3D моделирование -3D modeling

В компьютерной 3D - графике 3D-моделирование — это процесс разработки основанного на координатах математического представления любой поверхности объекта (неодушевленного или живого) в трех измерениях с помощью специализированного программного обеспечения путем манипулирования ребрами, вершинами и многоугольниками в моделируемом трехмерном пространстве.

Трехмерные (3D) модели представляют физическое тело с помощью набора точек в трехмерном пространстве, соединенных различными геометрическими объектами, такими как треугольники, линии, изогнутые поверхности и т. д. Будучи набором данных ( точек и другой информации), трехмерные модели могут быть созданы вручную, алгоритмически ( процедурное моделирование ) или путем сканирования . Их поверхности могут быть дополнительно определены с помощью наложения текстуры .

Контур

Продукт называется 3D-моделью . Кого-то, кто работает с 3D-моделями, можно назвать 3D-художником или 3D-моделером .

3D -модель также может отображаться в виде двухмерного изображения с помощью процесса, называемого 3D-рендерингом , или использоваться в компьютерном моделировании физических явлений.

3D-модели могут создаваться автоматически или вручную. Процесс ручного моделирования подготовки геометрических данных для трехмерной компьютерной графики аналогичен пластическим искусствам , таким как скульптура . 3D - модель может быть физически создана с помощью устройств 3D-печати , которые формируют 2D-слои модели из трехмерного материала, по одному слою за раз. Без 3D-модели 3D-печать невозможна.

Программное обеспечение для 3D-моделирования — это класс программного обеспечения для компьютерной 3D-графики , используемого для создания 3D-моделей. Отдельные программы этого класса, такие как SketchUp , называются приложениями для моделирования.

История

Трехмерная модель спектрографа
Вращающаяся 3D-модель видеоигры
3D- модели для селфи создаются из 2D-изображений, сделанных в фотобудке Fantasitron 3D в Мадуродаме .

3D-модели в настоящее время широко используются везде в  3D-графике  и  САПР , но их история предшествует широкому использованию 3D-графики на  персональных компьютерах .

В прошлом во многих  компьютерных играх  использовались предварительно визуализированные изображения 3D-моделей в качестве  спрайтов ,  прежде чем компьютеры могли отображать их в реальном времени. Затем дизайнер может видеть модель в разных направлениях и видах, это может помочь дизайнеру увидеть, создан ли объект так, как задумано, по сравнению с их первоначальным видением. Такой взгляд на дизайн может помочь дизайнеру или компании определить изменения или улучшения, необходимые для продукта.

Представление

Современный рендеринг культовой модели чайника из Юты , разработанной Мартином Ньюэллом (1975). Чайник Юта — одна из самых распространенных моделей, используемых в обучении 3D-графике.

Практически все 3D-модели можно разделить на две категории:

  • Solid — эти модели определяют объем объекта, который они представляют (например, камень). Твердотельные модели в основном используются для инженерного и медицинского моделирования и обычно строятся с использованием конструктивной твердотельной геометрии.
  • Оболочка или граница . Эти модели представляют собой поверхность, то есть границу объекта, а не его объем (как бесконечно тонкая яичная скорлупа). Почти все визуальные модели, используемые в играх и фильмах, являются моделями-оболочками.

Моделирование твердого тела и оболочки позволяет создавать функционально идентичные объекты. Различия между ними в основном заключаются в вариациях способов их создания и редактирования, а также в условностях использования в различных областях и различиях в типах приближений между моделью и реальностью.

Модели оболочек должны быть многообразными (не иметь отверстий или трещин в оболочке), чтобы иметь смысл как реальный объект. В оболочечной модели куба нижняя и верхняя поверхности куба должны иметь одинаковую толщину, без отверстий и трещин в первом и последнем напечатанном слое. Полигональные сетки (и, в меньшей степени , поверхности подразделения ) являются наиболее распространенным представлением. Наборы уровней являются полезным представлением для деформируемых поверхностей, которые претерпевают множество топологических изменений, таких как жидкости .

Процесс преобразования представлений объектов, таких как координата средней точки сферы и точка на ее окружности , в полигональное представление сферы, называется тесселяцией . Этот шаг используется при рендеринге на основе полигонов, где объекты разбиваются от абстрактных представлений (« примитивов »), таких как сферы, конусы и т. д ., до так называемых сеток , которые представляют собой сети взаимосвязанных треугольников. Сетки треугольников (вместо, например , квадратов ) популярны, так как их легко растрировать (поверхность, описываемая каждым треугольником, плоская, поэтому проекция всегда выпуклая); . Представления полигонов используются не во всех методах рендеринга, и в этих случаях этап тесселяции не включается в переход от абстрактного представления к визуализируемой сцене.

Процесс

Существует три популярных способа представления модели:

  • Полигональное моделирование . Точки в 3D-пространстве, называемые вершинами , соединяются отрезками линий, образуя полигональную сетку . Подавляющее большинство 3D-моделей сегодня построены как текстурированные полигональные модели, потому что они гибкие, потому что компьютеры могут очень быстро их визуализировать. Однако многоугольники являются плоскими и могут только аппроксимировать криволинейные поверхности, используя множество многоугольников.
  • Моделирование кривых . Поверхности определяются кривыми, на которые влияют взвешенные контрольные точки. Кривая следует (но не обязательно интерполирует) по точкам. Увеличение веса точки приведет к приближению кривой к этой точке. Типы кривых включают неоднородный рациональный B-сплайн (NURBS), сплайны, патчи и геометрические примитивы.
  • Цифровая скульптура . Все еще довольно новый метод моделирования, трехмерная скульптура стала очень популярной за несколько лет существования. В настоящее время существует три типа цифрового скульптинга: Displacement , который на данный момент является наиболее широко используемым среди приложений, использует плотную модель (часто генерируемую поверхностями подразделения полигональной управляющей сетки) и сохраняет новые местоположения для позиций вершин с помощью карта изображений, на которой хранятся скорректированные местоположения. Volumetric , слабо основанный на вокселях , имеет те же возможности, что и смещение, но не страдает от растяжения полигонов, когда в области недостаточно полигонов для достижения деформации. Динамическая тесселяция , похожая на воксельную, разделяет поверхность с помощью триангуляции , чтобы сохранить гладкую поверхность и обеспечить более мелкие детали. Эти методы позволяют проводить очень художественные исследования, поскольку модель будет иметь новую топологию, созданную поверх нее после того, как модели сформируются и, возможно, будут созданы детали. Новая сетка обычно содержит исходную информацию о сетке высокого разрешения, перенесенную в данные смещения или данные карты нормалей , если для игрового движка.
Трехмерная фантазийная рыба, состоящая из органических поверхностей, созданных с помощью LAI4D.

Этап моделирования состоит из формирования отдельных объектов, которые впоследствии используются в сцене. Существует несколько методов моделирования, в том числе:

Моделирование может быть выполнено с помощью специальной программы (например, Cinema 4D , Maya , 3ds Max , Blender , LightWave , Modo ) или компонента приложения (Shaper, Lofter в 3ds Max) или некоторого языка описания сцены (как в POV-Ray ). ). В некоторых случаях строгого разграничения между этими фазами нет; в таких случаях моделирование является лишь частью процесса создания сцены (так обстоит дело, например, с Caligari trueSpace и Realsoft 3D ).

Трехмерные модели также можно создавать с использованием техники фотограмметрии с помощью специальных программ, таких как RealityCapture , Metashape , 3DF Zephyr и Meshroom. Очистку и дальнейшую обработку можно выполнять с помощью таких приложений, как MeshLab , GigaMesh Software Framework , netfabb или MeshMixer. Фотограмметрия создает модели с использованием алгоритмов для интерпретации формы и текстуры объектов и окружающей среды реального мира на основе фотографий, сделанных с разных ракурсов.

Сложные материалы, такие как летящий песок, облака и жидкие брызги, моделируются с помощью систем частиц и представляют собой массу трехмерных координат , которым назначены точки , полигоны , пятна текстур или спрайты .

Модели человека

Первое широкодоступное коммерческое приложение виртуальных моделей человека появилось в 1998 году на веб-сайте Lands' End . Виртуальные модели людей были созданы компанией My Virtual Mode Inc. и позволили пользователям создать собственную модель и примерить 3D-одежду. Существует несколько современных программ, позволяющих создавать виртуальные человеческие модели ( например, Poser ).

3D одежда

Динамическая 3D-модель одежды, сделанная в Marvelous Designer

Разработка программного обеспечения для моделирования одежды , такого как Marvelous Designer, CLO3D и Optitex, позволила художникам и модельерам моделировать динамическую трехмерную одежду на компьютере. Динамическая 3D-одежда используется для виртуальных модных каталогов, а также для одевания 3D-персонажей для видеоигр, 3D-анимационных фильмов, для цифровых двойников в кино, а также для изготовления одежды для аватаров в виртуальных мирах, таких как SecondLife .

Сравнение с 2D-методами

Трехмерные фотореалистичные эффекты часто достигаются без каркасного моделирования и иногда неразличимы в окончательной форме. Некоторое графическое программное обеспечение включает фильтры, которые можно применять к 2D-векторной или 2D- растровой графике на прозрачных слоях.

Преимущества каркасного 3D-моделирования по сравнению с исключительно 2D-методами включают:

  • Гибкость, возможность изменять ракурсы или анимировать изображения с более быстрой визуализацией изменений;
  • Простота рендеринга, автоматический расчет и рендеринг фотореалистичных эффектов, а не мысленная визуализация или оценка;
  • Точный фотореализм, меньше шансов на человеческую ошибку при неправильном размещении, переусердствовании или забывании включить визуальный эффект.

Недостатки по сравнению с 2D-фотореалистичным рендерингом могут включать в себя кривую обучения программного обеспечения и трудности с достижением определенных фотореалистичных эффектов. Некоторые фотореалистичные эффекты могут быть достигнуты с помощью специальных фильтров рендеринга, включенных в программное обеспечение для 3D-моделирования. Чтобы получить лучшее из обоих миров, некоторые художники используют комбинацию 3D-моделирования с последующим редактированием 2D-изображений, визуализированных компьютером, из 3D-модели.

Рынок 3D моделей

Первой компанией по продаже 3D-моделей была компания Viewpoint (Орем, Юта), основанная Джоном Райтом в 1988 году. Первой оцифрованной 3D-моделью Джона была машина, созданная в 1984 году с помощью Movie.byu на компьютере HP 9000. Первая 3D-модель «Каталог» была создана для Уоллеса Колварда в 1990 году, который работал на NBC над созданием первого футбольного мяча и шлема для нового рекламного ролика 3D-анимации суперкубка под названием «Bud Bowl». Уоллес позвонил Джону и спросил, есть ли в «каталоге» Viewpoint 3D-футбол. В Viewpoint не было каталога, поэтому Джон и его команда быстро составили первый каталог 3D-объектов, который включал всего несколько 3D-объектов, и отправили его по факсу Уоллесу. К 1998 году объем продаж 3D-моделей Viewpoint вырос до более чем 6 миллионов долларов, и их модели до сих пор показывают в тысячах фильмов («Вспомнить все», «День независимости», «Анц» и т. д.). такие как текстуры, скрипты и т. д.) все еще существует — либо для отдельных моделей, либо для больших коллекций. Несколько онлайн-площадок для 3D-контента позволяют отдельным художникам продавать созданный ими контент, включая TurboSquid , CGStudio, CreativeMarket, Sketchfab , CGTrader и Cults. Часто цель художников состоит в том, чтобы получить дополнительную ценность от активов, которые они ранее создали для проектов. Таким образом, художники могут заработать больше денег на своем старом контенте, а компании могут сэкономить деньги, покупая готовые модели вместо того, чтобы платить сотруднику за создание модели с нуля. Эти торговые площадки обычно делят продажу между собой и художником, создавшим актив, художники получают от 40% до 95% продаж в зависимости от торговой площадки. В большинстве случаев художник сохраняет за собой право собственности на 3D-модель, а заказчик покупает только право использовать и презентовать модель. Некоторые художники продают свою продукцию напрямую в собственных магазинах, предлагая свою продукцию по более низкой цене, не используя посредников.

За последние несколько лет появилось множество торговых площадок, специализирующихся на моделях для 3D-печати. Некоторые из торговых площадок 3D-печати представляют собой комбинацию сайтов для совместного использования моделей со встроенной функцией электронной связи или без нее. Некоторые из этих платформ также предлагают услуги 3D-печати по запросу, программное обеспечение для рендеринга моделей и динамического просмотра элементов и т. д. Платформы для обмена файлами 3D-печати включают Shapeways , Sketchfab , Pinshape , Thingiverse , TurboSquid , CGTrader , Threeding , MyMiniFactory и GrabCAD .

3D печать

Термин 3D-печать или трехмерная печать представляет собой форму технологии аддитивного производства, в которой трехмерный объект создается из последовательных слоев материала. Объекты могут быть созданы без необходимости использования сложных дорогостоящих форм или сборки из нескольких частей. 3D-печать позволяет создавать прототипы и тестировать идеи без необходимости прохождения производственного процесса.

В последние годы наблюдается рост числа компаний, предлагающих персонализированные 3D-печатные модели объектов, которые были отсканированы, спроектированы в программном обеспечении САПР, а затем распечатаны в соответствии с требованиями заказчика. 3D-модели могут быть приобретены в онлайн-магазинах и распечатаны отдельными лицами или компаниями с использованием имеющихся в продаже 3D-принтеров, что позволяет производить в домашних условиях такие предметы, как запасные части и даже медицинское оборудование.

Использование

Этапы судебно-медицинской реконструкции лица мумии , выполненной в Blender бразильским 3D-дизайнером Сисеро Мораесом .

Сегодня 3D-моделирование используется в различных отраслях, таких как кино, анимация и игры, дизайн интерьера и архитектура . Они также используются в медицинской промышленности для создания интерактивных представлений анатомии.

Медицинская промышленность использует подробные модели органов; они могут быть созданы с помощью нескольких срезов двумерных изображений МРТ или КТ . Киноиндустрия использует их в качестве персонажей и объектов для анимационных и реальных фильмов . Индустрия видеоигр использует их в качестве активов для компьютерных и видеоигр .

В научном секторе они используются в качестве высокодетализированных моделей химических соединений.

Архитектурная индустрия использует их для демонстрации предлагаемых зданий и ландшафтов вместо традиционных физических архитектурных моделей .

Сообщество археологов в настоящее время создает 3D-модели культурного наследия для исследований и визуализации.

Инженерное сообщество использует их для разработки новых устройств, транспортных средств и конструкций, а также для множества других целей.

В последние десятилетия научное сообщество начало строить трехмерные геологические модели в качестве стандартной практики.

3D-модели также могут быть основой для физических устройств, созданных с помощью 3D-принтеров или станков с ЧПУ .

С точки зрения разработки видеоигр, 3D-моделирование — это один из этапов более длительного процесса разработки. Проще говоря, источником геометрии для формы объекта может быть:

1. Дизайнер, инженер-технолог или художник, использующий систему 3D-CAD.

2. Существующий объект, реконструированный или скопированный с помощью дигитайзера или сканера трехмерных форм.

3. Математические данные, хранящиеся в памяти на основе числового описания или расчета объекта.

Большое количество 3D-программ также используется для создания цифровых представлений механических моделей или деталей до их фактического изготовления. Программное обеспечение, связанное с CAD и CAM , используется в таких областях, и с помощью этого программного обеспечения вы можете не только создавать детали, но также собирать их и наблюдать за их функциональностью.

3D-моделирование также используется в области промышленного дизайна , где продукты моделируются в 3D, прежде чем представлять их клиентам. В медиа-индустрии и индустрии событий 3D-моделирование используется в сценографии и декорациях .

Перевод OWL 2 словаря X3D может использоваться для предоставления семантических описаний для 3D-моделей , что подходит для индексации и поиска 3D-моделей по таким признакам, как геометрия, размеры, материал, текстура, диффузное отражение, спектры пропускания, прозрачность, отражательная способность, опалесценция, глазури, лаки и эмали (в отличие от неструктурированных текстовых описаний или 2,5D виртуальных музеев и выставок с использованием Google Street View в Google Arts & Culture , например). RDF - представление 3D-моделей можно использовать в рассуждениях , что позволяет использовать интеллектуальные 3D-приложения, которые, например, могут автоматически сравнивать две 3D-модели по объему.

Тестирование трехмерной твердотельной модели

Твердотельные 3D-модели можно тестировать по-разному, в зависимости от того, что необходимо, используя моделирование, проектирование механизмов и анализ. Если двигатель спроектирован и собран правильно (это может быть сделано по-разному в зависимости от того, какая программа 3D-моделирования используется), используя инструмент механизма, пользователь должен иметь возможность определить, правильно ли собран двигатель или машина, по тому, как он работает. Различные конструкции должны быть протестированы по-разному. Например; насосу для бассейна потребуется симуляция протекания воды через насос, чтобы увидеть, как вода течет через насос. Эти тесты проверяют, правильно ли разработан продукт или его необходимо модифицировать, чтобы он соответствовал требованиям.

Смотрите также

внешняя ссылка

СМИ, связанные с 3D-моделированием , на Викискладе?

использованная литература