Wyrażenie „3D” jest skrótem od angielskiego „3 Dimension”, czyli „3 Dimensions”. Symbole „3D” (w literaturze rosyjskiej często używa się również skrótu „3d”) wskazują, że obiekt lub technologia różni się od innych tym, że ma więcej niż dwa wymiary.
Do czego służą modele 3D?
Wszystkie obiekty w świecie rzeczywistym mają trzy wymiary. Jednocześnie w zdecydowanej większości przypadków do przedstawiania obiektów trójwymiarowych używamy powierzchni dwuwymiarowych: kartki papieru, płótna, ekranu komputera. Rzeźbiarz tworzy trójwymiarowe figury, ale zanim zacznie rzeźbić rzeźbę z granitu, tworzy szkice, w których przyszłe dzieło jest przedstawione w kilku widokach - ze wszystkich stron. Podobnie architekt lub projektant pracuje, wyświetlając płaskie widoki zaprojektowanych produktów lub budynków na papierze Whatmana lub na ekranie komputera.
Przedmiot "rysunek" w ramach kształcenia obowiązkowego ma na celu nauczenie modelowania trójwymiarowego - dokładnego opisu przedmiotów posiadających objętość, na płaskiej, dwuwymiarowej powierzchni kartki papieru. Dodatkowo dzieci uczą się modelowania trójwymiarowego na zajęciach z modelowania z plasteliny w przedszkolu i szkole podstawowej. Tak duża uwaga poświęcana modelowaniu 3D w procesie edukacyjnym nie jest przypadkowa. W każdej czynności mającej na celu tworzenie prawdziwych obiektów musisz mieć dobre wyobrażenie o tym, jak ten obiekt będzie wyglądał ze wszystkich stron. Krawiec i projektant ubrań musi wiedzieć, jak garnitur lub sukienka będzie pasować na osobę o określonej sylwetce. Fryzjer tworzy fryzurę i fryzurę, która będzie miała objętość i będzie wyglądać inaczej pod różnymi kątami. Jubiler modeluje swoją biżuterię. Dentysta musi nie tylko stworzyć piękny sztuczny ząb, ale także wziąć pod uwagę jego położenie względem reszty zębów pacjenta. Stolarz musi być w stanie bardzo dokładnie dopasować połączenia trójwymiarowych części. Chciałby też wizualnie zobaczyć, jak projektowane przez niego meble będą wygodne w użytkowaniu i jak wpasują się we wnętrze.
Przez długi czas przedstawiciele różnych zawodów wykorzystywali rysunki, składające się z wielu typów, do modelowania trójwymiarowego. Wraz z upowszechnieniem się komputerów osobistych, możliwe stało się powierzenie części zadania tworzenia trójwymiarowych modeli oprogramowaniu. Systemy automatyzacji projektowania (CAD) jako pierwsze zawierały funkcjonalność dynamicznego wyświetlania tworzonych obiektów trójwymiarowych na płaszczyźnie ekranu. Słowo „dynamiczny” w tym przypadku oznacza możliwość obracania obrazu trójwymiarowego obiektu na ekranie i oglądania go ze wszystkich stron. Jednak dynamika modelu 3D może również oznaczać zdolność modelu do zmiany jego kształtu i poruszania się. Twórcy kreskówek i gier komputerowych potrzebują takiej funkcjonalności.
W drugiej połowie XX wieku, nawet w erze przedkomputerowej, pojawiły się trójwymiarowe technologie obróbki powierzchni. Tuż po zakończeniu II wojny światowej Siły Powietrzne USA sfinansowały pracę Parsons Inc nad stworzeniem maszyn, które mogły frezować skomplikowane części według określonego algorytmu. Prace te doprowadziły do powstania całej klasy obrabiarek sterowanych numerycznie (CNC). Projektowanie algorytmów pracy maszyn CNC to kolejne zadanie z zakresu modelowania 3D.
W 1986 roku amerykański inżynier Charles W. Hall stworzył drukarkę, która drukowała trójwymiarowe obiekty za pomocą stereolitografii. Później pojawiły się drukarki 3D, drukujące produkty trójwymiarowe z szerokiej gamy materiałów, w tym drukarki do drukowania narządów ludzkich, czy np. drukarki drukujące dekoracje cukiernicze i gotowe posiłki. Dziś prostą, ale całkiem funkcjonalną drukarkę 3D można kupić w cenie smartfona i wydrukować na niej przedmioty wolumetryczne do domu, czy detale modeli i różnych urządzeń. Wszystkie drukarki 3D do druku otrzymują trójwymiarowy model jako dane wejściowe w określonym formacie.
Podstawowe zasady modelowania 3D
Warunkiem modelowania 3D jest obecność wyobraźni przestrzennej. Ważne jest, aby móc wyobrazić sobie przyszły efekt pracy, rotować mentalnie i badać go ze wszystkich stron, a także rozumieć, z jakich elementów składa się model, jakie daje możliwości i jakie nakłada ograniczenia. Z natury wyobraźnia przestrzenna każdego z nas rozwija się w różnym stopniu, jednak podobnie jak umiejętność czytania i pisania czy ucho do muzyki, może być rozwijana. Ważne jest, aby nie poddawać się, wmawiając sobie, że nic nie działa, ale zdobywać doświadczenie, najpierw tworząc proste modele, stopniowo przechodząc do bardziej złożonych.
Jeśli w dowolnym programie CAD narysujesz trzy prostokąty i ułożysz je zgodnie z zasadami rysowania, to moduł wyświetlania trójwymiarowego modelu programu będzie mógł stworzyć i wyświetlić na ekranie równoległościan odpowiadający tym trzem rzutom. Podobnie, postępując zgodnie z zasadami rysowania, możesz stworzyć model prawie każdej części.
Wszystkie programy do modelowania 3d są wektorowe. Oznacza to, że opisują obiekty nie jako zbiór oddzielnych punktów, ale jako zbiór formuł i pracują tylko z całymi obiektami. Jeśli chcesz zmienić lub przenieść tylko połowę obiektu, będziesz musiał go wyciąć (jeśli istnieje narzędzie, które to umożliwia) i naprawić połówki jako nowe obiekty. Do pracy z edytorem wektorów wcale nie jest konieczna znajomość wzorów matematycznych, są one zawarte w programie. Ważną i użyteczną konsekwencją tego podejścia jest to, że każdy obiekt można przesuwać, modyfikować i skalować bez utraty jakości. Z drugiej strony program nie zrozumie Cię, jeśli spróbujesz narysować prostokąt, na przykład umieszczając wiele punktów wzdłuż jego granic, które wizualnie się stykają. Dla programu będzie to po prostu dużo punktów, a nie prostokąt. Nie będzie w stanie wykonywać żadnych czynności z tym, twoim zdaniem, prostokątem. Aby stworzyć prostokąt, musisz wybrać odpowiednie narzędzie i użyć go. Wtedy program pozwoli na wykonanie dowolnych czynności na utworzonym obiekcie: zmień go, przesuń w dany punkt, rozciągnij, wygnij i tak dalej. Ponadto większość oprogramowania do modelowania 3d nie będzie w stanie pracować z grafiką w formacie rastrowym (bmp, jpg, png,
Modelowanie 3d z "cegieł"
Zdecydowana większość szczegółów technicznych to połączenie prymitywów wolumetrycznych: równoległościanów, kulek, pryzmatów i tak dalej. Każde narzędzie do modelowania 3d posiada bibliotekę prymitywów wolumetrycznych i jest w stanie je odtworzyć z uwzględnieniem parametrów określonych przez użytkownika. Aby np. stworzyć model walca wystarczy wybrać w programie odpowiednie narzędzie oraz ustawić średnicę i wysokość. Ponadto wszystkie programy do projektowania trójwymiarowego są w stanie wykonać co najmniej dwie operacje matematyczne na figurach trójwymiarowych: dodawanie i odejmowanie. Czyli na przykład tworząc z prymitywów dwa cylindry: jeden o średnicy 5 cm i wysokości 1 cm, a drugi o średnicy 3 cm i wysokości oczywiście większej niż 1 cm, można je łączyć wzdłuż oś centralną i odejmij drugą od pierwszego (większego) cylindra … Rezultatem jest podkładka o grubości 1 cm o średnicy zewnętrznej 5 cm i średnicy wewnętrznej 3 cm Jeśli masz np. osobny zestaw osobnych przedmiotów: „głowa bez uszu i nosa”, „nos”, „ lewe ucho” i „prawe ucho”, następnie można je połączyć i dodać, aby stworzyć nowy obiekt „głowa z uszami i nosem”. Jeśli masz bibliotekę uszu, nosów i głów o różnych kształtach, możesz, przeglądając je, stworzyć model głowy przyjaciela (lub własnej). Następnie, odejmując obiekt „usta” od powstałej głowy, możesz uzyskać głowę z ustami. Tworzenie modelu 3d z „cegiełek”, obiektów dostępnych w bibliotece programu lub wczytanych do programu z zewnątrz, to prosty i jeden z najpopularniejszych sposobów.
Oczywiście w żadnym programie nie ma „cegiełek” dla wszystkich przypadków. Jednak wiele obiektów można utworzyć, przesuwając inne obiekty w przestrzeni lub modyfikując je. Na przykład możesz samodzielnie utworzyć ten sam cylinder, biorąc okrąg jako podstawę i przesuwając go w górę, zachowując każdy krok, dodając pozycje w jednym obiekcie. Jeśli program ma takie narzędzie, to zrobi wszystko sam, wystarczy tylko określić: po jakiej trajektorii i jak daleko trzeba przesunąć bazę. Tak więc z podkładki utworzonej zgodnie z opisaną powyżej technologią możesz stworzyć nowy obiekt - rurę. W tym - rura z wieloma zagięciami o dowolnej krzywiźnie. Ważny punkt: w tym celu okrąg musi być początkowo trójwymiarowy. Niech - o znikomej grubości, ale nie równej zeru. W tym celu program musi posiadać narzędzie do zamiany płaskiej figury o zerowej grubości na trójwymiarową o znikomej, ale określonej grubości.
modelowanie 3d z wielokątów
Wiele programów do modelowania 3D pracuje ze specjalnymi typami obiektów zwanych „siatkami”. Siatka to siatka wielokątna lub zbiór wierzchołków, krawędzi i ścian obiektu 3D. Aby zrozumieć obiekt złożony z siatek, możesz spojrzeć na przykład na robota stworzonego z części Lego. Każdy kawałek to osobna siatka. Jeśli średni rozmiar części Lego wynosi 1 cm, a zmontujesz robota o wysokości 50 cm, będzie można rozpoznać wizerunek (na przykład osoby), który w nim ułożyłeś. Jednak realizm takiej rzeźby będzie bardzo przeciętny. Kolejna rozmowa, jeśli stworzysz robota o wysokości 50 kilometrów z części o średniej wielkości 1 cm. Jeśli przejdziesz przyzwoity dystans, aby zobaczyć całą gigantyczną rzeźbę, nie zauważysz kanciastości powierzchni, a robot może wyglądać jak żywa osoba o gładkiej skórze.
Siatka może być dowolnie mała, co oznacza, że można uzyskać dowolną wizualną gładkość powierzchni modelu. Zasadniczo konstruowanie obiektu z siatek jest tym samym, co grafika pikselowa w obrazie 2D. Pamiętajmy jednak, że zbiór punktów w kształcie prostokąta nie jest obiektem „prostokąta”. Oznacza to, że aby obraz utworzony z siatek stał się obiektem trójwymiarowym, jego kontury muszą być wypełnione objętością. Są do tego narzędzia, ale często zapominają o nich nowicjusze w modelowaniu 3D. Podobnie jak fakt, że aby powierzchnia (na przykład kula) zamieniła się w figurę wolumetryczną, musi być całkowicie zamknięta. Z gotowej powierzchni zamkniętej warto usunąć jeden punkt (jedną siatkę), a program nie będzie w stanie zamienić go w obiekt 3D.
Ruch i wygląd modelu 3D
Wyobraź sobie tworzenie obiektu samochodowego z siatek lub w jakikolwiek inny sposób. Jeśli w programie do modelowania trójwymiarowego ustawisz trajektorię i prędkość ruchu dowolnego punktu wewnątrz obiektu według wzoru, ustawiając warunek, że wszystkie inne punkty poruszają się synchronicznie, to samochód będzie jechał. Jeśli jednocześnie koła samochodu zostaną wybrane jako oddzielne obiekty, a do ich środków przypisane zostaną oddzielne trajektorie ruchu i obrotu, to koła samochodu będą się kręcić po drodze. Wybierając odpowiednią korespondencję między ruchem karoserii a jego kołami, możesz osiągnąć realizm finalnej kreskówki. Podobnie, możesz sprawić, że „ludzki” obiekt się poruszy, ale wymaga to zrozumienia ludzkiej anatomii i dynamiki chodzenia lub biegania. A potem - wszystko jest proste: wewnątrz obiektu powstaje szkielet, a każdej jego części przypisane są własne prawa ruchu.
Obiekt stworzony w programie do modelowania trójwymiarowego może w swoich formach całkowicie powtarzać realną próbkę z życia lub fantazji twórcy, może się realistycznie poruszać, ale zabraknie mu jeszcze jednej cechy, aby w pełni do niego pasować. Tą cechą jest tekstura. Kolor i chropowatość powierzchni determinują naszą percepcję, dlatego większość edytorów 3d ma również narzędzia do tworzenia tekstur, w tym biblioteki gotowych powierzchni: od drewna i metalu po dynamiczną teksturę szalejącego morza w świetle księżyca. Jednak nie wszystkie zadania związane z modelowaniem 3D wymagają takiej funkcjonalności. Jeśli tworzysz model do druku na drukarce 3D, to o fakturze jego powierzchni będzie decydował materiał, który ma zostać wydrukowany. Jeśli projektujesz szafkę w CAD dla producentów mebli, to oczywiście zainteresuje Cię „ubranie” produktu w fakturę wybranego gatunku drewna, ale o wiele ważniejsze będzie wykonanie obliczeń wytrzymałościowych w ten sam program.
Formaty plików w modelowaniu 3d
Oprogramowanie do tworzenia, edycji i wytwarzania obiektów 3d prezentowane jest na rynku w postaci dziesiątek aplikacji i pakietów. Wielu twórców takiego oprogramowania używa własnych formatów plików do zapisywania wyników symulacji. Pozwala im to lepiej wykorzystać swoje produkty i chroni ich projekty przed niewłaściwym użyciem. Istnieje ponad sto formatów plików 3D. Niektóre z nich są zamknięte, to znaczy twórcy nie pozwalają innym programom na korzystanie z ich formatów plików. Ta sytuacja znacznie komplikuje interakcję osób zajmujących się modelowaniem 3d. Układ lub model utworzony w jednym programie jest często bardzo trudny lub niemożliwy do zaimportowania i przekonwertowania w innym programie.
Istnieją jednak otwarte formaty plików graficznych 3D, które są rozumiane przez prawie wszystkie programy do pracy z 3d:
. COLLADA to uniwersalny format oparty na XML, zaprojektowany specjalnie do wymiany plików między programami różnych programistów. Ten format jest obsługiwany (w niektórych przypadkach wymagana jest specjalna wtyczka) przez takie popularne produkty jak Autodesk 3ds Max, SketchUp, Blender. Ponadto ten format obsługuje najnowsze wersje programu Adobe Photoshop.
. OBJ - Opracowany przez Wavefront Technologies. Ten format jest open source i został przyjęty przez wielu twórców edytorów graficznych 3D. Większość oprogramowania do modelowania 3D ma możliwość importowania i eksportowania plików.obj.
. STL to format przeznaczony do przechowywania plików przeznaczonych do druku przy użyciu stereolitografii. Wiele dzisiejszych drukarek 3D może drukować bezpośrednio z.stl. Obsługiwany jest również przez wiele slicerów – programów do przygotowania druku na drukarce 3D.
Internetowy edytor 3d tinkercad.com
Strona tinkercad.com, należąca do Autodesk, to najlepsze rozwiązanie dla tych, którzy zaczynają modelować 3D od podstaw. Całkowicie za darmo. Łatwa do nauczenia strona zawiera kilka lekcji, które pozwalają zrozumieć główne funkcje w ciągu godziny i zacząć. Interfejs strony został przetłumaczony na język rosyjski, ale lekcje są dostępne tylko w języku angielskim. Jednak podstawowa znajomość języka angielskiego wystarczy, aby zrozumieć lekcje. Ponadto nie jest trudno znaleźć przewodniki po rosyjsku i tłumaczenia lekcji Tinkercad w Internecie.
W obszarze roboczym witryny dostępna jest duża liczba prymitywów wolumetrycznych, w tym tych utworzonych przez innych użytkowników. Dostępne są narzędzia do skalowania, przyciągania do siatki współrzędnych i do kluczowych punktów obiektów. Każdy obiekt można przekształcić w dziurę. Wybrane obiekty można łączyć. W ten sposób realizowane jest dodawanie i odejmowanie obiektów. Dostępna jest historia przekształceń, w tym dla nowo zapisanych obiektów, co jest bardzo wygodne, gdy trzeba cofnąć się o wiele kroków.
Dla tych, którym opisane powyżej funkcje elementarne nie wystarczą, istnieje możliwość pisania skryptów i odpowiednio tworzenia złożonych skryptów do przekształcania obiektów.
Brak narzędzi do cięcia przedmiotów. Nie ma wielokątów w czystej postaci (model wielokątny jest do pewnego stopnia zaimplementowany w krzywoliniowych prymitywach obiektów). Brak tekstur. Tinkercad pozwala jednak tworzyć dość złożone i artystyczne obiekty.
Obsługuje import i eksport plików w formatach STL, OBJ, SVG.
SketchUp
Półprofesjonalny edytor grafiki 3d firmy Trimble Inc, przejęty kilka lat temu przez firmę Google Corporation. Wersja Pro kosztuje 695 USD. Dostępna jest darmowa wersja online z ograniczoną funkcjonalnością.
Kilka lat temu istniała darmowa wersja edytora na komputery stacjonarne, ale dziś tylko wersja online jest dostępna bez pieniędzy. Wersja internetowa posiada proste narzędzia do rysowania, tworzenia krzywych oraz narzędzie Wyciągnij, które pozwala stworzyć bryłę z płaskiego obrazu. Również w wersji internetowej dostępne są warstwy i tekstury. Dostępna jest biblioteka obiektów i tekstur tworzonych przez użytkownika.
Import jest możliwy dla plików w swoim własnym formacie (projekt SketchUp) Można również wstawić plik.stl do sceny jako obiekt.
Linki z Google pozwalają SketchUp na integrację z usługami internetowego giganta. To nie tylko dostęp do pamięci w chmurze, gdzie można znaleźć wiele gotowych scen i obiektów do wykorzystania w pracy, ale także możliwość importowania zdjęć satelitarnych i lotniczych z Google Earth w celu tworzenia realistycznych scen.
Ogólnie możliwości darmowej wersji SketchUp są zauważalnie wyższe niż funkcjonalność dostępna w Tinkercad, ale strona SketchUp często zwalnia przy próbie wykonania poważnych operacji, jakby sugerowała, że lepiej przełączyć się na wersję płatną produktu. Bezpłatna wersja SketchUp zawiera ofertę zapłaty pieniędzy za rozszerzenie jej możliwości niemal na każdym kroku.
Biorąc pod uwagę, że SketchUp Pro ma dobrą funkcjonalność i jest szeroko stosowany np. w projektowaniu mebli czy opracowywaniu wystroju wnętrz, tym, którzy chcą zrobić krok w kierunku poważnego modelowania, możemy polecić opanowanie darmowej internetowej wersji produktu, ale nie są jeszcze pewni ich mocnych stron i celowości przejścia na wersje płatne.
Mikser
Blender to legendarny projekt, który pokazuje, podobnie jak Linux czy PostgreSQL, że społeczność programistów zjednoczona ideą dystrybucji wolnego oprogramowania może zrobić prawie wszystko.
Blender to profesjonalny edytor grafiki 3d o niemal nieograniczonych możliwościach. Największą popularność zdobył wśród twórców animacji i realistycznych scen 3d. Jako przykład możliwości tego produktu można przytoczyć fakt, że powstała w nim cała animacja do filmu „Spider-Man 2”. I – nie tylko do tego filmu.
Pełne opanowanie możliwości edytora Blendera wymaga znacznej inwestycji czasu i zrozumienia wszystkich aspektów grafiki 3D, w tym oświetlenia, scenografii i ruchu. Posiada wszystkie znane i popularne narzędzia do modelowania wolumetrycznego, a dla narzędzi niemożliwych lub jeszcze nie wynalezionych jest język programowania Python, w którym napisany jest sam edytor i w którym można dowolnie rozszerzać jego możliwości.
Społeczność użytkowników Blendera liczy ponad pół miliona osób, dlatego nie będzie trudno znaleźć osoby, które pomogą w jej opanowaniu.
W przypadku prostych projektów Blender jest nadmiernie funkcjonalny i złożony, ale dla tych, którzy poważnie zajmują się modelowaniem 3d, jest to świetny wybór.
