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 может отображаться в виде двухмерного изображения с помощью процесса, называемого 3D-рендерингом , или использоваться при компьютерном моделировании физических явлений.
3D-модели могут создаваться автоматически или вручную. Процесс ручного моделирования для 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] , а также для изготовления 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 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, показывающую основные массы 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]
Твердотельные 3D-модели можно тестировать разными способами в зависимости от необходимости, используя моделирование, проектирование механизмов и анализ. Если двигатель спроектирован и собран правильно (это можно сделать по-разному в зависимости от того, какая программа 3D-моделирования используется), с помощью инструмента механизма пользователь должен иметь возможность определить, правильно ли собран двигатель или машина по тому, как он работает. Разные конструкции необходимо будет тестировать по-разному. Например; насосу для бассейна потребуется моделирование воды, проходящей через насос, чтобы увидеть, как вода течет через насос. Эти тесты проверяют, правильно ли разработан продукт или его необходимо изменить, чтобы он соответствовал требованиям.