網格檔案與CAD檔案：3D掃描的兩種資料語言

在設計和工程領域，網格檔案和CAD檔案是兩種常見的3D模型格式。隨著3D掃描技術的發展，越來越多的真實物體被轉化為數位模型，這些模型通常以網格檔案或CAD檔案的形式存在。雖然這兩種文件格式都用於展示3D形狀，但兩者的特點和用途卻有所不同。

網格檔案是什麼？

網格檔案是一種用來表示3D物體物件的檔案格式，由一系列的點、線和面組成。這些元素共同構成了物體的形狀和表面特徵。網格檔案的主要特點包括：

點：3D空間中的點，定義了物體的形狀。
線：連接兩個點的線段，形成網格的邊界。
面：由多條線圍成的平面，通常是三角形或四邊形，用來描述物體的表面。

透過大量三角面片，組合出3D模型的真實表面資訊。每個三角面片都與相鄰的三角面片之間共用兩個點和一條線，而每個三角形面片的定義包括三角形各個點的座標及三角形面片的法向量。常見文件格式：stl、obj等。

三角形面片的法向量
每個三角面片法線方向是向外的。從外部觀察物件時，頂點以逆時針順序列出（如上圖）。

網格檔案表面結構（如上圖）。

stl和obj檔案的區別

stl檔案和obj檔案都是常用的3D模型檔案格式，stl描述的是模型的表面幾何形狀，通常只包含頂點和三角形的法向量。
stl檔案可以是ASCII或二進位格式，但不包含顏色、紋理或其他屬性。而obj包含形狀、顏色和紋理等更多資訊，文件通常比較大。obj、mtl和jpg檔案在3D模型中通常為一起使用。
obj檔案包含模型的幾何資訊（如頂點、紋理座標和面），obj檔案定義了3D模型的形狀。mtl檔案和obj搭配使用，則可以指定obj檔案所需的材質，定義材質屬性，如顏色、反射率和紋理等。jpg檔案通常為紋理圖像文件，用於為模型表面添加細節和顏色。obj檔案中的紋理座標（來自mtl）將這些jpg影像映射到模型表面，三者共同結合，創造出完整的3D視覺效果。

obj：模型的形狀。
mtl：定義材質屬性。
jpg：提供紋理影像。

stl和obj檔案的區別

3D軟體常用檔案格式stl和obj對比

	stl	obj
檔案資訊	僅描述3D物體的表面幾何形狀，沒有顏色、材質貼圖或其它常見3D模型的屬性。	三角網格的幾何資訊，與模型的頂點、紋理座標、面、法線等。
資訊類型	幾何資訊（掃描物體的形狀和位置）。	法線資訊（掃描物體表面的方向）。
相同	檔案包含三角網格的位置資訊。	檔案包含三角網格的位置資訊。
不同	物件的基本結構和外觀，但不包括關於物件如何反射或傳播光線的資訊。	用於光照計算、陰影生成和渲染等方面。 obj檔案並不包含材質訊息，但可透過材質檔案（mtl）來指定模型的材質和貼圖。
用途	快速確認模型的外觀，用於原型製作。	後續可做渲染。

CAD檔案是什麼？

CAD檔案是由電腦輔助設計（CAD）軟體產生的一類文件，用於建立、修改和共享精確的2D和3D設計。 CAD檔案包含精確的幾何資料、尺寸、注釋、材料屬性等資訊，強調精度，適合用於工程和建築設計等。常見的格式：dwg、dxf、igs和stp等。
stp檔案表面結構線清晰（如圖）。

3D軟體常用檔案格式igs和stp對比

	igs	stp
檔案資訊	曲線、曲面和體積等。	幾何資訊，包含產品結構、組裝、材料、加工工藝等。
資訊類型	適用於簡單的幾何形狀。	能夠描述完整的產品模型，包含幾何、拓樸、材料屬性等。
檔案豐富度	低	高

igs和stp檔案皆屬於一類文件，兩者於格式之間的相互轉換較容易。

網格檔案與CAD檔案的關鍵差異

stp檔案與stl檔案本質上不相同，stp帶有參數的實體對象，stl為網格。
stl作為網格檔案，是以線段近似曲線，相比stp會失真。而用2D圖片來類比更易於理解stl和stp的區別：stl檔案類似光柵圖片（如jpg），光柵圖片由具有特定顏色和位置的像素組成，但放大圖像只會導致像素變大，使圖片看起來粗糙。stp檔案更類似於svg等向量圖片，向量圖片是由數學屬性構成的圖像，易修改而不會丟失質量，並可保持所有內容的比例。

3D軟體常用檔案格式stl和stp對比

	stl	stp
包含資訊	僅描述3D物體的表面幾何形狀，沒有顏色、材質貼圖或其它常見3D模型的屬性。	比stl文件更豐富的資訊，如幾何形狀、尺寸、材料、表面屬性、裝配關係等。
本質	網格	有參數的實體對象
構成	三角形網格	數學曲面或實體模型

網格檔案和CAD檔案在資料結構上的差異使兩者應用的領域和範圍有所不同。stl格式通常用於3D列印和快速原型製造，多邊形網格可以捕捉模型的細節和形狀，使模型在視覺效果上更加逼真，藝術類軟體通常使用stl或obj格式來儲存和交換3D模型資料。而CAD檔案格式包含了更多的工程資訊和元數據，如尺寸公差、材料屬性和製造流程等，精度高，以滿足工程設計和製造的需求，因此，工業軟體會使用CAD文件進行生產和製造。
stp是表面平滑的曲面結構實體，stl則是多邊形網格。
CAD檔案和網格檔案的據結構對比-stp格式
CAD檔案和網格檔案的據結構對比：stp格式
CAD檔案和網格檔案的據結構對比-stl格式
CAD檔案和網格檔案的據結構對比：stl格式

網格檔案和CAD檔案應用範圍

	工業軟體（Rhino、UG、DX）	3D渲染軟體（3Dmax、Maya）
目的	取得物體的幾何形狀和結構。	取得物體外觀、紋理、材質等視覺屬性。
建模對象	汽車零件、醫療器材零件、工業鑄件。	特效模型、遊戲角色模型。
需求	高精度，工業級。	只需模擬外觀，追求視覺效果和藝術性。
資料結構	物體完整幾何結構（幾何體、NURBS曲面創建等）	三角網格結構（多邊形建模）
檔案格式	stp、igs、sld、prt、dwg	stl、obj

在3D掃描和建模領域中，網格檔案與CAD檔案各自扮演著重要的角色。網格檔案能夠有效地表示複雜的3D形狀，廣泛應用於視覺效果、動畫和虛擬實境等領域。而CAD文件則以其精確性和規範性，為工程設計、製造和建築提供了可靠的數據基礎。網格檔案和CAD檔案作為3D掃描的兩種資料語言，有著不同的資料結構，因此在不同的領域中得到相應的應用。