STL, OBJ czy 3MF: jaki format pliku 3D wybrać?

STL powstał w 1987 roku dla pierwszych maszyn stereolitograficznych firmy 3D Systems i widać to w jego konstrukcji. Plik to płaska lista trójkątów, z których każdy opisany jest normalną ścianki i trzema wierzchołkami. Nie ma wspólnej tablicy wierzchołków, więc narożnik stykający się z sześcioma trójkątami zapisany jest sześć razy. Nie ma też pola jednostki: współrzędna 25 może oznaczać milimetry, cale lub metry, a prawie każdy slicer zakłada milimetry. Kolor, tekstura i nazwy części nie mieszczą się w podstawowym formacie, i właśnie dlatego czyta go każdy slicer, program CAD i serwis druku.

STL występuje w dwóch kodowaniach. ASCII STL zapisuje wszystko tekstem, w liniach takich jak facet normal, outer loop i vertex 12.5 0 3.2, więc można go otworzyć w edytorze tekstu i odczytać liczby. Binarny STL zaczyna się 80-bajtowym nagłówkiem i 4-bajtową liczbą trójkątów, a potem zapisuje każdy trójkąt jako dwanaście 4-bajtowych liczb zmiennoprzecinkowych plus 2-bajtowe pole atrybutu: dokładnie 50 bajtów na trójkąt. Dzięki tej regule łatwo przewidzieć rozmiar. Model z milionem trójkątów to około 50 MB w wersji binarnej, a wersja ASCII tej samej siatki jest zwykle cztery do sześciu razy większa, bo każda cyfra staje się znakiem.

Prostota jest zarazem siłą i pułapką. STL nie powie, czy miał być jedną częścią, czy trzema, czy wyeksportowano go w calach, ani czy jego trójkąty faktycznie zamykają bryłę. Slicer ustala to z surowych współrzędnych, a gdy się pomyli, dostajemy część 25,4 razy za małą albo brakującą ściankę. Dla jednokolorowej części, którą sam zaprojektowałeś i wyeksportowałeś w milimetrach, nie ma to znaczenia, a STL pozostaje formatem, który najrzadziej zostaje odrzucony.

OBJ pochodzi od Wavefront Technologies, której oprogramowanie Advanced Visualizer używało go pod koniec lat 80. W latach 90. rozpowszechnił się jako tekstowy format wymieniany przez niemal każdy program 3D. W przeciwieństwie do STL przechowuje listę wierzchołków i buduje ściany z indeksów, więc wspólny narożnik zapisany jest raz, a ściany mogą być trójkątami, czworokątami lub większymi wielokątami. Linie zaczynające się od v zawierają pozycje, vt współrzędne tekstur (UV), vn normalne, a f ściany. Grupy (g) i obiekty (o) nazywają części, dlatego OBJ przechodzi przez Blendera, Mayę czy ZBrusha z zachowaną strukturą.

Wygląd modelu znajduje się poza plikiem .obj. Linia mtllib wskazuje towarzyszący plik .mtl, a linie usemtl przypisują materiały do ścian. Plik .mtl przechowuje kolory, takie jak Kd (rozproszony), i wskazuje obrazy tekstur wpisami typu map_Kd wood.png. Model OBJ z teksturą to więc co najmniej trzy pliki: geometria, biblioteka materiałów i jeden lub więcej obrazów, wszystkie wskazane ścieżkami względnymi. Jeśli wyślesz sam .obj, odbiorca zobaczy szary model. Ten podział jest przydatny w produkcji gier i efektów wizualnych, gdzie graficy zmieniają tekstury bez dotykania geometrii, i jest najczęstszym powodem, dla którego pobrany model wygląda źle.

OBJ ma ten sam słaby punkt co STL, jeśli chodzi o skalę: przechowuje gołe liczby bez jednostki. Większość narzędzi do modelowania zapisuje metry lub centymetry, a slicery czytają milimetry, więc OBJ ze sklepu z zasobami do gier może trafić do slicera z błędem 10 lub 1000 razy. Do druku OBJ nie dodaje niczego, z czego korzysta slicer, poza kolorem wierzchołków w kilku programach, więc jeśli chcesz wydrukować zasób graficzny, zwykle najprościej zachować tekstury do renderowania, a do slicera wysłać czystą siatkę. W przeciwnym kierunku zamiana STL na OBJ to najkrótsza droga od modelu do druku do renderowania lub gry.

3MF opublikowało w 2015 roku 3MF Consortium, grupa założona przez Microsoft wraz z firmami z branży druku i CAD. Plik .3mf to archiwum ZIP, ten sam format kontenera, który opisujemy w artykule ZIP, RAR czy 7z. Zmień rozszerzenie na .zip, a znajdziesz plik XML 3D/3dmodel.model z siatką, plik typów zawartości, pliki relacji, a często także miniatury i konfigurację slicera. Każdy model deklaruje swoją jednostkę (mikron, milimetr, centymetr, cal, stopa lub metr), więc problem skali, który nęka STL i OBJ, po prostu nie występuje. Kolory, materiały bazowe, wiele obiektów i ich rozmieszczenie na stole roboczym należą do specyfikacji.

Specyfikacja wymaga też, aby siatki były rozmaitościowe (manifold) i spójnie zorientowane: każda krawędź należy do dokładnie dwóch trójkątów, a wszystkie są skierowane na zewnątrz. Eksportery przestrzegające reguł nie zapiszą otwartej, samoprzecinającej się geometrii, którą STL chętnie przenosi. Obsługa w obecnych narzędziach jest szeroka. PrusaSlicer, Bambu Studio, OrcaSlicer i UltiMaker Cura czytają 3MF, PrusaSlicer i Bambu Studio zapisują cały projekt jako .3mf z ustawieniami druku i malowanymi kolorami, a aplikacja Microsoft 3D Builder w Windows otwiera go bezpośrednio. Słabym punktem są starsze oprogramowanie sprzętowe, portale farm druku i importery CAD, które nadal oczekują STL; w takim przypadku skonwertuj 3MF na STL i pogódź się z tym, że dodatki zostaną za nami.

Właściwy format zależy od tego, dokąd trafi plik, a nie od tego, który jest nowszy. Jeśli następnym krokiem jest slicer, a część ma jeden kolor, STL wystarczy i nadal jest formatem rozumianym przez każde forum, bibliotekę modeli i serwis druku. Jeśli następnym krokiem jest renderer, silnik gry lub program do modelowania innego grafika, OBJ zachowa UV, normalne i nazwane grupy, które STL odrzuca, a jego tekstowa forma ułatwia szukanie problemów.

3MF jest potrzebny, gdy plik niesie więcej niż geometrię. Wielokolorowy wydruk namalowany w Bambu Studio, stół z dwunastoma częściami ułożonymi do jednego zadania, część zaprojektowana w calach czy projekt, który chcesz otworzyć ponownie z tą samą wysokością warstwy i wypełnieniem, wymagają 3MF, bo żaden inny format z tej listy nie pomieści takich informacji. Gdy plik ma trafić w kilka miejsc, zachowaj najbogatszą wersję jako kopię główną i eksportuj z niej prostsze za pomocą konwertera modeli 3D, zamiast łączyć kolejne konwersje.

Większość nieudanych wydruków i błędnych importów, które przypisuje się formatowi, to tak naprawdę problemy z siatką albo z założeniami programu odbierającego. STL jest najbardziej narażony, bo nie niesie metadanych wychwytujących pomyłki; OBJ ma te same problemy ze skalą i brakującymi plikami; 3MF unika większości z nich dzięki konstrukcji, choć niedbały eksporter nadal może zapisać złą siatkę. Rozwiń poniższe wiersze, aby zobaczyć, jak wygląda każda usterka i skąd zwykle się bierze.

Rozmiar wynika ze struktury. Binarny STL ma stałe 50 bajtów na trójkąt, więc można go obliczyć przed eksportem. ASCII STL powtarza każdy narożnik jako tekst i zwykle jest cztery do sześciu razy większy od binarnego. OBJ zapisuje każdy wspólny wierzchołek raz i odwołuje się do niego indeksem, więc dla typowej zamkniętej siatki jest mniejszy niż ASCII STL i mniej więcej na poziomie binarnego STL, a większy, jeśli zawiera też UV i normalne. 3MF przechowuje indeksowany XML i kompresuje go w ZIP-ie, co zwykle czyni go najmniejszym z trójki dla tej samej geometrii.

Poniższe wartości są typowe dla zamkniętej siatki z około 500 000 trójkątów, na przykład szczegółowej figurki. Rzeczywiste pliki różnią się zależnie od dokładności współrzędnych i eksportera, więc traktuj je jako rzędy wielkości, przydatne, gdy serwis druku ogranicza wysyłane pliki albo STL wyeksportowany z 3MF wychodzi kilka razy większy.

Konwersja odczytuje trójkąty z jednego kontenera i zapisuje je w drugim. Wszystko, co format docelowy potrafi wyrazić, zostaje przeniesione; reszta jest pomijana. Dlatego STL na OBJ jest bezstratny dla geometrii, 3MF na STL traci kolory, jednostki i układ stołu, a OBJ na STL traci tekstury i nazwy części. W narzędziach 3D w UltKit dodatkowe decyzje są jawne: Jednostki modelu informują konwerter, jakiej skali używa źródło, Oś pionowa obsługuje różnicę między osią Y w górę a Z w górę w silnikach gier i slicerach, a Scal w jedną siatkę decyduje, czy oddzielne części pozostaną oddzielne.

Konwersja nigdy nie naprawia siatki. Jeśli STL ma dziurę, OBJ z niego wykonany ma tę samą dziurę, a eksporter 3MF albo ją odrzuci, albo zapisze mimo wszystko. Naprawa to osobny krok w narzędziu do siatek lub we wbudowanym naprawiaczu slicera i najlepiej zrobić ją raz, w pliku głównym, zanim wyeksportujesz cokolwiek innego. Tak samo jest ze skalą: konwersja nie może wiedzieć, że część miała być w calach, jeśli jej tego nie powiesz. Szczegółowość działa podobnie: STL o niskiej liczbie wielokątów zostanie OBJ lub 3MF o niskiej liczbie wielokątów, więc gdy liczy się jakość, wyeksportuj model ponownie ze źródła.

Przy tym pytaniu zawsze wracają jeszcze dwa inne formaty. STEP (ISO 10303) przechowuje dokładne bryły i powierzchnie zamiast trójkątów, więc to format do użycia, gdy część ma wrócić do Fusion 360, SolidWorks lub FreeCAD w celu edycji. GLB, binarna forma glTF 2.0 grupy Khronos, pakuje siatkę wraz z materiałami i teksturami w jeden plik w metrach i jest formatem do pokazywania modelu w sieci lub w AR na Androidzie.

Dla trzech formatów omawianych w artykule poniższa tabela podsumowuje wybór według miejsca docelowego. Jeśli pasują dwa wiersze, wybierz format niosący więcej informacji, a prostszy wyeksportuj później; przejście z 3MF na STL jest łatwe, a odtwarzanie utraconych kolorów lub jednostek to praca ręczna.