В 3D - компьютерной графике 3D-моделирование — это процесс разработки математического координатного представления поверхности объекта (неодушевленного или живого) в трех измерениях с помощью специального программного обеспечения путем манипулирования краями, вершинами и многоугольниками в моделируемом трехмерном пространстве . [1] [2] [3]
Трехмерные (3D) модели представляют собой физическое тело с использованием набора точек в трехмерном пространстве, соединенных различными геометрическими объектами, такими как треугольники, линии, изогнутые поверхности и т. д. [4] Являясь набором данных ( точек и другой информации). 3D-модели могут создаваться вручную, алгоритмически ( процедурное моделирование ) или путем сканирования . [5] [6] Их поверхности могут быть дополнительно определены с помощью текстурирования .
Продукт называется 3D-моделью, а того, кто работает с 3D-моделями, можно назвать 3D-художником или 3D-моделером.
3D-модель также можно отображать в виде двухмерного изображения с помощью процесса, называемого 3D-рендерингом , или использовать при компьютерном моделировании физических явлений.
3D-модели могут создаваться автоматически или вручную. Процесс ручного моделирования и подготовки геометрических данных для компьютерной 3D-графики аналогичен пластическим искусствам, таким как скульптура . 3D-модель можно физически создать 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 называются приложениями моделирования. [7]
3D-модели сейчас широко используются в 3D-графике и САПР , но их история предшествует широкому использованию 3D-графики на персональных компьютерах . [9]
В прошлом во многих компьютерных играх в качестве спрайтов использовались предварительно обработанные изображения 3D-моделей, прежде чем компьютеры могли визуализировать их в режиме реального 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 его первоначальным видением. Такой взгляд на дизайн может помочь дизайнеру или компании определить изменения или улучшения, необходимые для продукта. [10]
Практически все 3D-модели можно разделить на две категории:
Моделирование твердых тел и оболочек позволяет создавать функционально идентичные объекты. Различия между ними заключаются в основном в различиях в способах их создания и редактирования, а также в традициях использования в различных областях и различиях в типах приближений между моделью и реальностью.
Модели оболочек должны быть многообразными (не иметь отверстий и трещин в оболочке), чтобы иметь смысл как реальный объект. В модели куба с оболочкой нижняя и верхняя поверхность куба должны иметь одинаковую толщину, без отверстий и трещин в первом и последнем напечатанном слое. Полигональные сетки (и, в меньшей степени, поверхности подразделения ) на сегодняшний день являются наиболее распространенным представлением. Наборы уровней являются полезным представлением для деформирования поверхностей, которые претерпевают множество топологических изменений, таких как жидкости .
Процесс преобразования представлений объектов, таких как координата средней точки сферы и точки на ее окружности , в многоугольное представление сферы, называется тесселяцией . Этот шаг используется при рендеринге на основе полигонов, где объекты разбиваются на абстрактные представления (« примитивы »), такие как сферы, конусы и т. д., на так называемые сетки , которые представляют собой сети взаимосвязанных треугольников. Сетки из треугольников (вместо, например, квадратов ) популярны, поскольку их легко растрировать ( поверхность, описываемая каждым треугольником, плоская, поэтому проекция всегда выпуклая); . [11] Полигональные представления используются не во всех методах рендеринга, и в этих случаях шаг тесселяции не включается при переходе от абстрактного представления к визуализируемой сцене.
Изучение различных типов методов 3D-моделирования [12]
Этап моделирования заключается в формировании отдельных объектов, которые в дальнейшем используются в сцене. Существует ряд методов моделирования, в том числе:
Моделирование может выполняться 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 описания сцены. язык (как в POV-Ray ). В некоторых случаях между этими фазами нет строгого различия; в таких случаях моделирование — это всего лишь часть процесса создания сцены (так обстоит дело, например, с Caligari trueSpace и Realsoft 3D ).
3D-модели также можно создавать с использованием техники фотограмметрии с помощью специальных программ, таких как RealityCapture , Metashape и 3DF Zephyr . Очистку и дальнейшую обработку можно выполнить 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 окружающей среды на основе фотографий, сделанных с разных точек зрения.
Сложные материалы, такие как струящийся песок, облака и брызги жидкости, моделируются с помощью систем частиц и представляют собой массу трехмерных координат , которым назначены точки , многоугольники , текстурные пятна или спрайты .
Существует множество программ 3D-моделирования, которые можно использовать в машиностроении, дизайне интерьеров, кино и других отраслях. Каждое программное обеспечение для 3D-моделирования имеет определенные возможности и может использоваться для удовлетворения потребностей отрасли.
Многие программы включают опции экспорта для формирования g-кода , применимого к оборудованию аддитивного или субтрактивного производства. G-код (числовое программное управление) работает с автоматизированными технологиями для формирования реальной версии 3D-моделей. Этот код представляет собой определенный набор инструкций для выполнения этапов производства продукта. [13]
Первое широко доступное коммерческое применение 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, которые позволяют создавать виртуальные модели людей ( например, Poser ).
Разработка программного обеспечения для моделирования одежды , такого как Marvelous Designer, CLO3D и Optitex, позволила художникам и модельерам моделировать динамическую 3D-одежду на компьютере. [14] Динамическая 3D-одежда используется для виртуальных каталогов модной одежды, а также для одевания 3D-персонажей для видеоигр, 3D-анимационных фильмов, для цифровых двойников в кино, [15] в качестве инструмента создания цифровых модных брендов, а также для изготовление одежды для аватаров в виртуальных мирах, таких как SecondLife .
3D- фотореалистичные эффекты часто достигаются без каркасного моделирования и иногда неотличимы в окончательном виде. Некоторые программы для графической графики включают фильтры, которые можно применять к векторной 2D-графике или растровой 2D-графике на прозрачных слоях.
Преимущества каркасного 3D-моделирования перед исключительно 2D-методами включают в себя:
Недостатки по сравнению с 2D-фотореалистичной визуализацией могут включать в себя необходимость обучения программному обеспечению и трудности с достижением определенных фотореалистичных эффектов. Некоторых фотореалистичных эффектов можно добиться 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 на компьютере, из 3D-модели.
Существует большой рынок 3D-моделей (а также связанного с 3D контента, такого как текстуры, скрипты и т. д.) – как для отдельных моделей, так и для больших коллекций. Несколько онлайн-рынков 3D-контента позволяют отдельным художникам продавать созданный ими контент, включая TurboSquid , MyMiniFactory , Sketchfab , CGTrader и Cults . Часто цель художников — получить дополнительную ценность от активов, которые они ранее создали для проектов. Поступая таким образом, художники могут зарабатывать больше денег на своем старом контенте, а компании могут экономить 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 право собственности на 3D-модель, в то время как клиент покупает только право на использование и представление модели. Некоторые художники продают свою продукцию напрямую в собственных магазинах, предлагая свою продукцию по более низкой цене, не прибегая к помощи посредников.
Отрасль архитектуры, проектирования и строительства (AEC) является крупнейшим рынком 3D-моделирования, оценочная стоимость которого к 2028 году составит 12,13 миллиарда долларов. [16] Это связано с растущим внедрением 3D-моделирования в отрасли AEC, что помогает повысить точность проектирования, уменьшить количество ошибок и упущений, а также облегчить сотрудничество между участниками проекта. [17] [18]
За последние несколько лет появилось множество торговых площадок, специализирующихся на моделях 3D-рендеринга и печати. Некоторые торговые площадки 3D-печати представляют собой комбинацию сайтов для обмена моделями со встроенными возможностями электронной связи или без них. 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 представляет собой форму технологии аддитивного производства, при которой трехмерный объект создается из материала последовательных слоев. [19] Объекты можно создавать без необходимости использования сложных дорогостоящих форм или сборки из нескольких деталей. 3D-печать позволяет создавать прототипы и тестировать идеи без необходимости проходить производственный процесс. [19] [20]
3D-модели можно приобрести на онлайн-рынках и распечатать отдельными лицами или компаниями с помощью имеющихся в продаже 3D-принтеров, что позволяет производить в домашних условиях такие объекты, как запасные части и даже медицинское оборудование. [21] [22]
Сегодня 3D-моделирование используется в различных отраслях, таких как кино, анимация и игры, дизайн интерьера и архитектура . [23] Они также используются в медицинской промышленности для создания интерактивных изображений анатомии. [24]
Медицинская промышленность использует подробные модели органов; они могут быть созданы с помощью нескольких фрагментов двумерного изображения, полученных при МРТ или КТ . Киноиндустрия использует их в качестве персонажей и объектов для анимационных и реальных фильмов . Индустрия видеоигр использует их в качестве ресурсов для компьютерных и видеоигр .
Научный сектор использует их в качестве высокодетализированных моделей химических соединений. [25]
Архитектурная индустрия использует их 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. Уровень детализации — это мера уровня детализации и точности 3D-модели. Уровни уровня детализации варьируются от 100 до 500, при этом уровень детализации 100 представляет собой концептуальную модель, которая показывает базовую массу и расположение объектов, а уровень детализации 500 представляет собой чрезвычайно подробную модель, включающую информацию о каждом аспекте здания, включая инженерные системы и внутреннюю отделку. . Используя LOD, архитекторы , инженеры и генеральный подрядчик могут более эффективно сообщать о проектных замыслах и принимать более обоснованные решения на протяжении всего процесса строительства. [26] [27]
Археологическое сообщество сейчас создает 3D-модели культурного наследия для исследования и визуализации. [28] [29]
Инженерное сообщество использует их для разработки новых устройств, транспортных средств и конструкций, а также для множества других целей.
В последние десятилетия сообщество наук о Земле начало строить трехмерные геологические модели в качестве стандартной практики.
3D-модели также могут быть основой для физических устройств, создаваемых 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 формы объекта может быть:
Большое количество 3D-программ также используется для создания цифрового представления механических моделей или деталей до их фактического производства. В таких областях используется программное обеспечение, связанное с CAD и CAM , и с его помощью вы можете не только конструировать детали, но и собирать их, а также наблюдать за их функциональностью.
3D-моделирование также используется в области промышленного дизайна , где продукты моделируются в 3D [30] перед представлением их клиентам. В медиа- и event-индустрии 3D-моделирование используется при проектировании сцен и декораций . [31]
Перевод словаря X3D в OWL 2 можно использовать для предоставления семантических описаний 3D-моделей, что подходит для индексации и поиска 3D-моделей по таким характеристикам, как геометрия, размеры, материал, текстура, диффузное отражение, спектры пропускания, прозрачность, отражательная способность, опалесценция, глазури, лаки и эмали (в отличие, например, от неструктурированных текстовых описаний или виртуальных музеев и выставок в формате 2,5D с использованием Google Street View в Google Arts & Culture ). [32] Представление 3D-моделей в формате RDF можно использовать в рассуждениях , что позволяет использовать интеллектуальные 3D-приложения, которые, например, могут автоматически сравнивать две 3D-модели по объему. [33]