面向3D打印機的彩色三維模型成型技術

黃國勝，徐 欣，江先志，滕 軍，田芬芳

(1.浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018；2.浙江騰騰電氣有限公司,浙江 溫州 325000)

面向3D打印機的彩色三維模型成型技術

黃國勝1，徐 欣1，江先志1，滕 軍2，田芬芳2

(1.浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018；2.浙江騰騰電氣有限公司,浙江 溫州 325000)

針對3D打印技術打印速度慢、打印精度低、不能多色打印等缺陷，研究3D打印機的STL文件載入和讀取、基于OpenGL的模型顯示、彩色圖片像素采集以及基于RGB顏色空間的數(shù)據(jù)處理算法等技術，以便將數(shù)據(jù)轉化成相應的G代碼發(fā)送給下位機.

圖像；三維模型；像素；RGB；STL；G代碼

3D 打印，又稱三維打印，是一種快速成型技術，為用戶提供了新的設計、創(chuàng)作和制作方法.它是通過逐層打印的方式來成型的，形象地說，3D 打印就是 2D 打印沿著高度方向逐層疊加，創(chuàng)造一個立體的幾何圖形.在計算機中輸入數(shù)據(jù)，設計3D 模型后，計算機自動將 3D 模型的數(shù)據(jù)進行分層，像人們檢查身體時做 CT 掃描一樣，形成多個單層圖像.3D 打印機根據(jù)這些分層圖像數(shù)據(jù)，一層一層地將材料疊加上去，形成一個立體實物[1].

3D打印技術從狹義上來說屬于增材成型技術.從成型工藝上看，3D打印機無論使用何種方法,其打印過程都基本相同.首先，通過計算機輔助設計軟件創(chuàng)建三維虛擬模型，并將模型的格式轉換成STL文件格式，然后通過上位機對STL文件進行后期處理，再連接3D打印機進行打印.

2010 年以后，3D 打印技術已經(jīng)被應用于各個工業(yè)領域，如航空航天、生物醫(yī)療、個性化消費、注塑模具等[2].新興增材制造技術也已經(jīng)發(fā)展為更精確的技術領域，如金屬零件增材制造、微光固化成型、高精密數(shù)字化成型、數(shù)字化材料 3D 打印等[3].

本研究的重點在于STL文件的后期處理，包括文件數(shù)據(jù)采集方法、基于圖像映射的彩色三維模型成型、切片分層和多頭G代碼的生成.

1 三維模型格式文件載入

STL文件格式是一種用三角面片表達實體表面數(shù)據(jù)的文件格式.它是若干空間小三角面片的集合，每個三角面片用三角形的3個頂點和指向模型外部的法向量表示[4].根據(jù)數(shù)據(jù)存儲方式的不同，STL 文件可分為ASCII碼和二進制碼兩種存儲方式[5].ASCII格式文件可以讀取，便于測試，故選用其作為可視化的研究對象.其格式如下：

facet

normalxyz(三角面片法向量的3個分量值)

vertexxyz(三角面片第一個頂點坐標)

vertexxyz(三角面片第二個頂點坐標)

vertexxyz(三角面片第三個頂點坐標)

endloop

endfacet(完成一個三角面片定義)

一個facet和下一個endfacet之間的數(shù)據(jù)塊為一個三角面片的幾何信息，normal后面的3個值表示當前三角面片的法向量，接下來的3行為三角面片的3個頂點坐標，都以vertex開頭[6].

本研究以STL格式文件為數(shù)據(jù)源，利用Visual Studio 2013開發(fā)環(huán)境(圖1)，基于C#系統(tǒng)庫函數(shù)的ReadLine()方法逐行讀取STL文件，通過字符串處理函數(shù)對3個法向量數(shù)據(jù)和3個頂點數(shù)據(jù)進行判斷和分析，并將結果儲存于數(shù)組中，同時以OpenGL(Open Graphics Library)作為三維圖形接口，利用其強大的圖形處理能力對三角面片進行逐個繪制，最后合并，形成完整的三維模型.

圖1 開發(fā)環(huán)境截圖

軟件讀取STL文件的步驟如下：①定義一個三角形T；②讀取上述數(shù)據(jù)結構中的normal段法向量數(shù)據(jù)，存儲到glNormals[]數(shù)組中，讀取vertex段頂點數(shù)據(jù)，存儲到glVertexs[]數(shù)組中；③循環(huán)判斷文件是否讀取完成；④讀取結束.

STL文件格式簡單，只能存儲三維物體的幾何信息，并不支持顏色信息.因此，下一步要做的是采集圖片的顏色信息，將圖片信息映射到三維模型上，然后生成相應的G代碼，發(fā)送給下位機.

2 圖像映射與彩色三維模型成型

STL文件并不存儲顏色數(shù)據(jù)，為了將顏色信息映射到模型上，解決模型彩色顯示的問題，需要采集圖片的RGB顏色信息.RGB被稱為三原色或顯示屏模式，它屬于發(fā)光配色，是根據(jù)顏色發(fā)光的原理來設計的[7].在 RGB 模式中，R 代表紅光(Red)，G 代表綠光(Green)，B 代表藍光(Blue)，每種光的亮度取值為0～255.對這3種色彩的亮度值進行調(diào)配組合，可產(chǎn)生新的像素顏色，從而形成更多的色彩[8].

首先，使用Bitmap類方法綁定需要載入的圖像格式文件bmp(圖2).其關鍵代碼為：

Bitmap bmp = new Bitmap(pictureFilePath);//綁定圖像格式文件

定義Bitmap后，使用bmp.Width和bmp.Height分別獲取圖像的像素寬和像素高，使用bmp.GetPixel(x,y)獲取像素點位置為(x,y)的顏色信息.

圖2 載入的圖像

然后，分析綁定載入的STL文件的頂點數(shù)據(jù)(即glVertexs[]數(shù)組數(shù)據(jù))，對x坐標和z坐標數(shù)據(jù)進行比較，獲得模型中x坐標值和z坐標值的最大值和最小值，從最大值和最小值的絕對差得到模型寬ModelWidth和模型高ModelHeight.其關鍵代碼為：

ModelWidth = Math.Abs(ModelxMax - ModelxMin);//計算STL模型寬

ModelHeight = Math.Abs(ModelzMax - ModelzMin);//計算STL模型高

求得模型寬和模型高后，對比圖像像素寬bmp.Width和像素高bmp.Height，獲取比例值，進而求得glVertexs[]數(shù)組數(shù)據(jù)在圖像中相應的像素點位置(Position_Width,Position_Height),通過GetPixel函數(shù)獲取該點的像素顏色信息.其關鍵代碼為：

Position_Width=(Position_x-ModelxMin) *WidthMax/ModelWidth+xmin;

Position_Height=(zmax-(Position_z-ModelzMin)*HeightMax/ModelHeight;

returnColorToRgba32(bmp.GetPixel(Position_Width,Position_Height));

將計算出的對應像素點顏色數(shù)據(jù)存儲到glColors[]數(shù)組中，再用OpenGL庫繪制三角面片，同時加入對應的顏色數(shù)據(jù).

圖3所示為使用載入圖像映射后三維模型成型的效果.

圖3 三維模型成型的效果

3 切片分層與G代碼生成

在彩色三維模型成型后，調(diào)用Slic3r軟件(一款用于將STL文件轉化成G代碼的開源軟件)，將模型分層切片.切片時發(fā)現(xiàn)，在RGB模式下，三原色光每種均有256個亮度值，總共有256×256×256個，即16 777 216 個亮度值.然而，下位機中擠出頭數(shù)只有8個，只有8種顏色可選擇，限制了所用的顏色種類.本研究使用RGB顏色空間模型來處理顏色數(shù)據(jù)(圖4)[9].

圖4 RGB顏色空間模型

這里，使用的8個擠出頭分別對應藍、黑、綠、青、紅、洋紅、黃和白8種顏色.將模型的顏色與擠出頭的顏色進行對比，選擇顏色最接近的擠出頭.其關鍵代碼如下：

sumRGB[0] = Math.Pow(RGB.R-0,2)+〗Math.Pow(RGB.G-0,2)

+ Math.Pow(RGB.B-255,2);

for (inti= 0;i< 8;i++){

if (sumRGB[i] <= temp){

temp = sumRGB[i];

num =i;

}

}

在生成G代碼時，根據(jù)所選的sumRGB[i]數(shù)組的i的大小，用T0～T7表示擠出頭的選擇，來控制下位機的運動.

圖5和圖6分別為切片分層及加入顏色后的顯示效果.圖7所示為軟件生成的G代碼.

圖5 切片分層后的效果

圖6 加入顏色后的分層效果

4 結束語

本研究分析并實現(xiàn)了3D模型的彩色化，將模型數(shù)據(jù)轉化為3D打印機可讀取的G代碼，并且實現(xiàn)了整個過程的可視化操作.但目前其功能還稍有局限，比如顏色只能通過圖片讀取，而不能直接在表面編輯，著色實現(xiàn)的過程仍待改進.

[1] 王廣春，趙國群.快速成型與快速模具制造技術及其應用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2013.

[2] 王雪瑩.3D打印技術與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國高新技術企業(yè)，2012(26):3-5.

[3] 張建梅，趙 立，黨驚知，等.快速成型技術的應用及發(fā)展方向[J].中北工學院學報，2002，23(4)：301-305.

[4] 楊 光，劉偉軍，王維田，等.STL格式文件拓撲重建及快速切片算法研究[J].現(xiàn)代制造工程，2009(10):32-35.

[5] 張貞貞，陳定方.基于VC的STL文件讀取[J].湖北工業(yè)大學學報，2008，23(2)：44-46，73.

[6] 耿 鐵，任清海.基于OpenGL 的 STL 文件三維模型真實感圖形可視化研究[J].制造業(yè)自動化，2011，33(16)：121-124.

[7] 許寶卉.彩色CRT色彩特性及色彩空間轉換方法的研究[D].西安：西安理工大學，2005.

[8] 鞏亞萍，高 軍.印刷品檢測過程中的色彩空間轉換研究[J].山東理工大學學報(自然科學版)，2009，23(4)：53-57.

[9] 楊振亞，王 勇，楊振東，等.RGB顏色空間的矢量—角度距離色差公式[J].計算機工程與應用，2010，46(6)：154-156.

Colorful 3D Model Molding Technology for 3D Printer

HUANG Guo-sheng1,XU Xin1, JIANG Xian-zhi1,TENG Jun2, TIAN Fen-fang2

(1.School of Mechanical Engineering and Automation, Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018, China; 2.Zhejiang Tengteng Electric Co.,Ltd, Wenzhou 325000,China)

3D printing technology which makes objects by layer-by-layer printing based on a digital model file. There are also many weaknesses and limitations, such as slow print speed, low print accuracy and lack of multi-color printing. Therefore, this paper focuses on solving the problem of the host computer of the color 3D printer, including the loading and reading of the STL file, the OpenGL-based model display, the color picture pixel acquisition, the RGB color space data processing algorithm and so on. And finally send to the data into the corresponding G code the next crew.

image; 3D model; pixel; RGB; STL; G code

2016-12-20

浙江省重大科技專項計劃資助項目(2014C11SA310003)；浙江理工大學校企合作資助項目(14020089-J)

黃國勝(1993-)，男，浙江蒼南人，碩士研究生，研究方向為機器視覺.

1006-3269(2017)02-0030-04

TP391

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2017.02.007