    in.getline(a,100, '\n');   
    while(a[i]!='\0')   
    {   
        if (!islower((int)a[i]) && !isupper((int)a[i]) && a[i]!=' ')   
          break;   
        cnt++;   
        i++;   
    }   

    while(a[cnt]!='\0')           
    {   
        str[j]=a[cnt];   
        cnt++;   
        j++;   
    }   
    str[j]='\0';   
    j=0;   

    if (sscanf(str,"%lf%lf%lf",&x,&y,&z)==3)   
    {   
        flag++;
        if(flag%4==1)
        {
            //save the normal factor
        }
        else
        {
            //save the vertices coordinates
        }
    }  
    pCnt++;  
}while(!in.eof());

读取二进制格式文件

读取二进制格式的文件时，相较于读取ASCII格式文件，在读取函数中需要添加ios::binary，代码如下：

ifstream in;
in.open(cfilename, ios::in | ios::binary);

由于前80个字节是文件头，可以直接舍弃

in.read(str, 80);

紧接着的四个字节整型描述模型的三角面片个数，所以可以事先读取出面片个数：

//number of triangles  
int unTriangles;
in.read((char*)&unTriangles, sizeof(int));

得到所有三角面片数量之后，利用for循环则可以很轻松得存储每个面片的数据信息：

for (int i = 0; i < unTriangles; i++)
{
    float coorXYZ[12];
    in.read((char*)coorXYZ, 12 * sizeof(float));
    //save the normal factor
    for(int j = 0 ; j < 4 ; j++)
    {
        //save the vertices coordinates
    }
}

写ASCII格式文件

当具有所有面片的顶点信息时，可以比较容易将面片信息存储为STL文件。ASCII格式在前文已经讨论过，只需要对每个面片进行遍历，并且将面片的顶点数据按照格式写入文件即可，利用glm库来处理向量叉乘，代码如下：

string filename_output = filename + string(".stl");
ofstream output(filename_output.c_str(), ios_base::out);

output << "solid " << filename << endl;

vector<Mesh>::iterator mesh_iter;
for (mesh_iter = meshgroup->meshes.begin(); mesh_iter != meshgroup->meshes.end(); mesh_iter++)
{
  vector<MeshFace>::iterator face_iter;
  for (face_iter = mesh_iter->faces.begin(); face_iter != mesh_iter->faces.end(); face_iter++)
  {
    glm::vec3 v0 = Point3toGlm(mesh_iter->vertices[face_iter->vertex_index[0]].p);
    glm::vec3 v1 = Point3toGlm(mesh_iter->vertices[face_iter->vertex_index[1]].p);
    glm::vec3 v2 = Point3toGlm(mesh_iter->vertices[face_iter->vertex_index[2]].p);

    glm::vec3 e0 = v1 - v0;
    glm::vec3 e1 = v2 - v1;
    // Normal vector pointing up from the triangle
    glm::vec3 n = glm::normalize(glm::cross(e0, e1));

    output << "   " << "facet normal " << n.x << " " << n.y << " " << n.z << endl;
    output << "      " << "outer loop" << endl;
    output << "         " << "vertex" << " " << v0.x << " " << v0.y << " " << v0.z << endl;
    output << "         " << "vertex" << " " << v1.x << " " << v1.y << " " << v1.z << endl;
    output << "         " << "vertex" << " " << v2.x << " " << v2.y << " " << v2.z << endl;
    output << "      " << "endloop" << endl;
    output << "   " << "endfacet" << endl;
  }
}
output << "endsolid" << endl;
output.close();

写二进制格式文件

相较于写ASCII格式文件，二进制格式相对麻烦一点，由于二进制格式文件在文件开始处就需要将面片数量写入文件，所以需要在遍历面片之前先读取面片数量的数据，代码如下：

string filename_output = filename + string(".stl");
ofstream output(filename_output.c_str(), ios_base::out | ios_base::binary);

output.write(filename.c_str(),80);

vector<Mesh>::iterator mesh_iter;
int facetnum = 0;
for (mesh_iter = meshgroup->meshes.begin(); mesh_iter != meshgroup->meshes.end(); mesh_iter++)
{
  facetnum += mesh_iter->faces.size();
}
output.write((char*)&facetnum, 4);

for (mesh_iter = meshgroup->meshes.begin(); mesh_iter != meshgroup->meshes.end(); mesh_iter++)
{
  vector<MeshFace>::iterator face_iter;
  for (face_iter = mesh_iter->faces.begin(); face_iter != mesh_iter->faces.end(); face_iter++)
  {
    glm::vec3 v0 = Point3toGlm(mesh_iter->vertices[face_iter->vertex_index[0]].p);
    glm::vec3 v1 = Point3toGlm(mesh_iter->vertices[face_iter->vertex_index[1]].p);
    glm::vec3 v2 = Point3toGlm(mesh_iter->vertices[face_iter->vertex_index[2]].p);

    glm::vec3 e0 = v1 - v0;
    glm::vec3 e1 = v2 - v1;
    // Normal vector pointing up from the triangle
    glm::vec3 n = glm::normalize(glm::cross(e0, e1));

    output.write((char*)&n.x, 4);
    output.write((char*)&n.y, 4);
    output.write((char*)&n.z, 4);

    output.write((char*)&v0.x, 4);
    output.write((char*)&v0.y, 4);
    output.write((char*)&v0.z, 4);

    output.write((char*)&v1.x, 4);
    output.write((char*)&v1.y, 4);
    output.write((char*)&v1.z, 4);

    output.write((char*)&v2.x, 4);
    output.write((char*)&v2.y, 4);
    output.write((char*)&v2.z, 4);

    output.write((char*)("  "), 2);//颜色信息，这里不需要
  }
}
output.close();

Reference

[1]严梽铭, 钟艳如. 基于VC++和OpenGL的STL文件读取显示[J]. 计算机系统应用, 2009, 18(3):172-175.
[2]https://baike.baidu.com/item/stl%E6%A0%BC%E5%BC%8F/3511640?fr=aladdin
[3]http://blog.csdn.net/chinamming/article/details/16918643
[4]https://en.wikipedia.org/wiki/STL_(file_format)

Conceptclear

概念清楚吧