STL of Open Cascade Data Exchange
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- 阀 鲁
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1 Open Cascade Data Exchange --- STL 摘要 Abstract: 介绍了三维数据交换格式 STL 的组成, 以及 Open Cascade 中对 STL 的读写 并将 Open Cascade 读进来的 STL 的三角面片在 OpenSceneGraph 中显示 关键字 Key Words:STL, Open Cascade, OpenSceneGraph, Data Exchange STL(the Stereo Lithograpy) 是快速原型系统所应用的标准文件类型 它的目的是将几 何数据发送到可以读取和解释这些数据的机器, 这种机器可将模型转换成塑料的物理模型 STL 是用三角网格来表示三维模型的 STL 文件格式简单, 只能描述三维物体的几何信息, 不支持颜色 材质等信息, 是三维打印机支持的最常见的文件格式 由于 STL 文件的网格表示方法只能表示封闭的形状, 所以要转换的形状必须是实体, 或封闭的面和体 STL 文件 有两种 : 一种是明码 (ASCII) 格式, 一种是二进制 (Binary) 格式 一 STL 的明码 (ASCII) 格式 ASCII 格式的 STL 文件逐行给出三角面片的几何信息, 每行以 1 个或 2 个关键字开头 STL 文件中的三角面片的信息单元 facet 是一个带法向方向的三角面片,STL 三维模型就是 由这一系列的三角面片构成 整个 STL 文件的首行给出了文件路径及文件名 在一个 STL 文件中, 每个 facet 由 7 行数据组成 :facet normal 是三角面片指向实体外部的单位法矢量 ; 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 文件结构如下 : 说明如下 :
2 下面给出由 Open Cascade 中导出的一个长方体的 STL 文件 : 长方体的尺寸为长 200, 宽 150, 高 100, 原点在一个角点上 solid Figure 1.1 Box in Open Cascade facet normal e e e+000 vertex e e e+002 vertex e e e+000 vertex e e e+002 facet normal e e e+000 vertex e e e+000 vertex e e e+000 vertex e e e+002 facet normal e e e+000
3 vertex e e e+002 vertex e e e+000 vertex e e e+002 facet normal e e e+000 vertex e e e+002 vertex e e e+000 vertex e e e+000 facet normal e e e+000 vertex e e e+000 vertex e e e+000 vertex e e e+002 facet normal e e e+000 vertex e e e+002 vertex e e e+000 vertex e e e+002 facet normal e e e+000 vertex e e e+002 vertex e e e+000 vertex e e e+000 facet normal e e e+000 vertex e e e+002 vertex e e e+000 vertex e e e+002 facet normal e e e+000 vertex e e e+000 vertex e e e+000
4 vertex e e e+000 facet normal e e e+000 vertex e e e+000 vertex e e e+000 vertex e e e+000 facet normal e e e+000 vertex e e e+002 vertex e e e+002 vertex e e e+002 facet normal e e e+000 vertex e e e+002 vertex e e e+002 vertex e e e+002 endsolid 由上面的 STL 明码文件可知, 上述数据将一个长方体的 6 个面用 12 个三角形来表示 在 OpenSceneGraph 中显示效果如下图所示, 分别为此长方体的实体渲染模式和线框渲染模式 : Figure 1.2 Shaded and Wireframe box in OpenSceneGraph
5 二 STL 的二进制 (Binary) 格式 二进制的 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 80 个字节是 文件头, 用于存贮零件名 ; 紧接着 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 每个三角面片用固定的 50 个字节, 依次是表示三角面片的法 矢量的 3 个 4 字节浮点数 ; 表示三角面片三个顶点的 3x3 个 4 字节浮点数 ; 最后 2 个字节用来描述三角面片的属性信息 三 OCC 中 STL 文件的读写 Read/Write STL in Open Cascade 在 Open Cascade 中 STL 文件的读写分别使用类 :StlAPI_Reader/StlAPI_Writer 来实现 查看源程序可知, 写 STL 文件的步骤如下 : 遍历一个 TopoDS_Shape 所有的面 Face; 使用工具 BRep_Tool::Triangulation 将每个面 Face 三角面片化 ; 计算每个三角面片的法矢量 ; 将结果写入文件 类 RWStl 对 STL 的读定也是有两种格式, 即 ASCII 格式和 Binary 格式 : RWStl::WriteBinary RWStl::WriteAscii RWStl::ReadBinary RWStl::ReadAscii 程序的具体实现可以查看 Open Cascade 源代码, 将读写部分主要代码 RWStl.cxx 列出如下 : // File: RWStl.cxx // Created: Thu Oct 13 13:41: // Author: Marc LEGAY // <mle@bourdon> // Copyright: Matra Datavision #include <RWStl.ixx> #include <OSD_Protection.hxx> #include <OSD_File.hxx> #include <TCollection_AsciiString.hxx> #include <Standard_NoMoreObject.hxx>
6 #include <Standard_TypeMismatch.hxx> #include <Precision.hxx> #include <StlMesh_MeshExplorer.hxx> #include <OSD.hxx> #include <OSD_Host.hxx> #include <gp_xyz.hxx> #include <gp.hxx> #include <stdio.h> #include <gp_vec.hxx> // constants static const int HEADER_SIZE = 84; static const int SIZEOF_STL_FACET = 50; static const int STL_MIN_FILE_SIZE = 284; static const int ASCII_LINES_PER_FACET = 7; //=============== ======================================================= //function : WriteInteger //purpose : writing a Little Endian 32 bits integer inline static void WriteInteger(OSD_File& ofile,const Standard_Integer value) union Standard_Integer i;// don't be afraid, this is just an unsigned int char c[4]; bidargum; bidargum.i = value; Standard_Integer entier; entier = bidargum.c[0] & 0xFF; entier = (bidargum.c[1] & 0xFF) << 0x08; entier = (bidargum.c[2] & 0xFF) << 0x10; entier = (bidargum.c[3] & 0xFF) << 0x18; ofile.write((char *)&entier,sizeof(bidargum.c)); //function : WriteDouble2Float //purpose : writing a Little Endian 32 bits float
7 inline static void WriteDouble2Float(OSD_File& ofile,standard_real value) union Standard_ShortReal f; char c[4]; bidargum; bidargum.f = (Standard_ShortReal)value; Standard_Integer entier; entier = bidargum.c[0] & 0xFF; entier = (bidargum.c[1] & 0xFF) << 0x08; entier = (bidargum.c[2] & 0xFF) << 0x10; entier = (bidargum.c[3] & 0xFF) << 0x18; ofile.write((char *)&entier,sizeof(bidargum.c)); //function : readfloat2double //purpose : reading a Little Endian 32 bits float inline static Standard_Real ReadFloat2Double(OSD_File &afile) union Standard_Boolean i; // don't be afraid, this is just an unsigned int Standard_ShortReal f; bidargum; char c[4]; Standard_Address adr; adr = (Standard_Address)c; Standard_Integer lread; afile.read(adr,4,lread); bidargum.i = c[0] & 0xFF; bidargum.i = (c[1] & 0xFF) << 0x08; bidargum.i = (c[2] & 0xFF) << 0x10; bidargum.i = (c[3] & 0xFF) << 0x18;
8 return (Standard_Real)(bidargum.f); //function : WriteBinary //purpose : write a binary STL file in Little Endian format Standard_Boolean RWStl::WriteBinary(const Handle(StlMesh_Mesh)& amesh, const OSD_Path& apath) OSD_File thefile = OSD_File (apath); thefile.build(osd_writeonly,osd_protection()); Standard_Real x1, y1, z1; Standard_Real x2, y2, z2; Standard_Real x3, y3, z3; //pgo Standard_Real x,y,z; char sval[80]; Standard_Integer NBTRIANGLES=0; unsigned int NBT; NBTRIANGLES = amesh->nbtriangles(); NBT = NBTRIANGLES ; thefile.write ((Standard_Address)sval,80); WriteInteger(theFile,NBT); // thefile.write ((Standard_Address)&NBT,4); int dum=0; StlMesh_MeshExplorer amexp (amesh); for (Standard_Integer nbd=1;nbd<=amesh->nbdomains();nbd++) for (amexp.inittriangle (nbd); amexp.moretriangle (); amexp.nexttriangle ()) amexp.trianglevertices (x1,y1,z1,x2,y2,z2,x3,y3,z3); //pgo amexp.triangleorientation (x,y,z); gp_xyz Vect12 ((x2-x1), (y2-y1), (z2-z1)); gp_xyz Vect13 ((x3-x1), (y3-y1), (z3-z1)); gp_xyz Vnorm = Vect12 ^ Vect13; Standard_Real Vmodul = Vnorm.Modulus (); if (Vmodul > gp::resolution()) Vnorm.Divide(Vmodul);
9 else // si Vnorm est quasi-nul, on le charge a 0 explicitement Vnorm.SetCoord (0., 0., 0.); WriteDouble2Float (thefile,vnorm.x()); WriteDouble2Float (thefile,vnorm.y()); WriteDouble2Float (thefile,vnorm.z()); WriteDouble2Float (thefile,x1); WriteDouble2Float (thefile,y1); WriteDouble2Float (thefile,z1); WriteDouble2Float (thefile,x2); WriteDouble2Float (thefile,y2); WriteDouble2Float (thefile,z2); WriteDouble2Float (thefile,x3); WriteDouble2Float (thefile,y3); WriteDouble2Float (thefile,z3); thefile.write (&dum,2); thefile.close (); return Standard_True; //function : WriteAscii //purpose : write an ASCII STL file Standard_Boolean RWStl::WriteAscii(const Handle(StlMesh_Mesh)& amesh, const OSD_Path& apath) OSD_File thefile = OSD_File (apath); thefile.build(osd_writeonly,osd_protection()); TCollection_AsciiString buf = TCollection_AsciiString ("solid\n"); thefile.write (buf,buf.length());buf.clear(); Standard_Real x1, y1, z1; Standard_Real x2, y2, z2;
10 Standard_Real x3, y3, z3; //pgo Standard_Real x,y,z; char sval[16]; StlMesh_MeshExplorer amexp (amesh); for (Standard_Integer nbd=1;nbd<=amesh->nbdomains();nbd++) for (amexp.inittriangle (nbd); amexp.moretriangle (); amexp.nexttriangle ()) amexp.trianglevertices (x1,y1,z1,x2,y2,z2,x3,y3,z3); // Standard_Real x, y, z; // amexp.triangleorientation (x,y,z); gp_xyz Vect12 ((x2-x1), (y2-y1), (z2-z1)); gp_xyz Vect23 ((x3-x2), (y3-y2), (z3-z2)); gp_xyz Vnorm = Vect12 ^ Vect23; Standard_Real Vmodul = Vnorm.Modulus (); if (Vmodul > gp::resolution()) Vnorm.Divide (Vmodul); else // si Vnorm est quasi-nul, on le charge a 0 explicitement Vnorm.SetCoord (0., 0., 0.); buf += " facet normal "; sprintf (sval,"% 12e",Vnorm.X()); buf += " "; sprintf (sval,"% 12e",Vnorm.Y()); buf += " "; sprintf (sval,"% 12e",Vnorm.Z()); buf += '\n'; thefile.write (buf,buf.length());buf.clear(); buf += " \n"; thefile.write (buf,buf.length());buf.clear(); buf += " vertex "; sprintf (sval,"% 12e",x1); buf += " ";
11 sprintf (sval,"% 12e",y1); buf += " "; sprintf (sval,"% 12e",z1); buf += '\n'; thefile.write (buf,buf.length());buf.clear(); buf += " vertex "; sprintf (sval,"% 12e",x2); buf += " "; sprintf (sval,"% 12e",y2); buf += " "; sprintf (sval,"% 12e",z2); buf += '\n'; thefile.write (buf,buf.length());buf.clear(); buf += " vertex "; sprintf (sval,"% 12e",x3); buf += " "; sprintf (sval,"% 12e",y3); buf += " "; sprintf (sval,"% 12e",z3); buf += '\n'; thefile.write (buf,buf.length());buf.clear(); buf += " \n"; thefile.write (buf,buf.length());buf.clear(); buf += " \n"; thefile.write (buf,buf.length());buf.clear(); buf += "endsolid\n"; thefile.write (buf,buf.length());buf.clear(); thefile.close (); return Standard_True;
12 //function : ReadFile //Design : //Warning : Handle_StlMesh_Mesh RWStl::ReadFile(const OSD_Path& apath) OSD_File file = OSD_File (apath); file.open(osd_readonly,osd_protection(osd_rwd,osd_rwd,osd_rwd,osd_rwd)); Standard_Boolean IsAscii; unsigned char str[128]; Standard_Integer lread,i; Standard_Address ach; ach = (Standard_Address)str; // we skip the header which is in Ascii for both modes file.read(ach,header_size,lread); // we read 128 characters to detect if we have a non-ascii char file.read(ach,sizeof(str),lread); IsAscii = Standard_True; for (i = 0; i< lread && IsAscii; ++i) if (str[i] > '~') IsAscii = Standard_False; printf("%s\n",(isascii?"ascii":"binary")); file.close(); if (IsAscii) return RWStl::ReadAscii (apath); else return RWStl::ReadBinary (apath); //function : ReadBinary //Design : //Warning :
13 Handle_StlMesh_Mesh RWStl::ReadBinary(const OSD_Path& apath) Standard_Integer NBFACET; Standard_Integer ifacet; Standard_Real fx,fy,fz,fx1,fy1,fz1,fx2,fy2,fz2,fx3,fy3,fz3; Standard_Integer i1,i2,i3,lread; char buftest[5]; Standard_Address adr; adr = (Standard_Address)buftest; // Open the file OSD_File thefile = OSD_File(aPath); thefile.open(osd_readonly,osd_protection(osd_rwd,osd_rwd,osd_rwd,osd_rwd)); // the size of the file (minus the header size) // must be a multiple of SIZEOF_STL_FACET // compute file size Standard_Integer filesize = thefile.size(); if ( (filesize - HEADER_SIZE) % SIZEOF_STL_FACET!=0 (filesize < STL_MIN_FILE_SIZE)) Standard_NoMoreObject::Raise("RWStl::ReadBinary (wrong file size)"); // don't trust the number of triangles which is coded in the file // sometimes it is wrong, and with this technique we don't need to swap endians for integer NBFACET = ((filesize - HEADER_SIZE) / SIZEOF_STL_FACET); // skip the header thefile.seek(header_size,osd_frombeginning); // create the StlMesh_Mesh object Handle(StlMesh_Mesh) ReadMesh = new StlMesh_Mesh (); ReadMesh->AddDomain (); for (ifacet=1; ifacet<=nbfacet; ++ifacet) // read normal coordinates fx = ReadFloat2Double(theFile); fy = ReadFloat2Double(theFile); fz = ReadFloat2Double(theFile);
14 // read vertex 1 fx1 = ReadFloat2Double(theFile); fy1 = ReadFloat2Double(theFile); fz1 = ReadFloat2Double(theFile); // read vertex 2 fx2 = ReadFloat2Double(theFile); fy2 = ReadFloat2Double(theFile); fz2 = ReadFloat2Double(theFile); // read vertex 3 fx3 = ReadFloat2Double(theFile); fy3 = ReadFloat2Double(theFile); fz3 = ReadFloat2Double(theFile); i1 = ReadMesh->AddOnlyNewVertex (fx1,fy1,fz1); i2 = ReadMesh->AddOnlyNewVertex (fx2,fy2,fz2); i3 = ReadMesh->AddOnlyNewVertex (fx3,fy3,fz3); ReadMesh->AddTriangle (i1,i2,i3,fx,fy,fz); // skip extra bytes thefile.read(adr,2,lread); thefile.close (); return ReadMesh; //function : ReadAscii //Design : //Warning : Handle_StlMesh_Mesh RWStl::ReadAscii(const OSD_Path& apath) TCollection_AsciiString filename; long ipos; Standard_Integer nblines = 0; Standard_Integer nbtris = 0; Standard_Integer itri; Standard_ShortReal x[4],y[4],z[4]; Standard_Integer i1,i2,i3; Handle(StlMesh_Mesh) ReadMesh;
15 apath.systemname( filename); // Open the file FILE* file = fopen(filename.tocstring(),"r"); fseek(file,0l,seek_end); long filesize = ftell(file); fclose(file); file = fopen(filename.tocstring(),"r"); // count the number of lines for (ipos = 0; ipos < filesize; ++ipos) if (getc(file) == '\n') nblines++; // compute number of triangles nbtris = (nblines / ASCII_LINES_PER_FACET); // go back to the beginning of the file // fclose(file); // file = fopen(filename.tocstring(),"r"); rewind(file); // skip header while (getc(file)!= '\n'); cout<< "start mesh\n"; ReadMesh = new StlMesh_Mesh(); ReadMesh->AddDomain(); // main reading for (itri = 0; itri < nbtris; ++itri) // reading the facet normal fscanf(file,"%*s %*s %f %f %f\n",&x[0],&y[0],&z[0]); // skip the keywords "" fscanf(file,"%*s %*s");
16 // reading vertex fscanf(file,"%*s %f %f %f\n",&x[1],&y[1],&z[1]); fscanf(file,"%*s %f %f %f\n",&x[2],&y[2],&z[2]); fscanf(file,"%*s %f %f %f\n",&x[3],&y[3],&z[3]); // here the facet must be built and put in the mesh datastructure i1 = ReadMesh->AddOnlyNewVertex ((Standard_Real)x[1],(Standard_Real)y[1],(Standard_Real)z[1]); i2 = ReadMesh->AddOnlyNewVertex ((Standard_Real)x[2],(Standard_Real)y[2],(Standard_Real)z[2]); i3 = ReadMesh->AddOnlyNewVertex ((Standard_Real)x[3],(Standard_Real)y[3],(Standard_Real)z[3]); ReadMesh->AddTriangle (i1,i2,i3,(standard_real)x[0],(standard_real)y[0],(standard_real)z[0]); // skip the keywords "" fscanf(file,"%*s"); // skip the keywords "" fscanf(file,"%*s"); cout<< "end mesh\n"<<endl; fclose(file); return ReadMesh; 程序开始定义了一些常量 : // constants static const int HEADER_SIZE = 84; static const int SIZEOF_STL_FACET = 50; static const int STL_MIN_FILE_SIZE = 284; static const int ASCII_LINES_PER_FACET = 7; 分别对应二进制文件中相关信息, 即文件头 84 个字节, 每个三角面片 50 个字节,STL 文件 最小为 284 字节 ASCII 的 STL 中每个三角面有 7 行 在数据的读写过程中, 对数据进行了小端转换 将 double 数据转换成小端表示的代码 如下所示 : //===================================================================== //function : WriteDouble2Float
17 //purpose : writing a Little Endian 32 bits float //===================================================================== inline static void WriteDouble2Float(OSD_File& ofile,standard_real value) union Standard_ShortReal f; char c[4]; bidargum; bidargum.f = (Standard_ShortReal)value; Standard_Integer entier; entier = bidargum.c[0] & 0xFF; entier = (bidargum.c[1] & 0xFF) << 0x08; entier = (bidargum.c[2] & 0xFF) << 0x10; entier = (bidargum.c[3] & 0xFF) << 0x18; ofile.write((char *)&entier,sizeof(bidargum.c)); 使用联合体 (union) 来处理显得很优雅 关于大端 小端的相关信息请参考 :
18 四 在 OpenSceneGraph 中显示 STL 结合 OpenCascade 中对 STL 文件读写的功能和 OpenSceneGraph 的显示功能, 将 STL 读取所得数据进行显示 源程序如下所示 : // Open Cascade #include <gp_vec.hxx> #include <OSD_Path.hxx> #include <RWStl.hxx> #include <StlMesh_Mesh.hxx> #include <StlMesh_MeshExplorer.hxx> #pragma comment(lib, "TKernel.lib") #pragma comment(lib, "TKMath.lib") #pragma comment(lib, "TKSTL.lib") // OpenSceneGraph #include <osgdb/readfile> #include <osgviewer/viewer> #include <osgviewer/viewereventhandlers> #include <osgga/statesetmanipulator> #pragma comment(lib, "osgd.lib") #pragma comment(lib, "osgdbd.lib") #pragma comment(lib, "osggad.lib") #pragma comment(lib, "osgviewerd.lib") osg::node* readstlfile(const std::string& filename) osg::group* root = new osg::group(); OSD_Path stlfile(filename.c_str()); Handle_StlMesh_Mesh stlmesh = RWStl::ReadFile(stlFile); Standard_Integer ndomains = stlmesh->nbdomains(); StlMesh_MeshExplorer meshexplorer(stlmesh); Standard_Real x[3] = 0; Standard_Real y[3] = 0; Standard_Real z[3] = 0; Standard_Real n[3] = 0; gp_xyz p1; gp_xyz p2; gp_xyz p3; gp_xyz normal;
19 gp_vec vecnormal; for (int i = 1; i <= ndomains; i++) for (meshexplorer.inittriangle(i); meshexplorer.moretriangle(); meshexplorer.nexttriangle()) meshexplorer.trianglevertices(x[0], y[0], z[0], x[1], y[1], z[1], x[2], y[2], z[2]); meshexplorer.triangleorientation(n[0], n[1], n[2]); p1.setcoord(x[0], y[0], z[0]); p2.setcoord(x[1], y[1], z[1]); p3.setcoord(x[2], y[2], z[2]); normal.setcoord(n[0], n[1], n[2]); //gp_vec vec12((x[1] - x[0]), (y[1] - y[0]), (z[1] - z[0])); //gp_vec vec23((x[2] - x[1]), (y[2] - y[1]), (z[2] - z[1])); //vecnormal = vec12.crossed(vec23).normalized(); osg::ref_ptr<osg::geode> geode = new osg::geode(); osg::ref_ptr<osg::geometry> trigeom = new osg::geometry(); osg::ref_ptr<osg::vec3array> vertices = new osg::vec3array(); osg::ref_ptr<osg::vec3array> normals = new osg::vec3array(); vertices->push_back(osg::vec3(x[0], y[0], z[0])); vertices->push_back(osg::vec3(x[1], y[1], z[1])); vertices->push_back(osg::vec3(x[2], y[2], z[2])); normals->push_back(osg::vec3(n[0], n[1], n[2])); vertices->size())); trigeom->setvertexarray(vertices.get()); trigeom->addprimitiveset(new osg::drawarrays(osg::primitiveset::triangles, 0, trigeom->setnormalarray(normals); trigeom->setnormalbinding(osg::geometry::bind_per_primitive); geode->adddrawable(trigeom); root->addchild(geode); return root;
20 int main(int argc, char* argv[]) osgviewer::viewer myviewer; osg::ref_ptr<osg::group> root = new osg::group(); //root->addchild(readstlfile("d:\\opencascade6.5.0\\data\\stl\\propeller.stl")); root->addchild(readstlfile("d:\\opencascade6.5.0\\data\\stl\\sh1.stl")); //root->addchild(readstlfile("d:\\opencascade6.5.0\\data\\stl\\motor.stl")); //root->addchild(readstlfile("d:\\box.stl")); myviewer.setscenedata(root); myviewer.addeventhandler(new osgga::statesetmanipulator(myviewer.getcamera()->getorcreatestateset())); myviewer.addeventhandler(new osgviewer::statshandler); myviewer.addeventhandler(new osgviewer::windowsizehandler); return myviewer.run();
21 以下所示为 OpenCascade 提供的几个 STL 文件在 OpenSceneGraph 中显示的效果 : Figure 4.1 Shaded Piston Figure 4.2 Wireframe Piston
22 Figure 4.3 Shaded Propeller Figure 4.4 Wireframe Propeller
23 五 结论通过使用 OpenCascade 的类 RWStl 来读取 STL 格式的文件, 理解了 STL 文件格式 ; 通过将读取的三角面面片数据在 OpenSceneGraph 中显示, 对三维物体在计算机中的表示有了感性的认识 六 参考资料 1. OpenCascade 中类 RWStl.cxx 2. OpenCascade 中 STL 模型数据 3. 字节序 大端 小端 :
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