STL, OBJ или 3MF: какой формат 3D-файла выбрать?

STL создали в 1987 году для первых стереолитографических машин 3D Systems, и это видно по его устройству. Файл — плоский список треугольников, каждый описан нормалью грани и тремя угловыми точками. Общей таблицы вершин нет, поэтому вершина, к которой сходятся шесть треугольников, записывается шесть раз. Поля единиц измерения тоже нет: координата 25 может означать миллиметры, дюймы или метры, и почти все слайсеры считают её миллиметрами. Цвету, текстуре и названиям деталей в базовом формате места нет, и именно поэтому его до сих пор читают все слайсеры, CAD-программы и сервисы печати.

У STL две кодировки. ASCII STL записывает всё текстом, строками вроде facet normal, outer loop и vertex 12.5 0 3.2, так что файл можно открыть в текстовом редакторе и прочитать числа. Бинарный STL начинается с 80-байтового заголовка и 4-байтового числа треугольников, затем каждый треугольник хранится как двенадцать 4-байтовых чисел с плавающей точкой плюс 2-байтовое поле атрибутов: ровно 50 байт на треугольник. Поэтому размер легко предсказать. Модель из миллиона треугольников в бинарном виде занимает около 50 MB, а ASCII-версия той же сетки обычно в четыре–шесть раз больше, потому что каждая цифра становится символом.

Простота — и сила, и ловушка. По STL нельзя узнать, должен ли он быть одной деталью или тремя, экспортирован ли в дюймах и образуют ли его треугольники замкнутое тело. Слайсер выясняет это по сырым координатам, и если ошибается, получается деталь в 25,4 раза меньше или пропавшая стенка. Для одноцветной детали, которую вы сами спроектировали и экспортировали в миллиметрах, всё это не важно, а STL остаётся форматом, который меньше всего рискует быть отвергнутым.

OBJ появился в Wavefront Technologies, чьё ПО Advanced Visualizer использовало его в конце 1980-х, а в 1990-х он распространился как текстовый формат, который могли обменивать почти все 3D-программы. В отличие от STL, он хранит список вершин и строит грани по индексам, так что общая вершина записана один раз, а грани могут быть треугольниками, четырёхугольниками и более крупными полигонами. Строки с v содержат позиции, vt — текстурные координаты (UV), vn — нормали, f — грани. Группы (g) и объекты (o) задают имена частям, поэтому OBJ проходит через Blender, Maya или ZBrush с сохранением структуры.

Внешний вид хранится вне файла .obj. Строка mtllib называет сопутствующий файл .mtl, а строки usemtl назначают материалы граням. В .mtl записаны цвета, например Kd (диффузный), и ссылки на изображения текстур в записях вроде map_Kd wood.png. Модель с текстурами — это как минимум три файла: геометрия, библиотека материалов и одно или несколько изображений, и все они связаны относительными путями. Если отправить только .obj, получатель увидит серую модель. Такое разделение удобно в игровых и VFX-конвейерах, где художники меняют текстуры, не трогая геометрию, и это же самая частая причина того, что скачанная модель выглядит неправильно.

В масштабе у OBJ та же слепая зона, что у STL: он хранит голые числа без единиц. Большинство программ моделирования пишут метры или сантиметры, а слайсеры читают миллиметры, поэтому OBJ из магазина игровых ассетов может прийти с ошибкой в 10 или 1000 раз. Для печати OBJ не даёт ничего, что использует слайсер, кроме цвета вершин в нескольких программах, так что художественный ассет проще всего оставить с текстурами для рендера, а слайсеру отдать чистую сетку. В обратную сторону перевод STL в OBJ — кратчайший путь из модели для печати в рендер или игру.

3MF опубликовал в 2015 году 3MF Consortium — группа, которую основала Microsoft вместе с компаниями из индустрии печати и CAD. Файл .3mf — это ZIP-архив, тот же контейнер, что разобран в статье ZIP, RAR и 7z. Если переименовать его в .zip, внутри найдётся XML-файл 3D/3dmodel.model с сеткой, файл типов содержимого, файлы связей и часто миниатюры и конфигурация слайсера. Каждая модель объявляет единицу измерения (микрон, миллиметр, сантиметр, дюйм, фут или метр), так что проблемы масштаба, преследующей STL и OBJ, просто нет. Цвета, базовые материалы, несколько объектов и их расположение на столе входят в спецификацию.

Спецификация также требует, чтобы сетки были многообразными и согласованно ориентированными: каждое ребро общее ровно для двух треугольников, и все они смотрят наружу. Экспортёры, следующие правилам, не могут записать открытую самопересекающуюся геометрию, которую STL спокойно хранит. Поддержка среди актуальных программ широкая. PrusaSlicer, Bambu Studio, OrcaSlicer и UltiMaker Cura читают 3MF, PrusaSlicer и Bambu Studio сохраняют весь проект как .3mf с настройками печати и раскрашенными цветами, а приложение Microsoft 3D Builder в Windows открывает его напрямую. Слабое место — старые прошивки, порталы печатных ферм и CAD-импортёры, которые всё ещё ждут STL; для них конвертируйте 3MF в STL и смиритесь с тем, что дополнительные данные останутся позади.

Правильный формат зависит от того, куда файл пойдёт дальше, а не от того, какой из них новее. Если дальше слайсер, а деталь одноцветная, подойдёт STL, и его по-прежнему понимают все форумы, библиотеки моделей и сервисы печати. Если дальше рендерер, игровой движок или программа моделирования другого художника, OBJ сохранит UV, нормали и именованные группы, которые STL теряет, а его текстовая форма позволяет легко найти проблемы.

3MF оправдывает себя, когда файл несёт больше, чем геометрию. Многоцветная печать, раскрашенная в Bambu Studio, стол с двенадцатью деталями, расставленными под одно задание, деталь, спроектированная в дюймах, или проект, который нужно открыть снова с теми же высотой слоя и заполнением, — всё это требует 3MF, потому что ни один другой формат из рассмотренных не вместит такие данные. Если назначений несколько, храните самую полную версию как основную и экспортируйте из неё более простые с помощью конвертера 3D-моделей, а не цепочки конвертаций.

Большинство неудачных печатей и сломанных импортов, которые списывают на формат, на деле связаны с сеткой или с тем, что программа-получатель о ней предположила. Сильнее всего уязвим STL, ведь в нём нет метаданных для отлова ошибок; у OBJ те же проблемы с масштабом и потерянными файлами; 3MF по замыслу избегает большинства из них, хотя небрежный экспортёр всё равно может записать плохую сетку. Откройте строки ниже, чтобы увидеть, как выглядит каждая проблема и откуда она обычно берётся.

Размер вытекает из структуры. Бинарный STL фиксирован: 50 байт на треугольник, так что его можно рассчитать до экспорта. ASCII STL повторяет каждую вершину текстом и обычно в четыре–шесть раз больше бинарного. OBJ хранит каждую общую вершину один раз и ссылается на неё по индексу, поэтому для типичной замкнутой сетки он меньше ASCII STL и примерно в диапазоне бинарного STL, а если несёт ещё UV и нормали — больше. 3MF хранит индексированный XML и сжимает его внутри ZIP, поэтому для той же геометрии обычно получается самым маленьким из трёх.

Цифры ниже типичны для замкнутой сетки примерно из 500 000 треугольников, например подробной фигурки. Реальные файлы зависят от точности координат и экспортёра, так что считайте их порядками величин: они пригодятся, когда сервис печати ограничивает загрузку или STL, экспортированный из 3MF, получается в несколько раз больше.

Конвертация считывает треугольники из одного контейнера и записывает их в другой. Всё, что может выразить целевой формат, переносится; всё, что не может, теряется. Поэтому STL в OBJ не теряет геометрию, 3MF в STL теряет цвета, единицы и расположение на столе, а OBJ в STL — текстуры и названия частей. В 3D-инструментах UltKit дополнительные решения задаются явно: Единицы модели сообщают конвертеру, в каком масштабе записан исходный файл, Вертикальная ось учитывает разницу между Y-up в игровых движках и Z-up в слайсерах, а Объединить в одну сетку определяет, останутся ли отдельные части раздельными.

Чего не делает ни одна конвертация — не исправляет сетку. Если в STL есть дыра, в OBJ, полученном из него, будет та же дыра, а экспортёр 3MF либо откажется её записывать, либо запишет как есть. Исправление сетки — отдельный шаг в программе для работы с сетками или во встроенном исправлении слайсера; лучше выполнить его один раз в главном файле, прежде чем экспортировать что-либо ещё. То же с масштабом: конвертер не узнает, что деталь задумывалась в дюймах, пока вы ему не скажете. С детализацией так же: низкополигональный STL станет низкополигональным OBJ или 3MF, поэтому, если важно качество, экспортируйте файл заново из исходной модели.

Ещё два формата всегда всплывают в этом вопросе. STEP (ISO 10303) хранит точные тела и поверхности, а не треугольники, поэтому он нужен, когда деталь надо вернуть в Fusion 360, SolidWorks или FreeCAD для редактирования. GLB — двоичная форма glTF 2.0 от Khronos Group — упаковывает сетку вместе с материалами и текстурами в один файл в метрах и подходит для показа модели в вебе и в AR на Android.

Для трёх форматов, о которых идёт речь в статье, таблица ниже подводит итог выбора по назначению. Если подходят две строки, выбирайте формат, который хранит больше информации, а более простой экспортируйте позже: из 3MF в STL перейти легко, а восстанавливать потерянные цвета или единицы приходится вручную.