はじめに
研究をやっていると、シミュレーション結果を3次元でプロットしたいときがあると思います。私の周りでも苦労している方がいるようです。私も昨年、MATLAB上でSTLファイルをインポートし、アニメーションを作りましたが苦労した記憶があります。シミュレーションの計算結果をアニメーションで見える化したいという需要はありそうなので、MATLABでのSTLモデルの扱い方についてまとめます。
STLとは
3次元データのファイルフォーマットの一つ。詳しいことは、Wiki参照
他にもOBJとかFBXとかある。3Dプリンターを使ったことがある人は、STL形式は馴染み深いと思います。
環境
MATLAB R2020b
STLファイルをMATLABにインポートする
データの準備
まずはSTLファイルを用意します。私はここから宇宙機の形状データをダウンロードしました。カッシーニにしました。ちなみに、windows 10 には、標準で3Dビューアーというソフトが入っているので、そのソフトを使用すれば3D形状を確認することができます。
インポート
MATLABへのインポートは、stlread関数を使用します。cassini.stlをMATLABにインポートします。下記のコードではその後、model という構造体を作成しています。
TR = stlread('cassini.stl');
model.Vertices = TR.Points;
model.Faces = TR.ConnectivityList;
これにより、modelという3次元形状のデータが格納された構造体が作成されます。model.Verticesには各頂点の x, y, z 座標が、model.Facesにはどの頂点を結んで面を作成するか、という情報が入っています。
プロット
次に、3次元形状をプロットしてみます。プロットには、patch関数を使用します。
figure(1), clf
patch(model)
view([20 20])
出力
view([20 20])は、3次元プロットを見る角度を指定しています。形状の出力はできたけれど、真っ黒です。真っ黒なので、2次元に見えます。これは、パッチのプロパティをいじれば大丈夫です。'FaceColor'に色を設定します。
figure(2), clf
patch(model, 'FaceColor', [0.8 0.8 1.0])
view([20 20])
出力
色が付きました。これで3次元に見えると思います。しかし、ポリゴンのエッジの線が表示されているので、黒くなっている部分もあります。これは、パッチの'EdgeColor'プロパティを設定することで、非表示にすることが可能です。
figure(3), clf
patch(model, 'FaceColor', [0.8 0.8 1.0], ...
'EdgeColor', 'none')
view([20 20])
出力
エッジの線は消えましたが、また2次元に見えるようになってしまいました。ここに光源の設定をすることで、凹凸がわかる3次元形状のプロットが完成します。見た目をリアルにするために、パッチのプロパティも少し変更を加えます。
figure(4), clf
patch(model, 'FaceColor', [0.8 0.8 1.0], ...
'EdgeColor', 'none', ...
'FaceLighting', 'gouraud', ...
'AmbientStrength', 0.15)
view([20 20])
lightangle(-45,70)
出力
これは感動ですね。しかし、まだ問題点があります。ウィンドウのサイズを変えてしまうと、プロットの軸のサイズも合わせて変わってしまいます。
この問題点は、軸の比を設定すれば解決できます。下記のコードが完成形です。
figure(5), clf
patch(model, 'FaceColor', [0.8 0.8 1.0], ...
'EdgeColor', 'none', ...
'FaceLighting', 'gouraud', ...
'AmbientStrength', 0.15)
view([20 20])
lightangle(-45,70)
set(gca, 'DataAspectRatio',[1 1 1])
これで、ウィンドウのサイズを変更すると、軸のサイズも動的に変更されます。
完成。
おわりに
これで、STLファイルをMATLABにインポートし、プロットをすることができます。FaceColorの値を変更すれば、好みの色にすることもできます。ここからアニメーションを作成するには、物体の頂点の座標に手を加えればよいです。これについては後日書きます。