Co to jest?
Modelowanie 3D, to cyfrowe przedstawienie dowolnego obiektu lub powierzchni, za pomocą oprogramowania do modelowania 3D. W najbardziej podstawowym przypadku, model trójwymiarowy może być tworzony z prostych kształtów takich jak sześciany, prostokąty i trójkąty. Kształty te są następnie modyfikowane na złożone, wieloboczne projekty.
Jako początkujący w modelowaniu 3D, musisz wiedzieć bardzo wiele. W tym artykule omówimy podstawy i różne rodzaje modelowania 3D, jak również zastosowania i sugestie dotyczące oprogramowania. Podzielimy się również kilkoma wskazówkami i rozwiązaniami problemów, które pomogą Ci w dalszych działaniach. W każdej chwili możesz skorzystać z leksykonu znajdującego się na końcu artykułu.
Zastosowania
Modelowanie 3D ułatwia przekazywanie pomysłów, jest wykorzystywane do tworzenia interaktywnych projektów obiektów lub powierzchni, które reprezentują rzeczywisty projekt.
W zależności od zastosowania, możliwe jest również sprawdzenie wykonalności konstrukcyjnej projektu. Na przykład, część obiektu fizycznego może być stworzona szybko, możemy dokonać analizy właściwości fizycznych, a następnie aktualizować model w miarę potrzeb.
Zarówno w trybie offline jak i w przeglądarce, oprogramowanie do modelowania 3D (często wspomagane komputerowo) pozwala projektantom i firmom na modelowanie produktów i prezentowanie ich wewnątrz firmy lub klientom, przed stworzeniem produktu końcowego. Nic dziwnego, że modelowanie 3D może być efektywne zarówno pod względem czasu jak i kosztów.
Teraz, gdy znamy już niektóre z ogólnych zastosowań, zajmijmy się podstawami modelowania 3D!
Podstawy
Musisz znać podstawy modelowania 3D. Oto najważniejsze terminy:
Vertex: Pojedynczy punkt i najmniejszy element modelu 3D.
Edge: Linia prosta łącząca dwa wierzchołki, która pomaga określić kształt modelu 3D.
Polygon: Dowolny kształt utworzony przez połączenie linii prostych. Istnieje kilka typów polygon-ów/wielokątów (równoboczny, prostokątny, regularny, nieregularny, cykliczny, wypukły, wklęsły) w zależności od liczby boków i wielkości kątów.
Face: Najbardziej podstawowa część siatki wielokątów/mesh polygon. Pomaga ona wypełnić przestrzeń między brzegami. Gdy płaskie powierzchnie w modelu są „zakryte”, tworzą one tzw. face.
Mesh: Inaczej siatka, to zbiór wielokątów (polygon), które są połączone w swoich powierzchniach, krawędziach i wierzchołkach. Obiekt 3D składa się z jednej lub większej ilości siatek.
Teraz, gdy znasz już kilka podstawowych pojęć, przejdźmy do środowisk 3D. Każdy program do modelowania 3D działa w środowisku 3D, które jest wizualizowane przez komputery za pomocą wektorów i płaszczyzn.
Wektory/Vector: Obiekt geometryczny posiadający wymiary długości i szerokości. Zazwyczaj jest on przedstawiany za pomocą strzałki.
Płaszczyzna/Plane: Dwuwymiarowa powierzchnia, która rozciąga się w oddali.
Główne rodzaje
Istnieją trzy główne rodzaje modelowania 3D stosowane w oprogramowaniu CAD. W dalszej części artykułu, omówimy jak działają te typy modelowania.
Solid
Co ciekawe, ta technika modelowania 3D jest wykorzystywana do tworzenia brył. Ma ona na celu zapewnienie, że wszystkie obiekty 3D są geometrycznie poprawne. Modelowanie brył jest złożonym procesem, ponieważ wymaga symulacji zewnętrznej i wewnętrznej modelu.
Modelowanie bryłowe jest pomocne w tworzeniu, animacji, projektowaniu i wizualizacji modeli funkcjonalnych. Projektant jest w stanie zobaczyć, jak projekt wygląda i jak działa od samego początku.
Surface
Modelowanie powierzchni, to matematyczna metoda wyświetlania lub prezentacji bryłowych obiektów 3D. Skupia się ona na zewnętrznym aspekcie modelu 3D, pozwalając na oglądanie modelu 3D pod różnymi kątami na powierzchniach bryłowych.
Modelowanie powierzchni jest łatwiejsze niż modelowanie brył, choć jest bardziej złożone niż siatka. Jest ono głównie wykorzystywane w ilustracjach architektonicznych i animacjach w grach wideo.
Wireframe
Modelowanie szkieletowe opiera się na generowaniu modelu 3D poprzez podążanie za krawędziami obiektu. Te modele 3D składają się w całości z punktów, łuków, okręgów, krzywych i linii.
Obiekt nie jest rozpoznawany jako bryła, lecz jako punkty i ich połączenia, a granica obiektu jest rejestrowana.
W porównaniu do modelowania powierzchni i brył, siatka jest najmniej złożoną metodą reprezentacji obiektów 3D. Zazwyczaj podstawowymi elementami w modelowaniu w konstrukcji szkieletowej są trójkąty. Im więcej trójkątów, tym uzyskujemy większy realizm.
Kategoria: Jak działają różne typy modelowania
Solid
Projektant 3D rozpoczyna od przygotowania modelu siatki obiektu stałego, który ma zostać utworzony. Następnie model siatki jest konwertowany na widok 3D i dodawane są powierzchnie w celu stworzenia modelu 3D.
Operacje logiczne obejmują łączenie, różnice i przecięcia, które są używane do tworzenia złożonych projektów, w połączeniu z podstawowymi kształtami.
Pick and place tworzy pożądaną modyfikację poprzez pracę bezpośrednio na krawędziach, wierzchołkach i powierzchniach.
Modelowanie parametryczne kontroluje kształt geometryczny modelu, poprzez manipulację parametrami.
Zauważ, że nie wszystkie programy do modelowania bryłowego mogą osiągnąć powyższe rezultaty.
Surface i Sculpting
Modelowanie powierzchniowe rozpoczyna się od określenia kształtów i krzywych zewnętrznych modelu. Inaczej niż w modelowaniu bryłowym, obiekty mogą być niepoprawne fizycznie i geometrycznie (bez zdefiniowanej grubości lub właściwości masy). Jest to pomocne, ponieważ projektant będzie mógł z łatwością manipulować obiektem z mniejszymi ograniczeniami.
Ze względu na swoją elastyczność, stosunkowo łatwo jest pracować z importowanymi obiektami. Usuwanie i zastępowanie powierzchni importowanego obiektu, jest proste.
Sculpting
Sculpting jest często nazywane rzeźbieniem. Tworzenie modelu za pomocą narzędzi do rzeźbienia polega na ciągnięciu, pchaniu, wygładzaniu i ściskaniu powierzchni obiektu stałego. Skomplikowane obliczenia są wykorzystywane do tworzenia szczegółowych siatek, które wyglądają bardziej jak rzeczywiste modele.
Proces ten często rozpoczyna się od podstawowego modelu lub kształtu. Następnie wykorzystuje się narzędzia rzeźbiarskie do manipulowania powierzchniami. Pierwsza warstwa utworzona podczas rzeźbienia, określa podstawowe cechy modelu. Po utworzeniu podstawowego kształtu, można następnie podzielić geometrię w celu dodania drobniejszych szczegółów. Drobne tekstury są dodawane do warstw z wieloma szczegółami, z dalszymi podziałami.
Aby model wyglądał bardziej realistycznie, można również stosować tekstury i malowanie. Istnieje wiele wbudowanych tekstur w oprogramowaniu do modelowania 3D, a niektóre programy pozwalają nawet na import własnych.
Kluczowe zasady
Jako początkujący modelarz 3D na pewno natkniesz się na kilka rzeczy w swojej podróży:
Deformacje w programach CAD pozwalają projektantowi 3D modyfikować powierzchnię modelu. Na przykład, podczas projektowania złożonych modeli, które będą wymagały przeprowadzenia pewnych eksperymentów przed otrzymaniem właściwego projektu, można użyć narzędzi deformujących do stworzenia dużej liczby wielokątów. W tym procesie, projektant może pracować w sposób, który pozwala na zachowanie oryginalnego modelu. W przypadku deformacji topologia modelu nie jest zmieniana.
Manipulacja, to proces przekształcania już zaprojektowanego modelu, w celu dostosowania go do Twoich potrzeb. Narzędzia do przekształcania w programach CAD są najczęściej używanymi narzędziami do manipulacji.
Operacje binarne: Operacja modelowania wielokąta wykonana w celu utworzenia nowej siatki z dwóch innych siatek. Dwie lub więcej siatek, mogą być połączone lub przecinające się.
Pomiary: Jest to obliczanie wartości siatki. Można mierzyć: objętość, powierzchnię, przekrój poprzeczny, a także dopasowanie.
Zastosowania
Modelowanie 3D znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach również w tych których się nie spodziewasz.
Rozrywka: Modelowanie 3D jest używane do tworzenia postaci, które są wykorzystywane w filmach i programach telewizyjnych. Oprogramowanie do modelowania cyfrowego, takie jak ZBrush, Sculptris i SelfCAD, to popularne opcje.
Moda: Projektanci używają modelowania 3D, aby zobaczyć komplikacje w ubraniach, zanim zostaną one fizycznie stworzone. Istnieje oprogramowanie do modelowania 3D, do projektowania mody, w tym Fusion 360, Clo i Romans CAD, które wykorzystuje połączenie technik takich jak rzeźbienie, modelowanie pudełek i modelowanie powierzchni.
Architektura: Modelowanie 3D jest wykorzystywane do wizualizacji budynków, które mają dopiero powstać, często z wykorzystaniem modelowania powierzchni. AutoCAD, SketchUp i ArchiCAD to kilka popularnych programów.
Wydawnictwo: Możliwości zaprojektowania okładek książek i obrazów przy użyciu modelowania 3D są nieograniczone.
Branża gier komputerowych: Modelowanie 3D jest wykorzystywane do tworzenia postaci i scen w grach. Połączenie modelowania 3D z animacją sprawia, że gry są bardziej realistyczne. Techniki modelowania powierzchni to te, które są najczęściej stosowane w tej branży.
Produkcja: Modelowanie 3D jest wykorzystywane do (re)produkcji części i poprawy projektów, zarówno w inżynierii i konceptualizacji.
Medycyna: Modelowanie 3D jest wykorzystywane do projektowania protetyki, części do naprawy uszkodzonych organów, nawet dentyści używają modelowania 3D do naprawiania uszkodzonych zębów.
Rodzaje plików
Formaty plików przechowują wszystkie informacje o modelach 3D. Do najpopularniejszych typów plików obsługiwanych przez programy CAD należą:
STL: Popularny format plików 3D, szeroko stosowany w druku 3D, szybkim prototypowaniu i produkcji wspomaganej komputerowo (CAM). Format pliku STL został opracowany w celu ułatwienia transferu plików z oprogramowania do modelowania 3D, do drukarek 3D.
FBX: Opatentowany format pliku wspierający geometrię modelu, teksturę, kolor i inne właściwości związane z wyglądem. Jest on używany głównie podczas pracy z filmami i grami wideo. Został on opracowany przez Autodesk jako format wymienny dla swoich programów CAD.
3DS: Kolejny zastrzeżony format plików firmy Autodesk, który przechowuje geometrię, animacje i podstawowe informacje o wyglądzie modelu. Format 3DS jest używany głównie w domenach akademickich, inżynieryjnych, architektonicznych i produkcyjnych.
OBJ: Ten format plików 3D znajduje zastosowanie głównie w druku 3D. Przechowuje on trójwymiarowe obiekty, które zawierają wielokątne powierzchnie, mapy tekstur, współrzędne 3D i inne informacje o obiektach.
STEP : Skrót STEP oznacza „Standard for the Exchange of Product Data”. Został on zbudowany głównie w celu stworzenia mechanizmu opisywania danych produktowych, bez polegania na innych systemach.
Słowniczek pojęć
Obiekt 3D: Wszystko, co może być reprezentowane w przestrzeni 3D. Obiekty geometryczne są dobrymi przykładami obiektów 3D, niezależnie od tego czy są to powierzchnie, krzywe, zerowe lub wielokąty.
Renderowanie 3D: Końcowy etap modelowania 3D, który obejmuje finalizację modelu. Obejmuje on efekty specjalne, modyfikowanie kolorów, dodawanie tekstur i oświetlenia.
Modelowanie 3D: Proces tworzenia modelu 3D poprzez kształtowanie i formowanie bloków
Boolean: System matematyczny, używany do wyrażenia związku między rzeczami. Jest on używany w modelowaniu 3D do dodawania, odejmowania i wykonywania innych operacji.
Operacje boole’owskie: Technika, która wykorzystuje dwa obiekty do stworzenia innego obiektu. Obiekty muszą się na siebie nakładać.
CAD: Akronim dla projektowania wspomaganego komputerowo. Jest to system, który pozwala projektantom na wykorzystanie obliczeń do projektowania modeli.
CAM: Produkcja wspomagana komputerowo, to tworzenie fizycznych produktów z obiektów zaprojektowanych komputerowo.
Krawędzie: Uformowane z dwóch połączonych ze sobą wierzchołków, krawędzie są wykorzystywane do przekształcania modeli 3D.
Geometria: Te dane punktowe tworzą rzeczywisty model 3D.
Oświetlenie: Wielokierunkowe i jednolite światło, które oświetla model 3D. V-Ray i Corona, to przykładowe programy używane do oświetlenia.
Materiały: Zawiera kolory i tekstury przypisane do modeli 3D, aby nadać im bardziej realistyczny wygląd. Posiada on różne rodzaje właściwości w zależności od używanego trybu renderowania.
Siatki: Model 3D wykonany z wielokątów trójkątnych. Wielokąty składają się z krawędzi, powierzchni i wierzchołków, które decydują o tym, jak wygląda kształt obiektu.
Modelowanie NURMS: Technika wykorzystująca siatkę o niskich wielokątach, do przekształcenia kształtu gładkiej powierzchni. Zazwyczaj używa się jej do wygładzania siatek w programach takich jak AutoCAD i 3ds Max.
Modelowanie wielokątów: Modelowanie 3D obiektów za pomocą wielokątów w celu dokonania oszacowania powierzchni. W modelowaniu wielokątów obrabia się wierzchołki, krawędzie i powierzchnie.
Szybkie tworzenie prototypów: Cały proces tworzenia modelu 3D przy użyciu technik modelowania 3D i drukowania go za pomocą drukarki 3D.
Render: Tworzenie obrazu za pomocą danych zapisanych w komputerze.
Rig: Proces ułatwiania animacji poprzez dodanie elementów sterujących do modelu.
Źródło: https://all3dp.com
