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:
- 文件扩展名:OBJ文件通常以.obj为文件扩展名。
- 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。
- 文件结构:OBJ文件的结构通常包括以下几个部分:
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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)
- 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。
- 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。
- 优缺点
- 优点:
- 简单易读,使用纯文本格式。
- 广泛支持,多种3D软件和渲染引擎都兼容。
- 易于编辑和调试。
- 缺点:
- 不支持复杂的材质和动画信息。
- 文件可能较大,尤其是包含大量顶点和面时。
- 不支持层次结构和装配信息。
- 优点:
- 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。
- 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
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:
- 文件扩展名: MTL文件通常以.mtl为文件扩展名。
- 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。
- 文件结构: MTL文件的结构通常包括以下几个部分:
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 光照模型(Illumination Model):使用illum关键字定义光照模型。如
illum 2
- 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
- 材质名称(Material Name):使用newmtl关键字定义一个新的材质名称。如
- 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)
- 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。
- 优缺点
- 优点:
- 简单易读,使用纯文本格式。
- 广泛支持,多种3D软件和渲染引擎都兼容。
- 易于编辑和调试。
- 缺点:
- 不支持复杂的材质和光照效果。
- 文件可能较大,尤其是包含大量纹理映射时。
- 不支持动态材质属性和动画。
- 优点:
- 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。
- 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
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
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" } ] }
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:
- 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。
- 标准化:ISO 10303标准定义
- 支持复杂的几何和拓扑信息
- 缺点
- 文件可能较大
- 解析和生成STEP文件可能需要较高的计算资源
- 优点:
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;
GLTF和STEP格式比较
- 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。
- GLTF:
- 文件扩展名
- GLTF:.gltf(JSON格式)和.glb(二进制格式)。
- STEP:.stp或.step。
- 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。
- GLTF:
- 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。
- GLTF:
- 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。
- GLTF:
- 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。
- GLTF:
- 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。
- GLTF:
- 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。
- 文件扩展名:FBX文件通常以.fbx为文件扩展名。
- 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。
- 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。
- 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。
- 应用领域:
- 3D建模和动画:用于创建和编辑三维模型和动画。
- 游戏开发:用于导入和导出游戏中的三维模型和动画。
- 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。
- 影视制作:用于制作电影和电视中的三维特效和动画。
- 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。
- 优点:
- 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。
- 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" }
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。