三維模型檔案格式解讀

GShang發表於2024-12-02
模型

最近接觸到三維模型檔案，發現格式五花八門的，這裡做一個彙總和解讀。

STL

簡介

STL，全稱為STereoLithography，譯作：立體光刻，由3D System軟體公司創立。但因三角網格形式的其特點，又可以翻譯為“標準三角語言(Standard Triangle Language)”，“標準曲面細分語言(Standard Tessellation Language)”。

STL檔案使用若干個非結構化的三角網格來記錄三維實體資訊。在笛卡爾座標系中，每一個三角網格由三個頂點按照右手定則排序方式構成，同時按照右手定則記錄一個與之對應的表面單位法線資訊。檔案記錄的座標資訊是沒有尺度的，計量單位為任意的。

檔案格式

solid name
facet normal ni nj nk
outer loop
vertex v1x v1y v1z
vertex v2x v2y v2z
vertex v3x v3y v3z
endloop
endfacet
endsolid name

在stl中，允許存在多個實體物件。透過 solid name 和 endsolid name 這一對關鍵詞來描述一個實體物件。其中 name 是實體物件的名稱，可以省略，因為通常一個stl檔案只存一個實體物件。

solid name
……
endsolid name

在實體物件中，一般存在若干個面片(facet)，透過facet 和 endfacet 這一對關鍵詞來描述一個面片。而面片描述資訊包括法向量(normal)資訊，以及構成面片的三個頂點(vertex)。其中法向量使用 facet normal ，後接 nj nj nk 三個浮點數，表示法向量(\(n_i\), \(n_j\), \(n_k\))。面片的三個頂點通常要成組出現，使用outer loop 和 endloop 這對關鍵詞來分割。頂點的座標使用vertex來描述，後接v1x v1y v1z 三個浮點數，表示座標(\(v_{1x},v_{1y},v_{1z}\)) 。

facet normal ni nj nk
outer loop
vertex v1x v1y v1z
vertex v2x v2y v2z
vertex v3x v3y v3z
endloop
endfacet

值得注意的是，在stl檔案中，相鄰的三角面片必須共享兩個公共頂點。

430f22fd17fbf4f2831392fc3efafa1f_stl1

上圖左側這種情形則違反了上述原則，應該表示為右側這種。

PLY

簡介

PLY, 全稱為 Polygon file format，即使用多邊形來記錄三維模型的一種檔案格式。其主要儲存的是構成面片的多邊形頂點三維座標。可以儲存顏色、透明度、表面法向量、材質等資訊。

檔案格式

 ply
 format ascii 1.0
 comment這是一個正四面體
 element vertex 4
 property float x
 property float y
 property float z
 element face 4
 property list uchar int vertex_index
 end_header
 0 3 0
 2.449 -1.0 -1.414
 0 -1 2.828
 -2.449 -1.0 -1.414
 3 0 1 3
 3 0 2 1
 3 0 3 2
 3 1 2 3

在ply檔案中，內容可以分為檔頭和內容兩部分，在檔頭中描述了當前檔案所使用的格式、自定義元素型別和數量等資訊。在內容中則根據檔頭所描述的型別進行資料記錄。通常ply分成三部分：

  • 檔頭
  • 頂點元素列表
  • 面元素列表

首先，以ply作為識別ply檔案的標識

ply

然後，宣告當前檔案格式，以下三種都可以

 format ascii 1.0
 format binary_little_endian 1.0
 format binary_big_endian 1.0

檔頭還支援一些註解，透過關鍵詞 comment 定義：

comment This is a comment!

接著定義內容區中的元素。格式如下，即先透過element關鍵詞宣告元素名稱和數量，然後定義元素中各成員變數的型別和名稱。

 element <element name> <number in file>
 property <data_type> <property name 1>
 property <data_type> <property name 2>
 property <data_type> <property name 3>

內定的成員變數型別包括：

  • char、uchar
  • short、ushort
  • int、uint
  • float、double
  • list

如，定義一個包含12個頂點的物體，每個頂點使用3個單精度浮點數 (x,y,z）代表點的座標，使用3個unsigned char代表頂點顏色，顏色順序為 (B, G, R),則檔頭的寫法為：

 element vertex 12
 property float x
 property float y
 property float z
 property uchar blue
 property uchar green
 property uchar red

再如，定義一個具有10個面的物體，寫法為：

 element face 10
 property list uchar int vertex_indices

最後結束檔頭：

end_header

STP

to be continued ……

IGS

OBJ

DXF

參考資料

  • https://zh.wikipedia.org/wiki/STL_(檔案格式)

  • https://windsong.top/STL與蒙特卡羅/#stl檔案

  • https://zh.wikipedia.org/wiki/PLY

  • https://en.wikipedia.org/wiki/ISO_10303-21

  • 如何理解STP格式和STL格式？

  • 3D軟體格式及轉換

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