Python 3D建模指南【numpy-stl | pymesh | pytorch3d | solidpython | pyvista】

在计算机图形学和工程设计领域，3D建模是一个非常重要的研究方向。Python 作为一种易于学习和使用的编程语言，提供了多种库来帮助开发者进行3D建模。在这篇文章中，我们将介绍几个常用的 Python 3D 建模库，包括 numpy-stl、pymesh、pytorch3d、solidpython 和 pyvista，并提供相关的代码示例。

1. numpy-stl

numpy-stl 是一个用于处理 STL 文件的库，STL 文件是3D建模中一种常见的格式。通过该库，我们可以轻松读取和写入 STL 文件。

示例代码

from stl import mesh
import numpy as np

# 创建一个立方体
def create_cube():
    points = np.array([
        [-1, -1, -1],
        [1, -1, -1],
        [1, 1, -1],
        [-1, 1, -1],
        [-1, -1, 1],
        [1, -1, 1],
        [1, 1, 1],
        [-1, 1, 1],
    ])

    faces = np.array([
        [0, 3, 1],
        [1, 3, 2],
        [0, 4, 7],
        [0, 7, 3],
        [4, 5, 6],
        [4, 6, 7],
        [5, 1, 2],
        [5, 2, 6],
        [2, 3, 6],
        [6, 3, 7],
        [0, 1, 5],
        [0, 5, 4]
    ])

    cube = mesh.Mesh(np.zeros(faces.shape[0], dtype=mesh.Mesh.dtype))
    for i, f in enumerate(faces):
        for j in range(3):
            cube.vectors[i][j] = points[f[j]]

    return cube

# 保存立方体为 STL 文件
cube = create_cube()
cube.save('cube.stl')

2. pymesh

pymesh 是一个强大的几何处理库，用于处理3D网格。它支持多种网格操作，如合并、简化、平滑等。

示例代码

import pymesh

# 加载一个网格
mesh = pymesh.load_mesh("example.obj")

# 简化网格
mesh = pymesh.simplify(mesh, target_face_count=100)

# 保存简化后的网格
pymesh.save_mesh("simplified.obj", mesh)

3. pytorch3d

pytorch3d 是一个用于3D深度学习的库，可以方便地与 PyTorch 结合使用，适合用于训练3D模型。

示例代码

import torch
from pytorch3d.io import load_objs_as_meshes
from pytorch3d.renderer import (
    MeshRenderer,
    MeshRasterizer,
    SoftPhongShader,
    PointLights
)

# 加载 3D 模型
mesh = load_objs_as_meshes(["example.obj"])

# 设置光源
lights = PointLights(location=[[0.0, 0.0, 2.0]], ambient_color=[[1.0, 1.0, 1.0]])

# 创建渲染器
rasterizer = MeshRasterizer()
shader = SoftPhongShader(device='cpu', lights=lights)
renderer = MeshRenderer(rasterizer=rasterizer, shader=shader)

# 渲染模型
images = renderer(mesh)

4. solidpython

solidpython 是一个用于生成 OpenSCAD 代码的库，适合用于设计和生成复杂的3D模型。

示例代码

from solid import *

# 创建一个简单的3D模型
cube = cube(10)
cylinder_obj = cylinder(r=5, h=10)

# 合并模型
model = cube + cylinder_obj

# 导出为 OpenSCAD 文件
scad_render_to_file(model, 'model.scad')

5. pyvista

pyvista 是一个用于3D可视化的库，提供了简便的接口用于绘制3D网格和点云。

示例代码

import pyvista as pv

# 创建一个球体
sphere = pv.Sphere(radius=1.0, theta_resolution=20, phi_resolution=20)

# 绘制
plotter = pv.Plotter()
plotter.add_mesh(sphere, color='cyan')
plotter.show()

总结

以上介绍的5个 Python 3D 建模库各有特点，适用于不同的场景。从简单的 STL 文件处理到复杂的三维渲染与可视化，这些库可以满足许多开发者的需求。希望通过以上的示例和说明，能够帮助你更好地理解如何使用这些工具进行3D建模。