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 собой физическое тело , используя набор 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:
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:
Этап моделирования состоит из формирования отдельных объектов, которые затем используются в сцене. Существует ряд методов моделирования, в том числе:
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 , пятна текстуры 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:
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 из 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:
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]
Медиафайлы по теме 3D-моделирование на Wikimedia Commons