伴隨著各種3D建模軟件或工具的誕生，3D文件格式的種類(lèi)也變得更為復(fù)雜。這篇文章里，作者便梳理了3D文件格式的發(fā)展歷程，并討論以蘋(píng)果公司為首的五大行業(yè)巨頭共同推出的OpenUSD的具體影響，一起來(lái)看看。

“HTML brought us the first wave of the internet. OpenUSD might bring us the next.”——Guido Quaroni

自從上世紀(jì) 60 年代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design, CAD）發(fā)明以來(lái)，3D 圖形產(chǎn)業(yè)繁榮發(fā)展，逐步覆蓋工業(yè)制造、影視游戲、VR/AR 、3D 打印等各個(gè)領(lǐng)域。而伴隨各種 3D 建模軟件、工具，誕生了種類(lèi)繁多的 3D 文件格式：

各種 3D 文件格式

這些文件格式有的是專為特殊應(yīng)用場(chǎng)景而設(shè)計(jì)的，有的因?yàn)檐浖鷳B(tài)的市場(chǎng)份額而稱霸一時(shí)，有的則逐漸被繼任者所替代。

本文就來(lái)細(xì)數(shù)一下歷來(lái) 3D 文件格式的江湖紛爭(zhēng)，并討論以 Apple 為首的五大行業(yè)巨頭共同推出的 OpenUSD 是否有機(jī)會(huì)一統(tǒng)江湖？

OpenUSD 聯(lián)盟創(chuàng)始成員

一、3D 文件格式的分類(lèi)

3D 文件的基本功能是以計(jì)算機(jī)能夠理解的格式（純文本或二進(jìn)制數(shù)據(jù)）存儲(chǔ)三維模型的信息，這些格式分為兩類(lèi)：

1. 專有文件，例如 AutoCAD 的 DWG 文件或 Blender 的 BLEND 文件。這些文件是專為特定軟件創(chuàng)建的，因?yàn)樗鼈兘?jīng)過(guò)優(yōu)化，可以使設(shè)計(jì)過(guò)程更加快速流暢，但缺點(diǎn)是無(wú)法跨平臺(tái)使用；
2. 中性文件格式（Neutral File Format），這類(lèi)文件格式設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是跨平臺(tái)和互操作性（Interoperability），強(qiáng)調(diào)文件可以跨不同的操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和設(shè)備使用，例如由開(kāi)放行業(yè)協(xié)會(huì) Khronos Group 推出的 glTF 格式。

下圖是部分主流 3D 文件格式的對(duì)比：

3D 文件格式對(duì)比

1. 幾何模型（IGES，STEP，STL）

早期的 3D 模型主要應(yīng)用于制造業(yè)、軍工等領(lǐng)域，因此 3D 文件只需要包含模型表面幾何數(shù)據(jù)，如 Autodesk 在上世紀(jì) 80 年代最早推出的IGES文件格式，它定義了一種通用的幾何實(shí)體表示法，如線、圓弧、曲面等，在 80 年代至 90 年代初期被廣泛使用，是當(dāng)時(shí)事實(shí)上的CAD行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

后來(lái)被更為先進(jìn)的STEP（ISO 10303）標(biāo)準(zhǔn)所取代，后者包含了豐富和精確的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)，如幾何形狀、拓?fù)?、公差等，直到現(xiàn)在仍被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、船舶等制造業(yè)。

上世紀(jì) 80 年代最早研發(fā)和商業(yè)化 3D 打印技術(shù)的公司 3D Systems 開(kāi)發(fā)了STL文件格式，成為3D打印的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，一直持續(xù)到現(xiàn)在。STL 以三角形網(wǎng)格來(lái)表示 3D 模型的表面形狀：

不同網(wǎng)格數(shù)的 STL 模型文件

2. 紋理貼圖（OBJ）

同樣是在 80 年代（1979）由Wavefront公司開(kāi)發(fā)的OBJ文件格式，簡(jiǎn)單的幾何形狀（如三角形、四邊形或更復(fù)雜的多邊形）對(duì) 3D 模型的表面進(jìn)行細(xì)分（平鋪）。與 STL 相比，多邊形更接近原始幾何圖形，OBJ 文件在使用與 STL 文件相同的面數(shù)的情況下，可以更準(zhǔn)確地表征模型。

OBJ 文件格式可以更準(zhǔn)確地編碼 3D 模型

不同模型的精度和細(xì)節(jié)對(duì)比

到了 90 年代Wavefront為 OBJ 文件格式開(kāi)發(fā)了輔助的紋理貼圖文件格式（Material Template Library,MTL），OBJ文件可以引用一個(gè)或多個(gè)MTL文件（稱為 “材質(zhì)庫(kù)”），并通過(guò)名稱引用一個(gè)或多個(gè)材質(zhì)描述。

3D 模型的紋理貼圖

3. 場(chǎng)景 & 動(dòng)畫(huà)數(shù)據(jù)（DAE，F(xiàn)BX）

2004 年 Khronos Group 發(fā)起和定制了帶有骨骼和動(dòng)畫(huà) 3D 場(chǎng)景和角色的 Collaborative Design Activity，簡(jiǎn)稱 COLLADA 或DAE文件。Collada文件格式是最早支持可交換骨骼動(dòng)畫(huà)的3D文件格式，對(duì)行業(yè)發(fā)展帶來(lái)重要影響。

骨骼動(dòng)畫(huà)

Autodesk 公司為了保證自家軟件（Maya、3ds Max等）對(duì) 3D 動(dòng)畫(huà)文件的兼容性，推出與 DAE 競(jìng)爭(zhēng)的FBX格式，借助 Autodesk 軟件市場(chǎng)主導(dǎo)地位的強(qiáng)力推廣，F(xiàn)BX 很快成為動(dòng)畫(huà)制作中最常用的格式之一。此外，它還被用作一種交換格式，便于在 3ds Max、Maya、MotionBuilder、Mudbox 和其他專有軟件之間進(jìn)行高保真交換。

FBX 文件對(duì)視頻游戲設(shè)計(jì)非常有用（Unity）

但需要注意的是，F(xiàn)BX 格式是一種專有文件格式，雖然可以通過(guò)與該文件格式兼容的軟件開(kāi)發(fā)工具包（SDK）進(jìn)行讀寫(xiě)，但在本質(zhì)上 Autodesk 對(duì)這一文件格式擁有最終解釋權(quán)。

二、開(kāi)源競(jìng)爭(zhēng)（glTF vs USD）

Khronos Group 在DAE格式不斷被打壓的情況下，推出了更加輕量、更加便于 Web 傳播的格式——glTF（其二進(jìn)制格式為glb），Khronos 對(duì)它的定位是3D 中的 JPEG 格式：

3D 中的 JPEG

圍繞 glTF 建立起了豐富的生態(tài)（但這張圖其實(shí)適用于大部分具有可互操作性的中性文件格式）：

glTF 生態(tài)

雖然 Khronos Group 是一個(gè)「開(kāi)放」標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟，但其背后掌握話語(yǔ)權(quán)的實(shí)際上是微軟、谷歌和Meta等巨頭公司， 而蘋(píng)果公司與 Khronos 向來(lái)不合（甚至存在法律糾紛）。

在 2018 年的開(kāi)發(fā)者大會(huì)（WWDC 2018）上，蘋(píng)果宣布正在與皮克斯合作，為 AR （同時(shí)推出的還有 ARKit 2.0）創(chuàng)作提供一個(gè)叫做USDZ的新文件格式。

（要了解喬布斯與皮克斯的淵源，推薦這本由皮克斯創(chuàng)業(yè)元?jiǎng)住滩妓箽J點(diǎn)副總裁勞倫斯·利維寫(xiě)的《孵化皮克斯》）

《孵化皮克斯》

USDZ 格式輔佐著蘋(píng)果的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（ARKit 、RealityKit、AR Quick Look）不斷迭代更新，一直來(lái)到 2023 年推出Apple Vision Pro，同年蘋(píng)果聯(lián)合皮克斯動(dòng)畫(huà)工作室、Adobe、Autodesk、NVIDIA，共同推出了 OpenUSD 聯(lián)盟（Alliance for OpenUSD，AOUSD）。

在 AOUSD 的愿景中，Adobe 高級(jí)工程總監(jiān) Guido Quaroni 將 OpenUSD 比作是3D 內(nèi)容創(chuàng)作者的 PDF，對(duì)于 AR/VR 所承載的未來(lái)技術(shù)中（蘋(píng)果定義的空間計(jì)算），OpenUSD 將成為其基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言：

HTML brought us the first wave of the internet. OpenUSD might bring us the next.

HTML 為我們帶來(lái)了第一波互聯(lián)網(wǎng)浪潮。OpenUSD 可能會(huì)給我們帶來(lái)下一波浪潮。

三、蘋(píng)果：從「封閉生態(tài)」到「開(kāi)源壟斷」？

在上一篇文章中我們討論了蘋(píng)果一改其「封閉生態(tài)」策略，開(kāi)始主動(dòng)參與并積極推動(dòng) WebXR 、 WebGPU 等開(kāi)源標(biāo)準(zhǔn)，一切服務(wù)于加速推進(jìn)Apple Vision Pro空間計(jì)算的內(nèi)容生態(tài)：

Unity 收費(fèi)，蘋(píng)果 Vision Pro 支持 WebXR。

而到了 3D 文件格式這里，蘋(píng)果干脆自立門(mén)戶，動(dòng)用其無(wú)與倫比的號(hào)召力，將整個(gè) 3D 行業(yè)每一個(gè)環(huán)節(jié)最具影響力的巨頭聚合在一起，成立開(kāi)放聯(lián)盟，OpenUSD 毋庸置疑將會(huì)成為 3D 圖形世界最具影響力的文件格式。

蘋(píng)果以近似于「開(kāi)源壟斷」的策略明牌入局，也許無(wú)法做到一統(tǒng)江湖，但至少為 3D 內(nèi)容創(chuàng)作鋪平了道路：在蘋(píng)果未來(lái)空間計(jì)算愿景中，OpenUSD 一定是首選的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言。

這段放在 AOUSD 官網(wǎng)首頁(yè)的寄語(yǔ)，頗有一點(diǎn)「殺人誅心」??

參考：

• Ben Houston’s Ultimate Guide to 3D File Formats
• The 10 Most Popular 3D File Formats
• The Alliance for OpenUSD (AOUSD): Shaping the Future of 3D Technology
• HISTORY OF 3D MODELING: FROM EUCLID TO 3D PRINTING
• The TurboSquid 3D Model License
• Claude.ai