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常用3D格式说明和对比(OBJ、glTF、GLB、STEP、FBX)

作者：煮酒与君饮 | 2024-08-05 02:39:48

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fbx

本文整理了常见3D模型格式的详细说明和简单示例，以备需要的读者了解和自己需要时查阅。其中 OBJ 格式，是学习图形和OpenGL时，各代码示例中最常用、最简单的格式，但不支持动画；glTF、GLB适合网络传输，在网页中广泛应用，还支持PBR材质；STEP格式工程和制造领域的，支持复杂的几何和拓扑信息；FBX在游戏开发中应用最为广泛，支持复杂动画。

OBJ 格式

OBJ 文件

OBJ文件格式是一种用于表示三维几何形状的标准文件格式，最初由Wavefront Technologies开发。它广泛应用于计算机图形学和3D建模领域，支持多种3D软件和渲染引擎。以下是对OBJ文件格式的详细介绍：

  1. 文件扩展名：OBJ文件通常以.obj为文件扩展名。
  2. 数据表示：OBJ文件使用纯文本格式来表示数据，这使得文件内容可以被人类阅读和编辑。文件内容主要包括顶点、法线、纹理坐标和面等几何信息。
  3. 文件结构：OBJ文件的结构通常包括以下几个部分：
    1. 顶点（Vertices）：使用v开头，后跟三个或四个浮点数，表示顶点的坐标。如v 1.0 2.0 3.0
    2. 纹理坐标（Texture Coordinates）：使用vt开头，后跟两个或三个浮点数，表示纹理坐标。如vt 0.5 1.0
    3. 法线（Normals）：使用vn开头，后跟三个浮点数，表示法线向量。如vn 0.0 0.0 1.0
    4. 面（Faces）：使用f开头，后跟顶点索引、纹理坐标索引和法线索引，表示一个多边形面。如f 1/1/1 2/2/2 3/3/3
  4. 支持的几何类型：BJ文件格式支持以下几何类型
    • 点（Points）
    • 线（Lines）
    • 多边形（Polygons）
    • 三角形（Triangles）
  5. 材质文件（MTL）：OBJ文件可以引用一个材质文件（MTL文件），用于定义材质属性，如颜色、纹理、反射率等。MTL文件使用纯文本格式，通常与OBJ文件一起使用。
  6. 应用领域：OBJ文件格式广泛应用于以下领域
    • 3D建模：用于创建和编辑三维模型。
    • 计算机图形学：用于渲染和显示三维图形。
    • 游戏开发：用于导入和导出游戏中的三维模型。
    • 虚拟现实（VR）和增强现实（AR）：用于创建虚拟和增强现实环境中的三维对象。
  7. 优缺点
    • 优点：
      1. 简单易读，使用纯文本格式。
      2. 广泛支持，多种3D软件和渲染引擎都兼容。
      3. 易于编辑和调试。
    • 缺点：
      1. 不支持复杂的材质和动画信息。
      2. 文件可能较大，尤其是包含大量顶点和面时。
      3. 不支持层次结构和装配信息。
  8. 总结: OBJ文件格式是一种简单而强大的三维几何描述格式，广泛应用于3D建模和计算机图形学领域。它的易读性和广泛支持使其成为3D数据交换的常用格式之一。
  9. 示例：
# List of vertices
v 0.0 0.0 0.0
v 1.0 0.0 0.0
v 1.0 1.0 0.0
v 0.0 1.0 0.0

# List of texture coordinates
vt 0.0 0.0
vt 1.0 0.0
vt 1.0 1.0
vt 0.0 1.0

# List of normals
vn 0.0 0.0 1.0

# List of faces
f 1/1/1 2/2/1 3/3/1 4/4/1

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MTL 文件

材质文件（MTL）是一种用于描述3D模型材质属性的文件格式，通常与OBJ文件一起使用。MTL文件使用纯文本格式，定义了模型表面的颜色、纹理、反射率等材质属性。以下是对MTL文件格式的详细介绍：

  1. 文件扩展名： MTL文件通常以.mtl为文件扩展名。
  2. 数据表示：MTL文件使用纯文本格式来表示数据，每个材质属性使用特定的关键字进行定义。文件内容主要包括材质名称、颜色、纹理映射、反射属性等。
  3. 文件结构： MTL文件的结构通常包括以下几个部分：
    1. 材质名称（Material Name）：使用newmtl关键字定义一个新的材质名称。如newmtl MaterialName
    2. 环境光颜色（Ambient Color）：使用Ka关键字定义环境光颜色，后跟三个浮点数，表示RGB值。如Ka 1.000 1.000 1.000
    3. 漫反射颜色（Diffuse Color）：使用Kd关键字定义漫反射颜色，后跟三个浮点数，表示RGB值。如Kd 1.000 0.000 0.000
    4. 镜面反射颜色（Specular Color）：使用Ks关键字定义镜面反射颜色，后跟三个浮点数，表示RGB值。如Ks 0.500 0.500 0.500
    5. 镜面高光指数（Specular Exponent）：使用Ns关键字定义镜面高光指数，表示光泽度。如Ns 100.0
    6. 透明度（Transparency）：使用d或Tr关键字定义透明度，值范围为0.0（完全透明）到1.0（完全不透明）。如Ns 100.0
    7. 光照模型（Illumination Model）：使用illum关键字定义光照模型。如illum 2
    8. 纹理映射（Texture Mapping）：使用map_Kd关键字定义漫反射纹理映射。如map_Kd texture.jpg
  4. 支持的材质属性：MTL文件格式支持多种材质属性，包括但不限于
    • 环境光颜色（Ka）
    • 漫反射颜色（Kd）
    • 镜面反射颜色（Ks）
    • 镜面高光指数（Ns）
    • 透明度（d或Tr）
    • 光照模型（illum）
    • 纹理映射（map_Kd, map_Ka, map_Ks, map_d, map_bump等）
  5. 应用领域：MTL文件格式广泛应用于以下领域
    • 3D建模：用于定义3D模型的材质属性。
    • 计算机图形学：用于渲染和显示三维图形。
    • 游戏开发：用于导入和导出游戏中的材质信息。
    • 虚拟现实（VR）和增强现实（AR）：用于创建虚拟和增强现实环境中的材质效果。
  6. 优缺点
    • 优点：
      1. 简单易读，使用纯文本格式。
      2. 广泛支持，多种3D软件和渲染引擎都兼容。
      3. 易于编辑和调试。
    • 缺点：
      1. 不支持复杂的材质和光照效果。
      2. 文件可能较大，尤其是包含大量纹理映射时。
      3. 不支持动态材质属性和动画。
  7. 总结：MTL文件格式是一种简单而强大的材质描述格式，广泛应用于3D建模和计算机图形学领域。它的易读性和广泛支持使其成为3D数据交换的常用格式之一。通过与OBJ文件结合使用，MTL文件可以有效地描述3D模型的材质属性，提升模型的视觉效果。
  8. 示例
# This is a simple MTL file example

# Define a new material named "RedMaterial"
newmtl RedMaterial
Ka 1.000 1.000 1.000
Kd 1.000 0.000 0.000
Ks 0.500 0.500 0.500
Ns 100.0
d 1.0
illum 2
map_Kd red_texture.jpg

# Define another material named "TransparentMaterial"
newmtl TransparentMaterial
Ka 1.000 1.000 1.000
Kd 0.000 1.000 0.000
Ks 0.500 0.500 0.500
Ns 100.0
d 0.5
illum 2
map_Kd green_texture.png

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glTF格式

GLTF（GL Transmission Format）是一种用于3D场景和模型的文件格式。它被设计为提供高效的加载，以及在运行时提供渲染所需的最小的内存占用。以下是一些关于GLTF格式的关键点：

  • 开放标准：GLTF是由Khronos Group（也是OpenGL和WebGL的背后组织）开发和维护的开放标准。
  • JSON格式：GLTF文件是以JSON格式存储的，，它包含了3D模型的结构和属性信息，如节点、网格、材质等，这使得它们可以被人类读取和编辑，也可以被机器轻松解析。
  • 二进制数据和纹理：GLTF文件可以引用其他的外部文件，如顶点数据和纹理的二进制数据，这些数据可以被直接上传到GPU，无需进行任何预处理，这种分离的设计使得GLTF文件可以更有效地管理和加载大量的模型数据。
  • PBR材质：GLTF支持基于物理的渲染（PBR）材质，这使得它可以创建出逼真的3D模型（材质和光照效果）。
  • 动画：GLTF支持复杂的动画，包括骨骼动画和形状变形，可以用于创建动态的3D角色和场景。
  • 扩展性：GLTF支持通过扩展来增加新的功能，如光照、环境贴图等。
  • 广泛支持：GLTF格式被许多3D应用程序和游戏引擎支持，包括Three.js、Babylon.js、Unity、Unreal Engine等。

GLTF格式被许多3D应用程序和游戏引擎支持，包括Three.js、Babylon.js、Unity、Unreal Engine等。

一个 glft 模型是一个目录，包含多个文件：

  • .gltf文件：场景描述文件，josn格式，1 个
  • .bin文件：几何数据，二进制文件，0-n个
  • .png/.jpg文件：二进制的图片格式，，0~n个

GLTF2.0格式说明

GLTF文件的主要组成部分包括：

  • Asset：描述文件的元数据，如版本、生成器等。
  • Scenes：描述3D场景的列表，每个场景包含一组节点（Node）。
  • Nodes：描述3D对象的列表，每个节点可以包含网格（Mesh）、摄像机（Camera）、骨骼（Skin）等。
  • Meshes：描述3D网格的列表，每个网格包含一组图元（Primitive）。Primitive 组成部分
    • attributes：一个对象，定义了与图元相关的顶点属性，比如位置（POSITION）、法线（NORMAL）、纹理坐标（TEXCOORD_0）等。
    • indices：一个索引缓冲区的索引，指向顶点数组中的索引，用于定义图元的几何形状。
    • material：一个材质的索引，用于定义图元的外观属性，如颜色、纹理等。
    • mode：一个整数，定义了图元的绘制模式，比如点、线、三角形（默认值）等。常见的值包括：
      • POINTS 独立的点（1个点）
      • LINES 线段（2个顶点）
      • LINE_LOOP 线环（首尾相连的点）
      • LINE_STRIP 线条带（顶点按顺序连接成线段）
      • TRIANGLES 三角形（3个顶点）
      • TRIANGLE_STRIP 三角形带（每个顶点与前两个顶点形成三角形）
      • TRIANGLE_FAN 三角形扇（第一个顶点作为扇的中心，后续的每两个顶点与中心顶点形成一个新的三角形）
  • Materials：描述材质的列表，每个材质定义了表面的外观，如颜色、纹理、光照模型等。
  • Textures：描述纹理的列表，每个纹理包含一个图像（Image）和一个采样器（Sampler）。
  • Animations：描述动画的列表，每个动画包含一组通道（Channel）和采样器（Sampler）。

以上是GLTF格式的一些基本信息，具体的细节和规范可以在Khronos Group的官方文档中找到。

示例如下：

{
  "asset": {
    "version": "2.0"
  },
  "scenes": [
    {
      "nodes": [0]
    }
  ],
  "nodes": [
    {
      "mesh": 0
    }
  ],
  "meshes": [
    {
      "primitives": [
        {
          "attributes": {
            "POSITION": 0
          },
          "indices": 1
        }
      ]
    }
  ],
  "buffers": [
    {
      "uri": "data:application/octet-stream;base64,...",
      "byteLength": 1024
    }
  ],
  "bufferViews": [
    {
      "buffer": 0,
      "byteOffset": 0,
      "byteLength": 512
    }
  ],
  "accessors": [
    {
      "bufferView": 0,
      "componentType": 5123,
      "count": 36,
      "type": "SCALAR"
    }
  ]
}

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GLB格式

GLB是一种3D模型文件格式，由Khronos Group定义，作为GLTF（GL Transmission Format）的二进制版本。以下是一些关于GLB格式的关键点：

  • 单一文件：GLB格式的主要特点是它将所有的模型数据（包括结构、几何、纹理等）打包到一个单一的文件中。这使得GLB文件更易于传输和加载，因为只需要一个文件就可以表示一个完整的3D模型。
  • 二进制格式：GLB文件是二进制格式的，这使得它们可以直接被GPU读取和处理，无需进行任何预处理。然而，这也意味着GLB文件不易于人类阅读和编辑。
  • GLTF兼容：GLB文件是完全兼容GLTF规范的，它们支持所有的GLTF特性，如PBR材质、动画、骨骼等。你可以将任何GLTF文件转换为GLB文件，反之亦然。
  • 广泛支持：GLB格式被许多3D应用程序和游戏引擎支持，包括Three.js、Babylon.js、Unity、Unreal Engine等。

总的来说，GLB是一种高效、紧凑的3D模型格式，特别适合于网络传输和实时渲染。

GLTF和GLB格式比较

GLTF和GLB都是由Khronos Group定义的3D模型格式，它们都支持现代3D引擎和应用程序所需的各种特性，如PBR材质、动画和骨骼。然而，它们在文件结构和用途上有一些重要的区别：

  • GLTF (.gltf)：GLTF文件是JSON格式的，它包含了3D模型的结构和属性信息，如节点、网格、材质等。GLTF文件可以引用其他的外部文件，如二进制数据文件 (.bin) 和纹理图像。这种分离的设计使得GLTF文件易于阅读和编辑，但可能需要多个文件才能表示一个完整的3D模型。

  • GLB (.glb)：GLB文件是GLTF的二进制版本，它将所有的模型数据（包括JSON、二进制数据和纹理）打包到一个单一的文件中。这使得GLB文件更易于传输和加载，因为只需要一个文件就可以表示一个完整的3D模型。然而，GLB文件不易于阅读和编辑，因为它们是二进制格式的。

总的来说，如果你需要一个易于阅读和编辑的格式，或者你的模型数据需要分散在多个文件中，那么GLTF可能是一个好的选择。如果你需要一个易于传输和加载的格式，或者你的模型数据可以打包到一个文件中，那么GLB可能是一个好的选择。

STEP 格式

STEP（Standard for the Exchange of Product model data）文件格式是一种用于描述三维模型数据的国际标准格式，由ISO 10303标准定义。它的主要目的是实现不同CAD（计算机辅助设计）系统之间的互操作性。STEP文件格式广泛应用于工程、制造和建筑等领域，用于交换复杂的产品数据。

  • 文件扩展名：STEP文件通常以.stp或.step为文件扩展名。
  • 数据格式：STEP文件使用ASCII文本格式来表示数据，这使得文件内容可以被人类阅读和编辑。文件内容通常包括几何信息、拓扑信息、材料属性、装配结构等。
  • 数据结构：
    • HEADER：文件头部，包含文件的基本信息，如文件名、作者、日期等。
    • DATA：数据部分，包含具体的几何和拓扑信息。
    • END-ISO-10303-21：文件结束标志。
  • 优缺点：
    • 优点：
      1. 高互操作性： STEP文件格式的主要优势在于其高互操作性。不同的CAD软件可以通过STEP文件格式进行数据交换，从而避免了数据丢失和格式不兼容的问题。
      2. 标准化：ISO 10303标准定义
      3. 支持复杂的几何和拓扑信息
    • 缺点
      1. 文件可能较大
      2. 解析和生成STEP文件可能需要较高的计算资源

示例：

ISO-10303-21;
HEADER;
FILE_DESCRIPTION(('Example STEP file'),'2;1');
FILE_NAME('example.stp','2023-10-10T12:00:00',('Author'),('Organization'),'','');
FILE_SCHEMA(('CONFIG_CONTROL_DESIGN'));
ENDSEC;
DATA;
#1 = CARTESIAN_POINT('',(0.0, 0.0, 0.0));
#2 = CARTESIAN_POINT('',(1.0, 0.0, 0.0));
#3 = LINE('',#1,#2);
ENDSEC;
END-ISO-10303-21;

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GLTF和STEP格式比较

  1. 标准和发布机构
    • GLTF：
      • 由Khronos Group发布。
      • 主要用于实时3D图形和Web应用。
    • STEP：
      • 由国际标准化组织（ISO）发布，具体标准为ISO 10303。
      • 主要用于工程和制造领域的数据交换。
  2. 文件扩展名
    • GLTF：.gltf（JSON格式）和.glb（二进制格式）。
    • STEP：.stp或.step。
  3. 数据表示
    • GLTF：
      • 使用JSON格式表示数据，易于解析和编辑。
      • 支持二进制格式（.glb），更适合传输和存储。
      • 主要包含几何信息、材质、纹理、动画等。
    • STEP：
      • 使用ASCII文本格式表示数据，文件内容可以被人类阅读和编辑。
      • 主要包含几何信息、拓扑信息、材料属性、装配结构等。
  4. 应用领域
    • GLTF：
      • 主要用于WebGL、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和游戏开发。
      • 适合实时渲染和交互应用。
    • STEP：
      • 主要用于机械设计、建筑设计、航空航天、汽车制造、电子产品设计等工程和制造领域。
      • 适合复杂的产品数据交换和长期存储。
  5. 互操作性
    • GLTF：
      • 设计为跨平台和跨设备的3D模型传输格式。
      • 广泛支持现代浏览器和3D引擎，如Three.js、Babylon.js等。
    • STEP：
      • 高互操作性，不同的CAD软件可以通过STEP文件进行数据交换。
      • 广泛支持各种CAD软件，如AutoCAD、SolidWorks、CATIA、PTC Creo、Siemens NX等。
  6. 文件大小和性能
    • GLTF：
      • 文件通常较小，适合网络传输和实时渲染。
      • 支持压缩和优化，如Draco压缩。
    • STEP：
      • 文件可能较大，包含详细的几何和拓扑信息。
      • 解析和生成STEP文件可能需要较高的计算资源。
  7. 主要特点
    • GLTF：
      • 轻量级，适合实时渲染。
      • 支持PBR（Physically Based Rendering）材质。
      • 支持动画和骨骼动画。
    • STEP：
      • 支持复杂的几何和拓扑信息。
      • 支持装配结构和产品数据管理。
      • 高度标准化，适合长期存储和数据交换。
  8. 总结
    • GLTF适合实时渲染和Web应用，文件小，易于传输和渲染。
    • STEP适合工程和制造领域的数据交换，支持复杂的几何和拓扑信息，高度标准化。

FBX 格式

FBX（Filmbox）文件格式是一种广泛使用的三维模型和动画文件格式，由Autodesk开发和维护。FBX格式支持多种3D数据类型，包括几何、材质、纹理、动画、骨骼、灯光和摄像机等，因此在3D建模、动画制作、游戏开发和虚拟现实等领域得到了广泛应用。

  1. 文件扩展名:FBX文件通常以.fbx为文件扩展名。
  2. 数据表示:FBX文件可以使用二进制格式或ASCII文本格式来表示数据。
    • 二进制格式更紧凑，适合传输和存储；
    • ASCII格式则更易于阅读和调试。
  3. 支持的数据类型：FBX格式支持多种3D数据类型，包括但不限于
    • 几何（Geometry）：顶点、边、面、法线、UV坐标等。
    • 材质（Materials）：颜色、纹理、反射率等。
    • 动画（Animation）：关键帧动画、骨骼动画、变形动画等。
    • 骨骼（Skeletons）：骨骼结构、关节、权重等。
    • 灯光（Lights）：点光源、聚光灯、环境光等。
    • 摄像机（Cameras）：透视摄像机、正交摄像机等。
  4. 文件结构：FBX文件的结构相对复杂，包含多个层次的节点，每个节点可以包含不同类型的数据。以下是FBX文件的一些主要结构元素
    • Header：文件头部，包含文件版本等基本信息。
    • Objects：定义了文件中的所有对象，如几何、材质、动画等。
    • Connections：定义了对象之间的关系和连接。
    • Takes：包含动画数据。
  5. 应用领域：
    1. 3D建模和动画：用于创建和编辑三维模型和动画。
    2. 游戏开发：用于导入和导出游戏中的三维模型和动画。
    3. 虚拟现实（VR）和增强现实（AR）：用于创建虚拟和增强现实环境中的三维对象。
    4. 影视制作：用于制作电影和电视中的三维特效和动画。
  6. 优缺点
    • 优点：
      • 支持多种3D数据类型，包括几何、材质、动画等。
      • 高度兼容，广泛支持多种3D软件和渲染引擎。
      • 支持复杂的动画和骨骼结构。
    • 缺点：
      • 文件结构相对复杂，不易手动编辑。
      • 文件可能较大，尤其是包含大量动画数据时。
      • 二进制格式不易阅读和调试。
  7. 总结：FBX文件格式是一种功能强大的三维模型和动画文件格式，广泛应用于3D建模、动画制作、游戏开发和虚拟现实等领域。它支持多种3D数据类型，具有高度兼容性和广泛的应用支持，是3D数据交换和存储的常用格式之一。
  8. 示例：以下是一个简单的FBX文件示例（ASCII格式）
; FBX 7.4.0 project file
; ----------------------------------------------------

FBXHeaderExtension:  {
    FBXHeaderVersion: 1003
    FBXVersion: 7400
    CreationTimeStamp: {
        Version: 1000
        Year: 2023
        Month: 10
        Day: 10
        Hour: 12
        Minute: 0
        Second: 0
        Millisecond: 0
    }
    Creator: "FBX SDK/FBX Plugins version 2020.0"
}

Objects:  {
    Geometry: "Cube" {
        Vertices: *24 {
            a: 0,0,0, 1,0,0, 1,1,0, 0,1,0, 0,0,1, 1,0,1, 1,1,1, 0,1,1
        }
        PolygonVertexIndex: *24 {
            a: 0,1,2,3,-1, 4,5,6,7,-1
        }
    }
}

Connections:  {
    C: "OO", "Geometry::Cube", "Model::Cube"
}

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与GLTF相比，GLTF适合实时渲染和Web应用，文件小，易于传输和渲染，特别适用于WebGL、虚拟现实和增强现实等实时交互应用。而FBX适合需要复杂动画和骨骼结构的3D建模和动画制作，广泛应用于游戏开发、影视制作和虚拟现实等领域。

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