Форматы 3D-моделей для визуализации продукта

Обзор популярных форматов 3D-моделей с техническими подробностями, вариантами использования, анализом плюсов и минусов популярных форматов GLTF/GLB, OBJ, FBX, STL, PLY и других.

В обширном мире 3D-моделирования понимание различных доступных форматов файлов 3D-моделей может существенно повлиять на рабочие процессы, совместимость и общий успех проекта.

Независимо от того, являетесь ли вы опытным профессионалом или только начинаете работать в этой области, понимание нюансов этих форматов имеет решающее значение.

Понимание распространенных форматов 3D-моделей.

Давайте рассмотрим некоторые основные форматы, используемые сегодня, и их уникальные характеристики.

Формат glTF/GLB

GLTF/GLB (формат передачи графической библиотеки/двоичный) является лучшим выбором для эффективной передачи 3D-моделей через Интернет на основе открытого отраслевого стандарта, определенного KHRONOS Group.

Открытые стандарты Khronos без уплаты роялти для 3D-графики, виртуальной и дополненной реальности, параллельных вычислений, машинного обучения и обработки изображений:

GLTF/GLB — это современный формат, он поддерживает текстуры, анимацию и материалы PBR (физически обоснованный рендеринг), что делает его лучшим в отрасли.

Технические подробности:

• Геометрия: поддерживает вершины, нормали, касательные и текстурные координаты.
• Материалы: Использует PBR-материалы для реалистичной 3D-рендеринга, поддерживает базовые цвета, металлические, шероховатые, нормальные и окклюзионные текстуры.
• Анимация: поддерживает анимацию по ключевым кадрам и скиннинг для скелетной анимации.
• Структура файла: GLTF — это JSON+Binary или JSON+ASCII. Формат BIN/Ascii содержит информацию о сетке

Вариант использования

Файлы gLTF/GLB идеально подходят для веб-приложений, виртуальной реальности (VR) и дополненной реальности (AR) благодаря своему компактному размеру и совместимости с WebGL.

Плюсы:

• Оптимизировано для использования в Интернете.
• Поддерживает широкий спектр функций, включая анимацию и PBR-материалы.
• Бесперебойный обмен 3D-контентом между различными платформами и приложениями обеспечивает единообразие 3D-рендеринга и производительности.
• Масштабируемый и универсальный, обрабатывает широкий спектр 3D-ресурсов различной сложности, что делает его пригодным как для небольших объектов, так и для крупных, сложных сцен.
• Растущее сообщество поддерживает gLTF/GLB, постоянно обновляя его на основе отзывов и тенденций отрасли.
• Являясь развивающимся отраслевым стандартом, поддерживаемым такими лидерами отрасли, как Khronos Group, предлагает перспективное решение для передачи 3D-моделей.
• По мере роста популярности GLTF/GLB появляется все больше инструментов и ресурсов для повышения доступности для пользователей.

Минусы:

• Более новый формат может не поддерживаться старым программным обеспечением.
• Хотя файлы gLTF/GLB разработаны с расчетом на компактность, управление большими и сложными 3D-сценами с многочисленными объектами и текстурами высокого разрешения может потребовать тщательного рассмотрения компромиссов между размером файла и производительностью.

Формат OBJ

Разработанный компанией Wavefront Technologies, формат OBJ (Wavefront Object) является широко распространенным форматом для представления трехмерной геометрии. Он поддерживает базовые геометрические свойства и свойства материалов, что делает его универсальным для различных приложений.

Технические подробности:

• Геометрия: представляет вершины, нормали вершин, текстуры вершин и грани.
• Материалы: использует отдельный файл MTL (библиотека шаблонов материалов) для определения материалов.
• Структура файла: формат ASCII, что делает его понятным человеку.

Вариант использования OBJ

Плюсы:

• Широкая поддержка различного программного обеспечения.
• Простота и удобство использования.
• Поддерживает как многоугольные, так и произвольные поверхности .

Минусы:

• Ограниченная поддержка анимации.
• Большие размеры файлов из-за отсутствия сжатия.

Формат FBX

Первоначально разработанный Kaydara для своего программного обеспечения Filmbox, FBX стал отраслевым стандартом для обмена 3D-данными. Он поддерживает анимацию, текстуры и другие расширенные функции.

Технические подробности:

• Геометрия: поддерживает сложные геометрические формы, включая NURBS (неоднородные рациональные B-сплайны) и поверхности подразделения.
• Анимация: может хранить скелетную анимацию, смешивать формы и кэшировать вершинную анимацию.
• Материалы и текстуры: комплексная поддержка материалов и текстур , включая карты рельефа, карты нормалей и карты отражений.
• Структура файла: доступны двоичная и ASCII-версии.

Вариант использования:

FBX широко используется в игровой и развлекательной индустрии благодаря комплексной поддержке различных аспектов 3D-контента.

Плюсы:

• Богатый набор функций, включая анимацию, материалы и камеры.
• Высокая совместимость с основными программами 3D-моделирования, такими как Autodesk Maya и 3ds Max.

Минусы:

• Запатентованный формат, контролируемый Autodesk.Может быть сложным и громоздким для простых задач.
• Часто используется для передачи данных между различными программными приложениями, но при импорте или экспорте могут возникать ошибки из-за различий в способах обработки данных различным программным обеспечением.

Формат STL

STL (стереолитография) в основном используется для представления геометрии поверхности 3D-объекта в виде набора треугольников. Обычно используется в процессах аддитивного производства, таких как 3D-печать.

Технические подробности:

• Геометрия: представляет поверхность трехмерного объекта с помощью сетки треугольников.
• Без цвета или текстуры: не поддерживает свойства цвета, текстуры или материала.
• Структура файла: доступны версии ASCII и двоичные.

Вариант использования:

Файлы STL необходимы для создания физических прототипов и моделей на основе 3D-проектов.

Плюсы:

• Широко используется в 3D-печати.
• Простой и понятный, сосредоточенный исключительно на геометрии.

Минусы:

• Не поддерживает свойства цвета, текстуры или материала.
• Ограничено представлением объектов в виде серии треугольников.

Формат PLY

PLY (Polygon File Format) — гибкий формат файла, который может хранить множество геометрических элементов данных. Он поддерживает такие свойства, как цвет и прозрачность, что делает его пригодным для детального 3D-сканирования и реконструкции.

Технические подробности:

• Геометрия: поддерживает вершины , грани , ребра и свойства для каждого элемента.
• Дополнительные свойства: может хранить цвет, прозрачность и другие свойства вершин и граней.
• Структура файла: доступны версии ASCII и двоичные.

Вариант использования:

Файлы PLY часто используются в научных и исследовательских приложениях, где точные геометрические данные имеют решающее значение.

Плюсы:

• Поддерживает подробные геометрические и имущественные данные.
• Может хранить широкий спектр свойств вершин.

Минусы:

• Поддерживается реже по сравнению с другими форматами.
• Могут быть больше и сложнее, чем более простые форматы.

Формат DAE

Файлы DAE (Digital Asset Exchange) , также известные как Collada, представляют собой формат на основе XML, способный хранить информацию о 3D-ресурсах, включая геометрию, шейдеры и анимацию.

Технические подробности:

• Геометрия: поддерживает вершины , многоугольники и NURBS.
• Анимация: может хранить сложные анимации, включая скелетные и морфинговые целевые анимации.
• Материалы и шейдеры: поддерживает широкий спектр материалов и шейдеров.
• Структура файла: основана на XML, что делает ее удобной для чтения человеком, но потенциально многословной.

Вариант использования

DAE широко поддерживается различным программным обеспечением для 3D-моделирования и используется в интерактивных приложениях и симуляциях.

Плюсы:

• Открытый формат с широкой отраслевой поддержкой.
• Поддерживает полный набор 3D-данных.

Минусы:

• Может быть многословным и сложным из-за структуры XML.
• Форматы, удобные для чтения человеком, делают файлы большими и медленно загружаются.
• XML делает файл очень большим и, следовательно, автоматически менее эффективным

Формат USD

USD (Universal Scene Description), разработанный Pixar Animation Studios, — это формат с открытым исходным кодом для представления и обмена 3D-сценами и активами. Он обеспечивает надежный и эффективный способ обработки сложных сцен, включая поддержку геометрии, материалов, затенения, анимации и многого другого.

Технические подробности:

• Композиция сцены : иерархическая структура со слоями и ссылками.Геометрия: поддерживает несколько типов геометрии, таких как полигоны, подразделения и облака точек.
• Материалы и затенение: гибкое определение материалов с использованием шейдеров и поддержки MaterialX.
• Анимация: Полная поддержка анимации, включая скелетную оснастку и деформации.
• Структура файла : оптимизированный двоичный формат с эффективным разделением на слои и созданием экземпляров.

Вариант использования:

USD широко используется в кино- и анимационной индустрии для обмена активами между различными программными пакетами, совместных рабочих процессов и рендеринга.

Плюсы:

• Поддерживает расширенные функции, такие как неразрушающее редактирование, наложение слоев и создание экземпляров.
• Возможность расширения с помощью плагинов и пользовательских схем данных.

Минусы:

• Для эффективной работы требуются определенные технические знания.Ограниченная поддержка программного обеспечения, хотя интеграция растет.
• Может иметь более крутую кривую обучения по сравнению с другими форматами.

Формат USDC

USDC (USD Compressed) — сжатый вариант формата USD, разработанный для уменьшения размеров файлов при сохранении тех же возможностей и функциональности.

Технические подробности:

• Сжатие файлов: использует алгоритмы сжатия без потерь для уменьшения размера файла.
• Геометрия и анимация: сохраняет ту же поддержку геометрии, материалов и анимации, что и USD.
• Структура файла: двоичный формат с эффективными возможностями произвольного доступа и потоковой передачи.

Вариант использования:

USDC особенно полезен при распространении или передаче 3D-сцен по сетям или при работе с ограниченными ресурсами хранения.

Плюсы:

• Значительно меньшие размеры файлов по сравнению с USD.Сохраняет все функции и возможности USD.
• Эффективен для приложений реального времени и сетевых передач.

Минусы:

• Требуется распаковка для редактирования или дальнейшей обработки.
• Может привести к небольшому увеличению производительности из-за сжатия и декомпрессии.
• Не так широко поддерживается, как формат USD.

USDZ (USD с поддержкой AR)

USDZ — это формат файла, разработанный Apple совместно с Pixar, специально предназначенный для дополненной реальности (AR) на устройствах iOS. Он сочетает в себе возможности USD с оптимизацией для приложений AR.

Технические подробности:

• Состав сцены: иерархическая структура, аналогичная USD.Геометрия и анимация: поддерживает геометрию и анимацию с дополнительной оптимизацией для рендеринга в реальном времени.
• Сжатие текстур: использует методы сжатия текстур для повышения производительности.
• Функции, специфичные для AR: включает поддержку свойств, специфичных для AR, таких как отражения материалов и физический рендеринг (PBR).

Вариант использования:

USDZ в основном используется для создания AR-контента на устройствах iOS, обеспечивая интерактивный и захватывающий опыт.

Плюсы:

• Полная интеграция с ARKit на устройствах iOS.
• Оптимизирован для рендеринга в реальном времени и интерактивности.
• Сохраняет возможности USD по обработке сложных сцен и активов.

Минусы:

• Ограниченная совместимость с программным обеспечением за пределами экосистемы Apple.
• Функции, характерные для дополненной реальности, могут быть менее актуальны для приложений, не относящихся к дополненной реальности.
• Накладные расходы с точки зрения размера файла по сравнению со сжатыми форматами, такими как US

Классические и специализированные 3D-форматы

Хотя вышеперечисленные форматы охватывают широкий спектр приложений, есть еще несколько форматов, на которые стоит обратить внимание:

Формат STEP

Формат файла STEP (Standard for the ExchangeofProduct) — это стандартный формат документа, используемый для обмена трехмерными данными об изделиях между различными программными приложениями САПР.

Технические подробности:

• Обычно использует расширение файла «.stp» или «.step».
• Основано на нейтральной структуре данных, определенной стандартами ISO для представления 3D-моделей и связанной с ними информации.
• Обычно хранятся в формате ASCII (открытый текст), что делает их понятными для человека.

Плюсы:

• Взаимодействие между системами САПР.
• Стандартизация и целостность данных.
• Универсальность для различных объектов проектирования.

Минусы:

• Большие размеры файлов для сложных сборок.
• Ограниченное графическое представление.
• Сложность и отсутствие параметрических данных в некоторых случаях.

Форматы DXF и DWG

Эти форматы являются собственностью AutoCAD и широко используются в отрасли САПР (систем автоматизированного проектирования) для создания 2D- и 3D-чертежей.

DXF (формат обмена чертежами):

DXF в основном используется для обеспечения взаимодействия между различными программами САПР.

Технические подробности:

• Используйте ASCII (обычный текст) для описания геометрии и других данных на чертеже.
• Удобочитаемый и позволяющий пользователям редактировать чертеж с помощью текстового редактора.Может хранить 2D и 3D геометрические данные, текст и другую информацию о чертеже

DWG (чертеж):

Формат DWG является родным для AutoCAD и содержит все проектные данные, необходимые для представления объекта.

Технические подробности:

• Двоичные файлы, использующие фирменное кодирование для эффективного хранения данных.
• Может хранить гораздо более сложные данные, чем файлы DXF, включая интеллектуальные объекты и данные, такие как слои, свойства и отношения.

Плюсы:

• DXF — открытый стандарт, поддерживаемый Autodesk, что способствует его широкой совместимости с различными программами САПР.
• Файлы DXF обычно используются для обмена проектными данными с соавторами, клиентами или партнерами, использующими другое программное обеспечение САПР.

Минусы:

• DWG — это фирменный формат файла, принадлежащий Autodesk, который может ограничивать совместимость с программным обеспечением и инструментами, отличными от AutoCAD, и требует преобразования или перевода для обеспечения взаимодействия.
• Нормали могут быть опущены, и формат часто демонстрирует нерегулярную топологию. В результате рендеринг файла с плохой топологией может привести к беспорядочным визуальным эффектам и трудностям в точном размещении текстур на сетке.
• Из-за обширных возможностей хранения данных в файлах DWG они могут иметь больший размер файлов по сравнению с другими форматами, что может повлиять на эффективность хранения и передачи.

Формат 3DS

Несмотря на то, что файлы 3DS являются одним из первых форматов 3D-файлов, они по-прежнему актуальны, особенно в устаревших рабочих процессах и определенных отраслях, где обратная совместимость имеет решающее значение.

Технические подробности:

• Геометрия: поддерживает вершины, грани и простые материалы.
• Анимация: ограниченная поддержка анимации по ключевым кадрам.
• Структура файла: двоичный формат.

Плюсы:

• Компактный размер файла.
• Подходит для старых рабочих процессов и простых моделей.

Минусы:

• Ограничен по сегодняшним меркам с точки зрения возможностей и сложности.

Форматы CAD и 3D-сеток

Важно различать форматы, ориентированные на САПР (такие как DXF, DWG), и форматы на основе сеток (такие как OBJ, STL):

Форматы САПР

Эти форматы оптимизированы для точных технических чертежей и широко используются в машиностроении и архитектуре.

Особенности: Точные измерения, поддержка сложной геометрии и метаданных.
Вариант использования: техническое проектирование, строительство и производство.

Форматы 3D-сеток

Форматы 3D-сеток, предназначенные для представления геометрии поверхности и текстур, широко распространены в анимации, играх и создании цифрового контента.

Особенности: Геометрия поверхности, текстуры и иногда анимация.
Вариант использования: подходит для визуального представления, анимации и рендеринга.

Проприетарные и открытые форматы

Понимание того, является ли формат закрытым или открытым, может повлиять на совместимость программного обеспечения и вопросы лицензирования:

Собственные форматы

Эти форматы принадлежат определенным компаниям и для полной совместимости могут потребовать лицензирования или использования фирменного программного обеспечения.

Примеры: FBX (Autodesk), DWG (Autodesk).

Плюсы: Часто многофункциональны и поддерживаются основными поставщиками программного обеспечения.

Минусы: Может привести к привязке к поставщику и потенциальным расходам на лицензирование.

Открытые форматы

Эти форматы находятся в свободном доступе и часто поддерживаются несколькими поставщиками программного обеспечения, что способствует совместимости и развитию, осуществляемому сообществом.

Примеры: GLTF, OBJ, STL, PLY.

Плюсы: Большая гибкость, поддержка сообщества и отсутствие лицензионных сборов.

Минусы: Могут отсутствовать некоторые расширенные функции фирменного формата

Выбор правильного формата 3D-модели

При выборе формата 3D-модели учитываются несколько факторов, включая предполагаемое использование, совместимость с существующим программным обеспечением и конкретные требования проекта.

Благодаря новейшим технологическим достижениям gLTF/GLB стал ведущим выбором благодаря своей эффективности и универсальности, что делает его идеально подходящим для современных потребностей 3D-моделирования.

Хотя традиционные форматы, такие как OBJ и STL, продолжают играть важную роль в различных отраслях, гибкость и надежность gLTF позиционируют его как идеальный формат на сегодняшнем конкурентном рынке.

Таким образом, gLTF все чаще признается лучшим форматом 3D-моделей, сочетающим в себе эффективность, универсальность и адаптивность к развивающимся технологиям, сохраняя при этом совместимость с существующими программными приложениями.