De uitdrukking "3D" is een afkorting voor het Engelse "3 dimension", dat wil zeggen, "3 Dimensions". Symbolen "3D" (in de Russische literatuur wordt ook vaak de afkorting "3d" gebruikt) geven aan dat een object of technologie verschilt van andere doordat het meer dan twee dimensies heeft.
Waar zijn 3D-modellen voor?
Alle objecten in de echte wereld hebben drie dimensies. Tegelijkertijd gebruiken we in de overgrote meerderheid van de gevallen om driedimensionale objecten weer te geven, tweedimensionale oppervlakken: een vel papier, canvas, computerscherm. De beeldhouwer maakt driedimensionale figuren, maar voordat hij begint met het snijden van een sculptuur uit graniet, maakt hij schetsen waarin het toekomstige werk in verschillende aanzichten wordt afgebeeld - van alle kanten. Evenzo werkt een architect of ontwerper door platte weergaven van ontworpen producten of gebouwen weer te geven op een Whatman-papier of op een computerscherm.
Het onderwerp "tekenen" in het kader van de leerplicht is bedoeld om driedimensionale modellering aan te leren - de exacte beschrijving van objecten met volume, op een vlak, tweedimensionaal oppervlak van een vel papier. Daarnaast leren kinderen driedimensionale modellering in plasticine-modelleringsklassen op de kleuterschool en de lagere school. Zoveel aandacht voor 3D-modellering in het onderwijsproces is niet toevallig. Bij elke activiteit om echte objecten te maken, moet je een goed idee hebben van hoe dit object er van alle kanten uit zal zien. Een kleermaker en een kledingontwerper moeten weten hoe een pak of jurk past bij een persoon met een bepaald figuur. De kapper creëert een kapsel en kapsel dat volume heeft en er vanuit verschillende hoeken anders uitziet. De juwelier modelleert zijn sieraden. De tandarts moet niet alleen een mooie kunsttand maken, maar ook rekening houden met de ligging ten opzichte van de rest van het gebit van de patiënt. De timmerman moet de voegen van de driedimensionale onderdelen heel precies kunnen passen. Ook wil hij visueel zien hoe de meubels die hij ontwerpt handig in gebruik zijn en in het interieur passen.
Lange tijd gebruiken vertegenwoordigers van verschillende beroepen tekeningen, bestaande uit vele soorten, voor driedimensionale modellering. Met de verspreiding van personal computers werd het mogelijk om een deel van de taak van het maken van driedimensionale modellen aan software toe te vertrouwen. Design Automation Systems (CAD) waren de eersten die de functionaliteit van dynamische weergave van gecreëerde driedimensionale objecten op het vlak van het scherm omvatten. Het woord "dynamisch" betekent in dit geval de mogelijkheid om het beeld van een driedimensionaal object op het scherm te draaien en het van alle kanten te bekijken. De dynamiek van een 3D-model kan echter ook betekenen dat het model van vorm kan veranderen en kan bewegen. De makers van tekenfilms en computerspellen hebben behoefte aan dergelijke functionaliteit.
In de tweede helft van de twintigste eeuw, zelfs in het pre-computertijdperk, verschenen driedimensionale oppervlaktebehandelingstechnologieën. Kort na het einde van de Tweede Wereldoorlog financierde de Amerikaanse luchtmacht het werk van Parsons Inc om machines te maken die complexe onderdelen konden frezen volgens een bepaald algoritme. Deze werken leidden tot de creatie van een hele klasse van computer numerieke controle (CNC) werktuigmachines. Het ontwerpen van werkalgoritmen voor CNC-machines is een andere taak op het gebied van 3D-modellering.
In 1986 creëerde de Amerikaanse ingenieur Charles W. Hall een printer die driedimensionale objecten print met stereolithografie. Later verschenen 3D-printers, die driedimensionale producten printen van een grote verscheidenheid aan materialen, waaronder printers voor het printen van menselijke organen, of bijvoorbeeld printers die zoetwarendecoraties en kant-en-klaarmaaltijden printen. Tegenwoordig kan een eenvoudige, maar redelijk functionele 3D-printer worden gekocht voor de prijs van een smartphone en erop worden afgedrukt volumetrische objecten voor thuis, of details van modellen en verschillende apparaten. Alle 3D-printers om te printen krijgen een driedimensionaal model als invoer in een bepaald formaat.
Basisprincipes van 3D-modellering
Een voorwaarde voor 3D-modellering is de aanwezigheid van ruimtelijke verbeeldingskracht. Het is belangrijk om het toekomstige resultaat van werk te kunnen voorstellen, mentaal te roteren en het van alle kanten te bekijken, evenals te begrijpen uit welke elementen het model bestaat, welke kansen het biedt en welke beperkingen het oplegt. Van nature is ieders ruimtelijke verbeeldingskracht in verschillende mate ontwikkeld, maar net als geletterdheid of een oor voor muziek kan het ontwikkeld worden. Het is belangrijk om niet op te geven, tegen jezelf te zeggen dat niets werkt, maar om ervaring op te doen door eerst eenvoudige modellen te maken en geleidelijk aan meer complexe modellen te maken.
Als u in een CAD-programma drie rechthoeken tekent en ze rangschikt in overeenstemming met de tekenregels, dan zal de weergavemodule van het driedimensionale model van het programma in staat zijn om het parallellepipedum dat overeenkomt met deze drie projecties te creëren en op het scherm weer te geven. Op dezelfde manier kunt u door de tekenregels te volgen een model maken van bijna elk onderdeel.
Alle programma's voor 3D-modellering zijn vector. Dit betekent dat ze objecten niet beschrijven als een verzameling afzonderlijke punten, maar als een reeks formules en alleen met hele objecten werken. Als u slechts de helft van een object hoeft te veranderen of verplaatsen, moet u het knippen (als er een hulpmiddel is waarmee u dit kunt doen) en de helften als nieuwe objecten bevestigen. Om met een vector-editor te werken, is het helemaal niet nodig om wiskundige formules te kennen, ze zijn in het programma opgenomen. Een belangrijk en nuttig gevolg van deze aanpak is dat elk object kan worden verplaatst, gewijzigd en geschaald zonder dat dit ten koste gaat van de kwaliteit. Aan de andere kant zal het programma je niet begrijpen als je probeert een rechthoek te tekenen, bijvoorbeeld door veel punten langs de randen te plaatsen die elkaar visueel raken. Voor het programma zijn het gewoon veel punten, geen rechthoek. Met deze, naar jouw mening, rechthoek kan ze geen handelingen uitvoeren. Om een rechthoek te maken, moet u een geschikt hulpmiddel kiezen en gebruiken. Vervolgens kunt u met het programma alle acties uitvoeren met het gemaakte object: verander het, verplaats het naar een bepaald punt, rek, buig, enzovoort. Ook zal de meeste software voor 3D-modellering niet kunnen werken met afbeeldingen in rasterformaat (bmp, jpg, png, gif, enz.) die bijvoorbeeld uit Photoshop zijn verkregen.
3D-modellering van "bakstenen"
De overgrote meerderheid van de technische details is een combinatie van volumetrische primitieven: parallellepipedums, ballen, prisma's, enzovoort. Elke tool voor 3D-modellering heeft een bibliotheek met volumetrische primitieven en kan deze reproduceren, rekening houdend met de parameters die door de gebruiker zijn opgegeven. Om bijvoorbeeld een model van een cilinder te maken, volstaat het om het juiste gereedschap in het programma te selecteren en de diameter en hoogte in te stellen. Ook zijn alle programma's voor driedimensionaal ontwerpen in staat om ten minste twee wiskundige bewerkingen uit te voeren met driedimensionale figuren: optellen en aftrekken. Als u bijvoorbeeld twee cilinders van primitieven hebt gemaakt: een met een diameter van 5 cm en een hoogte van 1 cm, en de tweede met een diameter van 3 cm en een hoogte die duidelijk groter is dan 1 cm, kunt u ze combineren langs de centrale as en trek de tweede af van de eerste (grotere) cilinder … Het resultaat is een 1 cm dikke sluitring met een buitendiameter van 5 cm en een binnendiameter van 3 cm Als u bijvoorbeeld een aparte set losse objecten heeft: "hoofd zonder oren en neus", "neus", " linkeroor" en "rechteroor", dan kunt u ze verbinden en toevoegen om een nieuw object "hoofd met oren en neus" te maken. Als je een bibliotheek hebt met oren, neuzen en hoofden met verschillende vormen, dan kun je, door ze te doorlopen, een model maken van het hoofd van je vriend (of die van jezelf). Door vervolgens het "mond" -object van het resulterende hoofd af te trekken, kunt u een hoofd met een mond krijgen. Het maken van een 3D-model van "stenen", objecten die beschikbaar zijn in de programmabibliotheek of van buitenaf in het programma worden geladen, is een eenvoudige en een van de meest populaire manieren.
Natuurlijk zijn er geen "bouwstenen" voor alle gevallen in welk programma dan ook. Veel objecten kunnen echter worden gemaakt door andere objecten in de ruimte te verplaatsen of door ze te wijzigen. U kunt bijvoorbeeld zelf dezelfde cilinder maken door een cirkel als basis te nemen en deze omhoog te bewegen, waarbij u elke stap behoudt door de posities in één object toe te voegen. Als het programma zo'n hulpmiddel heeft, doet het alles zelf, je hoeft alleen maar aan te geven: langs welk traject en hoe ver je de basis moet verplaatsen. Dus van de wasmachine die is gemaakt volgens de hierboven beschreven technologie, kunt u een nieuw object maken - een pijp. Inclusief - een pijp met veel bochten van een bepaalde kromming. Een belangrijk punt: hiervoor moet de cirkel in eerste instantie driedimensionaal zijn. Laat - met verwaarloosbare dikte, maar niet gelijk aan nul. Om dit te doen, moet het programma een tool hebben om een plat figuur met een dikte nul om te zetten in een driedimensionaal figuur met een verwaarloosbare, maar specifieke dikte.
3D-modellering van polygonen
Veel 3D-modelleringsprogramma's werken met speciale soorten objecten die "meshes" worden genoemd. Een mesh is een veelhoekige mesh of een verzameling hoekpunten, randen en vlakken van een 3D-object. Om een object dat uit mazen bestaat te begrijpen, kun je bijvoorbeeld kijken naar een robot gemaakt van Lego-onderdelen. Elk stuk is een aparte mesh. Als de gemiddelde grootte van een Lego-onderdeel 1 cm is, en je monteert een robot van 50 cm hoog, dan is het mogelijk om de afbeelding (van bijvoorbeeld een persoon) te herkennen die je erin hebt gelegd. Het realisme van zo'n sculptuur zal echter zeer middelmatig zijn. Nog een gesprek, als je een robot van 50 kilometer hoog maakt uit onderdelen met een gemiddelde grootte van 1 cm. Als je een behoorlijke afstand aflegt om het hele gigantische beeldhouwwerk te zien, zul je de hoekigheid van het oppervlak niet opmerken en kan de robot eruitzien als een levend persoon met een gladde huid.
Het gaas kan zo klein zijn als u wilt, wat betekent dat u elke visuele gladheid van het modeloppervlak kunt bereiken. In principe is het construeren van een object uit meshes hetzelfde als pixelart in een 2D-afbeelding. We herinneren ons echter dat de reeks punten in de vorm van een rechthoek geen "rechthoek" -object is. Dit betekent dat om de afbeelding die uit de mazen is gemaakt een driedimensionaal object te laten worden, de contouren moeten worden gevuld met volume. Hier zijn tools voor, maar die worden vaak vergeten door nieuwkomers in 3D-modellering. Net zoals het feit dat een oppervlak (bijvoorbeeld een bol) om in een volumetrische figuur te veranderen, volledig gesloten moet zijn. Het is de moeite waard om één punt (één mesh) van het voltooide gesloten oppervlak te verwijderen en het programma kan er geen 3D-object van maken.
De beweging en het uiterlijk van het 3D-model
Stel je voor dat je een auto-object maakt van meshes, of op een andere manier. Als u in het programma voor driedimensionale modellering het traject en de bewegingssnelheid van elk punt in het object instelt met de formule, waarbij u de voorwaarde instelt dat alle andere punten synchroon bewegen, dan zal de auto rijden. Als tegelijkertijd de wielen van de auto worden geselecteerd als afzonderlijke objecten en afzonderlijke bewegings- en rotatiebanen worden toegewezen aan hun middelpunten, dan zullen de wielen van de auto onderweg ronddraaien. Door de juiste overeenkomst te kiezen tussen de beweging van de carrosserie en de wielen, kunt u het realisme van de uiteindelijke cartoon bereiken. Op dezelfde manier kun je een "menselijk" object laten bewegen, maar dit vereist begrip van de menselijke anatomie en dynamiek van lopen of rennen. En dan - alles is eenvoudig: er wordt een skelet in het object gemaakt en aan elk van zijn onderdelen wordt zijn eigen bewegingswetten toegewezen.
Een object dat in een driedimensionaal modelleringsprogramma is gemaakt, kan in zijn vormen een echt voorbeeld uit het leven of de fantasie van de maker volledig herhalen, het kan realistisch bewegen, maar toch zal het nog een kenmerk missen om het volledig te evenaren. Deze eigenschap is textuur. De kleur en ruwheid van het oppervlak bepalen onze waarneming, dus de meeste 3D-editors hebben ook tools om texturen te creëren, waaronder bibliotheken van kant-en-klare oppervlakken: van hout en metaal tot de dynamische textuur van een woeste zee in het maanlicht. Niet alle 3D-modelleringstaken vereisen echter dergelijke functionaliteit. Als u een model maakt om op een 3D-printer af te drukken, wordt de textuur van het oppervlak bepaald door het te printen materiaal. Als u een CAD-kast ontwerpt voor meubelmakers, dan is het natuurlijk interessant voor u om het product te "kleden" in de textuur van de geselecteerde houtsoort, maar het zal veel belangrijker zijn om sterkteberekeningen te maken in hetzelfde programma.
Bestandsindelingen in 3D-modellering
Software voor het maken, bewerken en vervaardigen van 3D-objecten wordt door tientallen applicaties en pakketten op de markt gebracht. Veel ontwikkelaars van dergelijke software gebruiken hun eigen bestandsindelingen om simulatieresultaten op te slaan. Dit stelt hen in staat om hun producten beter te benutten en hun ontwerpen te beschermen tegen misbruik. Er zijn meer dan honderd 3D-bestandsformaten. Sommige zijn gesloten, dat wil zeggen dat de makers niet toestaan dat andere programma's hun bestandsindelingen gebruiken. Deze situatie bemoeilijkt de interactie van mensen die zich bezighouden met 3D-modellering enorm. Een layout of model gemaakt in het ene programma is vaak erg moeilijk of onmogelijk te importeren en om te zetten in een ander programma.
Er zijn echter open 3D grafische bestandsformaten die door bijna alle programma's worden begrepen om met 3D te werken:
. COLLADA is een universeel op XML gebaseerd formaat dat speciaal is ontworpen voor de uitwisseling van bestanden tussen programma's van verschillende ontwikkelaars. Dit formaat wordt ondersteund (in sommige gevallen is een speciale plug-in vereist) door populaire producten als Autodesk 3ds Max, SketchUp, Blender. Dit formaat kan ook de nieuwste versies van Adobe Photoshop begrijpen.
. OBJ - Ontwikkeld door Wavefront Technologies. Dit formaat is open source en wordt door veel ontwikkelaars van 3D-grafische editors gebruikt. De meeste 3D-modelleringssoftware heeft de mogelijkheid om.obj-bestanden te importeren en exporteren.
. STL is een indeling die is ontworpen voor het opslaan van bestanden die bedoeld zijn om af te drukken met behulp van stereolithografie. Veel 3D-printers kunnen tegenwoordig rechtstreeks vanuit.stl afdrukken. Het wordt ook ondersteund door veel slicers - programma's voor het voorbereiden van het afdrukken op een 3D-printer.
Online 3D-editor tinkercad.com
De site tinkercad.com, eigendom van Autodesk, is de beste oplossing voor degenen die helemaal opnieuw beginnen met 3D-modellering. Helemaal gratis. De site is gemakkelijk te leren en heeft verschillende lessen waarmee u de belangrijkste functionaliteit binnen een uur begrijpt en aan de slag kunt. De site-interface is vertaald in het Russisch, maar de lessen zijn alleen beschikbaar in het Engels. Basiskennis van het Engels is echter voldoende om de lessen te begrijpen. Bovendien is het niet moeilijk om Russischtalige gidsen en vertalingen van tinkercad-lessen op internet te vinden.
Een groot aantal volumetrische primitieven is beschikbaar in de werkruimte van de site, inclusief degene die door andere gebruikers zijn gemaakt. Er zijn hulpmiddelen voor het schalen, snappen naar een coördinatenraster en naar belangrijke punten van objecten. Elk object kan worden omgezet in een gat. Geselecteerde objecten kunnen worden gecombineerd. Dit is hoe het optellen en aftrekken van objecten wordt geïmplementeerd. De geschiedenis van transformaties is beschikbaar, ook voor nieuw opgeslagen objecten, wat erg handig is als u veel stappen terug moet gaan.
Voor degenen voor wie de hierboven beschreven elementaire functies niet voldoende zijn, is er een functionaliteit om scripts te schrijven en dienovereenkomstig complexe scripts te maken voor het transformeren van objecten.
Geen gereedschap voor het snijden van objecten. Er zijn geen polygonen in hun pure vorm (het polygonale model is tot op zekere hoogte geïmplementeerd in kromlijnige objectprimitieven). Geen texturen. Met tinkercad kunt u echter vrij complexe en artistieke objecten maken.
Ondersteunt import en export van bestanden in STL-, OBJ-, SVG-formaten.
SketchUp
Semi-professionele 3D grafische editor van Trimble Inc, enkele jaren geleden overgenomen door Google Corporation. De Pro-versie kost $ 695. Er is een gratis online versie met beperkte functionaliteit.
Een paar jaar geleden was er een gratis desktopversie van de editor, maar tegenwoordig is alleen de online versie beschikbaar zonder geld. De webversie heeft eenvoudige tekentools, het maken van curven en de Extrude-tool, waarmee je een solide kunt maken van een platte afbeelding. Ook in de webversie zijn er lagen en texturen. Er is een bibliotheek met door de gebruiker gemaakte objecten en texturen beschikbaar.
Importeren is mogelijk voor bestanden met een eigen formaat (SketchUp-project) U kunt ook een.stl-bestand als object in de scène invoegen.
Door koppelingen met Google kan SketchUp integreren met de diensten van de internetgigant. Dit is niet alleen toegang tot cloudopslag, waar u veel kant-en-klare scènes en objecten kunt vinden om in uw werk te gebruiken, maar ook de mogelijkheid om satelliet- en luchtfoto's uit Google Earth te importeren om realistische scènes te creëren.
Over het algemeen zijn de mogelijkheden van de gratis versie van SketchUp merkbaar hoger dan de functionaliteit die beschikbaar is in tinkercad, maar de SketchUp-website vertraagt vaak bij het uitvoeren van serieuze operaties, alsof het erop wijst dat het beter is om over te schakelen naar de betaalde versie van het product. De gratis versie van SketchUp komt met een aanbod om geld te betalen om de mogelijkheden bijna bij elke stap uit te breiden.
Aangezien SketchUp Pro een goede functionaliteit heeft en veel wordt gebruikt, bijvoorbeeld bij het ontwerpen van meubels of de ontwikkeling van interieurontwerp, kunnen we aanbevelen de gratis webversie van het product te beheersen voor diegenen die een stap willen zetten naar serieuze modellering, maar zijn nog niet zeker van hun sterke punten en opportuniteit overgang naar betaalde versies.
Blender
Blender is een legendarisch project dat, samen met Linux of PostgreSQL, laat zien dat een gemeenschap van programmeurs verenigd door het idee van gratis softwaredistributie bijna alles kan.
Blender is een professionele 3D grafische editor met bijna onbeperkte mogelijkheden. Hij verwierf de grootste populariteit onder de makers van animatie en realistische 3D-scènes. Als voorbeeld van de mogelijkheden van dit product kunnen we het feit noemen dat alle animatie voor de film "Spider-Man 2" erin is gemaakt. En - niet alleen voor deze film.
Het volledig beheersen van de mogelijkheden van de Blender-editor vereist een aanzienlijke tijdsinvestering en begrip van alle aspecten van 3D-graphics, inclusief verlichting, toneelopstelling en beweging. Het heeft alle bekende en populaire tools voor volumetrische modellering, en voor onmogelijke of nog niet uitgevonden tools is er de programmeertaal Python, waarin de editor zelf is geschreven en waarin je zijn mogelijkheden zo veel kunt uitbreiden als je durft.
De gebruikersgemeenschap van Blender telt meer dan een half miljoen mensen en daarom zal het niet moeilijk zijn om mensen te vinden die zullen helpen om het onder de knie te krijgen.
Voor eenvoudige projecten is Blender te functioneel en complex, maar voor degenen die 3D-modellering serieus gaan doen, is het een goede keuze.
