计 算 机 系 统 应 用 2009 年 第 3 期 基于 VC++和 OpenGL 的 STL 文件读取显示① STL Files Reading and Visualization Based on VC++ and OpenGL 严梽铭 钟艳如 (桂林电子科技大学 计算机与控制学院 广西 桂林 541004) 摘 要： STL 是三维模型常用的文件格式。对 STL 文件进行读取和显示，是对模型进行后续操作的前提。在对 STL 文件格式进行详细分析的基础上，以 VC++作为开发平台；利用 C++标准 IO 库的 ifstream 类 型定义对象并绑定 STL 文件；再用标准库 string 类型中的 getline 逐行读取绑定的 STL 文件；最后， 应用 OpenGL 中绘制三角面片编程技术实现对 STL 文件格式的直观显示。通过试验验证了读取和显 示效果。 关键词： STL 文件 ASCII 三维模型 三角面片 OpenGL 1 引言 2.1 TL 的二进制格式 STL (Stereo lithographic) 文件格式是美国 3D SYSTEMS 公司提出的三维实体造型系统的一个接口 标准，其接口格式规范,目前已被工业界认为是快速成 形(rapid prototyping)领域的标准描述文件格式。在 逆向工程、有限元分析、医学成像系统、文物保护等 方面有广泛的应用[1]。 对 STL 文件的读取与显示是其 应用的基础与前提,本文对 STL 文件特点进行了详细 的分析并在 VC++平台上,利用 C++标准库中提供的 文件流读取及字符操作等功能结合OpenGL 中三角面 片绘制的编程技术实现了对 STL 文件的读取与显示。 2 STL文件格式的结构 为了正确地读取三维模型原始数据, 更好地利用 三维图形的知识重现三维模型原型，首先必须充分了 解三维模型原始数据文件的格式，理解三维数据内部 的组织结构。 STL 文件是一种用许多空间小三角形面片逼近三 维实体表面的数据模型，STL 模型的数据通过给出组 成三角形法向量的 3 个分量(用于确定三角面片的正反 方向)及三角形的3 个顶点坐标来实现，一个完整的STL 文件记载了组成实体模型的所有三角形面片的法向量 数据和顶点坐标数据信息。目前的 STL 文件格式包括 二进制文件(BINARY)和文本文件(ASCII)两种[2]。 ① 基金项目:广西自然科学基金项目(桂科自 0728211) 收稿时间:2008-09-10 172 实践经验 Practical Experience 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[3]。文件起始的 80 个字节是文件头，用于 存贮零件名；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)个三角面片的 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，总共 134 个字节。 2.2 TL 的 ASCII 文件格式 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路径及 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[4]。 ASCII 格式的 STL 文件结构如下： 

2009 年 第 3 期 计 算 机 系 统 应 用 solid filename stl //文件路径及文件名 facet normal x y z //三角面片法向量的 3 个 旋法则由 3 顶点坐标值计算出来，因此可不对其进行 存储，以节省存储空间。如果后续处理需用到法矢量， 可利用以下的外法矢量计算公式： v n v v v 3 )( 2 3 )( 2     y z x z y  v n v v v 3 )( 1 3 )( 2     x z y x z   v n v v v 3 )( 1 3 )( 2    y x y x z 3.1 定义顶点 v v 3 ) ( 1  z z v v 3 ) ( 2  z x v v 3 ) ( 2  x y v 3 )  y v 3 )  x v 3 )  y v ( 1 y v ( 1 z v ( 1 x    (1) STL 三维模型文件由一系列的三角面片组成，每 一个三角面片由三维空间中对应的三个顶点组成。 STL 文件的读取与显示实质就是对STL文件中的顶点 信息进行读取并直观显示，因此，读取显示 STL 文件 首先 要解决的就 是顶点的定义 问题，本文 通过类 Vertex 定义三角面片顶点，Vertex 类定义的部分代 码如下： class Vertex { public: Vertex(double _x=0, double _y=0, double _z=0) :x_(_x), y_(_y), z_(_z)//三坐标变量赋初值 {} --- private://定义顶点三坐标 double x_; double y_; double z_; }; 3.2 定义读取功能 由前面的分析我们知道，STL 文件以行为标准存 储不同信息。根据文件格式的该特点，本文首先应用 C++标准 IO 库的 ifstream 类型定义对象绑定待读取 的 STL 文件；再采用逐行读取的方式用标准库 string 类型中的 getline 函数从 ifstream 对象绑定的 STL 文 件中读入数据。由于只需用到其中的顶点信息，因此， 通过判断字符 Vertex，然后读取其后的数据即可。本 文在类 VertexReader 中定义了读取 STL 文件的相关 操作函数，VertexReader 类定义的部分代码如下： class VertexReader { public: 分量值 outer loop vertex x y z //三角面片第一个顶点坐标 vertex x y z //三角面片第二个顶点坐标 vertex x y z //三角面片第三个顶点坐标 endloop endfacet //完成一个三角面片定义 --- endsolid filename stl ∥整个 STL 文件定义结 束 一个具体 STL 文件如下： solid C:\Temp\NOELParts\HMJ_PRT.STL created by CtrlView V2.70 facet normal 0 1 0 outer loop vertex 67.4752 34.7981 31.693 vertex 68.4358 34.7981 30.3941 vertex 69.1631 34.7981 28.9516 endloop endfacet --- 通过对 STL 两种文件格式的分析可知，二进制格 式文件较小(通常是 ASCII 码格式的 1/ 5)， 节省文件 存储空间，而 ASCII 码格式的文件可读性更强，更容 易进行进一步的数据处理。 3 STL文件的读取与显示 本文以 STL 三维模型文件为数据源，根据对文件 格式和内部数据结构的分析，采用 OpenGL 作为三维 图形接口，并以 VC++6.0 为开发平台[5]。利用 C++ 标准IO 库的ifstream 类型定义对象并绑定STL 文件； 再用标准库 string 类型中的 getline 逐行读取绑定的 STL 文件；然后对读入的数据进行是否为顶点信息的 判断，存储其中的顶点数据。再应用 OpenGL 编程技 术实现对 STL 三维模型文件的显示。 读取 STL 文件时，只需要读取 STL 文件中表示 向量和三角形顶点的相应数据，不需要读文件中的其 它信息。依次按逆时针方向读入各个三角形面片的 3 顶点坐标值。由于三角面片外法矢量可以通过右手螺 Practical Experience 实践经验 173 

计 算 机 系 统 应 用 2009 年 第 3 期 --- bool Read(VertexArray& vertices);//顶点信 息读取函数 private: 数 void ReadLine(string& line);//读取行信息函 void PushLine(VertexArray& vertices);//读取 顶点函数 --- }; 在 函 数 Read(VertexArray& vertices) 中 通 过 ifstream 定义对象绑定并打开 STL 文件，为进行数据 信息的读取、保存做准备。 bool VertexReader::Read(VertexArray& vertices) { 通过前面对 STL 文件的结构分析可知，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标识符(outer loop)及 结束标识符(endloop)和三角形面片定义结束标识符 (endfacet)等字符串信息构成。在本文中只需要其中 的三角形顶点信息，因此要对读入的字符串进行是否 为 三 角 形 顶 点 信 息 的 判 断 ， 这 里 通 过 PushLine(VertexArray& vertices)函数来实现判断。 文中我们具体用函数 stricmp()来判断读入信息是否 为顶点；由于读入的顶点信息为字符类型而在显示时 要用到的是浮点类型的顶点信息，因此要通过函数 atof()进行类型的转化。部分实现程序如下： void vertices) { VertexReader::PushLine(VertexArray& ifstream infile(FileName.c_str(), if (stricmp(Tken[0].c_str(), "vertex")==0) ifstream::in);//打开要读取的 STL 文件 {//判断读取的是否为顶点信息 --- ReadLine(line); PushLine(vertices); --- } ReadLine(string& line)函数不对 Read(Vertex Array& vertices)函数中读入的行字符串信息进行是 否为三角形顶点字符串信息的判断，而只对读入的字 符串进行存储，并通过 strtok(buff, Del)函数对读入 的每行字符串信息进行分隔，以区别读入的每个字符， 为下一步对三角形顶点字符串信息的判断做准备。部 分实现程序如下： void VertexReader::ReadLine(string& line) { --- char* token = strtok(buff, Del);// 分解字符 串为一组标记串 while (token) { Tken.push_back(token); token = strtok(NULL, Del); } } 174 实践经验 Practical Experience double x = atof(Tken[1].c_str());// 把字符串转化成浮点数 double y = atof(Tken[2].c_str()); double z = atof(Tken[3].c_str()); vertices.push_back(Vertex(x, y, z));//对点进行读入保存 } } 3.3 STL 文件的显示 在 OpenGL 函数库中，提供了直接渲染三角面 片的方法 glBegin(GL_TRIANGLES)和 glEnd()，因而 利用 OpenGL 来实现 STL 三维模型的真实感图形 显示[6]，更加具有优势。部分实现程序如下: void CWelcomeView::myplane() { --- for(int i=0; i

2009 年 第 3 期 计 算 机 系 统 应 用 ); glVertex3f(vertices[i+2].X(),vertices[i+2].Y(),ver tices[i+2].Z() ); glEnd(); } } 注意，在 OpenGL 中投影是进行模型显示的关键 技 术 [7] ， 主 要 有 两 种 类 型 ， 一 种 是 正 投 影 (orthograghic projection) 另 一 种 是 透 视 投 影 (perspective projection)。由于透视投影更符合人类 视觉，使模型显示更具有真实感，因此本文采用了该 种 投 影 方 式 。 透 视 投 影 通 过 函 数 void gluPerspective(Gldouble fovy, Gldouble aspect, Gldouble zNear, Gldouble zFar)其中的参数分别 表示垂直方向的视野角度、高度到宽度的纵横比，以 及近端和远端裁剪平面之间的距离。恰当的参数设置 可以得到更好的显示效果。 3.4 试验 4 结束语 对 STL 三维模型文件的读取与显示是对模型一切 后续操作的前提和基础。本文通过对 STL 文件的研究； 以 VC++作为开发平台；利用 C++标准 IO 库的 ifstream 类型定义对象并绑定 STL 文件；再用标准库 string 类型中的 getline 逐行读取绑定的 STL 文件并 对 其 中 的 三 角 面 片 顶 点 数 据 进 行 存 储 ； 再 结 合 OpenGL 编程技术实现了对 STL 文件读取与显示的功 能。为进一步对 STL 文件进行冗余数据处理以及其它 相关领域如基于内容的三维模型检索的研究做了必要 的准备。今后，在 STL 文件快速读取显示方面还有待 于进一步的研究。 参考文献 1 卫炜,周来水,张丽艳.海量 STL 文件的快速读取与显 示.机械科学与技术, 2006,25(8):935－938． 2 郎兴华,郭阳,林亨,张伟. STL 模型的立体显示及其多 屏拼接.系统仿真学报, 2004,16(4):740－744． 3 杨晟院,舒适.基于 STL 文件的三角形表面网格的特 征线提取.计算机工程与应用,2008,44(4):14－19． 4 纪峰,陈荔,李占利.基于 STL 文件的模型及应用.长安 大学学报, 2006,26(1):104－107． 5 马安鹏.Visual C++6.0 程序设计导学.北京:清华大学 出版社, 2002． 6 郭兆荣.Visual C++ OpenGL 应用程序开发.北京:人 民邮电出版社, 2006． 7 Richard S.OpenGL 超级宝典.徐波,译.3 版.北京:人民 邮电出版社, 2005． Practical Experience 实践经验 175 本文在对 STL 文件特点进行详细分析的基础上， 利用 Visual C++ 6.0 平台和 OpenGL 编程技术实现 了对 STL 文件的读取与显示功能。为了验证系统显示 三维模型的实际效果，以 purdue 大学提供的 3D 模 型库作为数据源，进行了读取显示试验。图 1 和图 2 是其中齿轮和弯管零件三维模型的显示效果图。 图 1 齿轮 图 2 弯管