STL (파일 포맷)

3. 형식

STL 파일은 3차원 모델의 표면 형상을 삼각형 메시(mesh)로 표현하는 데 널리 사용되는 파일 포맷이다. 이 형식에는 크게 두 가지 종류가 있다: ASCII 형식과 바이너리 형식이다.

• ASCII STL: 사람이 읽을 수 있는 일반 텍스트로 작성된다. 각 삼각형은 꼭짓점 좌표와 법선 벡터 정보로 기술된다. 가독성이 높다는 장점이 있지만, 파일 크기가 크고 데이터를 읽고 쓰는 처리 속도가 상대적으로 느리다.^[14][15]
• 바이너리 STL: ASCII 형식과 동일한 정보를 포함하지만, 데이터를 이진 형태로 저장한다. 이로 인해 파일 크기가 훨씬 작고 데이터 처리 속도가 빠르다. 특히 복잡한 모델의 경우 파일 크기 및 처리 시간 면에서 유리하다. 헤더 정보와 삼각형 개수, 그리고 각 삼각형 데이터(법선 벡터, 꼭짓점 좌표)가 순차적으로 저장된다.

3. 1. ASCII 형식

• `'''facet normal'''`은 삼각형 면의 법선 벡터(normal vector|노멀 벡터^영어)를 나타내며, 세 개의 부동소수점 숫자(n_i, n_j, n_k)로 표현된다. 이 벡터는 보통 크기가 1인 단위 벡터여야 한다.
• `'''outer loop'''`와 `'''endloop'''` 사이에는 삼각형을 구성하는 세 개의 꼭짓점(vertex) 좌표가 온다. 각 `'''vertex'''` 뒤에는 x, y, z 좌표값이 부동소수점 숫자로 표시된다. 꼭짓점은 오른손 법칙에 따라 시계 반대 방향 순서로 나열되어야 한다. 수학적으로는 꼭짓점 좌표로부터 법선 벡터를 계산할 수 있지만, STL 형식에서는 법선 벡터를 명시적으로 포함한다.
• 법선 벡터(`n`)와 꼭짓점 좌표(`v`)의 각 성분은 `부호-가수-e-부호-지수` 형식의 부동소수점 숫자로 표현된다(예: `2.648000e-002`, `1.000000e+01`). 법선 벡터 성분은 음수일 수 있지만, 좌표 성분은 일반적으로 0 또는 양수 값을 가진다.

3. 2. 바이너리 형식

각 삼각형 데이터는 총 50바이트로 구성되며, 세부 내용은 다음과 같다.

=== 색상 정보 ===

표준 바이너리 STL 형식에는 색상 정보가 포함되지 않지만, 색상 정보를 추가하기 위한 비표준 방식이 최소 두 가지 존재한다.

==== VisCAM / SolidView 방식 ====

VisCAM 및 SolidView 소프트웨어는 각 삼각형 데이터 끝에 있는 2바이트의 "속성 바이트 수" 공간을 사용하여 15비트 RGB 색상 정보를 저장한다.

==== Materialise Magics 방식 ====

Materialise Magics 소프트웨어는 두 가지 방식으로 색상 정보를 저장할 수 있다.

# 객체 전체 색상: 파일 시작 부분의 80바이트 헤더 영역을 사용한다. 헤더 내에 ASCII 문자열 `COLOR=`가 포함되어 있으면, 그 뒤에 오는 4바이트가 각각 빨간색(Red), 녹색(Green), 파란색(Blue), 알파 채널(Alpha, 투명도) 값을 0–255 범위로 나타낸다. 이 색상은 개별 면에서 별도로 지정하지 않는 한 객체 전체에 적용된다. Magics는 재료 정보도 지원하는데, `COLOR=` 지정 바로 뒤에 `,MATERIAL=` 문자열과 함께 분산 반사(diffuse), 반사광(specular), 주변광(ambient) 색상 정보(각각 4바이트씩, 총 12바이트)를 추가할 수 있다. 재료 설정은 기본 색상 설정보다 우선한다.

# 면별 색상: 각 삼각형 데이터의 "속성 바이트 수" 공간(2바이트)을 사용한다. 비트 할당 방식은 VisCAM/SolidView와 유사하지만 색상 순서가 다르다.

VisCAM/SolidView 방식과 Materialise Magics의 면별 색상 방식은 사용하는 비트 공간은 같지만, 저장하는 색상(RGB)의 순서가 서로 반대이다. 이 때문에 두 형식 간의 호환성은 없으며, 일반적인 STL 리더가 두 형식을 자동으로 구분하기도 어렵다. 또한 두 방식 모두 면별 투명도(알파 값)를 지정할 수 없어, 특정 면만 선택적으로 투명하게 만드는 것은 불가능하다.

3. 3. 법선 벡터

4. 특징

STL 파일은 3차원 형상을 구성하는 작은 삼각형 요소의 집합으로 기술한다.^[17][18] 기본적으로 삼각형만 사용하며, 다른 다각형이나 곡선은 다루지 않는 것이 특징이다. 각 삼각형 요소는 세 개의 꼭짓점 좌표와 법선 벡터로 정의되는 삼각형 폴리곤이며, 이를 패싯(facet)이라고 부른다.

이러한 구조 때문에 곡면을 완벽하게 표현하는 것은 불가능하다. 곡면을 표현하려면 삼각형의 크기를 줄여 근사적으로 나타내야 하는데, 정확도를 높이기 위해 삼각형 수를 늘리면 파일 크기가 매우 커지는 단점이 있다. 예를 들어, Rhino 3d^[17]나 Blender^[18]와 같은 3D 디자인 프로그램은 NURBS 같은 기술을 사용하여 실제 곡면 정보를 더 작은 파일 크기로 저장할 수 있지만, 모델을 STL 형식으로 내보낼 때는 결국 삼각형 메쉬로 변환해야 한다.

또한 STL 파일은 색상, 재질, 텍스처 정보나 위상 데이터(형상 간의 연결 정보)를 포함하지 않는다. 데이터 구조가 단순하다는 점 때문에 래피드 프로토타이핑 분야에서 표준 포맷으로 널리 사용되고 있으며, 다양한 래피드 프로토타이핑 시스템에서 지원된다.

표준 STL 형식에서는 색상 등의 추가 정보를 정의할 수 없지만, 일부 소프트웨어에서는 바이너리 STL 파일 형식에서 패싯 번호를 정의하는 2바이트 공간을 활용하여 색상 정보를 지정하는 등 확장된 기능을 사용하기도 한다.

5. 3D 프린팅에서의 활용

6. 기타 분야에서의 활용

STL 파일은 CAD/CAM 시스템 사이의 데이터를 주고받는 데 사용될 수 있다. 또한, Mathematica와 같은 계산 환경과의 데이터 교환에도 활용된다.

7. 한계 및 개선 노력

STL 파일 형식은 3차원 형상을 구성하는 작은 삼각형 요소의 집합으로 기술한다. 이 삼각형 요소는 세 개의 꼭짓점 좌표와 법선 벡터로 정의되는 폴리곤이며, 패싯(facet)이라고 불린다.^[17][18] 데이터 구조가 간단하여 래피드 프로토타이핑 분야에서 표준 포맷으로 널리 사용되고 있다.

그러나 STL 형식은 몇 가지 본질적인 한계를 가지고 있다.

• 곡면 표현의 한계: STL은 삼각형만을 사용하기 때문에 수학적 곡면을 완벽하게 표현할 수 없다. 곡면을 근사적으로 표현하기 위해 더 많은 삼각형을 사용하면 파일 크기가 매우 커질 수 있다. 예를 들어, Rhino 3D^[17]나 Blender^[18]와 같은 3D 디자인 프로그램은 NURBS를 사용하여 실제 곡면을 생성하고 이를 고유 파일 형식으로 저장할 수 있지만, 모델을 STL 형식으로 내보낼 때는 이를 삼각형 메쉬로 변환해야 한다.
• 위상 정보 부족: 형상 간의 연결 정보, 즉 위상 데이터가 포함되지 않아 복잡한 형상을 다루거나 수정하기 어렵다.
• 추가 정보 부재: 기본적으로 색상, 재질, 점, 선과 같은 삼각형 폴리곤 외의 정보는 포함하지 않는다. 다만, 일부 소프트웨어에서는 바이너리 STL 형식의 특정 부분을 활용하여 색상 정보를 추가하는 확장 기능을 사용하기도 한다.

참조

_[1] 웹사이트 model/stl https://www.iana.org[...] IANA 2018-03-06
_[2] 웹사이트 STL (STereoLithography) File Format Family https://www.loc.gov/[...] 2022-05-30
_[3] 간행물 StereoLithography Interface Specification 3D Systems, Inc. 1988-07
_[4] 간행물 StereoLithography Interface Specification 3D Systems, Inc. 1989-10
_[5] 간행물 SLC File Specification 3D Systems, Inc.
_[6] 서적 User's Guide to Rapid Prototyping Society of Manufacturing Engineers 2004
_[7] 웹사이트 STLA Files - ASCII stereolithography files https://people.math.[...] 2014-07-10
_[8] 웹사이트 The StL Format: Standard Data Format for Fabbers http://www.fabbers.c[...] 2022-05-30
_[9] 서적 Automated Fabrication: Improving Productivity in Manufacturing Prentice Hall PTR 1993
_[10] 간행물 Rapid Prototyping: Principles and Applications World Scientific Publishing Co.
_[11] 웹사이트 STL File Format for 3D Printing - Explained in Simple Terms https://all3dp.com/w[...] 2016-11-17
_[12] 웹사이트 STL 2.0 May Replace Old, Limited File Format http://www.rapidtoda[...] 2017-05-05
_[13] 컨퍼런스 STL 2.0: A Proposal for a Universal Multi-Material Additive Manufacturing File Format https://sffsymposium[...] 2009
_[14] 웹사이트 STL format http://paulbourke.ne[...] 1999-10
_[15] 웹사이트 STL (STereoLithography) File Format, ASCII https://www.loc.gov/[...] 2022-05-30
_[16] 서적 The History of Visual Magic in Computers: How Beautiful Images are Made in CAD, 3D, VR and AR https://www.worldcat[...] Springer
_[17] 웹사이트 What are NURBS? https://www.rhino3d.[...] 2021-06-25
_[18] 웹사이트 Structure — Blender Manual https://docs.blender[...] 2021-06-25
_[19] 서적 3D Printing: The Next Industrial Revolution https://www.worldcat[...] ExplainingTheFuture.com
_[20] 웹인용 model/stl https://www.iana.org[...] IANA 2018-03-06
_[21] 웹인용 STL (STereoLithography) File Format Family https://www.loc.gov/[...] 2022-05-30
_[22] 인용 StereoLithography Interface Specification 3D Systems, Inc. 1988-07
_[23] 인용 StereoLithography Interface Specification 3D Systems, Inc. 1989-10
_[24] 인용 SLC File Specification 3D Systems, Inc.
_[25] 웹인용 STL File Format for 3D Printing - Explained in Simple Terms https://all3dp.com/w[...] 2016-11-17
_[26] 웹인용 STL 2.0 May Replace Old, Limited File Format http://www.rapidtoda[...]
_[27] 웹인용 STL 2.0: A Proposal for a Universal Multi-Material Additive Manufacturing File Format https://sffsymposium[...] Cornell University 2009