3D Modellierung

Im 3D -Computergrafik, 3D Modellierung ist der Prozess der Entwicklung einer mathematischen koordinatenbasierten Darstellung von allen auftauchen eines Objekts (leblos oder leben) in drei Dimensionen über Spezielle Software Durch Manipulieren von Kanten, Eckpunkten und Polygonen in einem simulierten 3D -Raum.[1][2][3]

Dreidimensionale (3D) Modelle repräsentieren a physischer Körper Unter Verwendung einer Sammlung von Punkten im 3D -Raum, die durch verschiedene geometrische Wesenheiten wie Dreiecke, Linien, gekrümmte Oberflächen usw. verbunden sind, usw.[4] Eine Datenerfassung sein (Daten (Punkte und andere Informationen), 3D -Modelle können manuell erstellt werden. algorithmisch (Verfahrensmodellierung), oder von Scannen.[5][6] Ihre Oberflächen können weiter definiert werden mit Textur-Mapping.

Umriss

Das Produkt heißt a 3D-Modell. Jemand, der mit 3D -Modellen arbeitet 3D -Künstler oder ein 3D -Modellierer.

A 3D-Modell kann auch als zweidimensionales Bild durch einen genannten Prozess angezeigt werden 3D-Rendering oder in a verwendet Computersimulation von physischen Phänomenen.

3D -Modelle können automatisch oder manuell erstellt werden. Der manuelle Modellierungsprozess zur Vorbereitung geometrischer Daten für 3D -Computergrafiken ist ähnlich wie Plastische Künste wie zum Beispiel Bildhauerung. Das 3D-Modell kann physisch mit Verwendung erstellt werden 3d Drucken Geräte, die 2D-Schichten des Modells mit dreidimensionalem Material bilden, jeweils eine Schicht. Ohne 3D -Modell ist ein 3D -Druck nicht möglich.[7]

3D -Modellierungssoftware ist eine Klasse von 3D -Computergrafik Software zur Herstellung von 3D -Modellen. Einzelprogramme dieser Klasse, wie z. Sketchup, werden genannt Modellierungsanwendungen.[8]

Geschichte

Dreidimensionales Modell von a Spektrograph[9]
Drehen Sie das 3D-Videospielmodell


3D -Selfie Modelle werden aus 2D -Bildern erzeugt, die am Fantasitron 3D -Fotokabine at aufgenommen wurden Madurodam

3D -Modelle werden jetzt überall in weit verbreiteter verwendet3D -GrafikundCAD Aber ihre Geschichte geht vor der weit verbreiteten Verwendung von 3D -Grafiken aufpersönliche Computer.[10]

In der Vergangenheit vieleComputerspieleVerwendete vorgefertigte Bilder von 3D-Modellen alsSpritesBevor Computer sie in Echtzeit rendern konnten. Der Designer kann das Modell dann in verschiedenen Richtungen und Ansichten sehen. Dies kann dem Designer helfen, zu sehen, ob das Objekt als im Vergleich zu seinem ursprünglichen Sehensort erstellt wird. Wenn Sie das Design auf diese Weise sehen, kann der Designer oder Unternehmen Änderungen oder Verbesserungen für das Produkt herausfinden.[11]

Darstellung

Ein modernes Rendern der Ikonen Utah Teekanne Modell entwickelt von Martin Newell (1975). Die Teekanne in Utah ist eines der häufigsten Modelle, die in der 3D -Grafikausbildung verwendet werden.

Fast alle 3D -Modelle können in zwei Kategorien unterteilt werden:

  • Fest - Diese Modelle definieren das Volumen des Objekts, das sie darstellen (wie ein Gestein). Feste Modelle werden hauptsächlich für technische und medizinische Simulationen verwendet und normalerweise mit gebaut Konstruktive feste Geometrie
  • Hülse oder Grenze - Diese Modelle repräsentieren die Oberfläche, d. H. Die Grenze des Objekts, nicht das Volumen (wie eine infinitesimal dünne Eierschale). Fast alle visuellen Modelle, die in Spielen und Film verwendet werden, sind Shell -Modelle.

Solid- und Shell -Modellierung kann funktional identische Objekte erzeugen. Unterschiede zwischen ihnen sind hauptsächlich Variationen in der Art und Weise, wie sie erstellt und bearbeitet werden, und Konventionen der Verwendung in verschiedenen Bereichen und Unterschiede in den Arten von Näherungsarbeiten zwischen Modell und Realität.

Shell -Modelle müssen sein vielfältig (ohne Löcher oder Risse in der Hülle) als echtes Objekt aussagekräftig sein. In einem Schalenmodell eines Würfels müssen die Boden- und Oberfläche des Würfels eine gleichmäßige Dicke ohne Löcher oder Risse in der ersten und letzten Schicht aufweisen. Polygonale Maschen (und in geringerem Maße Unterteilungsflächen) sind bei weitem die häufigste Darstellung. Level -Sets sind eine nützliche Darstellung für die Verformung von Oberflächen, die vielen topologischen Veränderungen wie z. Flüssigkeiten.

Der Prozess der Transformation von Darstellungen von Objekten, wie der Mittelpunktkoordinate von a Kugel und ein Punkt auf seinem Umfang in eine Polygondarstellung einer Kugel heißt Tessellation. Dieser Schritt wird im polygonbasierten Rendering verwendet, bei dem Objekte aus abstrakten Darstellungen abgebaut werden ("Primitive") wie Kugeln, Zapfen usw. zu sogenannten Maschen, die Netze von miteinander verbundenen Dreiecken sind. Dreiecksnetze (anstelle von z. Quadrate) sind beliebt, da sie sich als einfach erwiesen haben rasterisieren (Die von jedem Dreieck beschriebene Oberfläche ist planar, daher ist die Projektion immer konvex); .[12] Polygon -Darstellungen werden nicht in allen Rendering -Techniken verwendet, und in diesen Fällen ist der Tessellationsschritt nicht in den Übergang von der abstrakten Darstellung zur gerenderten Szene enthalten.[13]

Verfahren

Es gibt drei beliebte Möglichkeiten, ein Modell darzustellen:

  • Polygonale Modellierung - Punkte im 3D -Raum, genannt Eckpunkte, werden durch Liniensegmente mit einem A -Bildung a verbunden Polygon -Netz. Die überwiegende Mehrheit der 3D -Modelle wird heute als strukturierte polygonale Modelle gebaut, da sie flexibel sind, da Computer sie so schnell rendern können. Polygone sind jedoch planar und können nur mit vielen Polygonen gekrümmte Oberflächen annähern.
  • Kurvenmodellierung - Oberflächen werden durch Kurven definiert, die durch gewichtete Kontrollpunkte beeinflusst werden. Die Kurve folgt (aber nicht unbedingt interpoliert) die Punkte. Wenn Sie das Gewicht für einen Punkt erhöhen, wird die Kurve näher an diesen Punkt gezogen. Kurventypen umfassen ungleichmäßige rationale B-Spline (Nurbs), Splines, Patches und Geometrische Primitive
  • Digitale Bildhauerei - Die 3D -Skulption ist noch eine ziemlich neue Modellmethode und ist in den wenigen Jahren, in denen es gab, sehr beliebt geworden.[14] Derzeit gibt es drei Arten von digitaler Skulption: Verschiebung, was in diesem Moment am weitesten verbraucht ist, verwendet ein dichter Modell (oft generiert von Unterteilungsflächen eines Polygon -Steuernetzes) und speichert neue Stellen für die Scheitelpunktpositionen mithilfe einer Bildkarte, die die angepassten Stellen speichert. Volumetrisch, lose basierend auf Voxel, hat ähnliche Fähigkeiten wie Verschiebung, leidet jedoch nicht an Polygondehnungen, wenn es in einer Region nicht genügend Polygone gibt, um eine Verformung zu erreichen. Dynamische Tessellation, was ähnlich wie Voxel ist, die Oberfläche unterteilt Triangulation um eine glatte Oberfläche aufrechtzuerhalten und feinere Details zuzulassen. Diese Methoden ermöglichen eine sehr künstlerische Erforschung, da das Modell eine neue Topologie über sie erstellt hat, sobald die Modelle bilden und möglicherweise Details geformt wurden. Das neue Netz verfügt normalerweise über die ursprünglichen hochauflösenden Netzinformationen, die in Verdrängungsdaten übertragen werden oder Normale Karte Daten, wenn für eine Game Engine.
Ein 3D -Fantasy -Fisch aus organischen Oberflächen, die mit LAI4D erzeugt wurden.

Die Modellierungsphase besteht darin, einzelne Objekte zu formen, die später in der Szene verwendet werden. Es gibt eine Reihe von Modellierungstechniken, darunter:

Die Modellierung kann mittels eines dedizierten Programms durchgeführt werden (z. B.,, Mixer, Kino 4d, Lichtwelle, Maya, Modo, 3ds max) oder eine Anwendungskomponente (Shaper, LOFTER in 3DS max) oder eine Szenenbeschreibungssprache (wie in POV-RAY). In einigen Fällen gibt es keine strenge Unterscheidung zwischen diesen Phasen; In solchen Fällen ist die Modellierung nur ein Teil des Szenenerstellungsprozesses (dies ist beispielsweise bei Caligari der Fall TRUESPACE und Realsoft 3D).

3D -Modelle können auch mit der Technik von erstellt werden Fotogrammetrie mit engagierten Programmen wie z. RealityCapture, Metashape und 3DF Zephyr. Aufräumarbeiten und weitere Verarbeitung können mit Anwendungen wie durchgeführt werden Meshlab, das Gigamesh -Software -Framework, netfabb oder meshmixer. Die Fotogrammetrie erstellt Modelle, die Algorithmen verwenden, um die Form und Textur realer Objekte und Umgebungen basierend auf Fotografien aus vielen Winkeln des Subjekts zu interpretieren.

Komplexe Materialien wie Blasen Sand, Wolken und Flüssigsprays werden modelliert Partikelsysteme, und sind eine Masse von 3D Koordinaten die beides haben Punkte, Polygone, Textur Splats, oder Sprites ihnen zugewiesen.

Menschliche Modelle

Die erste weit verbreitete kommerzielle Anwendung menschlicher virtueller Modelle erschien 1998 auf der Lands 'Ende Webseite. Die menschlichen virtuellen Modelle wurden vom Unternehmen My Virtual Mode Inc. erstellt und es den Benutzern ermöglicht, ein Modell für sich selbst zu erstellen und 3D -Kleidung zu versuchen.[15] Es gibt mehrere moderne Programme, die die Schaffung virtueller menschlicher Modelle ermöglichen (Poser ein Beispiel sein).

3D -Kleidung

Dynamisches 3D -Kleidungsmodell aus wunderbarem Designer

Die Entwicklung von Stoffsimulation Software wie wunderbarer Designer, Clo3d und Optitex hat es Künstlern und Modedesigner ermöglicht, dynamische 3D -Kleidung auf dem Computer zu modellieren.[16] Dynamische 3D -Kleidung wird für virtuelle Modekataloge sowie für das Anziehen von 3D -Charakteren für Videospiele, 3D -Animationsfilme, für digitale Doppel in Filmen verwendet[17] sowie für die Herstellung von Kleidung für Avatare in virtuellen Welten wie zum Beispiel Zweites Leben.

Vergleich mit 2D -Methoden

3d fotorealistisch Effekte werden oft ohne Draht-Frame-Modellierung erreicht und sind manchmal in der endgültigen Form nicht zu unterscheiden. Etwas Grafiksoftware Beinhaltet Filter, die auf 2D -Vektorgrafiken oder 2D angewendet werden können Rastergrafiken auf transparenten Schichten.

Die Vorteile der Drahtrame 3D -Modellierung gegenüber ausschließlich 2D -Methoden umfassen:

  • Flexibilität, Fähigkeit, Winkel zu ändern oder Bilder zu animieren, wobei die Veränderungen schneller werden;
  • Leichte Rendern, automatische Berechnung und Rendern fotorealistischer Effekte, anstatt sich geistig zu visualisieren oder zu schätzen;
  • Genauer Fotorealismus, Weniger Wahrscheinlichkeit, dass menschlicher Fehler in der Fehl plündern, übertreiben oder vergessen, einen visuellen Effekt aufzunehmen.

Nachteile im Vergleich zum 2D -fotorealistischen Rendering können eine Software -Lernkurve und Schwierigkeiten, bestimmte fotorealistische Effekte zu erreichen, umfassen. Einige fotorealistische Effekte können mit speziellen Rendering -Filtern erzielt werden, die in der 3D -Modellierungssoftware enthalten sind. Für das Beste aus beiden Welten verwenden einige Künstler eine Kombination aus 3D-Modellierung, gefolgt von der Bearbeitung der computergestützten 2D-Bilder aus dem 3D-Modell.

3D -Modellmarkt

Das erste Unternehmen, das 3D -Modelle verkaufte, war Sichtweise (Orem, UT), das 1988 von John Wright gegründet wurde. Johns erstes digitalisiertes 3D -Modell war ein Auto, das 1984 verwendet wurde. Movie. Byu auf einem HP 9000 -Computer. Das erste 3D -Modell "Katalog" wurde 1990 für Wallace Colvard gemacht, der für NBC arbeitete, um den ersten Fußball und den ersten Helm für einen neuen Super Bowl 3D -Animations -Werbespot namens "Bud Bowl" zu kreieren. Wallace rief John an und fragte, ob Viewpoint einen 3D -Fußball in ihrem "Katalog" habe. Viewpoint hatte keinen Katalog, also machten John und sein Team schnell den ersten Katalog von 3D -Objekten, die nur wenige 3D -Objekte enthielten und ihn nach Wallace "faxten". Das 3D-Modellgeschäft von Viewpoint stieg bis 1998 auf über 6 Millionen US-Dollar. wie Texturen, Skripte usw.) existiert noch - entweder für einzelne Modelle oder große Sammlungen. Mehrere Online -Marktplätze für 3D -Inhalte ermöglichen es einzelne Künstler, Inhalte zu verkaufen, einschließlich Turbosquid, CGstudio, Kreativemarket, MyMinifactory, Sketchfab, CGTrader und Kulte. Oft ist es das Ziel der Künstler, zusätzlichen Wert aus Vermögenswerten zu erhalten, die sie zuvor für Projekte geschaffen haben. Auf diese Weise können Künstler aus ihren alten Inhalten mehr Geld verdienen, und Unternehmen können Geld sparen, indem sie vorgefertigte Modelle kaufen, anstatt einen Mitarbeiter zu bezahlen, um eines von Grund auf neu zu erstellen. Diese Marktplätze teilen in der Regel den Verkauf zwischen sich und dem Künstler, der das Vermögenswert geschaffen hat. Künstler erhalten laut Markt 40% bis 95% des Umsatzes. In den meisten Fällen behält der Künstler das Eigentum des 3D -Modells bei, während der Kunde das Modell nur nutzt und das Modell präsentiert. Einige Künstler verkaufen ihre Produkte direkt in ihren eigenen Geschäften, die ihre Produkte zu einem günstigeren Preis anbieten, indem sie keine Vermittler verwenden.

In den letzten Jahren sind zahlreiche Marktplätze auf 3D -Rendering- und Druckmodelle spezialisiert und sind entstanden. Manche der 3D -Druckmarktplätze sind eine Kombination von Modellen gemeinsamen Stellen mit oder ohne eingebaute E-COM-Fähigkeit. Einige dieser Plattformen bieten auch 3D -Druckdienste bei Bedarf, Software für Modellrendern und dynamische Anzeige von Elementen usw. Formbahnen, Sketchfab, Pinshape, Thingiverse, Turbosquid, CGTrader, Gewehr, NEXTECH AR Solutions Corp. MyMinifactory, 3dfindit.com und Grabcad.

3d Drucken

Der Begriff 3D-Druck oder dreidimensionaler Druck ist eine Form der additiven Fertigungstechnologie, bei der ein dreidimensionales Objekt aus aufeinanderfolgendem Material entsteht.[18] Objekte können erstellt werden, ohne komplexe teure Formen oder Montage mit mehreren Teilen erforderlich zu machen. Durch 3D -Druck können Ideen prototypisiert und getestet werden, ohne einen Produktionsprozess durchlaufen zu müssen.[18][19]

In den letzten Jahren hat die Anzahl der Unternehmen, die personalisierte 3D -gedruckte Modelle von Objekten anbieten, die gescannt, in CAD -Software entworfen und anschließend auf die Anforderungen des Kunden gedruckt wurden, erhöht.[20] 3D-Modelle können von Online-Marktplätzen gekauft und von Einzelpersonen oder Unternehmen gedruckt werden, die handelsübliche 3D-Drucker verwenden, um die Heimproduktion von Objekten wie Ersatzteilen und sogar medizinische Geräte zu ermöglichen.[21][22]

Verwendet

Schritte von Forensische Gesichtsrekonstruktion von a Mumie hergestellt in Mixer vom brasilianischen 3D -Designer Cícero Moraes.

Heute wird 3D -Modellierung in verschiedenen Branchen wie Film, Animation und Spielen verwendet, Innenarchitektur und die Architektur.[23] Sie werden auch in der medizinischen Industrie verwendet, um interaktive Darstellungen der Anatomie zu schaffen.[24]

Die medizinische Industrie verwendet detaillierte Organe aus detaillierten Modellen. Diese können mit mehreren 2-D-Bildscheiben von einem erstellt werden MRT oder CT-Scan. Die Filmindustrie verwendet sie als Charaktere und Objekte für animierte und reale Leben Spielfilm. Das Videospielbranche verwendet sie als Vermögen für Computer- und Videospiele.

Das Wissenschaft Sektor verwendet sie als detaillierte Modelle chemischer Verbindungen.[25]

Die Architekturindustrie nutzt sie, um vorgeschlagene Gebäude und Landschaften anstelle von traditionellem, physischem, physischen Gebäuden zu demonstrieren Architekturmodelle.

Die Archäologie -Community erstellt jetzt 3D -Modelle von kulturelles Erbe Für Forschung und Visualisierung.

Die Ingenieurgemeinschaft nutzt sie als Entwürfe neuer Geräte, Fahrzeuge und Strukturen sowie eine Vielzahl anderer Verwendungszwecke.

In den letzten Jahrzehnten die Erdkunde Die Community hat begonnen, 3D -geologische Modelle als Standardpraxis zu konstruieren.

3D -Modelle können auch die Grundlage für physikalische Geräte sein, die mit gebaut werden 3D -Drucker oder CNC -Maschinen.

In Bezug auf die Videospielentwicklung, 3D Modellierung ist eine Stufe in einem längeren Entwicklungsprozess. Einfach ausgedrückt, die Quelle der Geometrie für die Form eines Objekts kann sein:

  1. Ein Designer, Industrieingenieur oder Künstler, der ein 3D-Cad-System nutzt
  2. Ein vorhandenes Objekt, das mit einem 3-D-Formigitalisierer oder Scanner umgekehrt konstruiert oder kopiert wurde
  3. Mathematische Daten, die im Speicher basierend auf einer numerischen Beschreibung oder Berechnung des Objekts gespeichert sind.[18]

Eine große Anzahl von 3D -Software wird auch zum Erstellen der digitalen Darstellung mechanischer Modelle oder Teile verwendet, bevor sie tatsächlich hergestellt werden. Cad- und Cam-Verwandte Software wird in solchen Feldern verwendet, und mit dieser Software können Sie nicht nur die Teile konstruieren, sondern sie auch zusammenstellen und ihre Funktionalität beobachten.

3D -Modellierung wird auch im Bereich von verwendet industrielles Design, wobei Produkte 3D modelliert werden, bevor sie den Kunden vertreten. In Medien- und Veranstaltungsbranchen wird die 3D -Modellierung in verwendet Bühnen- und Set -Design.[26]

Die Eule 2 Übersetzung der Wortschatz von X3d kann verwendet werden, um bereitzustellen Semantische Beschreibungen zum 3D -Modelle, was für die Indexierung geeignet ist und Abruf von 3D -Modellen durch Merkmale wie Geometrie, Abmessungen, Material, Textur, diffuse Reflexion, Transmissionsspektren, Transparenz, Reflexionsvermögen, Opaleszenz, Glasuren, Lacken und Emaille (im Gegensatz zu unstrukturierte Textbeschreibungen oder 2.5d Virtuelle Museen und Ausstellungen verwenden Google Street View an Google Arts & Kultur, zum Beispiel).[27] Das RDF Repräsentation von 3D -Modelle kann in verwendet werden in ArgumentationDies ermöglicht intelligente 3D -Anwendungen, die beispielsweise zwei 3D -Modelle automatisch nach Volumen vergleichen können.[28]

Testen eines 3D -Feststoffmodells

3D -Solidmodelle können je nach Bedarf auf unterschiedliche Weise getestet werden, indem Simulation, Mechanismus -Design und Analyse benötigt werden. Wenn ein Motor korrekt entworfen und zusammengestellt wird (dies kann je nach Verwendung des 3D -Modellierungsprogramms unterschiedlich durchgeführt werden), sollte der Benutzer mit dem Mechanismus -Tool in der Lage sein, festzustellen, ob der Motor oder die Maschine korrekt zusammengestellt wird, wie er funktioniert. Unterschiedlicher Design muss auf unterschiedliche Weise getestet werden. Zum Beispiel; Eine Poolpumpe würde eine Simulation des Wassers benötigen, die durch die Pumpe verläuft, um zu sehen, wie das Wasser durch die Pumpe fließt. Diese Tests überprüfen, ob ein Produkt korrekt entwickelt wird oder ob es geändert werden muss, um seine Anforderungen zu erfüllen.

Siehe auch

Verweise

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Externe Links

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