STL vs OBJ vs 3MF: jaký formát 3D souboru zvolit?

STL vzniklo v roce 1987 pro první stereolitografické stroje společnosti 3D Systems a je to na něm vidět. Soubor je prostý seznam trojúhelníků, každý popsaný normálou plošky a třemi vrcholy. Neexistuje sdílená tabulka vrcholů, takže roh, který se dotýká šesti trojúhelníků, se zapíše šestkrát. Chybí také údaj o jednotkách: souřadnice 25 může znamenat milimetry, palce nebo metry a téměř každý slicer předpokládá milimetry. Barva, textura ani názvy dílů se do základního formátu nevejdou, a právě proto ho stále čte každý slicer, CAD program i tisková služba.

STL existuje ve dvou kódováních. ASCII STL vše zapisuje textem, například řádky facet normal, outer loop a vertex 12.5 0 3.2, takže ho otevřete v textovém editoru a čísla přečtete. Binární STL začíná 80bajtovou hlavičkou a 4bajtovým počtem trojúhelníků, poté ukládá každý trojúhelník jako dvanáct 4bajtových čísel s plovoucí řádovou čárkou plus 2bajtové pole atributů: přesně 50 bajtů na trojúhelník. Díky tomu lze velikost snadno odhadnout. Model s milionem trojúhelníků má v binární podobě asi 50 MB a ASCII verze téže sítě bývá čtyřikrát až šestkrát větší, protože každá číslice je jeden znak.

Jednoduchost je zároveň silná stránka i past. Ze souboru STL nepoznáte, zda měl být jeden díl, nebo tři, zda byl exportován v palcích, ani zda trojúhelníky skutečně uzavírají těleso. Slicer to odvozuje ze surových souřadnic, a když se splete, dostanete díl 25,4krát menší nebo chybějící stěnu. U jednobarevného dílu, který jste sami navrhli a exportovali v milimetrech, na tom nezáleží a STL zůstává formátem, který je nejméně pravděpodobné, že bude odmítnut.

OBJ pochází od společnosti Wavefront Technologies, jejíž software Advanced Visualizer ho používal koncem 80. let, a v 90. letech se rozšířil jako textový formát, který si vyměnil téměř každý 3D program. Na rozdíl od STL uchovává seznam vrcholů a plošky skládá z indexů, takže sdílený roh je uložen jednou, a plošky mohou být trojúhelníky, čtyřúhelníky i větší polygony. Řádky začínající v obsahují pozice, vt texturovací souřadnice (UV), vn normály a f plošky. Skupiny (g) a objekty (o) pojmenovávají části, takže OBJ přežije přenos mezi Blenderem, Mayou či ZBrush se zachovanou strukturou.

Vzhled je uložen mimo soubor .obj. Řádek mtllib uvádí doprovodný soubor .mtl a řádky usemtl přiřazují materiály ploškám. Soubor .mtl ukládá barvy, například Kd (difuzní), a odkazuje na obrázky textur záznamy jako map_Kd wood.png. Texturovaný OBJ tedy tvoří alespoň tři soubory: geometrie, knihovna materiálů a jeden či více obrázků, všechny odkazované relativní cestou. Pošlete-li jen .obj, příjemce uvidí šedý model. Toto oddělení se hodí v herních a VFX postupech, kde umělci mění textury bez zásahu do geometrie, a je zároveň nejčastějším důvodem, proč stažený model vypadá špatně.

OBJ sdílí se STL slepé místo v měřítku: ukládá holá čísla bez jednotky. Většina modelovacích nástrojů zapisuje metry nebo centimetry, zatímco slicery čtou milimetry, takže OBJ z obchodu s herními assety může být 10krát nebo 1 000krát vedle. Pro tisk OBJ nepřidává nic, co by slicer využil, kromě barvy po vrcholech v několika nástrojích. Chcete-li tisknout umělecký asset, je obvykle nejjednodušší ponechat textury pro renderování a slicer dostane čistou síť. Opačným směrem je převod STL do OBJ nejkratší cestou od tiskového modelu k renderování nebo do herního workflow.

Formát 3MF zveřejnilo v roce 2015 konsorcium 3MF Consortium, které založil Microsoft spolu s firmami z oboru tisku a CAD. Soubor .3mf je archiv ZIP, tedy stejný kontejner, o němž pojednává článek ZIP vs RAR vs 7z. Přejmenujte ho na .zip a najdete soubor XML 3D/3dmodel.model se sítí, soubor typů obsahu, soubory vztahů a často náhledy a konfiguraci sliceru. Každý model deklaruje jednotku (mikron, milimetr, centimetr, palec, stopa nebo metr), takže problém s měřítkem, který trápí STL a OBJ, vůbec nevzniká. Barvy, základní materiály, více objektů i jejich rozmístění na tiskové podložce jsou součástí specifikace.

Specifikace také vyžaduje, aby sítě byly manifold a konzistentně orientované: každá hrana sdílená přesně dvěma trojúhelníky, všechny směřující ven. Exportéry, které pravidla dodržují, nemohou zapsat otevřenou a samoprotínající se geometrii, kterou STL klidně nese. Podpora mezi současnými nástroji je široká. PrusaSlicer, Bambu Studio, OrcaSlicer a UltiMaker Cura čtou 3MF, PrusaSlicer a Bambu Studio ukládají celý projekt jako .3mf včetně nastavení tisku a malovaných barev a aplikace Microsoft 3D Builder ve Windows ho otevře přímo. Slabým místem je starší firmware, portály tiskových farem a CAD importy, které stále očekávají STL; pro ně převeďte 3MF do STL a smiřte se s tím, že nadstavby zůstanou pozadu.

Správný formát závisí na tom, kam soubor putuje dál, ne na tom, který je novější. Pokud další zastávkou je slicer a díl je jednobarevný, STL stačí a je to stále formát, kterému rozumí každé fórum, knihovna modelů i tisková služba. Pokud další zastávkou je renderer, herní engine nebo modelovací nástroj jiného umělce, OBJ zachová UV, normály a pojmenované skupiny, které STL zahodí, a jeho textová podoba usnadňuje hledání problémů.

3MF si místo zaslouží, když soubor nese víc než geometrii. Vícebarevný tisk namalovaný v Bambu Studiu, podložka s dvanácti díly uspořádanými pro jednu úlohu, díl navržený v palcích nebo projekt, který chcete znovu otevřít se stejnou výškou vrstvy a výplní, to vše vyžaduje 3MF, protože žádný jiný zde uvedený formát tyto informace neunese. Pokud soubor míří na více míst, ponechte nejbohatší verzi jako hlavní kopii a jednodušší z ní exportujte pomocí převodníku 3D modelů místo řetězení převodů.

Většina neúspěšných tisků a rozbitých importů, které se připisují formátu, jsou ve skutečnosti potíže se sítí nebo s tím, co si o ní přijímající program předpokládal. STL je nejvíce vystaveno, protože nenese žádná metadata, která by chyby zachytila; OBJ sdílí problémy s měřítkem a chybějícími soubory; 3MF se většině vyhne už svým návrhem, i když nedbalý exportér může stále zapsat špatnou síť. V řádcích níže najdete, jak která chyba vypadá a odkud obvykle pochází.

Velikost vyplývá ze struktury. Binární STL má pevně 50 bajtů na trojúhelník, takže ji spočítáte před exportem. ASCII STL zapisuje každý roh jako text a obvykle skončí čtyřikrát až šestkrát nad binárním. OBJ ukládá každý sdílený vrchol jednou a odkazuje na něj indexem, takže u typické uzavřené sítě vyjde menší než ASCII STL a zhruba v rozsahu binárního STL, větší, pokud nese i UV a normály. 3MF ukládá indexované XML a uvnitř ZIPu ho komprimuje, takže bývá u stejné geometrie nejmenší ze všech tří.

Čísla níže jsou typická pro uzavřenou síť s asi 500 000 trojúhelníky, například podrobnou figurku. Skutečné soubory se liší podle přesnosti souřadnic a exportéru, berte je proto jako řádové hodnoty, užitečné, když tisková služba omezuje nahrávání nebo když STL exportované z 3MF vyjde několikrát větší.

Převod přečte trojúhelníky z jednoho kontejneru a zapíše je do jiného. Vše, co cílový formát umí vyjádřit, se přenese; co neumí, se zahodí. Proto je STL do OBJ bezeztrátové pro geometrii, 3MF do STL ztrácí barvy, jednotky i rozložení podložky a OBJ do STL ztrácí textury a názvy dílů. V 3D nástrojích UltKit jsou další rozhodnutí explicitní: Jednotky modelu sdělují převodníku, v jakém měřítku je zdroj, Svislá osa řeší rozdíl mezi Y nahoru a Z nahoru u herních enginů a slicerů a Sloučit do jedné sítě určuje, zda samostatné díly zůstanou oddělené.

Co žádný převod nedělá, je oprava sítě. Má-li STL díru, má ji i OBJ, které z něj vytvoříte, a exportér 3MF ji buď odmítne, nebo přesto zapíše. Oprava je samostatný krok v nástroji pro sítě nebo ve vestavěné opravě slicerů a nejlépe ji provést jednou, v hlavním souboru, před jakýmkoli dalším exportem. Totéž platí pro měřítko: převod nemůže vědět, že díl měl být v palcích, pokud mu to neřeknete. Podobně je to s detailem: STL s nízkým počtem polygonů se stane OBJ nebo 3MF s nízkým počtem polygonů, takže když záleží na kvalitě, exportujte znovu ze zdrojového modelu.

Při této otázce se vždy objeví ještě dva další formáty. STEP (ISO 10303) ukládá přesná tělesa a plochy místo trojúhelníků, takže je to formát pro případ, kdy se díl musí vrátit do Fusion 360, SolidWorks nebo FreeCADu k úpravám. GLB, binární podoba glTF 2.0 od Khronos Group, balí síť s materiály a texturami do jednoho souboru v metrech a je to formát pro zobrazení modelu na webu nebo v AR na Androidu.

Pro tři formáty, kterými se článek zabývá, shrnuje tabulka níže volbu podle cíle. Hodí-li se dva řádky, vyberte formát, který nese víc informací, a jednodušší exportujte později; z 3MF do STL je to snadné, zatímco obnova ztracených barev či jednotek je ruční práce.