面向3D打印机的彩色三维模型成型技术

黄国胜，徐 欣，江先志，滕 军，田芬芳

(1.浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018；2.浙江腾腾电气有限公司,浙江 温州 325000)

面向3D打印机的彩色三维模型成型技术

黄国胜1，徐 欣1，江先志1，滕 军2，田芬芳2

(1.浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018；2.浙江腾腾电气有限公司,浙江 温州 325000)

针对3D打印技术打印速度慢、打印精度低、不能多色打印等缺陷，研究3D打印机的STL文件载入和读取、基于OpenGL的模型显示、彩色图片像素采集以及基于RGB颜色空间的数据处理算法等技术，以便将数据转化成相应的G代码发送给下位机.

图像；三维模型；像素；RGB；STL；G代码

3D 打印，又称三维打印，是一种快速成型技术，为用户提供了新的设计、创作和制作方法.它是通过逐层打印的方式来成型的，形象地说，3D 打印就是 2D 打印沿着高度方向逐层叠加，创造一个立体的几何图形.在计算机中输入数据，设计3D 模型后，计算机自动将 3D 模型的数据进行分层，像人们检查身体时做 CT 扫描一样，形成多个单层图像.3D 打印机根据这些分层图像数据，一层一层地将材料叠加上去，形成一个立体实物[1].

3D打印技术从狭义上来说属于增材成型技术.从成型工艺上看，3D打印机无论使用何种方法,其打印过程都基本相同.首先，通过计算机辅助设计软件创建三维虚拟模型，并将模型的格式转换成STL文件格式，然后通过上位机对STL文件进行后期处理，再连接3D打印机进行打印.

2010 年以后，3D 打印技术已经被应用于各个工业领域，如航空航天、生物医疗、个性化消费、注塑模具等[2].新兴增材制造技术也已经发展为更精确的技术领域，如金属零件增材制造、微光固化成型、高精密数字化成型、数字化材料 3D 打印等[3].

本研究的重点在于STL文件的后期处理，包括文件数据采集方法、基于图像映射的彩色三维模型成型、切片分层和多头G代码的生成.

1 三维模型格式文件载入

STL文件格式是一种用三角面片表达实体表面数据的文件格式.它是若干空间小三角面片的集合，每个三角面片用三角形的3个顶点和指向模型外部的法向量表示[4].根据数据存储方式的不同，STL 文件可分为ASCII码和二进制码两种存储方式[5].ASCII格式文件可以读取，便于测试，故选用其作为可视化的研究对象.其格式如下：

facet

normalxyz(三角面片法向量的3个分量值)

vertexxyz(三角面片第一个顶点坐标)

vertexxyz(三角面片第二个顶点坐标)

vertexxyz(三角面片第三个顶点坐标)

endloop

endfacet(完成一个三角面片定义)

一个facet和下一个endfacet之间的数据块为一个三角面片的几何信息，normal后面的3个值表示当前三角面片的法向量，接下来的3行为三角面片的3个顶点坐标，都以vertex开头[6].

本研究以STL格式文件为数据源，利用Visual Studio 2013开发环境(图1)，基于C#系统库函数的ReadLine()方法逐行读取STL文件，通过字符串处理函数对3个法向量数据和3个顶点数据进行判断和分析，并将结果储存于数组中，同时以OpenGL(Open Graphics Library)作为三维图形接口，利用其强大的图形处理能力对三角面片进行逐个绘制，最后合并，形成完整的三维模型.

图1 开发环境截图

软件读取STL文件的步骤如下：①定义一个三角形T；②读取上述数据结构中的normal段法向量数据，存储到glNormals[]数组中，读取vertex段顶点数据，存储到glVertexs[]数组中；③循环判断文件是否读取完成；④读取结束.

STL文件格式简单，只能存储三维物体的几何信息，并不支持颜色信息.因此，下一步要做的是采集图片的颜色信息，将图片信息映射到三维模型上，然后生成相应的G代码，发送给下位机.

2 图像映射与彩色三维模型成型

STL文件并不存储颜色数据，为了将颜色信息映射到模型上，解决模型彩色显示的问题，需要采集图片的RGB颜色信息.RGB被称为三原色或显示屏模式，它属于发光配色，是根据颜色发光的原理来设计的[7].在 RGB 模式中，R 代表红光(Red)，G 代表绿光(Green)，B 代表蓝光(Blue)，每种光的亮度取值为0～255.对这3种色彩的亮度值进行调配组合，可产生新的像素颜色，从而形成更多的色彩[8].

首先，使用Bitmap类方法绑定需要载入的图像格式文件bmp(图2).其关键代码为：

Bitmap bmp = new Bitmap(pictureFilePath);//绑定图像格式文件

定义Bitmap后，使用bmp.Width和bmp.Height分别获取图像的像素宽和像素高，使用bmp.GetPixel(x,y)获取像素点位置为(x,y)的颜色信息.

图2 载入的图像

然后，分析绑定载入的STL文件的顶点数据(即glVertexs[]数组数据)，对x坐标和z坐标数据进行比较，获得模型中x坐标值和z坐标值的最大值和最小值，从最大值和最小值的绝对差得到模型宽ModelWidth和模型高ModelHeight.其关键代码为：

ModelWidth = Math.Abs(ModelxMax - ModelxMin);//计算STL模型宽

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

求得模型宽和模型高后，对比图像像素宽bmp.Width和像素高bmp.Height，获取比例值，进而求得glVertexs[]数组数据在图像中相应的像素点位置(Position_Width,Position_Height),通过GetPixel函数获取该点的像素颜色信息.其关键代码为：

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

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

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

将计算出的对应像素点颜色数据存储到glColors[]数组中，再用OpenGL库绘制三角面片，同时加入对应的颜色数据.

图3所示为使用载入图像映射后三维模型成型的效果.

图3 三维模型成型的效果

3 切片分层与G代码生成

在彩色三维模型成型后，调用Slic3r软件(一款用于将STL文件转化成G代码的开源软件)，将模型分层切片.切片时发现，在RGB模式下，三原色光每种均有256个亮度值，总共有256×256×256个，即16 777 216 个亮度值.然而，下位机中挤出头数只有8个，只有8种颜色可选择，限制了所用的颜色种类.本研究使用RGB颜色空间模型来处理颜色数据(图4)[9].

图4 RGB颜色空间模型

这里，使用的8个挤出头分别对应蓝、黑、绿、青、红、洋红、黄和白8种颜色.将模型的颜色与挤出头的颜色进行对比，选择颜色最接近的挤出头.其关键代码如下：

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代码时，根据所选的sumRGB[i]数组的i的大小，用T0～T7表示挤出头的选择，来控制下位机的运动.

图5和图6分别为切片分层及加入颜色后的显示效果.图7所示为软件生成的G代码.

图5 切片分层后的效果

图6 加入颜色后的分层效果

4 结束语

本研究分析并实现了3D模型的彩色化，将模型数据转化为3D打印机可读取的G代码，并且实现了整个过程的可视化操作.但目前其功能还稍有局限，比如颜色只能通过图片读取，而不能直接在表面编辑，着色实现的过程仍待改进.

[1] 王广春，赵国群.快速成型与快速模具制造技术及其应用[M].北京:机械工业出版社，2013.

[2] 王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业，2012(26):3-5.

[3] 张建梅，赵 立，党惊知，等.快速成型技术的应用及发展方向[J].中北工学院学报，2002，23(4)：301-305.

[4] 杨 光，刘伟军，王维田，等.STL格式文件拓扑重建及快速切片算法研究[J].现代制造工程，2009(10):32-35.

[5] 张贞贞，陈定方.基于VC的STL文件读取[J].湖北工业大学学报，2008，23(2)：44-46，73.

[6] 耿 铁，任清海.基于OpenGL 的 STL 文件三维模型真实感图形可视化研究[J].制造业自动化，2011，33(16)：121-124.

[7] 许宝卉.彩色CRT色彩特性及色彩空间转换方法的研究[D].西安：西安理工大学，2005.

[8] 巩亚萍，高 军.印刷品检测过程中的色彩空间转换研究[J].山东理工大学学报(自然科学版)，2009，23(4)：53-57.

[9] 杨振亚，王 勇，杨振东，等.RGB颜色空间的矢量—角度距离色差公式[J].计算机工程与应用，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

浙江省重大科技专项计划资助项目(2014C11SA310003)；浙江理工大学校企合作资助项目(14020089-J)

黄国胜(1993-)，男，浙江苍南人，硕士研究生，研究方向为机器视觉.

1006-3269(2017)02-0030-04

TP391

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2017.02.007