3D моделирование

Трёхмерная (3D) компьютерная графика
Основы
Моделирование Сканирование Рендеринг Печать
Основное применение
3D модели Компьютерное проектирование Графический дизайн Видеоигры Визуальные эффекты Визуализация Виртуальное проектирование Виртуальная реальность Виртуальная кинематография
Похожие темы
Компьютерно-генерируемые изображения (CGI) Анимация компьютер скелетный 3D-дисплей Wire-frame model Texture mapping Motion capture Crowd simulation Global illumination Volume rendering
v t e

В трехмерной компьютерной графике трехмерное моделирование представляет собой процесс разработки математического координатного представления поверхности объекта (неживого или живого) в трех измерениях с помощью специализированного программного обеспечения путем манипулирования ребрами, вершинами и полигонами в моделируемом трехмерном пространстве . ^{[1] [2] [3]}

Трехмерные (3D) модели представляют физическое тело с использованием набора точек в трехмерном пространстве, соединенных различными геометрическими объектами, такими как треугольники, линии, криволинейные поверхности и т. д. ^[4] Будучи набором данных ( точек и другой информации), 3D-модели могут быть созданы вручную, алгоритмически ( процедурное моделирование ) или путем сканирования . ^{[5] [6]} Их поверхности могут быть дополнительно определены с помощью текстурного отображения .

Продукт называется 3D-моделью, а тот, кто работает с 3D-моделями, может называться 3D-художником или 3D-модельером.

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

3D-модели могут создаваться автоматически или вручную. Процесс ручного моделирования при подготовке геометрических данных для 3D-компьютерной графики похож на пластическое искусство, например, скульптуру . 3D-модель может быть физически создана с помощью 3D-печатных устройств, которые формируют 2D-слои модели с трехмерным материалом, по одному слою за раз. Без 3D-модели 3D-печать невозможна.

Программное обеспечение для 3D-моделирования — это класс программного обеспечения для 3D-компьютерной графики , используемого для создания 3D-моделей. Отдельные программы этого класса называются приложениями для моделирования. ^[7]

3D-модели в настоящее время широко используются в  3D-графике  и  САПР , но их история предшествовала широкому использованию 3D-графики на  персональных компьютерах . ^[9]

В прошлом многие  компьютерные игры  использовали предварительно отрендеренные изображения 3D-моделей в качестве  спрайтов  , прежде чем компьютеры могли отрендерить их в реальном времени. Затем дизайнер может увидеть модель в различных направлениях и видах, это может помочь дизайнеру увидеть, создан ли объект так, как задумано, по сравнению с их первоначальным видением. Просмотр дизайна таким образом может помочь дизайнеру или компании понять, какие изменения или улучшения необходимы для продукта. ^[10]

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

• Твердые тела – Эти модели определяют объем объекта, который они представляют (например, камень). Твердые тела в основном используются для инженерных и медицинских симуляций и обычно строятся с помощью конструктивной твердотельной геометрии.
• Оболочка или граница – Эти модели представляют поверхность, т. е. границу объекта, а не его объем (как бесконечно тонкая яичная скорлупа). Почти все визуальные модели, используемые в играх и фильмах, являются оболочечными моделями.

Моделирование твердых тел и оболочек позволяет создавать функционально идентичные объекты. Различия между ними в основном заключаются в вариациях в способах их создания и редактирования, в соглашениях об использовании в различных областях и в 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 модели оболочки куба нижняя и верхняя поверхности куба должны иметь равномерную толщину без отверстий или трещин в первом и последнем напечатанном слое. Полигональные сетки (и в меньшей степени поверхности подразделения ) являются наиболее распространенным представлением. Уровневые множества являются полезным представлением для деформирующихся 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 многоугольное представление сферы называется тесселяцией . Этот шаг используется в рендеринге на основе полигонов, где объекты разбиваются из абстрактных представлений (« примитивов »), таких как сферы, конусы и т. д., на так называемые сетки , которые представляют собой сети взаимосвязанных треугольников. Сетки треугольников (вместо, например, квадратов ) популярны, поскольку их легко растеризовать ( поверхность, описываемая каждым треугольником, является плоской, поэтому проекция всегда выпуклая). ^[11] Многоугольные представления используются не во всех методах рендеринга, и в этих случаях шаг тесселяции не включен в переход от абстрактного представления к визуализированной сцене.

Существует три популярных способа представления модели:

• Полигональное моделирование – Точки в трехмерном пространстве, называемые вершинами , соединены отрезками линий, образуя полигональную сетку . Подавляющее большинство трехмерных моделей сегодня построены как текстурированные полигональные модели, потому что они гибкие, потому что компьютеры могут отображать их очень быстро. Однако полигоны являются плоскими и могут только аппроксимировать криволинейные поверхности, используя множество полигонов.
• Моделирование кривых – поверхности определяются кривыми, на которые влияют взвешенные контрольные точки. Кривая следует за точками (но не обязательно интерполирует их). Увеличение веса точки приближает кривую к этой точке. Типы кривых включают неравномерный рациональный B-сплайн (NURBS), сплайны, заплатки и геометрические примитивы
• Цифровая скульптура — существует три типа цифровой скульптуры: Смещение , которое в настоящее время является наиболее широко используемым среди приложений, использует плотную модель (часто генерируемую поверхностями подразделения полигональной сетки управления) и сохраняет новые местоположения для позиций вершин с помощью карты изображений, которая хранит скорректированные местоположения. Объемный , в общих чертах основанный на вокселях , имеет схожие возможности со смещением, но не страдает от растяжения полигонов, когда в области недостаточно полигонов для достижения деформации. Динамическая тесселяция , которая похожа на воксель, делит поверхность с помощью триангуляции , чтобы поддерживать гладкую поверхность и обеспечивать более мелкие детали. Эти методы позволяют проводить художественные исследования, поскольку модель имеет новую топологию, созданную над ней после того, как модели сформированы и, возможно, детали были вылеплены. Новая сетка обычно имеет исходную информацию сетки высокого разрешения, переданную в данные смещения или данные карты нормалей, если это игровой движок.

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

• Конструктивная стереометрия
• Неявные поверхности
• Подразделение поверхностей

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

3D-модели также могут быть созданы с использованием техники фотограмметрии с помощью специальных программ, таких как RealityCapture , Metashape и 3DF Zephyr . Очистка и дальнейшая обработка могут быть выполнены с помощью таких приложений, как MeshLab , GigaMesh Software Framework , netfabb или MeshMixer. Фотограмметрия создает модели с использованием алгоритмов для интерпретации формы и текстуры реальных объектов и сред на основе фотографий, сделанных с разных углов объекта.

Сложные материалы, такие как песчаные бури, облака и брызги жидкости, моделируются с помощью систем частиц и представляют собой массу трехмерных координат , которым назначены точки , полигоны , текстурные пятна или спрайты .

Существует множество программ 3D-моделирования, которые можно использовать в таких отраслях, как машиностроение, дизайн интерьера, кино и др. Каждое программное обеспечение для 3D-моделирования обладает определенными возможностями и может использоваться для удовлетворения потребностей отрасли.

Многие программы включают опции экспорта для формирования g-кода , применимого к аддитивному или субтрактивному производственному оборудованию. G-код (числовое программное управление) работает с автоматизированной технологией для формирования реального представления 3D-моделей. Этот код представляет собой определенный набор инструкций для выполнения этапов производства продукта. ^[12]

Первое широкодоступное коммерческое приложение виртуальных моделей человека появилось в 1998 году на веб-сайте Lands' End . Виртуальные модели человека были созданы компанией My Virtual Mode Inc. и позволяли пользователям создавать модели себя и примерять 3D-одежду. Существует несколько современных программ, которые позволяют создавать виртуальные модели человека ( например, Poser ).

Развитие программного обеспечения для моделирования ткани , такого как Marvelous Designer, CLO3D и Optitex, позволило художникам и модельерам моделировать динамическую 3D-одежду на компьютере. ^[13] Динамическая 3D-одежда используется для виртуальных каталогов моды, а также для одевания 3D-персонажей для видеоигр, 3D-мультфильмов, для цифровых двойников в фильмах, ^[14] как инструмент создания цифровых модных брендов, а также для создания одежды для аватаров в виртуальных мирах, таких как SecondLife .

3D фотореалистичные эффекты часто достигаются без каркасного моделирования и иногда неразличимы в окончательном виде. Некоторые графические программы включают фильтры, которые можно применять к 2D векторной графике или 2D растровой графике на прозрачных слоях.

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

• Гибкость, возможность менять ракурсы или анимировать изображения с более быстрой визуализацией изменений;
• Простота рендеринга, автоматический расчет и создание фотореалистичных эффектов вместо мысленной визуализации или оценки;
• Точная фотореалистичность, меньшая вероятность человеческой ошибки, связанной с неправильным размещением, переусердствованием или забыванием включить визуальный эффект.

Недостатки по сравнению с 2D-фотореалистичным рендерингом могут включать в себя кривую обучения программному обеспечению и сложность достижения определенных фотореалистичных эффектов. Некоторые фотореалистичные эффекты могут быть достигнуты с помощью специальных фильтров рендеринга, включенных в программное обеспечение для 3D-моделирования. Для лучшего из обоих миров некоторые художники используют комбинацию 3D-моделирования с последующим редактированием 2D-изображений, отрендеренных компьютером из 3D-модели.

Существует большой рынок 3D-моделей (а также 3D-контента, такого как текстуры, скрипты и т. д.) — как для отдельных моделей, так и для больших коллекций. Несколько онлайн-площадок для 3D-контента позволяют отдельным художникам продавать контент, который они создали, включая TurboSquid , MyMiniFactory , Sketchfab , CGTrader и Cults . Часто целью художников является получение дополнительной ценности от активов, которые они ранее создали для проектов. Поступая так, 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 площадки обычно делят продажу между собой и художником, создавшим актив, художники получают от 40% до 95% продаж в зависимости от площадки. В большинстве случаев художник сохраняет право собственности на 3D-модель, в то время как клиент покупает только право использовать и представлять модель. Некоторые художники продают свою продукцию напрямую в собственных магазинах, предлагая ее по более низкой цене, не прибегая к услугам посредников.

Архитектура, проектирование и строительство (AEC) являются крупнейшим рынком для 3D-моделирования, с предполагаемой стоимостью в 12,13 млрд долларов к 2028 году. ^[15] Это связано с растущим внедрением 3D-моделирования в отрасли AEC, которое помогает повысить точность проектирования, сократить количество ошибок и упущений и облегчить сотрудничество между заинтересованными сторонами проекта. ^{[16] [17]}

За последние несколько лет появилось множество торговых площадок, специализирующихся на 3D-рендеринге и печати моделей. Некоторые из торговых площадок 3D-печати представляют собой комбинацию сайтов обмена моделями, с возможностью или без встроенной электронной коммерции. Некоторые из этих платформ также предлагают услуги 3D-печати по запросу, программное обеспечение для рендеринга моделей и динамического просмотра предметов.

Термин 3D-печать или трехмерная печать — это форма технологии аддитивного производства, в которой трехмерный объект создается из последовательных слоев материала. ^[18] Объекты могут быть созданы без необходимости в сложных дорогих формах или сборке из нескольких частей. 3D-печать позволяет прототипировать идеи и тестировать их без необходимости проходить через производственный процесс. ^{[18] [19]}

3D-модели могут быть приобретены на интернет-площадках 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. ^{[20] [21]}

Сегодня 3D-моделирование используется в различных отраслях, таких как кино, анимация и игры, дизайн интерьера и архитектура . ^[22] Они также используются в медицинской отрасли для создания интерактивных представлений анатомии. ^[23]

Медицинская индустрия использует подробные модели органов; они могут быть созданы с помощью нескольких двумерных срезов изображения с 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 .

Научный сектор использует их как высокодетализированные модели химических соединений. [ ^24]

Архитектурная индустрия использует 3D-модели для демонстрации предлагаемых зданий и ландшафтов вместо традиционных физических архитектурных моделей . Кроме того, использование уровня детализации (LOD) в 3D-моделях становится все более важным в отрасли AEC. LOD — это мера уровня детализации и точности, включенных в 3D-модель. Уровни LOD варьируются от 100 до 500, причем LOD 100 представляет собой концептуальную модель, которая показывает базовую массу и расположение объектов, а LOD 500 представляет собой чрезвычайно подробную модель, которая включает информацию о каждом аспекте здания, включая системы MEP и внутреннюю отделку. Используя LOD, архитекторы , инженеры и генеральный подрядчик могут более эффективно сообщать о замысле проекта и принимать более обоснованные решения на протяжении всего процесса строительства. ^{[25] [26]}

Археологическое сообщество в настоящее время создает 3D-модели культурного наследия для исследования и визуализации. ^{[27] [28]}

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

В последние десятилетия сообщество ученых-геологов стало стандартной практикой построения трехмерных геологических моделей.

3D-модели могут стать основой для физических устройств, создаваемых с помощью 3D-принтеров или станков с ЧПУ .

В разработке видеоигр 3D-моделирование является одним из этапов более длительного процесса разработки. Источником геометрии для формы объекта может быть:

1. Дизайнер, промышленный инженер или художник, использующий систему 3D-CAD
2. Существующий объект, реконструированный или скопированный с помощью 3D-цифрового преобразователя или сканера
3. Математические данные, хранящиеся в памяти на основе числового описания или расчета объекта. ^[18]

Широкий спектр 3D-программ также используется для создания цифрового представления механических моделей или деталей до их фактического изготовления. Используя программное обеспечение, связанное с CAD и CAM , оператор может проверить функциональность сборок деталей.

3D-моделирование используется в области промышленного дизайна , где продукты моделируются в 3D ^[29] перед тем, как представлять их клиентам. В медиа- и событийной индустрии 3D-моделирование используется в сценическом и декорационном дизайне . ^[30]

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). ^[31] Представление RDF 3D-моделей может использоваться в рассуждениях , что позволяет использовать интеллектуальные 3D-приложения, которые, например, могут автоматически сравнивать две 3D-модели по объему. ^[32]

Найдите термин «моделер» в Викисловаре, бесплатном словаре.

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