无规矩不成方圆——STL数字标准文件解析

战国·邹·孟轲《孟子·离娄上》有云：“离娄之明，公输子之巧，不以规矩，不能成方圆。”意思做任何事都要有一定的规矩、规则、做法，否则无法成功。在今天，3D智能数字化与3D打印实现了将虚拟三维转换成实体，而实现这一切的准则就是STL文件格式。

STL（StereoLithography）文件格式由3D Systems公司的创始人查尔斯·胡尔（Charles W. Hull）于1988年发明，当时主要针对SLA（光固化立体成型）工艺，现已成为全世界CAD/CAM系统接口文件格式的工业标准，是3D打印机支持的最常见的3D文件格式。

△查尔斯·胡尔

将3D模型保存为STL文件后，物体的表面轮廓形状会被转换成三角形面片网格。每个三角形描述了它的空间位置（x,y,z坐标及法向量）。

△三角形面片网格

STL文件有两种：一种是ASCII文本格式，特点是可读性好，可直接阅读；另一种是二进制格式，特点是占用磁盘空间小，为ASCII文本格式的1/6左右，但可读性差。但无论是ASCII文本格式，还是二进制格式，STL文件格式都非常简单、一目了然。

STL文件格式具有简单清晰、易于理解、易于生成及分割、算法简单等特点，另外输出精度也能够很方便地控制。

△三角形面片网格

截至目前，国内外已有很多研究人员针对STL模型数据处理做了大量卓有成效的研究工作，这些工作主要集中在：

1. STL文件的错误检测与修复。

2. STL文件模型的拓扑重建。

3. STL文件模型的分割。

4. STL模型的分层处理（等层厚及变层厚）。

5. 基于STL文件的三维模型分层方向优化。

6. 基于STL文件的支撑生成与优化。

7. 基于STL文件的层片扫描路径的生成及优化。

STL文件也存在一定的缺陷。STL文件格式还是显得有点过于简单，只能描述三维物体的表面几何信息，不支持描述表面上的特征，比如颜色、材质等信息。因此，2011年7月，美国材料与实验学会（ASTM）发布了一种全新的3D打印文件格式AMF（AdditiveManufacturing File）格式。

相比STL，AMF文件格式可处理不同类型的材料、颜色、曲面三角形及内部中空结构（如下图所示），这正是3D打印最主要的优势之一。另外，AMF采用曲面三角形，利用法线（红色箭头）将此三角形细分成4个子三角形，能够更精准地描述曲面。

△AMF文件格式：可描述渐变颜色以及曲面三角形（图片来源：ASTM）

除此之外，微软联合惠普、欧特克、3D Systems、Stratasys、Materialise等巨头组成的3MF联盟又推出了一种全新的3MF格式。因为STL格式在过去几十年已经被广大3D打印机厂商普遍采用，其它格式的文件能否得到广泛应用，还有待市场的检验。