STL文件在3D打印中的相關(guān)問(wèn)題與處理

3D實(shí)體模型在導(dǎo)出過(guò)程中，所有表面都必須用一定密度的三角形面片表示，不能存在某一區(qū)域沒(méi)有三角形網(wǎng)格。然而，由于數(shù)據(jù)丟失或者在格式轉(zhuǎn)換的過(guò)程出現(xiàn)一些問(wèn)題，STL文件可能存在些許缺陷。

STL文件存在的缺陷

• 當(dāng)違反共頂點(diǎn)規(guī)則時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致后期構(gòu)建拓?fù)潢P(guān)系失敗。當(dāng)違反右手規(guī)則時(shí)，這類缺陷就會(huì)影響模型顯示。當(dāng)三角形網(wǎng)格沒(méi)有充滿實(shí)體表面時(shí)，模型特征就會(huì)不完整并出現(xiàn)切片輪廓未形成閉環(huán)的現(xiàn)象。

STL文件的檢驗(yàn)與修復(fù)

因此在使用STL文件前，為了避免前處理過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題，必須對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，如果檢驗(yàn)出現(xiàn)問(wèn)題，則需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)，比如微軟的3D Builder就可完成上述缺陷的檢驗(yàn)和修復(fù)工作。

STL格式的優(yōu)勢(shì)與不足

STL已成為目前行業(yè)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，作為目前通用性最強(qiáng)的格式，STL格式具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，僅描述模型的幾何形狀。能夠方便地在CAD軟件中，通過(guò)控制三角形面片大小和疏密程度設(shè)置輸出模型的精度。模型使用三角形面片表示，因此可以直接或間接做有限元分析。

盡管STL格式已經(jīng)廣泛應(yīng)用于3D打印中并成為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但其仍然存在許多不足：三角形面片之間不存在拓?fù)潢P(guān)系，需要另行構(gòu)建。模型中存在大量共頂點(diǎn)的三角形面片，這些頂點(diǎn)被重復(fù)存儲(chǔ)，冗余數(shù)據(jù)繁多。不包含原模型的紋理、色彩、材質(zhì)等信息。

其他數(shù)據(jù)格式及研究基礎(chǔ)

為了進(jìn)一步滿足3D打印發(fā)展的需求，一些機(jī)構(gòu)和公司開(kāi)發(fā)新的數(shù)據(jù)格式，例如：

• 3MF格式：除了包含模型基本信息，還存儲(chǔ)了顏色、紋理、所需材料等信息，并支持?jǐn)U充。
• OBJ格式：支持多邊形網(wǎng)格、曲線來(lái)定義模型信息。
• AMF格式：支持曲面三角形，并攜帶材料、體積、紋理等信息。

這些文件格式都取得了一定范圍的應(yīng)用，但由于專用性問(wèn)題，其流通性還需要后期進(jìn)一步被支持。因此本文后續(xù)的研究都基于目前最常用的STL格式。

STL模型的變換操作

模型被保存為STL格式時(shí)是基于原先的3D模型位置，頂點(diǎn)從原模型表面提取而來(lái)并保留了模型當(dāng)時(shí)的坐標(biāo)信息，盡管打印機(jī)通常能夠在多個(gè)方向上完成一個(gè)零件的加工，但有時(shí)按照默認(rèn)位置進(jìn)行打印并不是最合適的，成形方向的選擇要求必須對(duì)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換。

STL模型初始頂點(diǎn)坐標(biāo)可能為負(fù)，即模型有部分區(qū)域不處于第一象限，雖然這不影響切片以及生成路徑信息但仍有可能影響打印機(jī)定位，有時(shí)還需要考慮模型是否超過(guò)了打印機(jī)的最大打印尺寸或者模型太小無(wú)法打印，因此對(duì)于這類模型還需要做平移和縮放工作，直接對(duì)頂點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行四則運(yùn)算并保持法向量數(shù)據(jù)不變即可完成。

OpenGL繪圖設(shè)置

• 設(shè)置繪圖環(huán)境：包括像素格式、深度緩沖和清除色等的指定。
• 創(chuàng)建光照與材質(zhì)：為場(chǎng)景創(chuàng)建合適的光照條件、選擇模型材質(zhì)。
• 視圖與投影設(shè)置：設(shè)置視圖方向、投影變換和繪圖區(qū)域并將模型移動(dòng)到場(chǎng)景中的合適位置。
• 顯示模式與模型變換：根據(jù)需要設(shè)置不同顯示模式（包括線視圖、填充模式等）以及模型變換。OpenGL將根據(jù)這些設(shè)置對(duì)圖元數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、著色等處理。

設(shè)置視圖方向和投影模式都是為了更好的觀察一個(gè)物體，視圖方向表示從不同的位置觀察物體，投影變換實(shí)際上是定義了一個(gè)視景體，只有位于視景體內(nèi)的物體才會(huì)被OpenGL繪制。設(shè)置繪圖區(qū)域即指定在哪個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行圖像的顯示，有時(shí)候我們只想讓圖像占據(jù)部分位置，那么這時(shí)OpenGL將在指定范圍內(nèi)繪制模型，一般可以選擇程序的某個(gè)窗口范圍。

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