在设计和工程领域，网格文件和CAD文件是两种常见的三维模型格式。随着三维扫描技术的发展，越来越多的真实物体被转化为数字模型，这些模型通常以网格文件或CAD文件的形式存在。虽然这两种文件格式都用于展示三维形状，但它们的特点和用途却有所不同。
网格文件是什么？
网格文件是一种用于表示三维物体对象的文件格式，它由一系列的点（顶点）、边和面组成。这些元素共同构成了物体的形状和表面特征。网格文件的主要特点包括：
- 顶点：三维空间中的点，定义了物体的形状。
- 边：连接两个顶点的线段，形成网格的边界。
- 面：由多个边围成的平面，通常是三角形或四边形，用于描述物体的表面。
网格文件由一系列利用顶点和边组成的小三角面片组成，每个三角面片都与相邻的三角面片之间共用两个顶点和一条边，而每个三角形面片的定义包括三角形各个顶点的坐标及三角形面片的法向量。
每个三角面片法线方向是向外的。从外部观察对象时，顶点按逆时针顺序列出（如图）
网格文件表面结构（如图）
网格文件通过大量小三角面片，无限逼近三维模型真实表面，能够很好地表现出三维模型的表面信息。常见文件格式有stl, obj等。
stl和obj文件的区别
stl文件和obj文件都是常用的3D模型文件格式，stl描述的是模型的表面几何形状，通常只包含顶点和三角形的法向量。stl文件可以是ASCII或二进制格式，但都不包含颜色、纹理或其他属性。而obj可以包含形状、颜色和纹理等更多信息，文件通常比较大。此外，obj、mtl和jpg文件在3D模型中通常是一起使用的。
obj文件需要配合材质（mtl）和贴图（jpg）来表现彩色信息（如图）
obj文件包含模型的几何信息，如顶点、纹理坐标和面信息，obj文件定义了3D模型的形状。mtl文件与obj文件配合使用，定义材质属性，包括颜色、反射率和纹理等。mtl文件可以指定obj文件所需的材质。jpg文件通常是纹理图像文件，用于给模型表面添加细节和颜色。obj文件中的纹理坐标（来自mtl）将这些jpg图像映射到模型表面。简单来说，obj是模型的形状，mtl定义材料属性，jpg提供纹理图像。三者共同作用，创建出完整的3D视觉效果。
三维软件常用文件格式stl和obj对比
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stl |
obj |
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包含信息 |
仅描述三维物体的表面几何形状，没有颜色、材质贴图或其它常见三维模型的属性。 | 除了三角网格的几何信息外，还包含模型的顶点、纹理坐标、面信息、法线等。 |
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信息类型 |
几何信息（扫描物体的形状和位置） | 法线信息（扫描物体表面的方向） |
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相同点 |
都储存了三角网格的位置信息 | |
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不同点 |
几何信息定义了对象的基本结构和外观，但不包括关于对象如何反射或传播光线的信息。 | 法线信息用于光照计算、阴影生成和渲染等方面。在渲染过程中，光源和观察者位置与法线的夹角决定了表面的明暗程度，从而影响了对象的外观。（obj文件本身并不包含材质信息，但是它可以通过引用外部的材质文件（mtl文件）来指定模型的材质和贴图 |
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用途 |
快速确定模型的外观，用于原型制作 | 方便后续渲染 |
CAD文件是什么？
CAD文件是由计算机辅助设计（CAD）软件生成的一类文件，用于创建、修改和共享精确的2D和3D设计。CAD文件包含精确的几何数据、尺寸、注释、材料属性等信息，强调精度，适合用于工程和建筑设计。常见的格式包括dwg、dxf、igs和stp等。
stp文件表面结构线清晰（如图）
三维软件常用文件格式igs和stp对比
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igs |
stp |
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包含的信息 |
较老的格式，主要支持曲线、曲面和体积等信息 | 更现代，不仅包含几何信息，还包含产品结构、装配、材料、加工工艺等信息 |
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数据类型 |
适用于简单的几何形状和部分 | 能够描述完整的产品模型，包括几何、拓扑、材料属性等信息。 |
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数据丰富度 |
低 |
高 |
igs和stp文件都属于一类文件，因此，它们在格式之间的相互转换变得比较容易。
网格文件与CAD文件的关键差异
stp文件与stl文件本质上是不相同的：前者是带参数的实体对象，后者本质上是网格。stl作为网格数据，是拿线段近似曲线的，相比stp会失真。而用2D图片来类比更易于理解stl和stp的区别：stl文件类似光栅图片（如jpg），光栅图片由具有特定颜色和位置的像素组成，但放大图像只会导致像素变大，使图片看起来粗糙。stp文件更类似于svg等矢量图片，矢量图片是由数学属性构成的图像，更易修改而不会丢失质量，并可保持所有内容的比例。
三维软件常用文件格式stl和stp对比
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stl |
stp |
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包含的信息 |
仅描述三维物体的表面几何形状，没有颜色、材质贴图或其它常见三维模型的属性。 | 包含比 stl 文件更丰富的信息，如几何形状、尺寸、材料、表面属性、装配关系等。 |
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本质 |
网格 |
带参数的实体对象 |
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构成 |
三角形网格 |
数学曲面或者实体模型 |
CAD文件和网格文件的据结构对比（上图为stp格式，下图为stl格式），stp是表面平滑的曲面结构实体，stl则是多边形网格（如图）
网格文件与CAD文件的应用
网格文件和CAD文件在数据结构上的差别使得它们应用的领域和范围有所不同。stl格式通常用于3D打印和快速原型制造，多边形网格可以捕捉模型的细节和形状，使模型在视觉效果上更加逼真，因此，艺术类软件通常使用stl或者OBJ格式来存储和交换三维模型数据。而CAD文件格式包含了更多的工程信息和元数据，如尺寸公差、材料属性和制造工艺等，精度高，以满足工程设计和制造的需求，因此，工业软件会使用CAD文件进行生产和制造。
网格文件和CAD文件应用范围
| 工业软件（Rhino,UG, DX） | 3D渲染软件（3Dmax，Maya） | |
| 目的 | 获取物体的几何形状和结构 | 获取物体外观、纹理、材质等视觉属性 |
| 建模对象 | 汽车零部件、医疗器械零部件、工业铸件 | 特效模型、游戏角色模型 |
| 要求 | 高精度，工业级 | 只需模拟外观，追求视觉效果和艺术性 |
| 数据结构 | 物体完整几何结构（几何体、NURBS曲面创建等） | 三角网格结构（多边形建模） |
| 模型格式 | stp，igs，sld，prt，dwg | stl，obj |
结论
在三维扫描和建模领域中，网格文件与CAD文件各自扮演着重要的角色。网格文件以其灵活性和适应性，能够高效地表示复杂的三维形状，广泛应用于视觉效果、动画和虚拟现实等领域。而CAD文件则以其精确性和规范性，为工程设计、制造和建筑提供了可靠的数据基础。网格文件和CAD文件作为三维扫描世界的两种数据语言，有着不同的数据结构，也因此在不同的领域得到相应的应用。
