STL أم OBJ أم 3MF: أي صيغة ملفات 3D تختار؟

كُتب STL عام 1987 لأولى آلات الطباعة الليثوغرافية المجسمة من 3D Systems، ويظهر هذا الأصل في تصميمه. الملف قائمة مسطحة من المثلثات، يُوصف كل منها بمتجه عمودي وثلاث نقاط زاوية. لا يوجد جدول رؤوس مشترك، فالزاوية التي تلمس ستة مثلثات تُكتب ست مرات. ولا يوجد حقل للوحدة أيضًا: قد تعني الإحداثية 25 مليمترات أو إنشات أو أمتارًا، وتفترض أغلب برامج التقطيع أنها مليمترات. أما اللون والخامة وأسماء الأجزاء فلا مكان لها في الصيغة الأساسية، ولهذا بالذات ما زالت كل برامج التقطيع وحزم CAD وخدمات الطباعة تقرؤه.

لـ STL ترميزان. يكتب STL النصي (ASCII) كل شيء نصًا بأسطر مثل facet normal وouter loop وvertex 12.5 0 3.2، فيمكنك فتحه في محرر نصوص وقراءة الأرقام. أما STL الثنائي فيبدأ برأس من 80 بايت وعدّاد مثلثات من 4 بايت، ثم يخزّن كل مثلث في اثني عشر عددًا عشريًا من 4 بايت مع حقل خصائص من 2 بايت، أي 50 بايت بالضبط لكل مثلث. وهذه القاعدة تجعل الحجم سهل التوقع. نموذج بمليون مثلث يبلغ نحو 50 MB ثنائيًا، ونسخة ASCII للشبكة نفسها أكبر عادةً بأربعة إلى ستة أضعاف لأن كل رقم يصبح حروفًا.

البساطة هي القوة وهي الفخ في آن واحد. لا يستطيع STL أن يخبرك هل أُريد به جزء واحد أم ثلاثة، ولا هل صُدّر بالإنش، ولا هل تحيط مثلثاته بجسم مصمت فعلًا. يستنتج برنامج التقطيع ذلك من الإحداثيات الخام، وإذا أخطأ ظهر جزء أصغر 25.4 مرة أو جدار مفقود. وللقطعة أحادية اللون التي صممتها وصدّرتها بالمليمتر لا يهم ذلك كله، ويبقى STL الصيغة الأقل عرضة للرفض.

جاء OBJ من Wavefront Technologies التي استخدمته برمجية Advanced Visualizer في أواخر الثمانينيات، وانتشر في التسعينيات كصيغة نصية بسيطة تتبادلها تقريبًا كل برامج 3D. وبخلاف STL يحتفظ بقائمة رؤوس ويبني الأوجه من الفهارس، فتُخزَّن الزاوية المشتركة مرة واحدة، ويمكن أن تكون الأوجه مثلثات أو رباعيات أو مضلعات أكبر. الأسطر التي تبدأ بـ v تحمل المواقع، وvt إحداثيات الخامة (UV)، وvn المتجهات العمودية، وf الأوجه. وتسمّي المجموعات (g) والكائنات (o) الأجزاء، فيصمد OBJ في الذهاب والإياب بين Blender وMaya وZBrush مع بقاء بنيته سليمة.

المظهر يقع خارج ملف .obj. يسمّي سطر mtllib ملف .mtl مرافقًا، وتسند أسطر usemtl المواد إلى الأوجه. يخزّن ملف .mtl ألوانًا مثل Kd (الانتشار) ويشير إلى صور الخامات بمدخلات مثل map_Kd wood.png. لذا يتكوّن OBJ المزوّد بخامات من ثلاثة ملفات على الأقل: الهندسة ومكتبة المواد وصورة أو أكثر، وكلها مشار إليها بمسار نسبي. وإذا أرسلت ملف .obj وحده رأى المستلم نموذجًا رماديًا. هذا الفصل مفيد في خطوط إنتاج الألعاب والمؤثرات البصرية حيث يبدّل الفنانون الخامات دون المساس بالهندسة، وهو السبب الأكثر شيوعًا لظهور نموذج منزَّل بشكل خاطئ.

يشترك OBJ مع STL في نقطة العمى حول المقياس: يخزّن أرقامًا مجردة بلا وحدة. أغلب أدوات النمذجة تكتب بالأمتار أو السنتيمترات بينما تقرأ برامج التقطيع بالمليمترات، فقد يصل OBJ من متجر أصول الألعاب بخطأ 10 أو 1,000 ضعف. وفي الطباعة لا يضيف OBJ شيئًا يستعمله برنامج التقطيع سوى لون الرؤوس في بعض الأدوات، فإذا أردت طباعة أصل فني فالأبسط غالبًا الاحتفاظ بالخامات للعرض وإرسال شبكة نظيفة إلى برنامج التقطيع. وفي الاتجاه المعاكس، تحويل STL إلى OBJ أقصر طريق من نموذج طباعة إلى سير عمل العرض أو الألعاب.

نشر اتحاد 3MF الصيغة عام 2015، وهو مجموعة أطلقتها Microsoft مع شركات من صناعتي الطباعة وCAD. ملف .3mf أرشيف ZIP، وهي حاوية الصيغة نفسها التي ناقشناها في ZIP مقابل RAR مقابل 7z. غيّر امتداده إلى .zip تجد ملف XML باسم 3D/3dmodel.model فيه الشبكة، وملف أنواع المحتوى، وملفات العلاقات، وغالبًا صورًا مصغرة وإعدادات برنامج التقطيع. يعلن كل نموذج وحدته (ميكرون أو مليمتر أو سنتيمتر أو إنش أو قدم أو متر)، فلا تظهر مشكلة المقياس التي تلازم STL وOBJ. والألوان والمواد الأساسية وتعدد العناصر وموضعها على لوح الطباعة كلها جزء من المواصفة.

تشترط المواصفة أيضًا أن تكون الشبكات مغلقة (manifold) ومتسقة الاتجاه: كل حافة مشتركة بين مثلثين بالضبط، وكلها متجهة إلى الخارج. فالمصدِّرات الملتزمة بالقواعد لا تكتب الهندسة المفتوحة المتقاطعة ذاتيًا التي يحملها STL بلا اعتراض. والدعم واسع في الأدوات الحالية. تقرأ 3MF كل من PrusaSlicer وBambu Studio وOrcaSlicer وUltiMaker Cura، ويحفظ PrusaSlicer وBambu Studio مشروعهما كاملًا بصيغة .3mf مع إعدادات الطباعة والألوان المرسومة، ويفتحه تطبيق 3D Builder من Microsoft على Windows مباشرة. ونقطة الضعف هي البرامج الثابتة الأقدم وبوابات مزارع الطباعة ومستوردات CAD التي ما زالت تتوقع STL؛ ولها حوّل ملف 3MF إلى STL مع قبول أن الإضافات تبقى خلفك.

تعتمد الصيغة المناسبة على وجهة الملف التالية، لا على أيها أحدث. إذا كانت المحطة التالية برنامج تقطيع والقطعة بلون واحد فـ STL كافٍ، وهو ما تفهمه كل المنتديات ومكتبات النماذج وخدمات الطباعة. وإذا كانت المحطة محرك عرض أو لعبة أو أداة نمذجة لفنان آخر، فإن OBJ يحتفظ بإحداثيات UV والمتجهات العمودية والمجموعات المسماة التي يتخلص منها STL، وشكله النصي يسهّل فحص المشكلات.

يستحق 3MF مكانته حين يحمل الملف أكثر من الهندسة. طباعة متعددة الألوان مرسومة في Bambu Studio، أو لوح من اثنتي عشرة قطعة مرتبة لمهمة واحدة، أو قطعة مصممة بالإنش، أو مشروع تريد إعادة فتحه بارتفاع الطبقة والحشو نفسيهما، كلها تحتاج 3MF لأن لا صيغة أخرى هنا تحمل هذه المعلومات. وعند تعدد الوجهات احتفظ بأغنى نسخة أصلًا رئيسيًا وصدّر منها النسخ الأبسط عبر محول نماذج 3D بدل سلسلة تحويلات متتالية.

أغلب حالات فشل الطباعة وأعطال الاستيراد التي تُنسب إلى الصيغة هي في الحقيقة مشكلات في الشبكة أو في ما افترضه البرنامج المستقبِل عنها. STL الأكثر عرضة لأنه لا يحمل بيانات وصفية تكشف الأخطاء؛ ويشاركه OBJ مشكلتي المقياس والملفات المفقودة؛ ويتفادى 3MF أغلبها بحكم تصميمه، وإن كان مصدِّر مهمل قد يكتب شبكة سيئة. افتح الصفوف أدناه لترى شكل كل عطل ومصدره المعتاد.

الحجم نتيجة للبنية. STL الثنائي ثابت عند 50 بايت لكل مثلث، فيمكنك حسابه قبل التصدير. ويكرر STL النصي كل زاوية نصًا فيبلغ عادةً أربعة إلى ستة أضعاف الثنائي. ويخزّن OBJ كل رأس مشترك مرة واحدة ويشير إليه بفهرس، فيخرج للشبكة المغلقة النموذجية أصغر من STL النصي وبحدود STL الثنائي تقريبًا، وأكبر إذا حمل UV ومتجهات عمودية. ويخزّن 3MF XML مفهرسًا ثم يضغطه داخل ZIP، فيكون عادةً الأصغر بين الثلاثة للهندسة نفسها.

الأرقام أدناه نموذجية لشبكة مغلقة بنحو 500,000 مثلث، مثل تمثال صغير مفصّل. تختلف الملفات الحقيقية باختلاف دقة الإحداثيات والمصدِّر، فاعتبرها أوامر قدر، مفيدة حين تحدّد خدمة الطباعة سقف الرفع أو حين يخرج STL المصدَّر من 3MF أكبر عدة مرات.

يقرأ التحويل المثلثات من حاوية ملف ويكتبها في حاوية أخرى. يُنقل كل ما تستطيع الصيغة الهدف التعبير عنه، ويُهمل ما لا تستطيع. لهذا يكون تحويل STL إلى OBJ بلا فقدان للهندسة، بينما يفقد تحويل 3MF إلى STL الألوان والوحدات وتخطيط اللوحة، ويفقد تحويل OBJ إلى STL الخامات وأسماء الأجزاء. في أدوات 3D على UltKit تظهر القرارات الإضافية صراحةً: يخبر خيار وحدات النموذج المحوّل بمقياس المصدر، ويعالج المحور العلوي الفرق بين Y-up وZ-up بين محركات الألعاب وبرامج التقطيع (slicers)، ويحدد الدمج في شبكة واحدة ما إذا كانت الأجزاء المنفصلة تبقى منفصلة.

ما لا يفعله أي تحويل هو إصلاح الشبكة. إذا كان في ملف STL ثقب فسيحمل ملف OBJ الناتج عنه الثقب نفسه، وقد يرفضه مصدّر 3MF أو يكتبه كما هو. الإصلاح خطوة مستقلة في أداة تعديل الشبكات أو في أداة الإصلاح المدمجة في برنامج التقطيع، والأفضل إجراؤه مرة واحدة في ملفك الأصلي قبل تصدير أي صيغة أخرى. وينطبق ذلك على المقياس أيضًا: لا يعرف التحويل أن القطعة صُمّمت بالإنش ما لم تخبره. وكذلك التفاصيل: يبقى ملف STL منخفض المضلعات منخفض المضلعات بعد تحويله إلى OBJ أو 3MF، فأعد التصدير من النموذج الأصلي عندما تهمك الجودة.

تظهر صيغتان أخريان كلما طُرح هذا السؤال. تخزّن STEP (ISO 10303) مجسمات وأسطحًا دقيقة بدل المثلثات، فهي الصيغة المناسبة حين تحتاج القطعة إلى العودة إلى Fusion 360 أو SolidWorks أو FreeCAD للتعديل. أما GLB، وهي الصيغة الثنائية من glTF 2.0 التابعة لمجموعة Khronos، فتجمع الشبكة مع موادها وخاماتها في ملف واحد بوحدة المتر، وهي الصيغة المناسبة لعرض النموذج على الويب أو في الواقع المعزز على Android.

بالنسبة للصيغ الثلاث التي تتناولها هذه المقالة، يلخّص الجدول أدناه الاختيار بحسب الوجهة. إذا انطبق أكثر من صف، فاختر الصيغة التي تحمل معلومات أكثر وصدّر الأبسط لاحقًا؛ فالانتقال من 3MF إلى STL سهل، أما إعادة بناء الألوان أو الوحدات المفقودة فعمل يدوي.