numpy-stlまとめ　PythonでSTLデータを操作する！

Pythonにstlを操作できる

「numpy-stl」

というライブラリがあります。
使用するためにはインストールする必要があり、

で使用できるようになります。

このページではおもに、すでに作成されたstlをこのnumpy-stlで操作する方法を説明します。

出力されたstlの確認にはMeshlabを使用しています。
犬の形をしたstl(‘dog.stl’)を使用します。

free3d.comよりダウンロード

0. ライブラリをインポートする

numpy-stlパッケージはpipで配布されているので、pipの使える環境で、ターミナルで

pip install numpy-stl

とすればインストールできます。

Pythonで使用するときは

でインポートするのが一般的のようです。

import numpy as np
from stl import mesh

1. stlを読み込む

stl_data = mesh.Mesh.from_file('dog.stl')
# stl_dataにstlの情報が入る

このstl_dataがオブジェクトとなります。

2. stlの保存

stl_dataのオブジェクトをセーブするにはこのコマンドで行います。

stl_data.save('dog_copied.stl')

3. stlのデータを移動、回転する

stlの移動

X軸方向に10, Y軸方向に20, Z軸方向に30, 表面データを移動します。

import numpy as np
from stl import mesh

stl_data = mesh.Mesh.from_file('dog.stl')

t = np.array([10, 20, 30])
stl_data.translate(t)
stl_data.save('dog_translated.stl')

グレー：dog.stl(移動前)　緑：dog_translated.stl(移動後)

stlの回転

広く使えるのはこの使い方です。
移動と回転の操作が4×4行列一つで行えます。

4×4行列には回転、移動情報を入れることができます。

3×3行列Mで回転し、\((t_x, t_y, t_z)\)方向に移動させる行列は

\(R =
\left(
\begin{array}{ccc|c}
& & & t_x\\
& \Large{M} & & t_y\\
& & & t_z\\
\hline
& \large{0} & & 1
\end{array}
\right)\)

です。

使用するには

stl_data.transform(R)

と書くと、stl_dataは変換行列Rで変換され
stlのデータを入れている
stl_data
は上書きされます。

Z軸まわりに60°回転するとします。

Z軸まわりに60°回転した行列を代入します。

Z軸回り\(\theta\)の回転は

\(
\begin{pmatrix}
\cos \theta & – \sin \theta & 0 \\
\sin \theta & \cos \theta & 0 \\
0 & 0 & 1
\end{pmatrix}\)
(\(\theta\)はラジアン表記)

で表せますので、

stl_data = mesh.Mesh.from_file('dog.stl')

matrix = np.array([[np.cos(np.deg2rad(60)), - np.sin(np.deg2rad(60)), 0],
                   [np.sin(np.deg2rad(60)), np.cos(np.deg2rad(60)), 0],
                   [0, 0, 1]])
#np.deg2rad()は角度をラジアン表記に変換する関数

R[:3, :3] = matrix
print(R)
stl_data.transform(R)
stl_data.save('dog_z_rotated60.stl')

グレー: dog.stl 緑: dog_z_rotated60.stl

Z軸まわりにモデルが回転しています。

4. 軸回りに回転する

軸方向への回転はこの表記でも実行できます。

x, y, z = [1, -1, 1]のベクトル周りに表面データを30°ずつ回転させます。

import numpy as np
from stl import mesh

stl_data = mesh.Mesh.from_file('dog.stl')

stl_data.rotate(np.array([1, -1, 1]), np.deg2rad(30))
#np.deg2rad()は角度をラジアン表記に変換する関数
stl_data.save('dog_axis_rotated30.stl')

stl_data.rotate(np.array([1, -1, 1]), np.deg2rad(30))
stl_data.save('dog_axis_rotated60.stl')

stl_data.rotate(np.array([1, -1, 1]), np.deg2rad(30))
stl_data.save('dog_axis_rotated90.stl')

グレー: dog.stl 黄色: dog_axis_rotation30.stl
緑: dog_axis_rotation60.stl 赤: dog_axis_rotation90.stl

5. stlの情報を得る

点群データの抽出

stlデータに.points属性があります

stl_data = mesh.Mesh.from_file('dog.stl')
print(stl_data.points)

stl_data.pointsは９個の数字から成り立っていますが、これはメッシュを構成する３角形の頂点３つののxyz座標です。
そのため、点のデータを書き出すためにはreshapeする必要があります。
xyz座標のnumpyリストに変形します。

points = stl_data.points.reshape([-1, 3])
print(points)

三角形の頂点は複数重複していますので、これらの重複をとると、点だけのデータとなります。

print(len(points))
# 298272
point_list = np.unique(points, axis=0)
print(len(point_list))
# 49714
print(point_list)

重心などのパラメータ

重心、体積などのパラメータを取得できます。

stl_data = mesh.Mesh.from_file('dog.stl')
volume, cog, inertia = dog_stl.get_mass_properties()
print(volume)
# 体積
# 1768.901177949426
print(cog)
# 重心座標
# [-4.68314523e-08,  8.22629170e-01,  1.35953082e+01]
print(inertia)
# 慣性テンソル
# [[ 1.58685377e+05  6.46135023e-04 -1.40242942e-04]
# [ 6.46135023e-04  4.95679782e+04  3.62822773e+04]
# [-1.40242942e-04  3.62822773e+04  1.29808852e+05]]

計算された座標値を利用して、原点を重心に設定します。

stl_data.translate(-com)
stl_data.save('dog_centered.stl')

グレー: dog.stl 緑: dog_centered.stl
重心を原点に移動できています。