STL・OBJ・3MFの違いとは？3Dファイル形式の選び方

STLは1987年に3D Systemsの最初の光造形機のために作られた形式で、その設計にも成り立ちが表れています。ファイルは三角形を並べただけのリストで、各三角形は面の法線と3つの頂点で表されます。頂点テーブルを共有しないため、6つの三角形が接する頂点は6回書き込まれます。単位のフィールドもなく、座標の25がミリメートルなのか、インチなのか、メートルなのかは分かりません。ほぼすべてのスライサーはミリメートルと推測します。色、テクスチャ、パーツ名を入れる場所も基本仕様にはなく、だからこそ今でもすべてのスライサー、CAD、造形サービスで読み込めます。

STLには2種類のエンコードがあります。ASCII STLはすべてをテキストで書き出し、facet normal、outer loop、vertex 12.5 0 3.2 のような行が並ぶため、テキストエディタで開いて数値を読めます。バイナリSTLは80バイトのヘッダーと4バイトの三角形数で始まり、その後に各三角形を4バイトの浮動小数点数12個と2バイトの属性フィールドで保存します。つまり1三角形ちょうど50バイトで、サイズを予測しやすい形式です。100万三角形のモデルはバイナリで約50 MBですが、同じメッシュのASCII版は、数字が1桁ずつ文字になるため通常4〜6倍の大きさになります。

このシンプルさは強みであると同時に落とし穴でもあります。STLからは、1つのパーツのつもりだったのか3つなのか、インチで書き出されたのか、三角形が実際に中身のある立体を囲んでいるのかが分かりません。スライサーが生の座標から判断するので、推測が外れると、25.4倍小さいパーツや壁の欠けが生じます。自分で設計してミリメートルで書き出した単色のパーツなら、これらは問題にならず、STLは今でも最も拒否されにくい形式です。

OBJはWavefront Technologiesが開発した形式で、同社のAdvanced Visualizerが1980年代後半に使用し、1990年代にほぼすべての3Dソフトがやり取りできるテキスト形式として広まりました。STLと違って頂点リストを持ち、インデックスで面を構成するため、共有される頂点は1回だけ保存され、面は三角形、四角形、それ以上の多角形にもできます。v で始まる行は位置、vt はテクスチャ座標(UV)、vn は法線、f は面を表します。グループ(g)とオブジェクト(o)でパーツに名前が付くため、Blender、Maya、ZBrushを行き来しても構造が保たれます。

見た目の情報は .obj ファイルの外にあります。mtllib の行が付属の .mtl ファイルを指定し、usemtl の行で面にマテリアルを割り当てます。.mtl ファイルには Kd(拡散色)などの色が保存され、map_Kd wood.png のような記述でテクスチャ画像を参照します。したがってテクスチャ付きOBJは、ジオメトリ、マテリアルライブラリ、1つ以上の画像という少なくとも3つのファイルで構成され、すべて相対パスで参照されます。.obj だけを送ると、受け取った側にはグレーのモデルが表示されます。この分離は、アーティストがジオメトリに触れずにテクスチャを差し替えるゲームやVFXの制作では便利ですが、ダウンロードしたモデルの見た目がおかしくなる最も多い原因でもあります。

OBJもスケールに関してはSTLと同じ弱点があり、単位のない数値だけを保存します。多くのモデリングツールはメートルやセンチメートルで書き出しますが、スライサーはミリメートルで読むため、ゲームアセットストアのOBJは10倍や1,000倍ずれて届くことがあります。造形用としては、一部のツールの頂点カラーを除き、スライサーが使う情報をOBJは何も追加しません。アート用のアセットを造形するなら、テクスチャはレンダリング用に残し、スライサーにはきれいなメッシュを渡すのが簡単です。逆方向では、STLをOBJに変換するのが、造形用モデルをレンダリングやゲームの作業に取り込む最短の方法です。

3MFは2015年に3MFコンソーシアムが公開した形式で、このコンソーシアムはMicrosoftが中心となり、3DプリンターやCAD業界の企業と立ち上げたものです。.3mf ファイルはZIPアーカイブで、ZIP・RAR・7zの違いで取り上げたものと同じ入れ物です。拡張子を .zip に変えると、メッシュを収めた 3D/3dmodel.model というXMLファイル、コンテンツタイプのファイル、リレーションシップのファイルのほか、サムネイルやスライサーの設定が入っていることもよくあります。各モデルは単位(マイクロン、ミリメートル、センチメートル、インチ、フィート、メートル)を宣言するため、STLやOBJにつきまとうスケールの問題は起こりません。色、基本マテリアル、複数のオブジェクト、ビルドプレート上の配置も仕様に含まれます。

仕様はさらに、メッシュがマニホールドで向きが一貫していることを求めています。すべての辺がちょうど2つの三角形に共有され、すべてが外向きでなければなりません。規則に従うエクスポーターは、STLなら平気で保存できる開いたジオメトリや自己交差したジオメトリを書き出せません。現行ツールの対応は広く、PrusaSlicer、Bambu Studio、OrcaSlicer、UltiMaker Curaが3MFを読み込めます。PrusaSlicerとBambu Studioは造形設定やペイントした色を含むプロジェクト全体を .3mf で保存し、WindowsのMicrosoft 3D Builderアプリも直接開けます。弱点は、今もSTLを前提とする古いファームウェア、プリントファームのポータル、CADインポーターです。その場合は3MFをSTLに変換しますが、付加情報は失われます。

適した形式は、新しさではなく、ファイルの渡し先で決まります。次がスライサーで単色のパーツならSTLで十分で、あらゆるフォーラム、モデルライブラリ、造形サービスが今も対応しています。次がレンダラー、ゲームエンジン、他のアーティストのモデリングツールなら、STLが捨ててしまうUV、法線、名前付きグループをOBJが保持し、テキスト形式なので問題も調べやすくなります。

3MFが役立つのは、ファイルがジオメトリ以外の情報を持つときです。Bambu Studioでペイントした多色造形、1回の造形に配置した12個のパーツのプレート、インチで設計したパーツ、積層ピッチやインフィルを同じ設定で開き直したいプロジェクトには3MFが必要で、ここで挙げた他の形式にはその情報を保存できません。複数の渡し先がある場合は、最も情報の多いバージョンをマスターとして保管し、変換を重ねるのではなく、3Dモデル変換でそこから簡易版を書き出してください。

形式のせいにされる造形の失敗や読み込みエラーの多くは、実際にはメッシュの問題か、受け取るプログラムがメッシュについて行った想定の問題です。STLはミスを見つけるメタデータがないため最も影響を受けやすく、OBJもスケールやファイル欠落の問題を共有し、3MFは設計上ほとんどを避けられますが、いい加減なエクスポーターだと不良メッシュを書き出すこともあります。以下の項目を開くと、それぞれの失敗の見え方と主な原因が分かります。

サイズは構造から決まります。バイナリSTLは1三角形あたり50バイトで固定なので、書き出す前に計算できます。ASCII STLは各頂点をテキストで繰り返すため、通常はバイナリの4〜6倍になります。OBJは共有頂点を1回だけ保存してインデックスで参照するため、一般的な閉じたメッシュではASCII STLより小さく、バイナリSTLとほぼ同程度で、UVや法線も含めるとそれより大きくなります。3MFはインデックス化したXMLをZIP内で圧縮するので、同じジオメトリなら通常3つの中で最小です。

以下の数値は、精細なフィギュアのような約50万三角形の閉じたメッシュの一般的な値です。実際のファイルは座標の精度やエクスポーターで変わるため、桁の目安として見てください。造形サービスのアップロード上限があるときや、3MFから書き出したSTLが数倍大きくなったときに役立ちます。

変換は、ある入れ物から三角形を読み取り、別の入れ物に書き込む処理です。変換先の形式で表現できるものは引き継がれ、表現できないものは捨てられます。そのため、STLからOBJへの変換はジオメトリについては損失がなく、3MFからSTLでは色、単位、プレートの配置が失われ、OBJからSTLではテクスチャとパーツ名が失われます。UltKitの3Dツールでは、追加の設定が明示されています。モデルの単位は元データのスケールを指定し、上方向の軸はゲームエンジンとスライサーのY軸上向きとZ軸上向きの違いを扱い、1つのメッシュに統合は別々のパーツを分けたままにするかを決めます。

どの変換でもメッシュの修復は行われません。STLに穴があれば、そこから作ったOBJにも同じ穴があり、3MFのエクスポーターは拒否するか、そのまま書き出します。修復はメッシュツールやスライサー内蔵の修復機能で行う別の作業で、他の形式に書き出す前に、マスターファイルで1回だけ行うのが最善です。スケールも同じで、インチのつもりだったパーツでも、指定しなければ変換では分かりません。ディテールも同様で、低ポリゴンのSTLは低ポリゴンのOBJや3MFになるため、品質が重要なときは元のモデルから書き出し直してください。

この質問になると、ほかに2つの形式がよく話題に上がります。STEP(ISO 10303)は三角形ではなく正確なソリッドとサーフェスを保存するため、パーツを Fusion 360、SolidWorks、FreeCAD に戻して編集する場合に使う形式です。GLB は Khronos Group の glTF 2.0 のバイナリ形式で、メッシュとマテリアル、テクスチャを1つのファイルにまとめ、単位はメートルです。Webでのモデル表示や Android の AR に向いています。

この記事で扱う3つの形式については、下の表に出力先ごとの選び方をまとめました。2つの行に当てはまる場合は、より多くの情報を持てる形式を選び、シンプルな形式は後で書き出してください。3MFからSTLへの変換は簡単ですが、失われた色や単位を作り直すのは手作業になります。