三维钣金STL三维数据显示平台的软件开发

1 前言

钣金三维数据显示平台是机械生产中的一个细分——钣金 加工制造自动化软件研发的重要方向，也是钣金加工设计软件 的基础平台，是该工业领域研究的核心技术，在钣金产品图形化 设计、分析、仿真领域应用广泛。同时，该技术也可以被广泛的 应用于其他行业如：家具制造行业、传统制衣行业、机器人运动 仿真开发、科学计算求解器等其他的数字化计算机图形领域[1]。

本文利用面向对象的VC 6.0++，一款集成化、可视化的编程 软件平台进行基于windows平台下的基础应用程序框架部分的 软件编写和模块搭建。结合目前主流的图形开发程序开发包 OpenGL，进行相关的编程，实现了钣金STL数据的三维显示平 台开发。

2 系统构成

三维钣金STL三维数据显示平台的软件基于OpenGL图形 开发库，具有钣金STL数据读取模块、钣金STL数据显示模块、 图形变换模块等几部分组成，具体如图1所示。主要编程环境是 VC++ 6.0，图形显示技术采用了OpenGL，并且调用了其中的图 像变换函数，完成图像的显示、变换等功能。

3 STL数据简介和数据读取

3.1 钣金三维STL数据

在三维数字化图形设计领域，对于三维显示的格式选择尤 为重要，三维设计软件的厂家很多都利用自己的软件市场优势， 各自在不同的领域有所特长，并推广自己的数据格式。三维显示格式很多，常用的有IGS，SAT，OBJ，STL等。这些方法各有优 缺点，相互之间并不兼容和通用。

这其中，结合钣金三维数据量、数据结构的自身特点，本文 采用的是标准化STL数据。该数据作为一种标准的三维数据接 口，对传统点阵三维矩阵式数据进行了三角面片形式的处理。 描述一个点云的三维数据主要是细分成众多相邻近的三角面网 格。其中有两个参数非常重要：一个是每个小三角网络顶点的 三个坐标数据，我们利用(xi,yi,zi)(注i=1,2,3)来进行表示。另外 一个就是对应小三角面片的法向矢量数据，我们利用{n1,n2,n3} 进行表达。在三角顶点和法向矢量的确定时，我们利用右手定 则进行确定。

对于STL的计算机数据格式，本文采用了ASCII码的数据 格式[2]。虽然相较于计算机处理速度较快的另外一种二进制的 格式而言损失了一定的处理速度。但是基于Windows平台下， 对于大量文件数据的读取却可以很方便。同时后期的软件测 试、软件使用很方便，对其他辅助软件提供数据利用的便利。兼 容Matlab软件进行大规模数据的处理，还可以科学计算，矩阵求 解。兼容Excel软件，可以进行中小规模数据的分析和图形化展 示。

3.2 钣金三维STL数据

为了能够正确地读取STL模型的原始数据，更好地利用 OpenGL技术将三维图形显示出来，并实现对其操作，在充分了 解STL文件的基础上，还必须理解它的结构。

对于钣金的STL的数据模型，我们进行了数据结构的分析。 在此基础上设计数据结构，后续数据格式的统一，方便文件数据 的读写操作：

Plate[钣金零件名称]//名字；

patch normal n1,n2,n3//法矢量；

outer loop peak Px1，Py1，Pz1//第1个顶点；

peak Px2，Py2，Pz2//第2个顶点；

peak Px3，Py3，Pz3//第3个顶点；

endloop endpatch//数据结尾；

endPlate[零件名]//信息结束。

3.3 STL数据读取

本文首先应用C++的标准IO库的ifstream类型定义对象绑 定待读取的钣金STL文件[3]；再采用Getdata函数从STL文件中 读入数据。STL文件由文件路径及文件名、三角面片法向量、三 角形面片的顶点、三角形顶点定义开始、结束、定义结束等标识 符构成，数据读取函数为ReadSTL（）。

具体的数据结构是函数调用和后续变换的基础。在软件具 体的编程设计时，本文采用自定义的数据结构来定义每个小的 钣金三角片的信息：

Struct STLSanJiao

{ float Peak[3][3]； // 3顶点坐标 float Normal[3]； //法向矢量 }；

4 基于OpenGL的STL数据显示技术

OpenGL（Open Graphics Library）是个一个专业的图形程序 接口。它用于三维图像，是一个功能强大，调用方便的底层图形 库。而且在函数库中包含了STL的三角面片数据支持函数[4]。

4.1 三维图形显示和透视功能的实现

对于一个良好的三维显示平台，图形的显示功能、透视功能、 光照功能等具有至关重要的作用。而图形显示接口技术OpenGL 具有良好的接口，可以实现真实感的三维图形显示功能。

对于三角面片的显示，在库中也有对应的函数glBegin（）和 glEnd（）。在OpenGL中投影是进行模型显示的关键技术，主要 有正投影和透视投影这2种类型[5]。由于透视投影更符合人类 视觉，使模型显示的效果更具有真实感，为本文所采用的方法。 透视通过对应的几个函数进行表达，实现各个方向、高度和远近 等视觉显示的功能。

4.2 钣金三维数据变换功能的实现

4.2.1 钣金三维数据的缩放功能

针对钣金三维数据数据量中小规模，显示刷新率和更新率 的特点，对应缩放功能的函数可以设计为：

void PlateScale (float x, float y, float z, float N)｛｝

这个函数的输入量是3个缩放参数因子，针对分别是x,y,z 三个轴。变换的数学原理是利用矩阵的乘法，把当前矩阵和变 换目标进行计算。如果比例因子大于1说明是放大操作，小于1 是缩小操作，等于1是不变操作。这个函数还可以对不同的单一 轴进行比例的放大和缩小操作。以及比例尺的变化通过参数N 进行参数传递。函数的返回值为空，函数实现的是钣金三维数 据的缩放功能。

4.2.2 钣金三维数据的旋转功能

针对钣金三维数据的结构面片化、厚度薄的特点，相应旋转 功能的函数可以设计为：

void PlateSpin (float x, float y, float z, float JiaoDu)｛｝

该函数的前3个输入参数是旋转方向上任意点坐标，这个点 的x,y,z坐标是旋转点。通过第4个旋转角度的参数，后续的变 化和这个点进行矩阵的乘法运算并得出结果。旋转角度是有正 负的float型变量。函数的输出为空，函数实现的是钣金三维数据的旋转操作功能。

4.2.3 钣金三维数据的平移功能

针对钣金三维数据的折弯等结构多的结构特点，对应功能 的平移变换函数设计思路为：

void PlateMoveTo(float x, float y, float z)｛｝

3个输入参数当前钣金数据在x, y, z三个轴方向上的偏移 量。函数返回值为空，函数实现钣金三维数据的平移操作功能。 函数的当前矩阵和输入偏移量生成的矩阵进行矩阵运算，得出 的新矩阵就是最后实现平移功能后的目标矩阵。

5 实验和结论

本实验的硬件环境是Intel Xeon CPU，主频3.4GHZ， 8G内 存。软件系统环境为win7的64位操作系统，实验对象是一钣金 产品零件STL数据， 图2是采用本文方法设计的软件中的该组钣 金三维数据的显示效果图。图3是利用编制的函数实现各种变 换方法（缩放、旋转、平移）操作的显示的效果。

由图2、图3可以看出，采用上述方法建立的三维钣金STL 三维数据显示平台，显示效果可以达到预期效果。并且具有良 好的数据接口，可以继续在此平台上完成各种图形软件的特殊 定制和二次开发，方便科研生产、设计交流。本软件的开发，为 后续钣金设计分析的研究工作提供了良好的三维显示平台，也 同时为科研和生产提供了一套方便二次开发和使用的三维图形 数据显示、变换平台。