Для чего используется 3D моделирование?
3D-моделирование повсеместно внедряется почти во все сферы современного общества, охватывая не только потребительский сегмент, но и промышленность. Оно позволяет представить или показать будущий продукт в объемном формате. В дальнейшем это позволяет более точно описать будущие изделия и не допустить ошибок в производстве.
В дальнейшем это позволяет более точно описать будущие изделия и не допустить ошибок в производстве.
Что такое 3D-моделирование
— это создание объемной модели объекта в трехмерном пространстве с помощью специального программного пакета. Впервые подобная визуализация предметов была представлена в 1960-х годах. Тогда в процессе участвовали специалисты компьютерной инженерии и автоматизации. Современные технологии могут создавать модели различной сложности и размеров, тестировать созданные прототипы и вносить в нее как технические, так и конструкторские изменения.
Сам файл обрабатывается слайсером. Это специальная программа, которая нарезает объект на ряд 2D-слов. Она преобразует его в специальный G-код, позволяя принтеру распознавать и создавать продукт. Задается траектория движения, по которой движется печатающая головка, послойно накладывая материал.
Экспорт модели и генерирование G-кода
Основная масса современных 3D-принтеров работают с форматом STL. При выводе трехмерной модели учитывается значение ее детализация. Высококачественные поверхности дольше обрабатываются и занимают больше места на диске.
Сам файл обрабатывается слайсером. Это специальная программа, которая нарезает объект на ряд 2D-слов. Она преобразует его в специальный G-код, позволяя принтеру распознавать и создавать изделие. Задается траектория движения, по которой движется печатающая головка, послойно накладывая материал.
Этапы создания фотореалистичного 3D изображения
На первом этапе происходит создание геометрии объекта по заданным параметрам. Для этого существует много программ и инструментов как платной, так и бесплатной основе.
Чтобы добавить реализма, воссоздаются физические свойства модели и текстуры. Все материалы имеют различные цвета и поверхности. Они также могут отражать или поглощать свет. Например, блеск металла, текстурированная поверхность или сложные формы.
На третьем этапе подбирается освещение. Оно может быть искусственным или естественным, это сильно влияет на внешний вид моделируемого объекта. Важно определить яркость и глубину, а также добавить тени.
Для выделения всех важных деталей специально размещается виртуальная камера. И уже после этого изображение проецируется на двухмерную поверхность. На финальном этапе часто используются графические редакторы для корректировки или добавления незначительных деталей.
Сферы применения
подразумевает использование программных инструментов, таких как средства автоматизированного проектирования (CAD), для создания трехмерных цифровых моделей объектов. Виртуальный объект может быть создан автоматически (с помощью 3D-сканера) или специалистом вручную, используя необходимый пакет программ. Профессии, использующие подобные технологии, подразумевают разработку потребительских товаров, автомобильный дизайн, производство промышленного оборудования, архитектуру, дизайн, проектирование, развлечения и игры, а также здравоохранение.
Помимо основных сфер список включает в себя:
С каждым годом появляется все больше сфер для использования подобных способов представления товар. Виртуальные трехмерные объекты могут быть преобразованы в физические объекты с помощью или других традиционных производственных процессов.
Преимущества
Главным преимуществом трехмерного представления является возможность увидеть объект до его создания, а также упростить сам процесс работы. Также становится легко понять его структуру в контексте окружающего пространства. Использование подобных технологий позволяет детально подходить к проектированию и подбору материалов.
Еще одним важным пунктом 3D-моделирования является возможность анимировать требуемый объект. Например, текстура и блеск драгоценных металлов, имитация эксплуатации изделия или анализ внешних и внутренних воздействий на предмет.
Моделирование и 3D-печать в ювелирной промышленности
Ювелирная промышленность одна из самых знаковых сфер, которая активно использует современные технологии для производства украшений. Специфика этой области подразумевает творческое мышление и скрупулезность к работе. Они требуют высочайшей точности и детализации при небольших размерах.
Сперва создается трехмерная модель, которая отправляется на проверку для подготовки к печати. В ювелирной отрасли используется не только ручное построение, но и 3D-сканирование. Оно применяется в основном при восстановлении поврежденных украшений.
Подготовленный трехмерный объект отправляется на печать. 3D-принтер полностью воссоздает требуемый объект с высокой скоростью, благодаря этому специалист сэкономит много времени на получении мастер-моделей. Больше не требуется использование фрезерных станков для изготовления каждой детали вручную. Готовые модели можно производить из воска и пластика с помощью аддитивного метода. При этом дизайнер-ювелир не ограничен в своей фантазии, что позволяет работать с геометрией любой сложности. И главное преимущество при использовании современных технологий в ювелирной промышленности — снижение расходов и потерь драгоценных металлов.
— процесс трудоемкий и довольно затратный. Особенно при использовании на производстве, где требуется высокая детализация и точность. Современные программные пакеты позволяют отчасти автоматизировать этот процесс, но по мере совершенствования технологии растут и требования к трехмерным конструкциям.
Что такое 3D моделирование?
Суть и разновидности 3D моделирования
3D моделирование – это метод представления объемных фигур при помощи специальных компьютерных программ – графических 3D редакторов. Самые распространенные из них – AutoCAD, Blender 3D, 3D Architech и Компас-3D.
Вообще, это лишь первая стадия создания 3D-изображения на двухмерной основе. Затем выполняется текстурирование, освещение, анимирование, динамическая симуляция и рендеринг.
Назначение 3D моделирования – создание визуального объема конкретного предмета, которым может быть как существующий в реальности, так и какой-нибудь футуристический объект. На данной стадии выполняется лишь подготовка математической 3D модели основы (виртуальной платформы) и элементов в ней.
Различают 3 основных варианта трехмерного моделирования: каркасное, поверхностное, твердотельное.
Каркасное 3D моделирование
Еще его называют проволочным. Это самый низкокачественный способ моделирования в трехмерном пространстве. Он не дает полноценных данных о гранях создаваемого объекта, иногда не позволяет визуально различать внешнюю и внутреннюю границы предмета.
Моделирование выполняется стандартным методом векторного изображения двухмерных объектов, но на трехмерном изображении. Применяются для этого весьма обычные средства – примитивы: точки, отрезки, дуги.
Таким образом создается каркас моделируемого объекта, при этом нельзя изобразить собственно его объем. Данный способ актуален только при использовании в самом простом моделировании.
Поверхностное 3D моделирование
Другое его название – полигональное. Здесь для создания объема, кроме точек и других примитивов, используются графические плоскости. Другое отличие метода от каркасного моделирования – четкие очертания внутренних и внешних границ создаваемого объекта. Предмет образуется путем касания и пересечения плоскостей. Это позволяет создавать разные поверхности: плоские, вращающиеся, пересекающиеся, сопряженные и др.
Также с помощью поверхностного моделирования можно создавать отверстия и сложные кривые грани.
Твердотельное моделирование
Позволяет создавать наиболее полноценные 3D модели. Плюсы метода: разделение внешней и внутренней границы, автоматическая маскировка скрытых линий, создание 3D разрезов частей модели, возможность применения тоновых инструментов, регулирование освещения, точные весовые параметры предметов.
Сферы применения и преимущества трехмерного моделирования
Метод распространен в дизайне и строительстве, промышленности, рекламе, презентациях и анимации. Применение 3D моделей упрощает архитекторскую, инженерную, дизайнерскую работу. С ее помощью клиент видит, как объект будет выглядеть в объеме. Его можно поворачивать и корректировать.
Важное преимущество трехмерного моделирования в том, что при корректировке 3D объекта автоматически корректируются все двухмерные изображения модели.
Из трехмерного объекта можно выделить двухмерные изображения отдельных его частей. А графические редакторы, созданные для моделирования трехмерных объектов, обычно могут сочетаться с другими программами, для выполнения расчетов и программирования оборудования. Это позволяет создавать более качественные трехмерные модели, и соответственно, повышает качество объектов, которые затем создаются по 3D моделям.
Что такое 3D-графика
Под понятие 3D-графики можно отнести двухмерные изображения с элементами объема, который придается за счет работы с освещением и другими элементами, создающими на экране визуальную иллюзию. Еще к 3D-графике относятся полноценные трехмерные модели, создаваемые в специальных программах и применяемые в играх, кинематографе и мультипликации.
Далее я предлагаю детальнее остановиться на этом типе графики, разобраться во всех ее тонкостях, характеристиках и принципах создания при помощи современных технологий.
Что такое 3D-изображение
Для начала остановимся на 3D-изображениях и поймем, что вообще делает их трехмерными и какие типы картинок можно отнести к этой категории. Если при просмотре изображения вы можете описать ширину и высоту, но не наблюдаете глубины, значит, это двухмерная графика. Значки на рабочем столе и указатели на улицах – все это относится к 2D-графике (за некоторым исключением, когда художник использует тень или другие приемы, чтобы сделать картинку объемной). 3D-изображение обязательно обладает глубиной, то есть является объемным. Простой пример такой графики вы видите на следующем изображении:
Если нарисовать квадрат, представив только основные его четыре линии, это будет двухмерная модель. Но если немного повернуть квадрат, дорисовать грани и вершины, получится куб, являющийся объемным элементом, а значит, к нему относится характеристика 3D-модели.
История развития 3D
Полноценное представление 3D-элементов на экране мир увидел в короткометражном фильме «A Computer Animated Hand», вышедшем в 1972 году. На скриншоте ниже вы видите то, как аниматоры смогли спроектировать человеческую руку и анимировать ее на экране.
Это дало сильный толчок в развитии анимационных технологий и применении подобных эффектов в кинематографе. Одним из первых фильмов, в котором зритель мог увидеть анимацию человеческого лица, считается «Futureworld», вышедший в 1976 году. Сразу после этого трехмерная графика начала прогрессировать очень быстро. Появились специальные программы, кинокомпании стали набирать сотрудников соответствующих должностей и реализовывали самые разные эффекты в своих проектах. Обладатели персональных компьютеров уже в начале 80-х годов могли скачать программу под названием 3D Art Graphics, которая включала в себя набор различных трехмерных объектов и эффектов.
Создание трехмерной графики
Как же работает трехмерная графика на компьютерах и на какие этапы делится ее создание?
3D-моделирование. На компьютере создается модель, в точности передающая форму объекта, который нужно представить. Это может быть любой предмет, животное или человек. В общем, все, что нас окружает. Существует несколько видов трехмерного моделирования, каждый из которых имеет свои особенности и принципы, но сейчас не будем вдаваться в эту тему. Если хотите, можете ознакомиться с такими программами, как Blender или 3Ds Max, чтобы узнать, как трехмерные объекты рисуются при помощи программ.
Сценарий и анимация. Модели всегда размещены на сцене и необходимы для выполнения определенного действия: перемещения, разрушения или передачи любого другого эффекта. Для расположения объектов на сцене и их анимирования может использоваться та же программа, которая применялась и для моделирования, но иногда разработчики обращаются к другому софту. Анимации тоже бывают разными, например, сейчас особо популярен захват движения (когда программа считывает движения человека и передает их на трехмерную фигуру).
Рендеринг. Завершающий процесс работы над проектом. Подразумевает обработку цветов, типов поверхности, освещения и всех других параметров сцены. Для обработки необходим мощный компьютер, способный быстро считывать кадры и выдавать на экран необходимый результат.
3D-моделирование
В рамках этой статьи остановимся только на 3D-моделировании, поскольку именно этот процесс и является основной трехмерной графики. Вы уже знаете, что для выполнения данной операции используется специальный софт. Аниматор может взаимодействовать как с отдельными геометрическими фигурами и точками, преобразовывая их в необходимый объект, так и с одной болванкой, доводя ее до необходимой формы (как скульптор в реальной жизни).
Изначально модель имеет серый цвет, поэтому обязательным этапом является наложение текстур и материалов. В крупных компаниях этим занимается специально обученный человек, получивший заготовку от 3D-моделировщика. Он по эскизам или специальным шаблонам накладывает на модель различные элементы, имитирующие волосы, ткань или типы поверхностей. Это и делает 3D-модель похожей на настоящую.
Тему можно развивать бесконечно, поскольку 3D-графика обладает огромным множеством интересных особенностей, которые делают индустрию такой сложной и высокооплачиваемой. Кинокомпании тратят миллионы долларов на создание моделей и эффектов, которые в реальной жизни повторить проблематично и еще более затратно. Сейчас при помощи 3D-графики создаются практически все современные игры и мультфильмы.
Виды 3d моделирования и «не правда о процессе создание 3D модели для игры»
Сегодня утром увидел статью настолько бестолковую и вводящую в заблуждение, что решил напрячься и написать что то сам.
я не профессиональный автор, и моя область работы в 3d довольно узкая, но этого должно хватить что бы создать простую вводную справку. Объяснить базовые понятия. Хотя я допускаю некоторые упрощения и неточности, что бы не слишком нагружать людей.
p.s
cтатья получилась столь огромной что на полноценное описание процесса создания моделей для игр не хватило места и сил. возможно я оставлю ссылки на дополнительные материалы, или напишу вторую часть(хотя это не моя тема).
Для начала разберемся в видами моделирования. Существует десятки разных способов их классификации, и самих видов моделирования. Я затрону лишь самые базовые и поверхностные.
Классификация первая: методы реализации
Данный вид моделирования практически не применяется в игровой индустрии. Основная его цель это решение инженерных задач.
Но некоторые художники используют его для кое чего, что потом используется в играх, и в целом это важная часть 3d индустрии, поэтому я его упомянул.
Примеры популярных программ : fusion360, Solidworks, Компас 3D …
Именно этот тип 3д моделей чаще всего(но далеко не всегда) используются в играх. Марио, Кратос, жопка 2b и другие любимые герои это лишь набор треугольников(или n угольников, зависит от движка) которым задали параметры.Конечно в наше время уже никто не задает координаты каждой точки вручную, существуют десятки инструментов для ускорения создания форм. Тот же прямоугольник входит в состав базовых фигур.
Давайте перейдем к более абстрактным, красивым и чаше встречающимся словам. Неправильное применение которых меня больше всего задело.
hard surface и organic modeling
Эти понятия описательные. четких правильных определений у них нет, но как выяснилось есть совершенно неправильные.
читатели Dtf могли видеть определение типа
Противовесом hard surface является вовсе не скульптинг(мы уже выяснили что им свободно можно делать твердые тела) а так называемый
Есть 5 Пайплайна (Пайплайн-цепочка процессов преобразования исходных данных в конечный результат )
Лица действительно часто делают таким методом. уверен что именно так создавались морщинки кратоса в последний GoW
2) Сначала создается модель для самой игры, потом добавляется детализация. Потом идет преобразование обратно в модель пригодную для игры. Пример такого подхода это overwatch.Создается простая форма персонажа с самыми важными элементами внешнего вида. Тестируется в игре. Затем из этой простой модели создают персонажа с высокой детализацией. Запекают все что нужно, и переносят на первоначальную простую модель.
3) Полное отсутствие в необходимости запекания каких либо вещей. создается сразу конечная модель для игры. Пример покемоны(вероятно). Сразу моделируют монстриков и красят в нужные цвета.
4)Создать лоу-поли сетку и сделать все текстуры в вспомогательной программе. Раньше это был повсеместный подход quake, half-life.cейчас это чаще встречается в играх с особым стилем. pokemon mystery dungeon. где все текстуры явно нарисованы вручную и стилизованны под акварель.
5) оцифровка. вот тут действительно все начинается с hi-poly
C помощью довольно сложного прибора производят 3d сканирование объекта. Дальше либо сам прибор либо художники создают текстуры, карты нормалей и все прочие. Death stranding
самый яркий пример на мой взгляд.
Писать статьи оказалось очень сложно. Мне удалось лишь слегка пробежаться по основам темы, и если честно к концу я выдохся и структура немножко поплыла. Но эта статья довольно наглядно объясняет почему создание моделей, это не просто «сделал хай поли, запек, запек, бам в продакшен». Это сложная тема с множеством вариантов реализации и применения.
Что такое 3D-графика и как она устроена
Мы каждый день видим 3D-графику, но не задумываемся, как она устроена изнутри. Давайте заглянем за ширму.
Современные компьютеры генерируют графику, которая почти неотличима от того, как видим жизнь мы. И если вам всегда было интересно, как создаются реалистичные шедевры (или вы занимаетесь чем-то похожим), то будет полезно узнать, как вообще работает 3D.
Давайте разберёмся, как обычные точки превращаются в 3D-графику:
Пишет о программировании, в свободное время создает игры. Мечтает открыть свою студию и выпускать ламповые RPG.
Создание 3D-моделей
Кажется, что это просто гладкий шар, но на самом деле он состоит из множества точек — вершин (англ. vertices — вершины):
Чем больше вершин, тем более детализированной выглядит модель и тем больше ресурсов требуется компьютеру, чтобы отрисовать такой объект на экране.
Вершины соединяются друг с другом и образуют рёбра (англ. edge) и грани (англ. face):
Всё это образует полигональную сетку (англ. polygon mesh или просто меш, геометрия) —- совокупность вершин, рёбер и граней (плоскостей), которая определяет форму объекта.
У каждой вершины есть свои координаты по осям X, Y и Z. А то, как грань отображается на мониторе, зависит от её положения относительно камеры и источников света:
Изменяя меш, добавляя вершины и меняя их положение, мы можем создавать любые сложные объекты:
Для создания твёрдых объектов (англ. hard surface) 3D-художники обычно меняют положение граней вручную, как это показано выше.
При работе с персонажами чаще используется скульптинг (англ. sculpting) — напоминает лепку из пластилина:
Но геометрия — не последний этап создания 3D-модели. Например, у моделей, созданных скульптингом, плохая топология (то, как именно устроен меш) — слишком много задействовано вершин:
Чтобы исправить это, используют специальные инструменты для ретопологии — это когда удаляют лишние грани, чтобы оптимизировать модель.
Также нужно подготовить материал — это то, как окрашены разные грани или вся модель. Возможен как и простой цвет, так и изображение или паттерн.
Есть множество других важных моментов: анимирование, запекание текстур, составление карт нормалей и так далее. Всё это стоит вплотную изучить тем, кто собирается моделировать 3D. Сейчас же мы поговорим о более техническом вопросе.
Отображение 3D-моделей на экране
Как на двумерном экране показать трёхмерную модель? В этом вопросе столько математики, что может показаться, будто это какая-то магия.
Пространство, в котором находятся объекты, называется сценой. Всё, что на ней, существует пока только в памяти компьютера в виде данных о геометрии, материалах и прочем.
Чтобы компьютер понял, как это всё отобразить, нужен наблюдатель, чьими глазами он будет смотреть на сцену, — камера. А чтобы мы могли хоть что-то разглядеть, нужен источник света.
Вот тут и начинается магия: компьютеру предстоит определить, как бы выглядела эта сцена с точки зрения камеры. Вот так это устроено:
Мы видим только то, что расположено между областями отсечения. Всё остальное, как можно догадаться, отсекается. Компьютер должен понять, какие цвета отобразить на мониторе в каждом из пикселей. Для этого он отправляет из камеры лучи и смотрит, во что они ударяются.
Если луч попадает в объект, то дальше компьютер проверяет, в какой именно полигон было попадание, какой материал у объекта, как падает свет, на каком расстоянии находится объект от камеры и многие другие переменные.
Всё это транслируется на плоскость проекции (англ. viewport) — двумерный квадрат в трёхмерном пространстве. Эта плоскость уже используется для того, чтобы составить изображение, которое будет показано на мониторе.
Процесс перевода 3D-сцены в 2D-изображение называется рендерингом (англ. rendering) или отрисовкой.
Движение в 3D
Мы узнали, как выводится одно изображение, но ведь 3D бывает ещё и в фильмах и играх, где постоянно происходит какое-то движение. На самом деле мы до сих используем тот же принцип анимации, что и несколько веков назад.
В 1877 году был изобретён праксиноскоп — барабан, обклеенный изнутри последовательностью изображений. В его центре есть ещё один барабан поменьше, обклеенный зеркалами. Если смотреть в центр устройства, когда оно вертится, можно увидеть иллюзию движения:
Сейчас это выглядит так:
Большинство современных мониторов могут выводить 60 картинок (кадров) в секунду (англ. Frames Per Second, FPS), благодаря чему создаётся ощущение плавности.
В случае с играми все кадры отрисовываются в реальном времени. То есть, пока пользователь играет, положение объектов на сцене меняется, компьютер 60 раз в секунду проверяет, как это всё выглядит, и обновляет изображение на мониторе.
Разумеется, это накладывает ограничения на качество изображения. Например, в играх только недавно появилась технология трассировки лучей (англ. Ray Tracing), которая позволяет программно рассчитывать рассеивание лучей света.
Вот, например, как выглядит сцена из Minecraft без RTX (технология трассировки лучей в видеокартах Nvidia):