Виды 3d моделирования

В данной статье рассмотрены основные виды трехмерного моделирования и области их применения. Статья рассчитана на новичков в области 3D-графики и дает подробное представление об основных существующих методах и техниках 3D моделирования.

Полигональное моделирование

Полигональное моделирование дает возможность производить различные манипуляции с сеткой 3d объекта на уровне подобъектов: вершин, ребер, граней. Сам полигон состоит из граней, но в системах, которые поддерживают многосторонние грани, полигоны и грани будут равнозначны.

Это самый первый и основной вид моделирования, так как при помощи его можно создать объект любой сложности путем соединения групп полигонов.

Полигональное моделирование подразделяется на три типа: низкополигональное, среднеполигональное и высокополигональное.

1. низкополигональное моделирование (Low-Poly) предназначено для создания объектов с небольшим числом полигонов, обычно, для экономии ресурсов, когда не требуется высокая детализация, а так же для создания низкополигональных иллюстраций, которые набирают большую популярность в последнее время;
   
2. среднеполигональное моделирование (Mid-Poly) ориентировано, обычно, только на необходимый результат при рендеринге, то есть при моделировании нужной геометрии, например, с применением булевых операций; над полигональной сеткой никакие работы по её оптимизации не производят, или они минимальны;
   
3. высокополигональное моделирование (High-Poly) представляет собой создание объекта с большим числом полигонов, обычно, точной его копии.
   

Стандартная схема High-Poly моделирования происходит с постепенным наращиванием уровня детализации 3d объекта:

• первый уровень является базовым, и представляет собой общую форму объекта;
  
• на втором уровне происходит уточнение базовой формы, обычно, путём добавления фасок;
  
• третий уровень завершающий, то есть на нем производится четкая детализация объекта, обычно, путем применения плагинов сглаживания.
  

На рисунке представлены все вышеперечисленные уровни при High-Poly моделировании на примере теннисного мяча.

Сплайновое моделирование

Сплайновое моделирование представляет собой создание 3d объектов при помощи кривых линий (сплайнов). Сплайнами могут выступать линии различной формы: окружности, прямоугольники, дуги и т.д. Объекты при этом получаются плавной формы, в связи с чем, данный метод получил широкое применение в создании органический моделей, таких как растения, люди, животные и т.д.

Преимущество данного метода в гибкости изменения формы сплайна.

Данный вид моделирования часто сравнивают с полигональным, как векторную графику с растровой. Преимущество векторной графики в том, что при увеличении объекта, его качество не изменяется, в отличие от растрового, где становятся видны пиксели. Так же и при увеличении объекта, созданного сплайнами, его качество останется неизменным, а при полигональном моделировании будут уже видны полигоны.

На рисунке показан пример построения бейсбольной биты при помощи сплайнов с последующей конвертацией в полигональную сетку.

Также вы можете изучить подробный урок по полигональному моделированию покебола в бесплатной программе Blender.

NURBS моделирование

NURBS расшифровывается как «Non-Uniform Rational B-Spline», и представляет собой технологию создания 3d объектов при помощи специальных кривых, которые называются B-сплайнами. Некоторые специалисты выделяют данный вид моделирования в отдельный, а некоторые – в подвид сплайнового моделирования.

Принцип моделирования состоит в следующем: при помощи B-сплайнов, расположенных по вертикали и горизонтали, строится нужная форма объекта, а затем все это соединяется при помощи полигонов.

Существуют две разновидности этого моделирования:

1. при помощи P-кривых (Point), форму которых можно изменять при помощи вершин, которые расположены непосредственно на самой линии;
   
2. при помощи CV-кривых (Control Vertex), форму которых можно изменять при помощи вершин, которые расположены за пределами линии.
   

На рисунке приведен пример биты, созданной при помощи P-кривых методом NURBS с последующей конвертацией в полигональную сетку.

NURBS моделирование применяется почти во всех популярных программах 3d моделирования совместно с другими видами.

В качестве же примеров программ, которые используют моделирование кривыми как основной метод, можно привести «Rhinoceros», «Autodesk Alias», «MOI 3D», «SolidThinking».

На сайте есть урок с примером NURBS моделирования шторы в программе 3ds Max.

3d-скульптинг

3d-скульптинг он же «цифровая скульптура» представляет собой имитацию процесса «лепки» 3d модели, то есть деформирование её полигональной сетки специальными инструментами – кистями. Можно провести аналогию с лепкой фигур руками из пластилина или глины. Только в программах 3d моделирования пальцы заменены на инструмент «кисть», а «пластилином» является полигональная сетка.

Программами-представителями данного вида моделирования являются «ZBrush», «Sculptris», «Autodesk Mudbox» и др.

На рисунке представлен интерфейс бесплатной программы для скульптингового 3d моделирования «Sculptris». Примером подобной техники моделирования может послужить 3D-модель персонажа Тролль.

Промышленное моделирование

Системы Автоматизированного Проектирования (САПР) и или по-английски CAD (Computer-Aided Design) применяют для создания 3d моделей в первую очередь промышленного назначения. Они предназначены для создания точных копий реальных объектов.

При данном виде моделирования учитываются не только малейшие зазоры, но и свойства материала моделируемого объекта. В связи, с чем данный вид моделирования нашел широкое применение в инженерном деле. Особенность этого моделирования в том, что для создания модели не используют полигоны, а цельные формы.

Промышленное моделирование можно разделить на следующие подвиды: параметрическое, твердотельное и поверхностное.

Параметрическое моделирование

Параметрическое моделирование осуществляется путем введения требуемых параметров элементов модели, а так же соотношение между ними. Иными словами создается математическая модель с нужными параметрами, изменяя которые можно создать различные комбинации модели и тем самым избежать ошибок, внеся необходимые корректировки.

Является достаточно старым и самым простым способом проектирования промышленных деталей и механизмов.

Твердотельное моделирование

Если при полигональном моделировании куб разрезать пополам, то там внутри будет пустота. При твердотельном моделировании, если разрезать куб, то там не будет пустоты, как если бы разрезали реальный твердый предмет.

При построении модели работают сразу со всей оболочкой, а не с отдельными поверхностями. Сначала создается простая форма оболочки, например, сферы, а затем к ней применяют различные операции: резка, объединение с другими телами, булевые операции и др.

Твердотельное моделирование идеально подходит для создания твердых 3d моделей несложной формы: шестеренок, двигателей, и т.д., но не применим к созданию мягких: мятой одежды, животных и т.д.

Поверхностное моделирование

Поверхностное моделирование, обычно, используется для создания поверхностей сложных форм: автомобилей, самолетов и т.д.

Модель строится из различных поверхностей, которым придают нужную форму, а затем соединяют между собой, например, плавными переходами, а лишнее обрезают. Таким образом, форма нужной оболочки объекта собирается из нескольких поверхностей.

Примерами программ для промышленного моделирования являются: «Compas-3D», «SolidWorks», «Solid Edge» и т.п.

Моделирование метасферами

Так же следует упомянуть о таком моделирования как «Metaball», то есть моделирование метасферами.

Аналогично сплайновому или NURBS моделированию данный вид позволяет создавать модели сглаженной формы. Его особенность в том, что модель строится из 3d объектов сглаженной замкнутой формы (метасфер), которые при соприкосновении друг с другом автоматически сливаются частями соприкасающихся поверхностей. Метасферы как бы притягиваются друг к другу подобно каплям воды или ртути.

На рисунке показаны метасферы до соприкосновения и после.

При помощи «Metaball» легко создавать, например, капли росы на листьях деревьев, различные кочки или прыщи на коже персонажа.

Примером программы, в которой возможно моделирование метасферами является Blender.

Вывод

Таким образом, можно сделать следующий вывод. При создании моделей не сложной формы лучше использовать полигональное моделирование. Для получения гладкой формы несложных объектов – сплайновое или NURBS моделирование, либо полигональное с использованием инструментов сглаживания.

При создании сложных биологических организмов удобнее использовать 3d-скульптинг. Когда же необходимо создать точную модель с необходимыми зазорами и учетом физических свойств материала, то здесь наиболее подходят методы промышленного моделирования.

При создании сложных моделей вышеописанные методы моделирования часто используются совместно, так как это ускоряет процесс моделирования. Так, например, при создании персонажа для игр используется 3d-скульптинг, с помощью которого прорисовываются необходимые мелкие детали, а затем на её основе создается Low-Poly модель полигональным моделированием.

Во многих пакетах 3d моделирования есть инструменты почти для всех видов моделирования, например, в «Blender», «Modo». Но, «На вкус и цвет товарищей нет», поэтому встречаются и такие специалисты, кто моделирует в одной программе, скульптинг делает в другой, а ретопологию в третьей и т.д.

Если вы серьезно собирайтесь заняться созданием моделей для игровых движков, рекомендуем ознакомиться со статьей на эту тему: https://3d-model.net/uroki-videokursi/3d-grafika/6041-osobennosti-sozdaniya-3d-modeley-dlya-igrovyh-dvizhkov.html

Перепечатка и использования данного материала без прямой обратной ссылки категорически запрещена!