STL, OBJ hay 3MF: Nên dùng định dạng file 3D nào?

STL ra đời năm 1987 cho những máy tạo hình lập thể (stereolithography) đầu tiên của 3D Systems, và thiết kế của nó vẫn mang dấu ấn đó. Một tệp là danh sách phẳng các tam giác, mỗi tam giác được mô tả bằng pháp tuyến mặt và ba điểm góc. Không có bảng đỉnh dùng chung, nên một góc chạm sáu tam giác sẽ được ghi sáu lần. Cũng không có trường đơn vị: tọa độ 25 có thể là milimét, inch hoặc mét, và gần như mọi slicer đều đoán là milimét. Màu sắc, texture và tên chi tiết không có chỗ trong định dạng gốc, chính vì vậy mọi slicer, phần mềm CAD và dịch vụ in vẫn đọc được nó.

STL có hai kiểu mã hóa. STL ASCII viết mọi thứ dưới dạng văn bản, với các dòng như facet normal, outer loop và vertex 12.5 0 3.2, nên bạn có thể mở bằng trình soạn thảo văn bản và đọc các con số. STL nhị phân bắt đầu bằng phần đầu 80 byte và số lượng tam giác 4 byte, sau đó lưu mỗi tam giác bằng mười hai số thực 4 byte cùng một trường thuộc tính 2 byte: đúng 50 byte cho mỗi tam giác. Quy tắc đó giúp dễ dự đoán dung lượng. Một mô hình một triệu tam giác nặng khoảng 50 MB ở dạng nhị phân, còn bản ASCII của cùng lưới thường lớn hơn bốn đến sáu lần vì mỗi chữ số trở thành một ký tự.

Sự đơn giản vừa là điểm mạnh vừa là cái bẫy. Một tệp STL không cho bạn biết nó vốn là một chi tiết hay ba, có được xuất theo inch hay không, hoặc các tam giác có thực sự bao kín một khối đặc hay không. Slicer phải tự suy ra từ tọa độ thô, và khi đoán sai bạn sẽ có chi tiết nhỏ hơn 25,4 lần hoặc thiếu một bức tường. Với chi tiết một màu do bạn tự thiết kế và xuất theo milimét, những điều đó không quan trọng, và STL vẫn là định dạng ít bị từ chối nhất.

OBJ xuất phát từ Wavefront Technologies, có phần mềm Advanced Visualizer dùng nó vào cuối thập niên 1980, rồi lan rộng trong thập niên 1990 như định dạng văn bản thuần mà hầu hết chương trình 3D đều trao đổi được. Khác với STL, nó giữ danh sách đỉnh và tạo mặt từ các chỉ số, nên một góc dùng chung chỉ được lưu một lần, và mặt có thể là tam giác, tứ giác hoặc đa giác lớn hơn. Các dòng bắt đầu bằng v chứa vị trí, vt là tọa độ texture (UV), vn là pháp tuyến và f là các mặt. Nhóm (g) và đối tượng (o) đặt tên cho các bộ phận, nhờ vậy OBJ qua Blender, Maya hay ZBrush vẫn giữ nguyên cấu trúc.

Giao diện hiển thị nằm ngoài tệp .obj. Một dòng mtllib nêu tên tệp .mtl đi kèm, và các dòng usemtl gán vật liệu cho mặt. Tệp .mtl lưu màu như Kd (khuếch tán) và trỏ tới ảnh texture bằng các mục như map_Kd wood.png. Vì vậy OBJ có texture gồm ít nhất ba tệp: hình học, thư viện vật liệu và một hoặc nhiều ảnh, tất cả được tham chiếu bằng đường dẫn tương đối. Nếu chỉ gửi tệp .obj, người nhận sẽ thấy một mô hình màu xám. Cách tách này hữu ích trong quy trình game và VFX, nơi họa sĩ đổi texture mà không đụng tới hình học, và đó cũng là lý do phổ biến nhất khiến mô hình tải về trông sai.

OBJ cũng có điểm mù về tỉ lệ giống STL: nó lưu số thuần túy không kèm đơn vị. Hầu hết công cụ dựng mô hình ghi theo mét hoặc xentimét, trong khi slicer đọc theo milimét, nên một OBJ từ cửa hàng tài nguyên game có thể lệch 10 hoặc 1.000 lần. Với việc in, OBJ không thêm gì mà slicer dùng được, trừ màu theo đỉnh ở vài công cụ, nên nếu cần in một tài nguyên nghệ thuật thì thường đơn giản nhất là giữ texture cho việc render và đưa slicer một lưới sạch. Theo chiều ngược lại, chuyển STL sang OBJ là đường ngắn nhất từ mô hình in sang quy trình render hoặc game.

3MF được công bố năm 2015 bởi 3MF Consortium, một nhóm do Microsoft khởi xướng cùng các công ty trong ngành in và CAD. Tệp .3mf là một kho lưu trữ ZIP, cùng loại vùng chứa đã nói trong ZIP vs RAR vs 7z. Đổi đuôi thành .zip bạn sẽ thấy tệp XML 3D/3dmodel.model chứa lưới, một tệp content-types, các tệp quan hệ và thường có cả ảnh thu nhỏ lẫn cấu hình slicer. Mỗi mô hình khai báo đơn vị (micron, milimét, xentimét, inch, foot hoặc mét), nên vấn đề tỉ lệ vốn làm khổ STL và OBJ đơn giản là không xảy ra. Màu sắc, vật liệu cơ bản, nhiều đối tượng và vị trí của chúng trên bàn in đều nằm trong đặc tả.

Đặc tả cũng yêu cầu lưới phải manifold và có hướng nhất quán: mỗi cạnh được đúng hai tam giác chia sẻ, tất cả hướng ra ngoài. Các trình xuất tuân theo quy tắc sẽ không ghi được hình học hở, tự cắt nhau mà STL vẫn chứa được. Mức hỗ trợ khá rộng ở các công cụ hiện nay. PrusaSlicer, Bambu Studio, OrcaSlicer và UltiMaker Cura đọc được 3MF, PrusaSlicer và Bambu Studio lưu cả dự án thành .3mf kèm cài đặt in và màu đã tô, còn ứng dụng 3D Builder của Microsoft trên Windows mở trực tiếp. Điểm yếu là firmware cũ, cổng của trang trại in và trình nhập CAD vẫn chỉ mong đợi STL; với những nơi đó, hãy chuyển 3MF sang STL và chấp nhận rằng phần bổ sung sẽ bị bỏ lại.

Định dạng phù hợp phụ thuộc vào nơi tệp sẽ đến tiếp theo, không phải định dạng nào mới hơn. Nếu bước tiếp theo là slicer và chi tiết chỉ một màu, STL là đủ, và nó vẫn là định dạng mà mọi diễn đàn, thư viện mô hình và dịch vụ in đều hiểu. Nếu bước tiếp theo là trình render, game engine hoặc công cụ dựng mô hình của họa sĩ khác, OBJ giữ lại UV, pháp tuyến và các nhóm có tên mà STL bỏ đi, và dạng văn bản giúp dễ kiểm tra lỗi.

3MF có giá trị khi tệp chứa nhiều hơn hình học. Một bản in nhiều màu tô trong Bambu Studio, một bàn in gồm mười hai chi tiết sắp xếp cho một lần in, một chi tiết thiết kế theo inch, hoặc một dự án bạn muốn mở lại với cùng chiều cao lớp và độ đặc đều cần 3MF, vì không định dạng nào khác ở đây giữ được thông tin đó. Nếu có nhiều đích đến, hãy giữ phiên bản đầy đủ nhất làm bản gốc và xuất các bản đơn giản hơn từ đó bằng công cụ chuyển đổi mô hình 3D thay vì chuyển đổi nối tiếp nhiều lần.

Phần lớn bản in hỏng và lần nhập lỗi bị đổ cho định dạng thực ra là lỗi của lưới, hoặc do chương trình nhận đã giả định sai về nó. STL dễ gặp nhất vì không mang siêu dữ liệu để bắt lỗi; OBJ cũng có vấn đề về tỉ lệ và thiếu tệp; 3MF tránh được phần lớn nhờ thiết kế, dù một trình xuất cẩu thả vẫn có thể ghi ra lưới xấu. Hãy mở các hàng dưới đây để xem từng lỗi trông thế nào và thường bắt nguồn từ đâu.

Dung lượng phụ thuộc vào cấu trúc. STL nhị phân cố định 50 byte cho mỗi tam giác, nên bạn có thể tính trước khi xuất. STL ASCII lặp lại mỗi góc dưới dạng văn bản và thường lớn hơn bản nhị phân bốn đến sáu lần. OBJ lưu mỗi đỉnh dùng chung một lần và tham chiếu bằng chỉ số, nên với lưới kín thông thường nó nhỏ hơn STL ASCII và gần mức của STL nhị phân, lớn hơn nếu có thêm UV và pháp tuyến. 3MF lưu XML có chỉ mục rồi nén trong ZIP, nên thường nhỏ nhất trong ba định dạng với cùng hình học.

Các số liệu dưới đây là điển hình cho một lưới kín khoảng 500.000 tam giác, chẳng hạn một tượng nhỏ chi tiết. Tệp thực tế thay đổi theo độ chính xác tọa độ và trình xuất, nên hãy xem đó là bậc độ lớn, hữu ích khi dịch vụ in giới hạn tải lên hoặc khi STL xuất từ 3MF lớn hơn vài lần.

Chuyển đổi đọc các tam giác từ một vùng chứa và ghi vào vùng chứa khác. Cái gì định dạng đích diễn đạt được thì được mang theo; cái gì không thì bị bỏ. Vì vậy STL sang OBJ không mất gì về hình học, 3MF sang STL mất màu, đơn vị và bố cục bàn in, còn OBJ sang STL mất texture và tên chi tiết. Trong các công cụ 3D của UltKit, những quyết định bổ sung được nêu rõ: Đơn vị mô hình cho bộ chuyển đổi biết tỉ lệ của nguồn, Trục hướng lên xử lý khác biệt Y hướng lên và Z hướng lên giữa game engine và slicer, còn Gộp thành một lưới quyết định các chi tiết riêng có được giữ riêng hay không.

Không có phép chuyển đổi nào sửa được lưới. Nếu STL có lỗ, OBJ tạo từ nó cũng có đúng lỗ đó, và trình xuất 3MF sẽ từ chối hoặc vẫn ghi ra. Sửa lỗi là một bước riêng trong công cụ lưới hoặc trình sửa tích hợp của slicer, và tốt nhất làm một lần trên tệp gốc trước khi xuất bất kỳ định dạng nào khác. Tỉ lệ cũng vậy: chuyển đổi không thể biết chi tiết vốn tính theo inch nếu bạn không nói. Mức chi tiết cũng tương tự: STL ít đa giác thành OBJ hoặc 3MF ít đa giác, nên hãy xuất lại từ mô hình nguồn khi cần chất lượng.

Có hai định dạng khác thường xuất hiện khi câu hỏi này được đặt ra. STEP (ISO 10303) lưu khối đặc và bề mặt chính xác thay vì tam giác, nên là định dạng cần dùng khi chi tiết phải quay lại Fusion 360, SolidWorks hoặc FreeCAD để chỉnh sửa. GLB, dạng nhị phân của glTF 2.0 do Khronos Group phát triển, gói lưới cùng vật liệu và texture vào một tệp tính theo mét và là định dạng để hiển thị mô hình trên web hoặc trong AR của Android.

Với ba định dạng bài này bàn tới, bảng dưới đây tóm tắt lựa chọn theo đích đến. Nếu hai hàng đều hợp, hãy chọn định dạng mang nhiều thông tin hơn và xuất bản đơn giản hơn sau; chuyển từ 3MF sang STL thì dễ, còn dựng lại màu hay đơn vị đã mất là việc thủ công.