STL vs OBJ vs 3MF: Ποια μορφή αρχείου 3D να επιλέξετε;

Το STL γράφτηκε το 1987 για τις πρώτες μηχανές στερεολιθογραφίας της 3D Systems και ο σχεδιασμός του δείχνει αυτή την καταγωγή. Ένα αρχείο είναι μια απλή λίστα τριγώνων, καθένα με μια κάθετο έδρας και τρεις γωνίες. Δεν υπάρχει κοινός πίνακας κορυφών, οπότε μια γωνία που ακουμπά έξι τρίγωνα γράφεται έξι φορές. Δεν υπάρχει ούτε πεδίο μονάδων: μια συντεταγμένη 25 μπορεί να σημαίνει χιλιοστά, ίντσες ή μέτρα, και σχεδόν κάθε slicer υποθέτει χιλιοστά. Χρώμα, υφή και ονόματα εξαρτημάτων δεν έχουν θέση στη βασική μορφή, και γι' αυτό ακριβώς κάθε slicer, πρόγραμμα CAD και υπηρεσία εκτύπωσης εξακολουθεί να τη διαβάζει.

Το STL υπάρχει σε δύο κωδικοποιήσεις. Το ASCII STL γράφει τα πάντα ως κείμενο, με γραμμές όπως facet normal, outer loop και vertex 12.5 0 3.2, ώστε να το ανοίξετε σε επεξεργαστή κειμένου και να διαβάσετε τους αριθμούς. Το δυαδικό STL ξεκινά με κεφαλίδα 80 byte και μετρητή τριγώνων 4 byte, και μετά αποθηκεύει κάθε τρίγωνο ως δώδεκα αριθμούς κινητής υποδιαστολής 4 byte συν ένα πεδίο ιδιοτήτων 2 byte: ακριβώς 50 byte ανά τρίγωνο. Έτσι το μέγεθος προβλέπεται εύκολα. Ένα μοντέλο ενός εκατομμυρίου τριγώνων είναι περίπου 50 MB ως δυαδικό, ενώ η ASCII εκδοχή του ίδιου πλέγματος είναι συνήθως τέσσερις έως έξι φορές μεγαλύτερη, επειδή κάθε ψηφίο γίνεται χαρακτήρας.

Η απλότητα είναι ταυτόχρονα δύναμη και παγίδα. Ένα STL δεν σας λέει αν προοριζόταν για ένα εξάρτημα ή για τρία, αν εξήχθη σε ίντσες ή αν τα τρίγωνά του περικλείουν πράγματι στερεό. Ο slicer τα συμπεραίνει από τις ακατέργαστες συντεταγμένες και, όταν υποθέσει λάθος, παίρνετε εξάρτημα 25,4 φορές μικρότερο ή έλλειψη τοιχώματος. Για ένα μονόχρωμο εξάρτημα που σχεδιάσατε εσείς και εξαγάγατε σε χιλιοστά, τίποτα από αυτά δεν έχει σημασία και το STL παραμένει η μορφή που απορρίπτεται πιο σπάνια.

Το OBJ προέρχεται από την Wavefront Technologies, της οποίας το λογισμικό Advanced Visualizer το χρησιμοποιούσε στα τέλη της δεκαετίας του 1980, και διαδόθηκε στη δεκαετία του 1990 ως η μορφή απλού κειμένου που σχεδόν κάθε πρόγραμμα 3D μπορούσε να ανταλλάξει. Αντίθετα με το STL, κρατά λίστα κορυφών και φτιάχνει τις έδρες από δείκτες, οπότε μια κοινή γωνία αποθηκεύεται μία φορά, και οι έδρες μπορούν να είναι τρίγωνα, τετράπλευρα ή μεγαλύτερα πολύγωνα. Οι γραμμές που ξεκινούν με v περιέχουν θέσεις, με vt συντεταγμένες υφής (UV), με vn καθέτους και με f τις έδρες. Οι ομάδες (g) και τα αντικείμενα (o) ονομάζουν τα μέρη, έτσι το OBJ επιβιώνει από μια μετάβαση μέσω Blender, Maya ή ZBrush με άθικτη τη δομή του.

Η εμφάνιση βρίσκεται έξω από το αρχείο .obj. Μια γραμμή mtllib ονομάζει ένα συνοδευτικό αρχείο .mtl και οι γραμμές usemtl αντιστοιχούν υλικά σε έδρες. Το αρχείο .mtl αποθηκεύει χρώματα όπως το Kd (διάχυτο) και δείχνει σε εικόνες υφής με εγγραφές όπως map_Kd wood.png. Ένα OBJ με υφές είναι λοιπόν τουλάχιστον τρία αρχεία: η γεωμετρία, η βιβλιοθήκη υλικών και μία ή περισσότερες εικόνες, όλα με σχετικές διαδρομές. Αν στείλετε μόνο το .obj, ο παραλήπτης βλέπει γκρι μοντέλο. Αυτός ο διαχωρισμός είναι χρήσιμος σε pipelines παιχνιδιών και VFX, όπου οι καλλιτέχνες αλλάζουν υφές χωρίς να αγγίζουν τη γεωμετρία, και είναι η συχνότερη αιτία που ένα μοντέλο που κατεβάσατε δείχνει λάθος.

Το OBJ έχει το ίδιο τυφλό σημείο με το STL ως προς την κλίμακα: αποθηκεύει γυμνούς αριθμούς χωρίς μονάδα. Τα περισσότερα εργαλεία μοντελοποίησης γράφουν μέτρα ή εκατοστά, ενώ οι slicers διαβάζουν χιλιοστά, οπότε ένα OBJ από κατάστημα assets παιχνιδιών μπορεί να φτάσει με απόκλιση 10 ή 1.000 φορές. Για εκτύπωση, το OBJ δεν προσθέτει τίποτα που να χρησιμοποιεί ο slicer, εκτός από χρώμα ανά κορυφή σε λίγα εργαλεία· αν λοιπόν θέλετε να εκτυπώσετε ένα καλλιτεχνικό asset, συνήθως είναι πιο απλό να κρατήσετε τις υφές για το rendering και να δώσετε στον slicer ένα καθαρό πλέγμα. Προς την αντίθετη κατεύθυνση, η μετατροπή STL σε OBJ είναι ο συντομότερος δρόμος από ένα μοντέλο εκτύπωσης σε ροή rendering ή παιχνιδιού.

Το 3MF δημοσιεύτηκε το 2015 από το 3MF Consortium, μια ομάδα που ξεκίνησε η Microsoft μαζί με εταιρείες της βιομηχανίας εκτύπωσης και CAD. Ένα αρχείο .3mf είναι αρχείο ZIP, η ίδια μορφή περιέκτη που εξετάζεται στο ZIP vs RAR vs 7z. Αν το μετονομάσετε σε .zip, θα βρείτε ένα αρχείο XML 3D/3dmodel.model με το πλέγμα, ένα αρχείο τύπων περιεχομένου, αρχεία σχέσεων και συχνά μικρογραφίες και ρυθμίσεις του slicer. Κάθε μοντέλο δηλώνει τη μονάδα του (micron, χιλιοστό, εκατοστό, ίντσα, πόδι ή μέτρο), οπότε το πρόβλημα κλίμακας που ταλαιπωρεί το STL και το OBJ απλώς δεν εμφανίζεται. Χρώματα, βασικά υλικά, πολλά αντικείμενα και η τοποθέτησή τους στην πλάκα εκτύπωσης αποτελούν μέρος της προδιαγραφής.

Η προδιαγραφή απαιτεί επίσης τα πλέγματα να είναι manifold και με συνεπή προσανατολισμό: κάθε ακμή να μοιράζεται από ακριβώς δύο τρίγωνα, όλα στραμμένα προς τα έξω. Οι εξαγωγείς που ακολουθούν τους κανόνες δεν μπορούν να γράψουν την ανοιχτή γεωμετρία με αυτοτομές που ένα STL δέχεται πρόθυμα. Η υποστήριξη είναι ευρεία στα σημερινά εργαλεία. Οι PrusaSlicer, Bambu Studio, OrcaSlicer και UltiMaker Cura διαβάζουν 3MF, οι PrusaSlicer και Bambu Studio αποθηκεύουν ολόκληρο το έργο τους ως .3mf με ρυθμίσεις εκτύπωσης και ζωγραφισμένα χρώματα μέσα, και η εφαρμογή 3D Builder της Microsoft στα Windows το ανοίγει απευθείας. Το αδύνατο σημείο είναι το παλαιότερο firmware, οι πύλες των print farms και οι εισαγωγείς CAD που εξακολουθούν να περιμένουν STL· για αυτά, μετατρέψτε το 3MF σε STL και αποδεχτείτε ότι τα επιπλέον δεδομένα μένουν πίσω.

Η σωστή μορφή εξαρτάται από το πού θα πάει το αρχείο στη συνέχεια, όχι από το ποια είναι νεότερη. Αν ο επόμενος σταθμός είναι ένας slicer και το εξάρτημα είναι μονόχρωμο, το STL αρκεί, και είναι ακόμη η μορφή που καταλαβαίνουν όλα τα φόρουμ, οι βιβλιοθήκες μοντέλων και οι υπηρεσίες εκτύπωσης. Αν ο επόμενος σταθμός είναι renderer, game engine ή το εργαλείο μοντελοποίησης άλλου καλλιτέχνη, το OBJ κρατά τα UV, τις καθέτους και τις ονομασμένες ομάδες που το STL πετάει, και η μορφή κειμένου διευκολύνει τον έλεγχο προβλημάτων.

Το 3MF δικαιώνεται όταν το αρχείο μεταφέρει κάτι παραπάνω από γεωμετρία. Μια πολύχρωμη εκτύπωση ζωγραφισμένη στο Bambu Studio, μια πλάκα με δώδεκα εξαρτήματα διατεταγμένα για μία εργασία, ένα εξάρτημα σχεδιασμένο σε ίντσες ή ένα έργο που θέλετε να ανοίξετε ξανά με το ίδιο ύψος στρώσης και γέμισμα χρειάζονται 3MF, γιατί καμία άλλη μορφή εδώ δεν μπορεί να κρατήσει αυτές τις πληροφορίες. Αν στέλνετε σε περισσότερους προορισμούς, κρατήστε την πιο πλούσια έκδοση ως κύριο αντίγραφο και εξαγάγετε απλούστερες από αυτήν με έναν μετατροπέα 3D μοντέλων αντί να αλυσοδένετε μετατροπές.

Οι περισσότερες αποτυχημένες εκτυπώσεις και προβληματικές εισαγωγές που χρεώνονται στη μορφή είναι στην πραγματικότητα προβλήματα του πλέγματος ή αυτού που υπέθεσε γι' αυτό το πρόγραμμα που το παραλαμβάνει. Το STL είναι το πιο εκτεθειμένο, επειδή δεν μεταφέρει μεταδεδομένα που θα έπιαναν τα λάθη· το OBJ έχει τα ίδια προβλήματα κλίμακας και ελλειπόντων αρχείων· το 3MF τα αποφεύγει τα περισσότερα εκ κατασκευής, αν και ένας απρόσεκτος εξαγωγέας μπορεί να γράψει κακό πλέγμα. Ανοίξτε τις παρακάτω γραμμές για να δείτε πώς μοιάζει κάθε αποτυχία και από πού συνήθως προέρχεται.

Το μέγεθος προκύπτει από τη δομή. Το δυαδικό STL είναι σταθερό στα 50 byte ανά τρίγωνο, οπότε μπορείτε να το υπολογίσετε πριν από την εξαγωγή. Το ASCII STL επαναλαμβάνει κάθε γωνία ως κείμενο και συνήθως βγαίνει τέσσερις έως έξι φορές πάνω από το δυαδικό. Το OBJ αποθηκεύει κάθε κοινή κορυφή μία φορά και την αναφέρει με δείκτη, οπότε για ένα τυπικό κλειστό πλέγμα βγαίνει μικρότερο από το ASCII STL και περίπου στην περιοχή του δυαδικού STL, μεγαλύτερο αν περιλαμβάνει και UV και καθέτους. Το 3MF αποθηκεύει XML με δείκτες και μετά το συμπιέζει μέσα στο ZIP, κάτι που συνήθως το κάνει το μικρότερο από τα τρία για την ίδια γεωμετρία.

Τα παρακάτω μεγέθη είναι τυπικά για ένα κλειστό πλέγμα περίπου 500.000 τριγώνων, όπως ένα λεπτομερές ειδώλιο. Τα πραγματικά αρχεία διαφέρουν ανάλογα με την ακρίβεια συντεταγμένων και τον εξαγωγέα, οπότε θεωρήστε τα τάξεις μεγέθους, χρήσιμες όταν μια υπηρεσία εκτύπωσης βάζει όριο στις μεταφορτώσεις ή όταν ένα STL που εξήχθη από 3MF βγαίνει πολλαπλάσιο σε μέγεθος.

Η μετατροπή διαβάζει τα τρίγωνα από ένα κοντέινερ και τα γράφει σε άλλο. Ό,τι μπορεί να εκφράσει η μορφή-στόχος μεταφέρεται· ό,τι δεν μπορεί, χάνεται. Γι' αυτό η μετατροπή STL σε OBJ δεν χάνει τίποτα στη γεωμετρία, ενώ η μετατροπή 3MF σε STL χάνει χρώματα, μονάδες και διάταξη πλάκας, και η μετατροπή OBJ σε STL χάνει υφές και ονόματα τμημάτων. Στα εργαλεία 3D του UltKit οι πρόσθετες επιλογές είναι ρητές: οι Μονάδες μοντέλου ορίζουν ποια κλίμακα χρησιμοποιεί η πηγή, ο Κατακόρυφος άξονας καλύπτει τη διαφορά Y-up και Z-up ανάμεσα σε game engines και slicers, και η Συγχώνευση σε ένα πλέγμα καθορίζει αν τα ξεχωριστά τμήματα θα μείνουν ξεχωριστά.

Αυτό που δεν κάνει καμία μετατροπή είναι να επισκευάσει ένα πλέγμα. Αν ένα STL έχει τρύπα, το OBJ που θα φτιάξετε από αυτό έχει την ίδια τρύπα, και ένας εξαγωγέας 3MF είτε θα το απορρίψει είτε θα το γράψει έτσι κι αλλιώς. Η επισκευή είναι ξεχωριστό βήμα, σε εργαλείο πλεγμάτων ή στον ενσωματωμένο διορθωτή του slicer, και γίνεται καλύτερα μία φορά, στο κύριο αρχείο σας, πριν εξαγάγετε οτιδήποτε άλλο. Το ίδιο ισχύει για την κλίμακα: η μετατροπή δεν μπορεί να ξέρει ότι ένα τμήμα προοριζόταν για ίντσες, αν δεν το πείτε. Και το ίδιο για τη λεπτομέρεια: ένα STL χαμηλής ανάλυσης γίνεται OBJ ή 3MF χαμηλής ανάλυσης, οπότε εξαγάγετε ξανά από το αρχικό μοντέλο όταν μετράει η ποιότητα.

Δύο ακόμη μορφές εμφανίζονται κάθε φορά που τίθεται αυτό το ερώτημα. Το STEP (ISO 10303) αποθηκεύει ακριβή στερεά και επιφάνειες αντί για τρίγωνα, άρα είναι η μορφή για όταν ένα τμήμα πρέπει να επιστρέψει σε Fusion 360, SolidWorks ή FreeCAD για επεξεργασία. Το GLB, η δυαδική μορφή του glTF 2.0 του Khronos Group, πακετάρει ένα πλέγμα με τα υλικά και τις υφές του σε ένα αρχείο με μέτρα και είναι η μορφή για την προβολή ενός μοντέλου στο web ή σε AR στο Android.

Για τις τρεις μορφές που καλύπτει το άρθρο, ο πίνακας παρακάτω συνοψίζει την επιλογή ανά προορισμό. Αν ταιριάζουν δύο γραμμές, διαλέξτε τη μορφή που μεταφέρει περισσότερη πληροφορία και εξαγάγετε αργότερα την απλούστερη· η μετάβαση από 3MF σε STL είναι εύκολη, ενώ η αποκατάσταση χαμένων χρωμάτων ή μονάδων είναι χειροκίνητη δουλειά.