無規(guī)矩不成方圓——STL數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)文件解析

戰(zhàn)國·鄒·孟軻《孟子·離婁上》有云：“離婁之明，公輸子之巧，不以規(guī)矩，不能成方圓?！币馑甲鋈魏问露家幸欢ǖ囊?guī)矩、規(guī)則、做法，否則無法成功。在今天，3D智能數(shù)字化與3D打印實(shí)現(xiàn)了將虛擬三維轉(zhuǎn)換成實(shí)體，而實(shí)現(xiàn)這一切的準(zhǔn)則就是STL文件格式。

STL（StereoLithography）文件格式由3D Systems公司的創(chuàng)始人查爾斯·胡爾（Charles W. Hull）于1988年發(fā)明，當(dāng)時(shí)主要針對SLA（光固化立體成型）工藝，現(xiàn)已成為全世界CAD/CAM系統(tǒng)接口文件格式的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是3D打印機(jī)支持的最常見的3D文件格式。

△查爾斯·胡爾

將3D模型保存為STL文件后，物體的表面輪廓形狀會被轉(zhuǎn)換成三角形面片網(wǎng)格。每個(gè)三角形描述了它的空間位置（x,y,z坐標(biāo)及法向量）。

△三角形面片網(wǎng)格

STL文件有兩種：一種是ASCII文本格式，特點(diǎn)是可讀性好，可直接閱讀；另一種是二進(jìn)制格式，特點(diǎn)是占用磁盤空間小，為ASCII文本格式的1/6左右，但可讀性差。但無論是ASCII文本格式，還是二進(jìn)制格式，STL文件格式都非常簡單、一目了然。

STL文件格式具有簡單清晰、易于理解、易于生成及分割、算法簡單等特點(diǎn)，另外輸出精度也能夠很方便地控制。

△三角形面片網(wǎng)格

截至目前，國內(nèi)外已有很多研究人員針對STL模型數(shù)據(jù)處理做了大量卓有成效的研究工作，這些工作主要集中在：

1. STL文件的錯(cuò)誤檢測與修復(fù)。

2. STL文件模型的拓?fù)渲亟ā?/font>

3. STL文件模型的分割。

4. STL模型的分層處理（等層厚及變層厚）。

5. 基于STL文件的三維模型分層方向優(yōu)化。

6. 基于STL文件的支撐生成與優(yōu)化。

7. 基于STL文件的層片掃描路徑的生成及優(yōu)化。

STL文件也存在一定的缺陷。STL文件格式還是顯得有點(diǎn)過于簡單，只能描述三維物體的表面幾何信息，不支持描述表面上的特征，比如顏色、材質(zhì)等信息。因此，2011年7月，美國材料與實(shí)驗(yàn)學(xué)會（ASTM）發(fā)布了一種全新的3D打印文件格式AMF（AdditiveManufacturing File）格式。

相比STL，AMF文件格式可處理不同類型的材料、顏色、曲面三角形及內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)（如下圖所示），這正是3D打印最主要的優(yōu)勢之一。另外，AMF采用曲面三角形，利用法線（紅色箭頭）將此三角形細(xì)分成4個(gè)子三角形，能夠更精準(zhǔn)地描述曲面。

△AMF文件格式：可描述漸變顏色以及曲面三角形（圖片來源：ASTM）

除此之外，微軟聯(lián)合惠普、歐特克、3D Systems、Stratasys、Materialise等巨頭組成的3MF聯(lián)盟又推出了一種全新的3MF格式。因?yàn)镾TL格式在過去幾十年已經(jīng)被廣大3D打印機(jī)廠商普遍采用，其它格式的文件能否得到廣泛應(yīng)用，還有待市場的檢驗(yàn)。