PLYファイルについて

表面形状をあつかうファイル形式に、.ply形式のファイルがあります。

これはPolygon File Formatといって３次元データを値付きで保存している形式になります。

PLYファイルは3Dスキャンしたデータなどに用いられていますが、３次元データに色をつけて可視化できるという点で、様々な形態解析に用いることができます。

１　PLYファイルの構造を見てみる

まずはPLYファイルがどのような構造になっているか見てみます。
例えば、手首の骨を見た時に、骨１(bone1)と骨２(bone2)の距離を図り、骨１に色付けしたとします。

赤はより近い部分、青はより遠い部分になるように色付けされています。

このとき、実際に骨１の表面データには
「距離という値」
が入っています。
これが色で図示されているわけです。

このファイルの距離の情報はSTLでは保存されませんが、PLYというファイル形式であれば保存されます。
ここではPLY形式のASCII形式で保存して、テキストファイルで開いてみます。

謎の英語のあとに数字の羅列がみられます。

よくみると数字は２つの部分からできています。

element vertexというのが点の数、
element faceというのが面の数ですね

始めの数字の１行目をとってみると、

となります。
これが
property float x
property float y
property float z
property uchar red
property uchar green
property uchar blue
property uchar alpha
property float quality
の部分に対応します。　
つまり、

です。

この
float qualityに値を入れているのがポイントです。

3 13771 13847 13851 255 255 255 255
3 13776 13771 13851 255 255 255 255
3 13777 13776 13852 255 255 255 255
3 13776 13851 13852 255 255 255 255
3 13853 13852 13854 255 255 255 255
3 13853 13778 13852 255 255 255 255
3 13778 13777 13852 255 255 255 255
3 13778 13853 13780 255 255 255 255

は
property list uchar int vertex_indices
property uchar red
property uchar green
property uchar blue
property uchar alpha
に対応しています。

始めの
3
は、３つの点から面が構成されていることを示します。

13771 13847 13851
は３点を表します。
ここで、点は始めの数字列の中で出てきた番号を示しています。

255 255 255 255
は色（赤　緑　青　透明度）です。
このモデルはすべて255なので、面自体には色付けされていないことがわかります。
Meshlab上でもColorの欄をVertからFaceに切り替えると真っ白になります。

Vert（頂点）だと色がついています

Face（面）にすると真っ白です
 

２　PLYデータの作成

形式を知ると、自分で計算した結果をplyファイルで表示できるようになります。
結果を可視化できるという面で、いろいろな解析に使用できます。

順序としては

という流れです。

(1)stlデータから点と面データの抽出

例として、犬の形をしたstlのデータを使用します。

stlデータの抽出にはnumpy-stlを用います。

import numpy as np
from stl import mesh

surface = mesh.Mesh.from_file('dog.stl')
point_list = surface.points.reshape([-1, 3])
print(len(point_list))
# 298272
print(point_list)

これは三角形を構成する点同士がたくさんならんでいる状態です。

という状態なので、plyの形式どおり、

にわけたいと思います。
重複を削除するために
「numpy.unique」
を使用します。

vertices, vertex_indices = np.unique(point_list, return_inverse=True, axis=0)

point_listの中で重複を削除したリストがverticesに入り、
それぞれの点のverticesのインデックス番号がvertex_indicesに入ります。

print(len(vertices))
# 49714
print(vertices)
#[[-5.7769 16.6657  0.4585]
# [-5.7701 16.8729  0.5121]
# [-5.7679 16.8331  0.6828]
# ...

print(vertex_indices)
# [12173 12257 11565 ... 38652 38419 38407]
# 重複をリストにし、verticesに対応するリストのインデックスを返す

 
３つずつくくってやると、三角形のインデックス番号が並びます。

index_triangle = vertex_indices.reshape([-1, 3])
print(index_triangle)

(2)plyに書き込む

plyファイルはヘッダーで指定してやれば点の座標値とqualityだけでも成立します。

ここではテストとして、犬のstlのデータの
qualityにy座標の値を指定
して.plyファイルを作成してみます。

構造は以下の通りです。

これをPythonで記載します。
座標データとqualityデータの結合にはnumpy.concatenateを使用しています。

import numpy as np
from stl import mesh

"""Extract point and face data from .stl file"""
file_name =('dog_test.ply')
dog_stl = mesh.Mesh.from_file('dog.stl')
points = dog_stl.points.reshape([-1, 3])
vertices, vertex_indices = np.unique(points, return_inverse=True, axis=0)
#点の重複を削除し、それぞれのインデックスを取得
index_triangle = vertex_indices.reshape([-1, 3])
#三角形を構成する点のインデックス一覧を取得

"""write header"""
header = (
'ply\n\
format ascii 1.0\n\
element vertex {}\n\
property float x\n\
property float y\n\
property float z\n\
property float quality\n\
element face {}\n\
property list uchar int vertex_indices\n\
end_header\n').format(len(vertices),len(index_triangle)
)
# element vertexとelement faceの部分はstlからの値を代入
  
with open(file_name, 'w') as f:
    f.write(header)

"""write text for point data"""
qualities = np.array([vertices[:, 1]]).T
# y座標をqualityに設定し、縦１列の行列にする
vertices_text = np.concatenate([vertices, qualities], axis=1)
# x,y,z座標の後ろにqualityを付け加える

with open(file_name, 'a') as f:
    np.savetxt(f, vertices_text, fmt='%.5f')
# 'a'モードで点情報を上書き追記する

"""write text for face data"""
first_indices = np.full([len(index_triangle), 1], 3)
face_txt =np.concatenate([first_indices, index_triangle], axis=1)
# 三角形である'3'を先頭に記載してから三角形の点インデックスを記載する

with open(file_name, 'a') as f:
    np.savetxt(f, face_txt, fmt='%i')
#上書きで三角形の情報を追記する

“dog_test.ply”というplyデータが作成されました。

３　PLYデータの確認

“dog_test.ply”をテキストファイルで開くと

qualityの欄にy座標の値が入っています。

これをMeshlabで開きます。

右上のカラフルなうさぎのボタンをおすと、「QualityMapperDialog」というウィンドウが開きます。
これは、Qualityにカラーマップを付けくれるダイアログです。
「Apply」を押すとMapperが適応されて、plyに色がつきます。

Y軸の大きいほうがQualityの大きい赤色になっていることがわかります。
 
Qualityの範囲の点だけ選ぶこともできます。

「Filters」　⇒ 「Quality Measure and Computation」⇒ 「Select by Vertex Quality」を選びます。

Previewをクリックしてから、Qualityの範囲を選ぶと、範囲内のQualityをもった点が選択されます。