Форматы файлов 3D моделей: типы и характеристики
3D файлы используются для хранения информации о 3D моделях. Вы наверное уже слышали о некоторых из самых популярных форматов, включая STL, STEP, OBJ, FBX и DAE. Они широко используются в различных приложениях, от анимации видеоигр до аддитивного производства.
В этой статье рассмотрим особенности 3D файлов и рассмотрим наиболее распространенных форматы файлов 3D моделей, используемых сегодня, чтобы помочь вам выбрать именно то, что подходит вашему проекту.
Что такое 3D файл (3D модель)?
Основная функция 3D файла — хранить информацию о 3D модели в формате, понятном компьютеру, будь то обычный текст или двоичные данные.
В частности, они могут хранить информацию о четырех ключевых функциях 3D-модели, хотя стоит помнить, что вы не всегда можете использовать все четыре функции во всех проектах и не все форматы файлов поддерживают все четыре функции.
Четыре ключевые характеристики, которые может хранить 3D-файл, включают геометрию модели, текстуру поверхности модели, детали сцены и анимацию модели.
Прежде чем мы рассмотрим каждую из этих функций и то, как они используются, давайте рассмотрим типы 3D файлов.
Типы 3D файлов
Существуют буквально сотни различных форматов 3D файлов и у каждого есть своя причина существования и использования. Однако большинство типов файлов можно разделить на две категории: проприетарные и нейтральные.
Проприетарные форматы 3D файлов (собственные)
Это такие типы файлов, как например файлы AutoCAD DWG или Blender BLEND. Они созданы специально для использования с определенным программным обеспечением, что дает им некоторые очевидные преимущества, поскольку они оптимизированы для работы именно с этим программным обеспечением. Это, как правило, делает процесс проектирования более быстрым, плавным и последовательным.
Недостатки могут быть менее очевидными, но их тоже стоит учитывать. Поскольку тип файла является проприетарным, вероятнее всего он не будет работать на другом программном обеспечением. Например, если вы используете Blender, а ваш партнер использует AutoCAD, он не сможет открыть и работать с какими-либо файлами BLEND.
Нейтральный форматы 3D файлов
Нейтральные форматы файлов работают кросс-платформенно, то есть вы можете создать файл в одной программе, отправить его
Если мы возьмем пример, когда у вас есть файл BLEND, который вы хотите отправить коллеге для работы в AutoCAD, вы можете воспользоваться оптимизированным форматом BLEND во время работы над ним, но затем экспортировать свою модель, как нейтральный тип файла, такой как OBJ, потому что большинство программ САПР, включая Blender, поддерживает формат OBJ.
Затем ваш соавтор может взять этот нейтральный тип файла и без проблем открыть его в AutoCAD.
Основные характеристики 3D файлов
Итак, 3D файл может хранить четыре ключевые характеристики: геометрию модели, текстуру поверхности модели, детали сцены и анимацию модели.
Давайте углубимся в каждую из этих функций и подумаем, зачем вам может понадобиться хранить эту информацию и как это может повлиять на тип файла, который вы решите использовать.
Геометрия формы 3D модели
Каждая 3D модель имеет уникальную геометрию и возможность сохранения этой геометрии является основной функцией любого формата 3D файла.
Существует три способа записи геометрии поверхности, каждый из которых имеет свои сильные и слабые стороны. Это аппроксимированная сетка, точная сетка и конструктивная твердотельная геометрия (CSG).
Аппроксимированная сетка
При аппроксимированный запаси сетки поверхность 3D-модели состоит из сетки из крошечных полигонов (обычно треугольников). Этот процесс также известен как «тесселяция» и поэтому эти форматы файлов также называются мозаичными форматами.
Многоугольники аппроксимируют гладкую геометрию поверхности вашей модели, а это означает, что вы можете потерять точность геометрии модели. Как правило, точность можно повысить, используя больше кол-во полигонов, но это также приведет к увеличению размера файла, поэтому эти форматы лучше всего использовать для приложений, где 3D модель с очень высоким разрешением просто не требуется.
Хороший пример — это 3D печать. 3D принтеры не могут печатать за пределами определенного разрешения, поэтому этот тип файла идеально подходит для этой сферы применения. Фактически, самый популярный формат файлов для 3D-печати, это STL, он как раз представляет из себя мозаичный формат.
Точные сетки, NURBS
Для тех ситуаций, когда аппроксимированная или мозаичная сетка недостаточна, у нас есть точная сетка.
Вместо многоугольников в точных форматах файлов используются поверхности, сформированные с помощью неравномерного рационального базисного сплайна (NURBS) — компьютерной математической модели. Эти параметрические поверхности состоят из небольшого количества контрольных точек в пространстве и набора параметров, называемых узлами. Из узлов, поверхность может вычисляться, математическим путем (плавной интерполяции) по контрольным точкам.
В результате поверхности выглядят гладкими в любом масштабе и могут точно воспроизводить мельчайшие детали 3D модели. Однако, несмотря на то, что точная сетка точна при любом разрешении, учитывайте, что рендерятся они намного медленнее.
Конструктивная твердотельная геометрия (CSG)
Последний метод хранения геометрии поверхности называется CSG. Используя этот метод, проект строится по частям с использованием примитивных форм, которые объединяются с помощью логических операций, таких как объединение, пересечение и разность.
CSG очень удобен для пользователя, так как вы можете постепенно строить свою модель из уже знакомых форм. Он также имеет то преимущество, что каждый отдельный шаг редактирования сохраняется в формате 3D файла, поэтому вы можете отменить и повторить любой шаг в любое время.
Текстуры поверхности 3D файла
Вторая наиболее распространенная функция, сохраняемая в форматах 3D-файлов, — это внешний вид поверхности.
Есть некоторые приложения (например 3D-печать), где это не нужно, потому что вам нужна только геометрия формы. Однако во многих случаях большое значение имеет внешний вид 3D модели. Например видеоигры, без текстур и цветов это очент скучно и вряд ли они сейчас пользовались такой популярностью.
Как и в случае с геометрией, информация о внешнем виде поверхности модели может быть записана по-разному.
Отображение текстуры 3D файла
При наложении текстуры каждая точка на поверхности 3D модели (или полигональной сетки) сопоставляется с двумерным изображением.
Координаты 2D изображения имеют такие атрибуты, как цвет и текстура и при рендеринге 3D-модели каждой точке поверхности присваивается определенная координата. Сначала сопоставляются вершины сетки, а затем другим точкам присваиваются координаты путем интерполяции между координатами вершин.
Большинство форматов 3D файлов поддерживают наложение текстуры, хотя 2D изображение, содержащее информацию о текстуре, иногда сохраняется в отдельном файле, в зависимости от формата.
Атрибуты текстуры 3D файла
Другим распространенным способом хранения информации о текстуре, является присвоение каждой грани сетки набора атрибутов. Эти атрибуты включают цвет, текстуру и тип материала. Кроме того, поверхность может иметь зеркальный компонент, указывающий на цвет и интенсивность истинных зеркальных отражений источников света и других близлежащих поверхностей.
Поверхности также могут быть прозрачными или полупрозрачными, заданным прозрачным компонентом, описывающим цвет и интенсивность света, проходящего через поверхность. Прозрачные поверхности обычно искажают проходящий через них свет и это искажение может быть представлено свойством, называемым «показателем преломления», которое определяется типом материала модели.
Детали сцены 3D файла
Информация о сцене описывает компоновку 3D-модели с точки зрения камер, источников света и относительно других близлежащих 3D-моделей.
Расположение и сведения о любых камерах, а также сведения о расположении источников света, интенсивности и цвете могут быть сохранены в самом 3D-файле. Пространственные отношения между 3D-моделью и другими моделями также иногда сохраняются. Это особенно важно, если модель состоит из нескольких частей, которые необходимо определенным образом сложить, чтобы получилась сцена.
Стоит отметить, что большинство форматов 3D файлов не сохраняют информацию о сцене. Часто эта информация просто не нужна и излишне увеличивает размер файла. Однако для тех приложений, где это важно, например, в производстве видеоигр, это абсолютно необходимо.
Анимация 3D файла
Как и в случае с деталями сцены, не все форматы файлов позволяют сохранять анимацию. Однако есть несколько форматов, которые хранят данные анимации для приложений, где они необходимы, например, в дизайне видеоигр или производстве фильмов, где анимация является основой.
Самый популярный способ анимации 3D-модели, это «скелетная анимация». В скелетной анимации каждая модель имеет лежащий в основе «скелет», состоящий из виртуальных «костей» и движение костей выше в иерархии влияет на кости ниже в иерархии. Это похоже на человеческое тело, где движение голени влияет на положение пальцев ног.
Кости соединены «суставами», которые ограничивают движение кости. Например, локоть может вращаться только вокруг определенной оси, в то время как сустав между бедром и тазом допускает полное вращение.
Какой формат 3D файла лучше?
Итак, как же выбрать лучший формат файла для проекта? Это непростая задача, когда на выбор предлагаются буквально сотни форматов файлов. Что бы выбрать ответьте на вопросы заданные ниже.
Для чего будет использоваться файл?
Нет смысла тратить место для записи информации, которая вам не нужна, поэтому сначала подумайте, действительно ли вам нужно хранить детали сцены, анимацию или текстуры поверхности или просто нужна геометрия 3D модели.
Делайте это настолько простым, насколько это практично для вашего проекта и выбирайте формат, который подходит для вашего варианта использования, а не усложняйте процесс, когда в этом нет необходимости.
Например, если вы хотите распечатать свою модель на 3D-принтере, конечно стоит сохранить ее в формате, который распознает ваш слайсер, например STL или 3MF.
Какое программное обеспечение вы используете?
Вы хорошо знакомы с одной программой, но плохо разбираетесь с другой? Может быть, вы хорошо разбираетесь в Tinkercad, но не умеете работать с Maya?
Используйте свои сильные стороны и выберите формат файла, совместимый с выбранным программным обеспечением. 3D-моделирование может быть достаточно сложным, особенно с совершенно новым и неизвестным программным обеспечением.
Также стоит подумать о том, имеет ли предпочитаемое вами программное обеспечение проприетарный формат файла.
Популярные форматы файлов 3D моделей
Поскольку 3D файлы можно использовать для самых разных приложений, чтобы помочь вам выбрать правильный тип файла, мы рассмотрим несколько ключевых моментов для каждого формата:
- Основные характеристики : Это четыре ключевые особенности.
- Популярность и перспективы на будущее: это важно, потому что некоторые файлы очень популярны в определенных отраслях, несмотря на то, что они несколько устарели и менее оптимизированы, в то время как другие форматы очень современны и оптимизированы, но менее распространены. Это стоит рассмотреть в зависимости от приложений вашего проекта и отрасли.
- Наиболее распространенные отрасли: наиболее часто используется файл в индустрии 3D-печати, анимации, обороны и т. д.
3D файлы формата STL
STL (от слова «стереолитография») — один из наиболее важных нейтральных форматов 3D файлов, широко используется в области 3D печати, быстрого прототипирования, аддитивного и автоматизированного производства на ЧПУ станках.
STL — один из старейших форматов 3D-файлов, созданный еще в 1987 году Чаком Халлом, техническим директором 3D Systems. Он также изобрел первый в мире стереолитографический 3D принтер. Формат файла STL изначально был создан как простой способ передачи информации о САПР 3D моделях на 3D принтер.
Формат файла 3D имеет расширение. stl.
Основные характеристики:
- STL записывается в качестве аппроксимированной геометрию поверхности 3D модели с использованием треугольной сетки
- STL хранит только геометрию модели и следовательно, является одним из самых простых и компактных форматов 3D файлов
- Формат STL представляется как ASCII, так и в бинарном представлении. Бинарные файлы более распространены, поскольку они более компактны
Популярность и будущие перспективы:
С момента своего изобретения формат файла STL легко внедрился в отраслях быстрого прототипирования, 3D печати и автоматизированного производства на ЧПУ станках. Это по-прежнему наиболее широко используемый формат файла в 3D печати.
STL не может записывать информацию о цвете, поэтому по этой причине, а также с появлением мультиматериальной и полноцветной 3D-печати господство STL для 3D печати может не продлиться долго, есть более продвинутые форматы для аддитивного производства, такие как OBJ, 3MF или AMF.
3D файлы формата OBJ
Формат файла OBJ — еще один нейтральный файл в области 3D-печати. Он также широко используется в 3D графике. Впервые он был разработан Wavefront Technologies для пакета анимации Advanced Visualization.
Формат 3D файла OBJ имеет расширение obj.
Основные характеристики:
Формат файла OBJ поддерживает как аппроксимированную, так и точную запись геометрии поверхности. При использовании первого варианта сетка поверхности не ограничивается треугольными гранями. Если пользователь хочет, он может использовать другие многоугольники, например четырехугольники. При использовании точной записи используются плавные кривые и поверхности, такие как NURBS.
Формат OBJ также может содержать информацию о цвете и текстуре. Эта информация хранится в отдельном файле с расширением. mtl (библиотека шаблонов материалов). Файл OBJ не поддерживает запись информации об анимации.
Формат может быть как ASCII, так и бинарную кодировку, кодировка ASCII является открытым исходным кодом.
Популярность и перспективы:
Формат файла OBJ, благодаря своей нейтральности, является одним из самых популярных форматов обмена для 3D-графики. Он также широко используется в индустрии 3D печати в полноцветных 3D принтерах.
Где используется:
3D графика и 3D печать
3D файлы формата FBX
Формат FBX — это проприетарный формат файлов, который широко используется в киноиндустрии и видеоиграх. Первоначально он был разработан Kaydara, но был куплен Autodesk в 2006 году. С момента приобретения Autodesk использовала FBX в качестве формата обмена для своего собственного программного обеспечения, — AutoCAD, Fusion 360, Maya, 3ds Max и другие пакеты.
Расширение файла для формата. fbx.
Основные характеристики:
Формат файла FBX поддерживает свойства геометрии и внешнего вида, такие как цвет и текстуры. Он также поддерживает скелетную анимацию и морфы.
Поддерживаются как бинарные файлы, так и файлы ASCII.
Популярность и перспективы:
FBX — один из самых популярных вариантов анимации. Кроме того, он также используется в качестве формата обмена между 3ds Max, Maya, MotionBuilder, Mudbox и другим проприетарным программным обеспечением.
Где используется:
Видеоигры и киноиндустрия.
3D файлы формата DAE (Collada)
Файлы Collada принадлежат к нейтральному формату, широко используемому в индустрии видеоигр и кино. Он управляется некоммерческим технологическим консорциумом Khronos Group.
Расширение файла для формата Collada —. dae.
Основные характеристики:
Формат Collada поддерживает геометрию и свойства, связанные с внешним видом, такие как цвет, материал, текстура и анимация. Кроме того, это один из редких форматов, поддерживающих кинематику и физику.
Формат Collada хранит данные с использованием языка разметки XML.
Популярность и перспективы:
Первоначальное намерение формата Collada заключалось в том, чтобы стать стандартом среди форматов 3D-файлов. Действительно в 2013 году он был принят ISO в качестве общедоступной спецификации ISO/PAS 17506. В результате многие программы 3D моделирования поддерживают формат Collada.
Тем не менее, все согласны с тем, что формат не идет в ногу со временем. Когда-то он активно использовался в качестве формата обмена для Autodesk Max/Maya в кинопроизводстве, но теперь индустрия больше сместилась в сторону OBJ, FBX и Alembic.
Где используется:
Индустрия кино и видеоигр.
3D файлы формата 3Ds
3DS — это собственный формат файлов, используемый в архитектуре, инженерии, образовании и производстве. Он встроен в старую Autodesk 3D Studio DOS, популярное программное обеспечение для моделирования, которое позже было заменено его преемником 3D Studio MAX в 1996 году. Разработанный в 90-х годах, это один из старейших форматов 3D файлов, который стал стандартом для хранения 3D-моделей или для обмена между двумя другими проприетарными форматами.
Расширение формата. 3ds.
Основные характеристики:
Формат файла 3DS сохраняет только самую основную информацию о геометрии, внешнем виде, сцене и анимации. Он использует треугольную сетку для аппроксимированной геометрии поверхности, общее количество треугольников ограничено 65 536.
Он хранит связанные с внешним видом свойства, такие как цвет, текстура, материал и коэффициент пропускания, а также информацию о сцене, такую как положение камеры. Источники света также можно сохранять, но формат не поддерживает направленные источники света.
Формат 3DS является бинарным и хранит информацию фрагментами. Это позволяет синтаксическим анализаторам пропускать фрагменты, которые они не распознают и позволяет расширять формат.
Популярность и перспективы:
Будучи одним из старейших форматов файлов, 3DS стал стандартом для хранения 3D моделей и обмена между другими форматами 3D-файлов. Практически все пакеты программного обеспечения для 3D моделирования, поддерживают его.
Однако, этот формат сохраняет только самую основную информацию о 3D-модели, этот формат необходимо дополнить форматом MAX (теперь замененным форматом PRJ), который содержит дополнительную информацию, специфичную для Autodesk 3ds Max.
Где используется:
Архитектура, инженерия, образование и производство.
3D файлы формат IGES
IGES — нейтральный формат, используемый в основном в оборонной промышленности и машиностроении. Он был разработан в середине семидесятых годов ВВС США в партнерстве с Boeing и другими компаниями в качестве формата обмена, который можно использовать во всех CAD-системах.
С 80-х годов Министерство обороны США требует, чтобы все контракты на оборону и вооружение использовали IGES в качестве стандартного формата файлов. Расширение файла, соответствующее формату IGES, —. igs или. iges.
Основные характеристики:
Формат IGES представляет собой кодировку ASCII, чрезвычайно гибкую, когда речь идет о представлении геометрии поверхности. Он может использовать принципиальные схемы, каркасы, точные поверхности произвольной формы или CSG для хранения информации, связанной с геометрией.
Формат также может хранить цвета, но не поддерживает свойства материалов, такие как текстуры, тип материала и т. д. Анимация также не поддерживается.
Популярность и перспективы:
IGES пользуется широкой популярностью с момента его изобретения в 70-х годах. Он был принят в качестве национального стандарта во многих странах, включая Великобританию и Австралию. Практически все программы САПР поддерживают его.
Формат файла IGES больше не разрабатывается, но он по-прежнему широко используется для передачи данных между программами CAD, CAM и CAE.
Это популярный выбор для 3D-моделирования, создания технических чертежей и дизайна продуктов. Он имеет хорошую репутацию среди любителей 3D моделирования, хотя большинство профессионалов теперь предпочитают его преемника STEP.
Где используется:
Оборонная промышленность, инженерия.
3D файлы формата STEP
STEP или ISO 10303 был разработан как преемник формата файла IGES. Он широко используется в инженерных областях, таких как автомобилестроение, авиастроение и строительство. Соответствующий формат файла —. stp.
Официально заявленной целью разработки STEP было создание механизма, способного описывать данные о продукте на протяжении всего жизненного цикла продукта, независимо от какой-либо конкретной системы. Однако из-за сложности и размера исходного стандарта позже он был разбит на более мелкие модульные спецификации в четырех основных выпусках.
Основные характеристики:
Формат STEP поддерживает все функции, поддерживаемые форматом IGES. Кроме того, он также может записывать топологию, геометрические допуски, свойства материалов, такие как текстуры, типы материалов и другие сложные данные о продукте.
Популярность и перспективы:
STEP, как и IGES, является популярным форматом для обмена данными между программами CAD, CAM и CAE. Для совместимости по-прежнему рекомендуется использовать IGES, так как это более распространенный формат и он с большей вероятностью будет работать с соответствующим программным обеспечением. Однако для случаев использования, когда необходимо передать информацию, относящуюся к внешнему виду модели, допускам деталей и т. д., STEP является лучшим форматом.
Где используется:
Инженерные области, такие как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность и строительство.
3D файлы формата VRML и X3D
VRML (имеет расширение файла .wrl ) — это язык моделирования виртуальной реальности. Он был разработан для интернета и на смену ему пришел X3D.
Термин VRML был впервые использован в статье Дэйва Рэггетта под названием «Расширение WWW для поддержки независимой от платформы виртуальной реальности», представленной на первой конференции World Wide Web в 1994 году.
VRML97 использовался на некоторых личных домашних страницах и сайтах 3D чатов, но этот формат не получил широкого распространения. Кроме того, возможности VRML оставались неизменными, в то время как 3D-графика в реальном времени быстро улучшалась. В конце концов, консорциум VRML изменил свое название на Консорциум Web3D и начал разработку преемника формата VRML X3D, выпущенного в 2001 году.
Основные характеристики:
X3D — это формат 3D-файлов на основе XML. Он поддерживает все функции формата VRML вместе с некоторыми дополнениями.
Формат VRML использует полигональную сетку для записи геометрии поверхности и может хранить информацию, связанную с внешним видом, такую как цвет, текстура и прозрачность.
Формат X3D добавляет NURBS-кодирование к геометрии поверхности, возможность хранения информации о сцене и поддержку анимации.
Популярность и перспективы:
Цель X3D — стать стандартным форматом 3D-файлов для Интернета. В частности, апплеты X3D могут работать в браузере и отображать 3D контент с использованием технологии 3D-графики OpenGL. X3D также был разработан для бесшовной интеграции со страницами HTML5, во многом аналогично формату SVG для изображений. Однако на сегодняшний день формат не получил широкого распространения.
Где используется:
Веб-приложения.
3D файлы формата AMF
AMF (формат файла аддитивного производства) используется для хранения и описания объектов, которые будут обрабатываться с помощью 3D-печати.
Он был представлен в качестве стандартного формата файла «Американского общества испытаний и материалов для 3D-печати» в 2011 году в качестве альтернативы широко используемому и текущему отраслевому стандарту STL с целью устранения недостатков файлов STL.
Основные характеристики:
AMF — это формат 3D-файлов на основе XML. AMF поддерживает все, что делает STL (например, геометрию формы), а также имеет возможность сохранять цвет, материал и ориентацию.
AMF также является более эффективным форматом файла, чем STL, поэтому можно хранить более точные модели без необоснованного увеличения размера файла. Кроме того, возможно хранение изогнутых многоугольников, а это означает, что грани могут напоминать контуры поверхности.
Популярность и перспективы:
AMF был разработан как идеальный формат 3D файлов для 3Dьпечати, поэтому он вызвал некоторый интерес, особенно потому, что он хорошо подходит для полноцветной 3D-печати. Однако он так и не получил широкого распространения и большинство людей продолжают использовать файлы STL.
Где используется:
3D-печать, быстрое прототипирование и автоматизированное производство.
3D файлы формата 3MF
3MF (3D Manufacturing Format) — проект с открытым исходным кодом, разработанный консорциумом 3MF, основанным Microsoft. Подобно AMF, 3MF нацелен на устранение недостатков STL и на то, чтобы стать новым стандартом для применения в 3D-печати.
Основные характеристики:
3MF использует то же сжатие, что и ZIP-архив, что позволяет хранить все, что может хранить файл AMF, а также содержать сведения о профилях принтеров, созданных вручную опорах, командах G-кода, таких как паузы для замены нити и многое другое, включая эскизы. и модификаторы, при этом занимая меньше места, чем STL, содержащий только геометрию.
Это также более безопасный формат файла для 3D-печати, так как невозможно создать файл 3MF с неоднородными краями.
Популярность и перспективы:
Внедрение по-прежнему относительно медленное, но некоторые из крупных игроков в мире 3D-печати применяют его, все больше и больше файлов 3MF используется..
В связи с недавним ростом популярности полноцветной печати (благодаря MMU Prusa, Mosaic Palette и другим подобным возможностям, которые становятся все более доступными) 3MF по сути нет альтернатив, это лучший формат в этом сегменте.
Где используется:
3D-печать, быстрое прототипирование и автоматизированное производство.
