Výraz „3D“je zkratka pro anglický „3 dimension“, tj. „3 Dimensions“. Symboly „3D“(v ruské literatuře se také často používá zkratka „3d“) naznačují, že se objekt nebo technologie liší od ostatních v tom, že má více než dva rozměry.
K čemu jsou 3D modely?
Všechny objekty v reálném světě mají tři rozměry. Současně v drtivé většině případů používáme k reprezentaci trojrozměrných objektů dvourozměrné povrchy: list papíru, plátno, obrazovku počítače. Sochař vytváří trojrozměrné postavy, ale než začne vyřezávat sochu ze žuly, vytvoří náčrtky, ve kterých je budoucí dílo zobrazeno v několika pohledech - ze všech stran. Podobně architekt nebo designér pracuje tak, že zobrazuje ploché pohledy na navržené produkty nebo budovy na papíře Whatman nebo na obrazovce počítače.
Předmět "kreslení" v rámci povinného vzdělávání si klade za cíl naučit trojrozměrné modelování - přesný popis předmětů, které mají objem, na rovném, dvourozměrném povrchu listu papíru. Kromě toho se děti učí trojrozměrnému modelování na hodinách modelování plastelíny v mateřské a základní škole. Tolik pozornosti 3D modelování ve vzdělávacím procesu není náhodné. V jakékoli činnosti k vytváření skutečných objektů musíte mít dobrou představu o tom, jak bude tento objekt vypadat ze všech stran. Krejčí a návrhář oděvů musí vědět, jak se oblek nebo šaty hodí k osobě s určitou postavou. Kadeřník vytvoří účes a účes, který bude mít objem a bude vypadat odlišně z různých úhlů. Klenotník modeluje své šperky. Zubař musí nejen vytvořit krásný umělý zub, ale také vzít v úvahu jeho umístění vzhledem ke zbytku zubů pacienta. Tesař musí být schopen velmi přesně zapadnout do spojů trojrozměrných dílů. Rád by také vizuálně viděl, jak se bude nábytek, který navrhuje, pohodlně používat a jak zapadne do interiéru.
Zástupci různých profesí již dlouhou dobu používají pro trojrozměrné modelování výkresy skládající se z mnoha typů. S nárůstem počtu osobních počítačů bylo možné svěřit část úlohy vytváření trojrozměrných modelů softwaru. Systémy automatizace návrhu (CAD) jako první zahrnovaly funkčnost dynamického zobrazení vytvořených trojrozměrných objektů v rovině obrazovky. Slovo „dynamický“v tomto případě znamená schopnost otáčet obraz trojrozměrného objektu na obrazovce a vidět jej ze všech stran. Dynamika 3D modelu však může také znamenat schopnost modelu měnit svůj tvar a pohybovat se. Tvůrci karikatur a počítačových her takovou funkcionalitu potřebují.
Ve druhé polovině dvacátého století, dokonce i v předpočítačové éře, se objevily trojrozměrné technologie povrchových úprav. Krátce po skončení druhé světové války americké letectvo financovalo práci společnosti Parsons Inc. na vytvoření strojů, které dokázaly frézovat složité součásti podle daného algoritmu. Tyto práce vedly k vytvoření celé třídy obráběcích strojů s numerickým řízením (CNC). Navrhování pracovních algoritmů pro CNC stroje je dalším úkolem z oblasti 3D modelování.
V roce 1986 vytvořil americký inženýr Charles W. Hall tiskárnu, která tiskla trojrozměrné objekty pomocí stereolitografie. Později se objevily 3D tiskárny, které tiskly trojrozměrné produkty z nejrůznějších materiálů, včetně tiskáren pro tisk lidských orgánů, nebo například tiskáren, které tiskly cukrářské ozdoby a hotová jídla. Dnes je možné koupit jednoduchou, ale docela funkční 3D tiskárnu za cenu smartphonu a tisknout na ní objemové předměty pro domácnost nebo podrobnosti o modelech a různých zařízeních. Všechny 3D tiskárny pro tisk dostávají trojrozměrný model jako vstup v určitém formátu.
Základní principy 3D modelování
Předpokladem pro 3D modelování je přítomnost prostorové představivosti. Je důležité umět si představit budoucí výsledek práce, mentálně se otáčet a zkoumat ho ze všech stran a rozumět tomu, z jakých prvků se model skládá, jaké příležitosti poskytuje a jaká omezení přináší. Přirozeně je prostorová představivost každého člověka rozvíjena v různé míře, ale stejně jako u gramotnosti nebo ucha k hudbě ji lze rozvíjet. Je důležité nevzdávat se, říkat si, že nic nefunguje, ale nejprve získat zkušenosti vytvářením jednoduchých modelů, postupně postupujících ke složitějším.
Pokud v libovolném programu CAD nakreslíte tři obdélníky a uspořádáte je v souladu s pravidly kreslení, pak modul zobrazení trojrozměrného modelu programu bude schopen vytvořit a zobrazit na obrazovce rovnoběžnostěn odpovídající těmto třem projekcím. Podobně podle pravidel kreslení můžete vytvořit model téměř jakékoli součásti.
Všechny programy pro 3D modelování jsou vektorové. To znamená, že objekty nepopisují jako soubor samostatných bodů, ale jako soubor vzorců a pracují pouze s celými objekty. Pokud potřebujete změnit nebo přesunout pouze polovinu objektu, budete jej muset oříznout (pokud existuje nástroj, který vám to umožní) a opravit poloviny jako nové objekty. Pro práci s vektorovým editorem není vůbec nutné znát matematické vzorce, jsou součástí programu. Důležitým a užitečným důsledkem tohoto přístupu je to, že jakýkoli objekt lze přesouvat, upravovat a měnit jeho velikost bez ohrožení kvality. Na druhou stranu vám program nebude rozumět, pokud se pokusíte nakreslit obdélník, například umístěním mnoha bodů podél jeho hranic, které se vizuálně navzájem dotýkají. Pro program to bude jen spousta bodů, ne obdélník. S tímto, podle vašeho názoru, obdélníkem nebude moci provádět žádné akce. Chcete-li vytvořit obdélník, musíte zvolit vhodný nástroj a použít jej. Poté vám program umožní provádět s vytvořeným objektem jakékoli akce: změnit jej, přesunout do daného bodu, protáhnout, ohnout atd. Většina softwaru pro 3D modelování také nebude schopna pracovat s grafikou v rastrovém formátu (bmp, jpg, png,
3D modelování z „cihel“
Drtivá většina technických detailů je kombinací volumetrických primitiv: rovnoběžnostěn, koule, hranoly atd. Jakýkoli nástroj pro 3D modelování má knihovnu volumetrických primitiv a je schopen je reprodukovat s přihlédnutím k parametrům určeným uživatelem. Chcete-li například vytvořit model válce, stačí v programu vybrat příslušný nástroj a nastavit průměr a výšku. Všechny programy pro trojrozměrný design jsou také schopné provádět alespoň dvě matematické operace s trojrozměrnými čísly: sčítání a odčítání. Například když jste vytvořili dva válce z primitiv: jeden o průměru 5 cm a výšce 1 cm a druhý o průměru 3 cm a výšce zjevně větší než 1 cm, můžete je kombinovat podél středová osa a odečíst druhý od prvního (většího) válce … Výsledkem je 1 cm silná podložka s vnějším průměrem 5 cm a vnitřním průměrem 3 cm. Pokud máte například samostatnou sadu samostatných předmětů: „hlava bez uší a nosu“, „nos“, „ levé ucho "a" pravé ucho ", pak je můžete spojit a přidat a vytvořit nový objekt" hlava s ušima a nosem ". Pokud máte knihovnu uší, nosů a hlav různých tvarů, můžete si jejich procházením vytvořit model hlavy svého přítele (nebo své vlastní). Poté odečtením objektu „ústa“od výsledné hlavy můžete získat hlavu s ústy. Vytvoření 3D modelu z „cihel“, objektů dostupných v knihovně programů nebo načtených do programu zvenčí, je jednoduchý a jeden z nejpopulárnějších způsobů.
V žádném programu samozřejmě neexistují žádné „stavební bloky“pro všechny případy. Mnoho objektů však lze vytvořit přesunutím jiných objektů v prostoru nebo jejich úpravou. Můžete například vytvořit stejný válec sami tím, že vezmete kruh jako základnu a posunete ji nahoru, přičemž každý krok zachováte přidáním pozic do jednoho objektu. Pokud program takový nástroj má, udělá vše sám, stačí zadat: po které trajektorii a jak daleko musíte základnu posunout. Takže z podložky vytvořené podle výše popsané technologie můžete vytvořit nový objekt - potrubí. Včetně - trubky s mnoha ohyby libovolného zakřivení. Důležitý bod: k tomu musí být kruh zpočátku trojrozměrný. Nechť - se zanedbatelnou tloušťkou, ale ne rovnou nule. K tomu musí mít program nástroj pro převod ploché postavy s nulovou tloušťkou na trojrozměrný se zanedbatelnou, ale specifickou tloušťkou.
3D modelování z polygonů
Mnoho programů pro 3D modelování pracuje se speciálními typy objektů zvaných „sítě“. Síť je polygonální síť nebo soubor vrcholů, hran a ploch 3D objektu. Abyste pochopili objekt složený ze sítí, můžete se podívat například na robota vytvořeného z dílů Lego. Každý kus je samostatná síťovina. Pokud je průměrná velikost dílu Lego 1 cm a sestavíte robota vysokého 50 cm, bude možné rozpoznat obrázek (například osoby), který jste do něj vložili. Realismus takové sochy však bude velmi průměrný. Další konverzace, pokud vytvoříte robota vysokého 50 kilometrů z dílů s průměrnou velikostí 1 cm. Pokud se vydáte na slušnou vzdálenost, abyste viděli celou obří sochu, nevšimnete si hranatosti povrchu a robot může vypadat jako živý člověk s hladkou kůží.
Síť může být jakkoli malá, což znamená, že můžete dosáhnout jakékoli vizuální hladkosti povrchu modelu. V zásadě je konstrukce objektu ze sítí stejná jako pixelové umění ve 2D obrazu. Pamatujeme si však, že množina bodů ve tvaru obdélníku není objektem „obdélníku“. To znamená, že aby se z obrazu vytvořeného ze sítí stal trojrozměrný objekt, musí být jeho obrysy vyplněny objemem. K tomu existují nástroje, ale začátečníci v oblasti 3D modelování na ně často zapomínají. Stejně jako skutečnost, že aby se povrch (například koule) proměnil v objemovou figuru, musí být zcela uzavřen. Stojí za to odstranit jeden bod (jednu síť) z hotové uzavřené plochy a program z něj nebude moci udělat 3D objekt.
Pohyb a vzhled 3D modelu
Představte si, že vytvoříte objekt automobilu ze sítí nebo jakýmkoli jiným způsobem. Pokud v programu pro trojrozměrné modelování nastavíte trajektorii a rychlost pohybu libovolného bodu uvnitř objektu podle vzorce a nastavíte podmínku synchronního pohybu všech ostatních bodů, pak bude auto řídit. Pokud jsou současně kola automobilu vybrána jako samostatné objekty a jejich centrům jsou přiřazeny samostatné trajektorie pohybu a otáčení, budou se kola vozu točit podél cesty. Výběrem správné korespondence mezi pohybem karoserie a jeho koly můžete dosáhnout realismu finální karikatury. Podobně můžete provést pohyb „lidským“objektem, ale to vyžaduje pochopení lidské anatomie a dynamiky chůze nebo běhu. A pak - všechno je jednoduché: uvnitř objektu je vytvořena kostra a každé z jeho částí jsou přiřazeny vlastní zákony pohybu.
Objekt vytvořený v trojrozměrném modelovacím programu může ve svých formách zcela opakovat skutečný vzorek ze života nebo fantazie tvůrce, může se realisticky pohybovat, ale stále mu chybí jedna další charakteristika, aby jej plně odpovídal. Tato vlastnost je struktura. Barva a drsnost povrchu určují naše vnímání, takže většina editorů 3D má také nástroje pro vytváření textur, včetně knihoven hotových povrchů: od dřeva a kovu až po dynamickou strukturu rozbouřeného moře v měsíčním světle. Ne všechny úkoly 3D modelování však takovou funkčnost vyžadují. Pokud vytváříte model pro tisk na 3D tiskárně, bude struktura jeho povrchu určena materiálem, který se má tisknout. Pokud navrhujete skříň v CAD pro výrobce nábytku, pak bude pro vás samozřejmě zajímavé „obléknout“produkt do struktury vybraných druhů dřeva, ale mnohem důležitější bude provést pevnostní výpočty v stejný program.
Formáty souborů ve 3D modelování
Software pro vytváření, úpravy a výrobu 3d objektů je na trhu prezentován desítkami aplikací a balíčků. Mnoho vývojářů takového softwaru používá k ukládání výsledků simulace vlastní formáty souborů. To jim umožňuje lépe využívat výhod jejich produktů a chrání jejich vzory před zneužitím. Existuje více než sto 3D formátů souborů. Některé z nich jsou uzavřené, to znamená, že tvůrci neumožňují jiným programům používat jejich formáty souborů. Tato situace velmi komplikuje interakci lidí zapojených do 3D modelování. Rozložení nebo model vytvořený v jednom programu je často velmi obtížné nebo nemožné importovat a převést v jiném programu.
Existují však otevřené formáty 3D grafických souborů, kterým rozumí téměř všechny programy pro práci s 3D:
. COLLADA je univerzální formát založený na XML určený speciálně pro výměnu souborů mezi programy od různých vývojářů. Tento formát podporují (v některých případech je vyžadován speciální modul plug-in) oblíbené produkty jako Autodesk 3ds Max, SketchUp, Blender. Tento formát také rozumí nejnovějším verzím aplikace Adobe Photoshop.
. OBJ - vyvinutý společností Wavefront Technologies. Tento formát je otevřený a je přijímán mnoha vývojáři editorů 3D grafiky. Většina softwaru pro 3D modelování má schopnost importovat a exportovat soubory.obj.
. STL je formát určený pro ukládání souborů určených k tisku pomocí stereolitografie. Mnoho 3D tiskáren dnes může tisknout přímo z.stl. Podporuje ji také mnoho průřezů - programů pro přípravu tisku na 3D tiskárně.
Online 3D editor tinkercad.com
Web tinkercad.com, vlastněný společností Autodesk, je nejlepším řešením pro ty, kteří začínají s 3D modelováním od nuly. Zcela zdarma. Web se snadno učí a má několik lekcí, které vám umožní pochopit hlavní funkce do hodiny a začít. Rozhraní webu bylo přeloženo do ruštiny, ale lekce jsou k dispozici pouze v angličtině. Základní znalost angličtiny však k pochopení lekcí stačí. Navíc není těžké najít na internetu průvodce v ruštině a překlady lekcí tinkercadu.
V pracovním prostoru webu je k dispozici velké množství volumetrických primitiv, včetně těch, které vytvořili jiní uživatelé. Existují nástroje pro změnu měřítka, přichycení k souřadnicové mřížce a ke klíčovým bodům objektů. Jakýkoli objekt lze převést na díru. Vybrané objekty lze kombinovat. Takto je implementováno sčítání a odčítání objektů. K dispozici je historie transformací, a to i pro nově uložené objekty, což je velmi výhodné, když se potřebujete vrátit o mnoho kroků zpět.
Pro ty, pro které výše popsané základní funkce nestačí, existuje funkce pro psaní skriptů a tedy vytváření složitých skriptů pro transformaci objektů.
Žádné nástroje pro řezání předmětů. Neexistují žádné polygony v jejich čisté formě (polygonální model je do jisté míry implementován v křivočarých objektových primitivech). Žádné textury. Tinkercad vám však umožňuje vytvářet poměrně složité a umělecké objekty.
Podporuje import a export souborů ve formátech STL, OBJ, SVG.
SketchUp
Poloprofesionální 3D grafický editor od společnosti Trimble Inc, který před několika lety získal Google Corporation. Verze Pro stojí 695 USD. K dispozici je bezplatná online verze s omezenou funkčností.
Před pár lety existovala bezplatná verze editoru pro stolní počítače, ale dnes je k dispozici pouze online verze bez peněz. Webová verze obsahuje jednoduché nástroje pro kreslení, vytváření křivek a nástroj pro vysunutí, který umožňuje vytvořit těleso z plochého obrázku. Také ve webové verzi existují vrstvy a textury. K dispozici je knihovna objektů a textur vytvořených uživateli.
Import je možný u souborů vlastního formátu (projekt SketchUp). Do scény můžete také vložit soubor.stl jako objekt.
Odkazy na Google umožňují integraci SketchUp se službami internetového giganta. Nejedná se pouze o přístup k cloudovému úložišti, kde najdete mnoho hotových scén a objektů, které můžete použít při své práci, ale také o možnost importovat satelitní a letecké snímky z aplikace Google Earth a vytvářet realistické scény.
Obecně jsou možnosti bezplatné verze SketchUp znatelně vyšší než funkce dostupné v tinkercad, ale web SketchUp se při pokusu o provedení některých vážných operací často zpomalí, jako by naznačoval, že je lepší přejít na placenou verzi produktu. Bezplatná verze aplikace SketchUp přichází s nabídkou zaplatit peníze za rozšíření jejích schopností téměř na každém kroku.
Vzhledem k tomu, že SketchUp Pro má dobrou funkčnost a je široce používán například při navrhování nábytku nebo vývoji interiérového designu, můžeme doporučit zvládnutí bezplatné webové verze produktu pro ty, kteří chtějí udělat krok k serióznímu modelování, ale ještě si nejste jisti jejich silnými stránkami a účelností. přechod na placené verze.
Mixér
Blender je legendární projekt, který spolu s Linuxem nebo PostgreSQL ukazuje, že komunita programátorů spojená myšlenkou bezplatné distribuce softwaru může dělat téměř cokoli.
Blender je profesionální editor 3D grafiky s téměř neomezenými možnostmi. Získal největší popularitu mezi tvůrci animace a realistických 3D scén. Jako příklad schopností tohoto produktu můžeme uvést skutečnost, že v něm byla vytvořena veškerá animace k filmu „Spider-Man 2“. A - nejen pro tento film.
Plné zvládnutí schopností editoru Blender vyžaduje značnou investici času a pochopení všech aspektů 3D grafiky, včetně osvětlení, nastavení scén a pohybu. Má všechny známé a populární nástroje pro objemové modelování a pro nemožné nebo dosud nevynalezené nástroje existuje programovací jazyk Python, ve kterém je napsán samotný editor a ve kterém můžete rozšířit své možnosti, jak si jen troufáte.
Komunita uživatelů Blenderu čítá více než půl milionu lidí, a proto nebude těžké najít lidi, kteří to pomohou zvládnout.
Pro jednoduché projekty je Blender příliš funkční a složitý, ale pro ty, kteří se chystají dělat 3D modelování vážně, je to skvělá volba.
