Что такое 3D-моделирование и где оно применяется
Понятие «3D» плотно вошло в нашу жизнь и используется со множеством слов: 3D-графика, 3D-модели, 3D-фильмы, 3D-звук, 3D-принтер и многие другие. Само это обозначение расшифровывается как 3 измерения или размера. Оно используется, когда нужно сказать о чем-то реалистичном и объемном.
В этой статье мы расскажем, что такое 3D-моделирование, какие бывают его виды, где оно используется и как стать 3D-моделлером.
Что такое 3Д-моделирование
Этот процесс представляет собой создание трехмерной модели. То есть такой объект имеет не только высоту и ширину, но и глубину. Например, в игре God of War: Ragnarök используется 3д моделирование для создания персонажей, локаций и отдельных игровых объектов (ассетов).
Здесь ты можешь увидеть форму, объем и размер объектов. Поэтому простыми словами можно сказать, что 3D-моделирование — это создание объемных моделей с помощью специальных компьютерных программ.
Виды 3D-моделирования
Использование трехмерных моделей нашло свое применение во многих сферах жизни. Поэтому неудивительно, что и видов такого моделирования большое количество. Ниже мы их разберем: их отличия, области применения и др.
Полигональное моделирование
- вершины (англ. vertex) — точки, заданные в пространстве;
- ребра (англ. edge), которые соединяют вершины;
- грани (англ. polygon) — это участки в виде многоугольников, которые образуются при соединении точек и ребер. Самый простой полигон — это треугольник.
Все полигональные объекты можно разделить на:
High-poly — это детализированные модели, которые не имеют ограничений по количеству полигонов. Для игр их использовать нельзя, так как производительные мощности компьютеров, а тем более телефонов, просто не выдержат такой нагрузки.
Low-poly — это модели, которые используют минимально возможное количество полигонов, но при этом объект должен оставаться понятным и определяемым для человека.
При этом нет каких-то строгих границ по количеству полигонов. Например, для игр на мобильных телефонах используется в среднем от 2 до 9 тысяч таких многоугольников, а для объектов класса AAA (высокобюджетные проекты) может быть задействовано и 50 000, и 100 000, и даже 200 000 полигонов!
Как сказано выше, такие модели используются в компьютерных и мобильных играх благодаря своей «легкости» по сравнению с high-poly. Здесь ты можешь возразить: погоди, но ведь мы видим множество деталей на объектах в играх. Да, согласны, но все это добавляется с помощью текстурирования, о котором мы рассказывали в этой статье.
Middle-poly — это что-то среднее между high-poly и low-poly. Такие полигональные модели достаточно детализированы, но при этом не требуют таких технических мощностей. Чаще всего используются в фильмах и рекламе.
Отдельно можно выделить один из подвидов полигонального моделирования — скульптинг. Он сравним с процессом лепки из «цифровой глины». Инструменты, которые используются в данном процессе, дают возможность создать модель с высокой детализацией.
Параметрическое моделирование
К сожалению, с помощью полигонального моделирования невозможно создать объекты, которые будут учитывать свойства материалов и максимально соответствовать оригиналу. Здесь на помощь приходят методы промышленного проектирования. Название такого вида — система автоматизированного проектирования, сокращенно САПР (англ. CAD).
Основное отличие — это способ твердотельного моделирования. То есть при разделении на части объект внутри не будет пустым, как в случае полигонального моделирования.
САПР используется в промышленности и строительстве.
Воксельное моделирование
Этот вид моделирования представляет объекты в трехмерном пространстве в виде 3D-кубиков. Чаще всего используется для создания стилизованных игр и иллюстраций.
Еще может применяться в медицине (УЗИ, томография, МРТ) и науке, а также использоваться в создании более реалистичных игр, но в этом случае, на данный момент, является очень требовательным к техническим характеристикам.
Сплайновое моделирование
Объемная модель создается в этом случае с помощью трехмерных кривых, которые называются сплайнами. Данный вид моделирования отличают плавные формы, что позволяет создавать людей, животных, растения, архитектурные объекты, украшения и пр.
Чаще всего такие модели для дальнейшей работы преобразовывают в полигональные.
Примеры трехмерных моделей
Теперь, когда тебе стали знакомы виды моделирования, давай посмотрим на визуализацию таких объектов.
Где применяется 3д-моделирование
Выше мы уже раскрыли некоторые сферы, в которых применяется 3D-моделирование. Но сделали это кратко, поэтому сейчас давай рассмотрим каждое из направлений подробнее.
Индустрия игр
Геймдев (англ. GameDev) дословно переводится как «разработка игр». Направление, которое с каждым годом набирает все больший оборот. В 2021 году количество человек, которые играют в игры, возросло до 3 миллиардов.
Так что индустрия игр растет и будет расти еще долго. А 3D-моделирование лишь помогает ей с этим. Персонажи, локации, оружие, техника, предметы — все это создается с его помощью.
В крупных проектах 3D-разработчики закреплены на отдельных участках. Например, есть художники по персонажам, по окружению, по механизмам и т.д. Есть также возможность работать на определенных процессах: текстурированию, освещению и проч.
Но если мы говорим о небольших компаниях или инди-разработчиках (один человек или команда независимых разработчиков, создающих игру самостоятельно), то чаще всего здесь необходим 3D-дженералист. Такой человек умеет работать на каждом из процессов: от блокинга до текстурирования.
Подробнее о 3D Generalist мы говорили здесь.
Кинематограф
Сейчас трудно найти фильм, к которому не приложил руку 3D-разработчик. Конечно, в первую очередь, речь идет о спецэффектах. Сейчас дешевле и проще снять сцены на зеленом фоне, а после добавить взрывы, пожар, наводнения и другие природные катаклизмы.
- Motion capture используется при создании необычных существ. Для этого актер надевает специальный костюм, а на лицо ему наносят точки, которые считывает программа. А уже с перенесенной на экран моделью работает специалист.
- Matte painting можно описать, как «дорисовывание» реальности. Красивые виды, звездное небо, просторные равнины и многое другое воссоздает 3D-художник для создания желаемой картинки.
Промышленность
Медицина и наука
Дизайн
Реклама
Что нужно для 3D-моделирования
Чтобы стать 3D-художником, необходимо иметь определенные технические навыки, а также личные качества.
- креативным мышлением;
- терпением и усидчивостью;
- быстрым усвоением новой информации;
- хорошим воображением;
- желанием самосовершенствоваться.
- Программа 3ds Max предназначена для создания высококачественных моделей. Софт обладает всеми необходимыми инструментами для моделирования, текстурирования, рендеринга и проч.
- Программа ZBrush предназначена для скульптинга, не имеющая достойных аналогов.
- Программное обеспечение Maya предназначено для создания качественных моделей для игр и кинематографа.
- Программа Blender — софт, который отлично подойдет и для новичков, и для профи. Большой функционал для различных целей 3D-моделирования.
- Substance Painter и Substance Designer — программные обеспечения с большим выбором кистей для работы с текстурами и материалами.
- Программа Marmoset Toolbag предназначена для запекания карт, рендеринга и текстурирования.
- Процессор: не ниже Intel Core i7-4770K с 3,5 GHz.
- Операционная система: Windows 10.
- Оперативная память: 8 Гб.
- Видеокарта: с поддержкой OpenGL 4.3 на 4 Гб памяти.
- Свободное место на диске: 50 Гб.
- Full HD монитор 1920х1080.
Где можно изучить 3Д-моделирование новичку
- Во-первых, ты будешь обучаться по отработанной программе с актуальной информацией.
- Во-вторых, при любой возникшей сложности тебе всегда придут на помощь кураторы.
- В-третьих, самостоятельное изучение — это долгий путь с риском потерять мотивацию на середине и забросить совсем.
В Timart School есть годовое обучение 3D Developer, состоящее из 4 уровней:
- 3D-художник игровых локаций и окружения,
- 3D-художник игровых ассетов,
- 3D-художник персонажей,
- начинающий 3D-аниматор.
По итогу обучения ты станешь профессиональным 3D-разработчиком, который сможет работать в крутых компаниях на крупных ААА-проектах.
Также ты можешь начать изучение индустрии с одной программы, которая позволит тебе зарабатывать уже через пару месяцев. Специально для этого был разработан курс по Blender.
3D-моделирование — это направление, которое используется во многих сферах нашей жизни. Разные виды моделирования, огромная вариативность работ и задач, возможности, которые открываются перед 3D-разработчиком, — это все отличает данное направление от других.
Моделирование
Модели́рование — исследование объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих объектов, процессов или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих исследователя.
Содержание
Виды моделирования
В силу многозначности понятия «модель» в науке и технике не существует единой классификации видов моделирования: классификацию можно проводить по характеру моделей, по характеру моделируемых объектов, по сферам приложения моделирования (в технике, физических науках, кибернетике и т. д.). Например, можно выделить следующие виды моделирования:
- Информационное моделирование
- Математико-картографическое моделирование
- Цифровое моделирование
- Логическое моделирование
- Педагогическое моделирование
- Структурное моделирование
- Графическое и геометрическое моделирование
- Натурное моделирование
Процесс моделирования
Процесс моделирования включает три элемента:
- субъект (исследователь),
- объект исследования,
- модель, определяющую (отражающую) отношения познающего субъекта и познаваемого объекта.
Первый этап построения модели предполагает наличие некоторых знаний об объекте-оригинале. Познавательные возможности модели обусловливаются тем, что модель отображает (воспроизводит, имитирует) какие-либо существенные черты объекта-оригинала. Вопрос о необходимой и достаточной мере сходства оригинала и модели требует конкретного анализа. Очевидно, модель утрачивает свой смысл как в случае тождества с оригиналом (тогда она перестает быть моделью), так и в случае чрезмерного во всех существенных отношениях отличия от оригинала. Таким образом, изучение одних сторон моделируемого объекта осуществляется ценой отказа от исследования других сторон. Поэтому любая модель замещает оригинал лишь в строго ограниченном смысле. Из этого следует, что для одного объекта может быть построено несколько «специализированных» моделей, концентрирующих внимание на определенных сторонах исследуемого объекта или же характеризующих объект с разной степенью детализации.
На втором этапе модель выступает как самостоятельный объект исследования. Одной из форм такого исследования является проведение «модельных» экспериментов, при которых сознательно изменяются условия функционирования модели и систематизируются данные о её «поведении». Конечным результатом этого этапа является множество (совокупность) знаний о модели.
На третьем этапе осуществляется перенос знаний с модели на оригинал — формирование множества знаний. Одновременно происходит переход с «языка» модели на «язык» оригинала. Процесс переноса знаний проводится по определенным правилам. Знания о модели должны быть скорректированы с учетом тех свойств объекта-оригинала, которые не нашли отражения или были изменены при построении модели.
Четвёртый этап — практическая проверка получаемых с помощью моделей знаний и их использование для построения обобщающей теории объекта, его преобразования или управления им.
Моделирование — циклический процесс. Это означает, что за первым четырёхэтапным циклом может последовать второй, третий и т. д. При этом знания об исследуемом объекте расширяются и уточняются, а исходная модель постепенно совершенствуется. Недостатки, обнаруженные после первого цикла моделирования, обусловленные малым знанием объекта или ошибками в построении модели, можно исправить в последующих циклах.
Сейчас трудно указать область человеческой деятельности, где не применялось бы моделирование. Разработаны, например, модели производства автомобилей, выращивания пшеницы, функционирования отдельных органов человека, жизнедеятельности Азовского моря, последствий атомной войны. В перспективе для каждой системы могут быть созданы свои модели, перед реализацией каждого технического или организационного проекта должно проводиться моделирование.
Математическое моделирование исторической динамики
В последнее время интенсивно развивается математическое моделирование исторической динамики (клиодинамика). К настоящему времени основными достижениями клиодинамики можно считать разработку математических моделей «вековых» социально-демографических циклов [1] [2] [3] [4] и достаточно успешное математическое моделирование долгосрочного развития Мир-Системы [5] [6] [7] .
Трехмерное моделирование в современном мире
Сегодня я расскажу вам о том, что такое 3D-моделирование, каким оно бывает, где его применяют и с чем его едят. Эта статья в первую очередь ориентирована на тех, кто только краем уха слышал, что такое 3D-моделирование, или только пробует свои силы в этом. Поэтому буду объяснять максимум «на пальцах».
Сам я технический специалист и уже более 10 лет работаю с 3D-моделями, поработал более чем в 10ке различных программ разных классов и назначений, а также в различных отраслях. В связи с этим накопился определенный helicopter view на эту отрасль, с чем и хотел с вами поделиться.
3D-моделирование прочно вошло в нашу жизнь, частично или полностью перестроив некоторые виды бизнеса. В каждой отрасли, в которую 3D-моделирование принесло свои изменения, имеются как свои определенные стандарты, так и негласные правила. Но даже внутри одной отрасли, количество программных пакетов бывает такое множество, что новичку бывает очень трудно разобраться и сориентироваться с чего начинать. Поэтому, для начала давайте разберем какие же бывают виды 3D-моделирования и где они применяются.
Можно выделить 3 крупные отрасли, которые сегодня невозможно представить без применения трехмерных моделей. Это:
- Индустрия развлечений
- Медицина (хирургия)
- Промышленность
Полигонами называются вот эти треугольники и четырехугольники.
Чем больше полигонов на площадь модели, тем точнее модель. Однако, это не значит, что если модель содержит мало полигонов (low poly), то это плохая модель, и у человека руки не оттуда. Тоже самое, нельзя сказать про то, что если в модели Over999999 полигонов (High poly), то это круто. Все зависит от предназначения. Если, к примеру, речь идет о массовых мультиплеерах, то представьте каково будет вашему компьютеру, когда нужно будет обработать 200 персонажей вокруг, если все они high poly?
Полигональное моделирование происходит путем манипуляций с полигонами в пространстве. Вытягивание, вращение, перемещение и.т.д.
Пионером в этой отрасли является компания Autodesk (известная многим по своему продукту AutoCAD, но о нем позже).
Продукты Autodesk 3Ds Max, и Autodesk Maya, де-факто стали стандартом отрасли. И свое знакомство с 3D моделями, будучи 15-летним подростком, я начал именно с 3Ds Max.
Что же мы получаем на выходе сделав такую модель? Мы получаем визуальный ОБРАЗ. Геймеры иногда говорят: «я проваливался под текстуры» в игре. На самом деле вы проваливаетесь сквозь полигоны, на которые наложены эти текстуры. И падение в бесконечность происходит как раз потому, что за образом ничего нет. В основном, полученные образы используются для РЕНДЕРА (финальная визуализация изображения), в игре / в фильме / для картинки на рабочем столе.
Собственно, я в свое время и пытался что-то «слепить», чтобы сделать крутой рендер (тогда это было значительно сложнее).
Кстати о лепке. Есть такое направление как 3D-sсulpting. По сути, тоже самое полигональное моделирование, но направленное на создание в основном сложных биологических организмов. В ней используются другие инструменты манипуляций с полигонами. Сам процесс больше напоминает чеканку, чем 3D моделинг.
Если полигональная модель выполнена в виде замкнутого объема, как например, те же скульптуры, то благодаря современной технологии 3D-печати (которая прожует почти любую форму) они могут быть воплощены в жизнь.
По сути, это единственный путь для полигональных 3D моделей оказаться в реальном мире. Из вышеописанного можно сделать вывод, что полигональное моделирование нужно исключительно для творческих людей (художников, дизайнеров, скульпторов). Но это не однозначно. Так, например, еще одной крупной сферой применения 3D моделей является медицина, а именно- хирургия. Можно вырастить протез кости взамен раздробленной. Например, нижняя челюсть для черепашки.
У меня нет медицинского образования и я никогда ничего не моделил для медицины, но учитывая характер форм модели, уверен, что там применяется именно полигональное моделирование. Медицина сейчас шагнула очень далеко, и как показывает следующее видео, починить себе можно практически все (были бы деньги).
Конечно, используя полигональное моделирование, можно построить все эти восстанавливающие и усиливающие элементы, но невозможно контролировать необходимые зазоры, сечения, учесть физические свойства материала и технологию изготовления (особенно плечевого сустава). Для таких изделий применяются методы промышленного проектирования.
По правильному они называются: САПР (Система Автоматизированного ПРоектирования) или по-английский CAD (Computer-Aided Design). Это принципиально другой тип моделирования. Именно на нем я специализируюсь уже 8 лет. И именно про него я буду вам в дальнейшем рассказывать. Чем этот метод отличается от полигонального? Тем, что тут нет никаких полигонов. Все формы являются цельными и строятся по принципу профиль + направление.
Базовым типом является твердотельное моделирование. Из названия можно понять, что, если мы разрежем тело, внутри оно не будет пустым. Твердотельное моделирование есть в любой CAD-системе. Оно отлично подходит для проектирования рам, шестеренок, двигателей, зданий, самолётов, автомобилей, да и всего, что получается путем промышленного производства. Но в нем (в отличии от полигонального моделирования) нельзя сделать модель пакета с продуктами из супермаркета, копию соседской собаки или скомканные вещи на стуле.
Цель этого метода — получить не только визуальный образ, но также измеримую и рабочую информацию о будущем изделии.
CAD – это точный инструмент и при работе с CAD, нужно предварительно в голове представлять топологию модели. Это алгоритм действий, который образует форму модели. Вот, как раз по топологии, можно отличить опытного специалиста от криворукого. Не всегда задуманную топологию и сложность формы можно реализовать в твердотелке, и тогда нам на помощь приходит неотъемлемая часть промышленного проектирования — поверхностное моделирование.
Топология в поверхностях в 10 раз важнее, чем при твердотельном моделирование. Неверная топология – крах модели. (напоминаю, что это статья обзорная и для новичков, я не расписываю тут нюансы). Освоение топологии поверхностей на высоком уровне, закрывает 70% вопросов в промышленном моделировании. Но для этого нужно много и постоянно практиковаться. В конечном итоге, поверхности все равно замыкаются в твердотельную модель.
Со временем приходит понимание наиболее удобного метода при моделировании того или иного изделия. Тут полно лайф-хаков, причем у каждого специалиста есть свои.
ВАЖНО: использование CAD без профильного образования не продуктивно! Я сам много раз наблюдал, как творческие люди, или мастера на все руки пытались проектировать. Да, конечно они что-то моделировали, но все это было «сферическим конем в вакууме».
При моделировании в CAD, помимо топологии, необходимо иметь конструкторские навыки. Знать свойства материалов, и технологию производства. Без этого, все равно, что подушкой гвозди забивать, или гладить пылесосом.
В CAD мы получаем электронно-геометрическую модель изделия.
(Напоминаю, что при полигональном моделировании мы получаем визуальный образ)
3D моделирование что это и для чего нужно?
Что такое 3D моделирование – это процесс формирование виртуальных моделей, позволяющий с максимальной точностью продемонстрировать размер, форму, внешний вид объекта и другие его характеристики. По своей сути это создание трехмерных изображений и графики при помощи компьютерных программ. Современная компьютерная графика позволяет воплощать очень реалистичные модели, кроме того создание 3D-объектов занимает меньше времени, чем их реализация. 3D технологии позволяют представить модель со всех ракурсов и устранить недостатки выявленные в процессе её создания.
3D МОДЕЛИРОВАНИЕ : ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ
Визуализация объектов с помощью компьютерных программ позволяет лучше представить будущий проект в реальности. Такие модели производят глубокое впечатление, и дают возможность добиться потрясающих результатов. Моделирование с помощью 3D технологий отличное решение для многих промышленных, строительных, ювелирных предприятий, а в особенности дизайнерских студий и развлекательной индустрии. 3D моделирование, визуализация и анимация объектов занимают главное место в реализации многих бизнес-проектов.
ВИДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Моделирование представляет собой соединение разных наборов точек с геометрическими фигурами и линиями для создания моделей. Существует два его вида:
– воксельное, используется в основном в медицине в качестве сканеров или томографов;
– полигональное, универсально и используется во многих областях, с помощью него создаются модели для любых предназначений.
При выборе технологической составляющей 3D моделирования стоит ориентироваться на имеющееся программное обеспечение. Многообразие и характерные особенности компьютерных программ заслуживают отдельного внимания. Правильно выбранный функционал ПО поможет безошибочно выполнить любой проект. Например в 3D max моделировании трудно выполнить развертку и корректно наложить текстуру на объект, но вы с легкостью сможете найти инструменты для их выполнения в другой программе.
Проекты с большим уровнем сложности имеют разделение на визуализацию и моделирование, поэтому для данной работы необходимо иметь определенный объем навыков и знаний.
ПРОГРАММЫ ДЛЯ 3D МОДЕЛИРОВАНИЯ
На сегодняшний момент разработаны различные программы для 3D моделирования. Их список постоянно пополняется, ведь компании создающие данное ПО хотят охватить как можно большую аудиторию потребителей, поэтому с появлением новых потребностей к специфике программы, они создают новые приложения. Среди них существуют как платные, так и бесплатные программы для 3D моделирования. К лидерам первой категории относятся 3D max, Maya, AutoCad, Cinema 4D, Компас 3D, Rhinoceros, а ко второй стоит отнести Blender 3D моделирование, Wings3D и Google SketchUp. Рассмотрим более детально каждый из этих продуктов:
3D max – популярнейшая программ, является профессиональной и имеет полноценный функционал. Используется для создания мультипликационного монтажа, анимации и трехмерной графики. Имеет ряд инструментов для создания моделей различной сложности. С её помощью можно получить любой виртуальный объект с точностью до мелочей и в последствии применить к нему анимацию. Есть платная и бесплатная студенческая версии программы.
Maya – профессиональное ПО используемое кинематографом и разработчиками игр. Она имеет разнообразные ресурсы для получения качественных и реалистичных 3D- моделей.
AutoCad – создана для впечатляющего 2D и 3D моделирования и выпускается на 18 языках. Здесь проработанный и понятный даже новичку интерфейс. В ней можно воссоздать модель при помощи 2D инструментов, а в последствии дополнить её в трехмерном функционале. Также можно моделировать отдельные объекты и целые комплексы, а также создавать текстуры для игр.
Cinema 4D – универсальная программа разработанная для трехмерного моделирования и анимации. Имеет различный функционал и обладает простым интерфейсом, к тому же он имеет русский язык, что несомненно делает ее очень популярной среди русскоязычных потребителей.
Компас 3D – ПО для объемного моделирования. Она имеет математическое ядро и замечательно подходит для реализации инженерных проектов. Программа может не только построить модель, но и выполнит расчеты и анализ для дальнейшего её изготовления. Имеет поддержку русского языка.
Rhinoceros – используется для 3D моделирования в архитектуре, проектировании кораблей, в разработке дизайна для ювелирных организаций и автопрома, а также мультимедиа. Свою популярность она получила благодаря богатому функционалу и возможности импорта и экспорта файлов различного формата.
Blender – программа для 3D моделирования, рендеринга, анимации, монтажа и постобработки. Кроме имеющего функционала, она сможет поддерживать другие плагины, которые помогают увеличить её возможности. Имеет файл для начинающих обучение 3D моделированию.
Wings3D – самая простое ПО для трехмерного моделирования, в которой можно работать с несложными моделями. Минимальный и доступный интерфейс значительно облегчает работу начинающим специалистам. Кроме этого при помощи открытого кода программу можно модифицировать.
Google SketchUp – позволяет создавать и редактировать различные варианты моделей. При мощи данной программы к ним можно добавлять новые элементы и текстуры. Обладает широким набором инструментов для создания объектов различной сложности.
Представленный список программ является далеко не полным и при желании профессионально заниматься и получить необходимые уроки 3D моделирования вы можете самостоятельно подобрав подходящее ПО. Трехмерное моделирование – это поистине уникальная технология, за которой лежит будущее многих бизнес-проектов. Оно предоставляет всему человечеству потрясающие возможности воплощения в полной мере будущего объекта. Внедрение таких технологий ведет к экономии ресурсов, упрощению работ и расширению возможностей.
На данный момент очень популярным становится создание 3D-моделей при помощи 3D сканера, который способен воплотить до мельчайших тонкостей трехмерные модели существующих объектов и получить информацию об их характеристиках в цифровом виде на компьютере. Об этом поговорим в других статьях.