Modelare 3D

Modelarea 3D a camerei 14 a Muzeelor ​​Castello Sforzesco din Milano , creată pentru a evidenția părțile afectate de reorganizarea aceleiași efectuate de BBPR în anii cincizeci și șaizeci

Modelarea 3D (în mod complet tridimensional ), în grafica computerizată 3D , este procesul care vizează definirea unei forme tridimensionale într-un spațiu virtual generat pe un computer ; aceste obiecte, numite modele 3D, sunt realizate folosind anumite programe software , numite modelatoare 3D, sau mai general software 3D .

Acest termen este folosit în informatică și se distinge de alte tipuri de modelare tridimensională, cum ar fi sculptura tradițională.

Istorie

Același subiect în detaliu: Istoria CAD .

Istoria graficii computerizate 3D este desigur foarte recentă, același termen de grafică computerizată s-a născut abia în 1960 ^[1] .

Una dintre primele reprezentări tridimensionale pe computer a fost cea a celebrului „prim om” sau „Om Boeing” realizat de William Fetter ; un set de linii care descrie silueta virtuală a unui pilot de avion.

Începând cu 1959, General Motors , în colaborare cu IBM , a dezvoltat sistemul „DAC”, unul dintre primele sisteme CAD ; printr-un stilou și un ecran tactil, operatorii au trasat curbe matematice într-un spațiu virtual, cu care au delimitat profilurile, secțiunile și suprafețele mașinilor ^[2] . Sistemul numit „Adage”, considerat de mulți ca fiind prima stație de lucru CAD independentă ^[3], este, de asemenea, din prima jumătate a anilor șaizeci.

Prin urmare, nașterea modelării 3D a avut loc în domeniul industrial, în primul rând ca suport pentru proiectare. De atunci, câmpurile de utilizare a modelării 3D și a graficelor tridimensionale s-au extins enorm, părăsind în mare parte domeniul tehnic.

Modelare în practică operațională din grafică 3D

Modelarea 3D poate fi, de asemenea, un scop în sine și, în acest caz, modelul generat nu necesită prelucrări suplimentare, dar, în general, modelarea reprezintă primul pas al unei serii de operațiuni ulterioare care vor determina raportul final. Acest prim pas, în zona specifică a graficii computerizate 3D , nu poate lipsi niciodată și reprezintă punctul de plecare.
Luați de exemplu un caz particular destul de complex: crearea unei „imagini statice fotorealiste a unui personaj 3D” . Aceasta implică următorii pași esențiali:

• Modelare 3D primară ^[4]
• Modelare 3D secundară ^[5]
• Suprafața (definiția materialelor de suprafață)
• Cartografiere (definiția coordonatelor de proiecție)
• Aplicarea texturilor
• Introducerea scheletului
• Decojirea modelului
• Definiția posturii modelului
• Configurare scenă ^[6]
• Iluminarea scenei
• Redarea scenei
• Salvarea imaginii într-un fișier grafic
• Ieșire finală (de exemplu, tipărire pe hârtie)

Sau un caz relativ mai simplu: „Corpul de aluminiu al unui tambur, realizat cu mașină-unealtă” .

• Modelarea 3D a piesei într-un modelator CAD
• Asamblarea și verificarea piesei în modelul de asamblare
• Exportul modelului 3D într-un format de mașină compatibil
• Prelucrarea obiectului cu mașina-unelte CNC
• Curatare, finisare
• Anodizarea și lustruirea obiectului
• Asamblare în produsul final

După cum puteți vedea, realizarea modelului 3D este întotdeauna plasată la începutul lanțului operațional și este baza operațiunilor ulterioare.

Domenii de utilizare a modelării 3D

Sistemele de modelare sunt utilizate în toate domeniile graficii computerizate 3D , atât de mult încât, în unele cazuri, modelarea 3D și grafica 3D sunt sinonime.

Aplicații științifice sau tehnice

• Științe matematice, fizice și naturale ( biologie , fizică , matematică , astronomie etc.)
• Studiu teritorial ( Geologie , Seismologie , Meteorologie etc.)
• Științe istorice ( arheologie , paleontologie , paleoantropologie etc.)
• Stiinta aplicata
• Medicină (investigații criminalistice , reconstructive, diagnostice etc.)
• Inginerie civilă
• Inginerie Industriala
• Arhitectură
• Design industrial
• Proiectare piese mecanice

Aplicații artistice

• Industria filmului și a televiziunii
• Jocuri video și aplicații de jocuri video
• Grafică publicitară
• Publicații editoriale
• web design
• Aplicații multimedia
• Producția artistică

Tipuri de modelare

Din punct de vedere tipologic, toate modelările 3D se împart în două familii mari, fiecare referitoare la un tip specific de model:

• Modelarea organică - este modelarea tipică utilizată pentru a face oameni sau creaturi, animale sau umanoizi. Este folosit pentru toate subiectele „naturale” , cum ar fi stâncile, plantele, copacii și pentru teritoriul în general, în aceste cazuri modelele au cu atât mai mult succes cu cât sunt mai bogate în detalii. Multe obiecte de design industrial , care au forme moi și rotunjite, pot folosi, de asemenea, modelarea organică.
• Modelarea geometrică ^[7] - este cel mai vechi tip de modelare, este utilizată pentru a realiza obiecte tehnice sau mecanice, sau în orice caz pentru orice lucru care are o natură artificială și nu se încadrează în categoria anterioară. În general, complexitatea modelelor realizate cu acest tip de modelare este mult mai mică, dacă privim aspectul exterior al formelor individuale, dar nu dacă luăm în considerare aspecte legate de precizia și corespondența pieselor.

Desigur, același obiect poate conține atât modele organice, cât și geometrice, sau poate fi format dintr-un set de părți care conțin atât modele organice, cât și geometrice.

Tehnici de modelare 3D

Acestea pot fi împărțite în trei categorii principale:

1. Modelare procedurală (automată și semi-automată)
2. Modelare manuală
3. Din date de la modele reale (scanare tridimensională)

Care, la rândul său, poate fi împărțit în trei genuri distincte de modelare:

• Modelare solidă - în cazul în care obiectul rezultat este considerat a fi un volum solid.
• Modelare volumetrică - determină entitățile care generează o suprafață implicită .
• Modelarea suprafeței - obiectul în acest caz este determinat de suprafețele sale exterioare.

La unii modelatori, un obiect este considerat format din suprafețe atâta timp cât acestea sunt deschise, în timp ce este recunoscut ca solid odată ce toate suprafețele sunt sudate împreună și formează un corp închis.

Următoarea listă examinează diferitele tehnici de modelare manuală . Unele dintre tehnicile descrise (cum ar fi suprafețele patch-urilor), fiind destul de vechi, sunt învechite și învechite în comparație cu tehnicile mai recente și avansate. În ciuda acestui fapt, unii modelatori 3D păstrează unele dintre aceste instrumente în interior ca accesorii sau utilitare.

Construcții de bază (solide și suprafețe)

• Primitive - În general, fiecare pachet 3D care nu se ocupă doar de redare , conține în el un set mai mult sau mai puțin mare de primitive , adică obiecte predefinite (solide sau suprafețe), care pot fi utilizate direct; de obicei primitivele standard, adică întotdeauna prezente, sunt: planul , Cubul / Paralelepipedul , Sfera , Cilindrul , Conul / Piramida , ^[8] Taurul și adesea Ceainicul ^[9] .

• construcție prin extrudare - este o metodă simplă de a realiza forme extrudate pornind de la un desen 2d de bază sau un poligon plat și atribuindu-i o anumită înălțime și direcție de extrudare.
• construcție prin revoluție - mai complexă decât construcția anterioară, o revoluție poate fi considerată ca o extrudare în jurul unei axe, începe întotdeauna de la un profil de bază sau un poligon și, în locul adâncimii, este atribuit un unghi de revoluție.

Suprafețe de patch-uri

Modelarea patch-urilor este unul dintre cele mai vechi sisteme utilizate în grafica 3D și, de-a lungul timpului, a evoluat foarte mult prin dezvoltarea unor noi tehnici. În forma sa cea mai simplă, determină suprafețe parametrice generate de patru sau mai multe curbe adiacente care formează un perimetru închis.

• Suprafața Coons - determină un patch interpolat între doar patru curbe de margine, având vârfurile în comun, primul algoritm al acestei clase de suprafețe a fost dezvoltat de Steven A. Coons în 1967 . ^[10]
• Patch Bézier - este o suprafață parametrică care poate fi controlată local prin intermediul unei rețele de puncte de control, prin îmbinarea mai multor patch-uri Bézier se obțin suprafețe mai complexe numite suprafețe spline ^[11] , în acest caz punctele de control sunt situate la intersecție între diferitele patch-uri.

Modelare spline (suprafețe)

Modelarea splinei utilizează tehnica de patch-uri și curbele spline descrise anterior. Practic, un model realizat folosind acest sistem este format dintr-o cușcă de curbe spline, intersectate și conectate între ele. Decalajele dintre trei sau patru curbe spline unite la punctele lor de control sunt apoi umplute de patch-uri. ^[12] Acest sistem se pretează mai ales la crearea de modele organice .

Modelare pentru patch-uri spline

Construcții avansate (solide și suprafețe)

Construcțiile avansate utilizează același concept în spatele extruziunii și revolve-ului simplu, dar adaugă controale mult mai sofisticate.

• Mătura Extrudare de-a lungul unei cărări. Se folosește întotdeauna un profil de bază sau un poligon, ca în extrudarea simplă, care este asociată cu o cale care poate fi o curbă sau linii întrerupte.
• Loft Forma obiectului este dată de suprafața de îmbinare a unei serii de profile dispuse de-a lungul unei anumite căi, cu posibilitatea de a controla suprafața prin curbe de ghidare, în care profilele constituie secțiuni ale obiectului rezultat.
• Revoluție pe șină Sistem hibrid între o revoluție și o măturare , pornim întotdeauna de la un profil și o axă de revoluție, dar adăugăm și o cale de bază (numită și șină ^[13] ), pe care profilul trebuie să o urmeze în timpul Revoluției.

De-a lungul anilor, acest tip de construcții au fost de fapt echipate cu multe tipuri de controale, au fost adăugate linii directoare suplimentare, controale ale tipului de torsiune, definiții ale tangenței etc.
Aceste sisteme de modelare, datorită gradului lor ridicat de precizie, sunt utilizate în principal pentru a defini obiecte de proiectare tehnică sau industrială.

Modelarea poligonala

Acestea sunt tehnici de bază în grafica 3D.
Modelarea poligonală funcționează pe suprafețe organizate în ochiuri mai mult sau mai puțin detaliate ale fețelor poligonale. Aceste suprafețe pot aproxima obiectul final numai dacă suntem în prezența unui nivel scăzut de poligoane (în acest caz obiectul se numește Low Poly ). În alte cazuri, un model poligonal - când modelarea este completă - poate consta și dintr-un număr foarte mare de fețe. ^[14]
Următoarele sisteme trec de la cele mai elementare la cele mai avansate:

• Prin elemente în mișcare - un model poligonal este alcătuit din 3 elemente esențiale: fețe , laturi și vârfuri ; deplasarea arbitrară a unui singur element sau a unui grup de ele determină o modificare a ochiului de pornire. Selectarea unei componente de plasă și mutarea acesteia ( glisare , rotire , redimensionare etc.) în spațiu este cea mai de bază tehnică de modelare poligonală.
• De la primitive de bază - Una dintre cele mai simple și mai directe modalități de a începe modelarea unui obiect poligonal, este de a porni de la o primitivă poligonală de bază și de a începe modificarea acestuia prin mișcarea, rotirea, scalarea componentelor sale, până când obțineți forma dorită. Această tehnică este foarte simplă, dar, în general, permite obținerea de modele cu complexitate redusă, adică constrânsă la complexitatea (și în ceea ce privește densitatea poligonală a ochiurilor) a primitivei de pornire.
  

  Construirea unei case cu detalii reduse dintr-o cutie
• Metoda rețelei plane - pe lângă modificarea poligoanelor rețelei existente (de exemplu, primitive), există posibilitatea de a crea fiecare poligon al obiectului individual și de a construi poligoanele în poziția cea mai convenabilă pentru a crea modelul final. Unul dintre sistemele de desenare directă a poligoanelor se numește Metoda Plane Mesh . ^{[15] [16]} Practic implică crearea unei rețele de poligoane poziționate pe plan și având structura, profilul și conformația generală a obiectului final. Odată ce poligoanele au fost poziționate pe plan, trecem pentru a determina tridimensionalitatea lor: fie prin deplasarea punctelor rețelei de-a lungul adâncimii modelului, fie prin sisteme de extrudare.
  

  Piranha cu detalii reduse realizată dintr-o plasă plăcuțată
• Metoda pânzei de păianjen - Aceasta este o variantă a tehnicii anterioare. În acest caz, toți poligoanele de bază ale modelului nu sunt construite și poziționate, dar pornim de la una din zonele sale (centrale) și începem să creăm și să modelăm poligoanele individuale cu un sistem de „pânză de păianjen” , ^[17] adică din interior și progresând treptat către zonele exterioare ale modelului. Este un sistem complex și care consumă mult timp, utilizat în primul rând pentru gradul său ridicat de precizie.
  

  modelarea unei fețe începând de la poziția ochilor
• Pentru finisarea progresivă - este cel mai avansat sistem, poate fi considerat una dintre paradigmele modelării 3D . Prin adoptarea oricărei metode analizate anterior, începeți să definiți forma într-un mod foarte schematic, în principal prin aproximarea morfologiei sale și având grijă să mențineți numărul inițial de poligoane extrem de scăzut. Trebuie să gestionați câteva poligoane, este posibil să modificați foarte ușor proporțiile și volumul general al formei. Numai atunci când sunteți mulțumit de aspectul brut al modelului puteți începe - prin adoptarea instrumentelor specifice fiecărui pachet software - pentru a defini în continuare forma. Este important ca la fiecare etapă de finisare să se definească mai întâi volumele mai mari ale modelului și apoi să se definească zonele din ce în ce mai mici, definiția și numărul de detalii care pot fi furnizate sunt la latitudinea graficului 3D. Principiul fundamental de reținut este că: cu cât este mai mic numărul de poligoane prezente în model, cu atât este mai mare posibilitatea modificării morfologiei sale generale - cu cât este mai mare numărul de poligoane, cu atât mai puțin va fi posibil să se modifice forma deja setată anterior. În practică, fiecare pas este ireversibil , cu cât sunt definite mai multe detalii ale obiectului, cu atât va fi mai puțin posibil să se modifice (sau să corecteze) aspectul său general. ^[18] Această problemă poate fi remediată prin salvarea progresivă a modelului, pentru a avea la dispoziție toate etapele intermediare de modelare, în cazul unei erori, puteți reporni din modelul anterior mai puțin detaliat, dacă software-ul folosit folosește straturi, puteți păstra diferitele versiuni în straturi separate.
• Pentru harta de deplasare - vezi secțiunea aferentă
• Pentru sculptura 3D - consultați secțiunea relevantă

Modelare solidă

Modelare solidă sau CSG , este un tip de modelare geometrică, utilizate în principal în tehnică și CAD câmpuri. La 1981 , ^[19] , urmat de PTC de granit cu lansarea Pro / ENGINEER în 1987, care a introdus conceptul de parametric 3D, și Parasolid , de Unigraphics, în 1988 . ^[20]
Modelarea solidă utilizează următoarele instrumente de bază:

• Primitive de bază - sunt aceleași primitive analizate mai sus.
• Construcții prin extrudare și revoluție, simple și avansate - de asemenea, în acest caz, modelele solide utilizează aceleași tehnici descrise mai sus.
• Operații booleene - derivând din algebra booleană , această tehnică este în schimb exclusivă modelării solide. Permite obținerea unor forme complexe pornind de la primitive solide, compunându-le împreună prin trei operații: Unire, Scădere și Intersecție.
• Șanțuri și fileuri - acestea sunt funcții automate care funcționează de-a lungul marginilor solidelor, permițându-le să fie filetate de o anumită rază sau teșite cu un anumit unghi.

Modelare parametrică solidă

O variantă a modelării clasice a solidelor care a dat un mare impuls dezvoltării aplicațiilor CAD a fost introducerea conceptului de solid parametric bazat pe caracteristici, care diferă de conceptul de modelare solidă tradițională prin faptul că solidul este creat pe baza de operații comparabile.cu cele care trebuie făcute pentru a realiza o piesă reală. Mai mult, în modelarea parametrică, solidele sunt guvernate și legate între ele de parametri fizici, matematici sau geometrici.
Introducerea acestui sistem de concepte de modelare 3D este de obicei atribuită dezvoltărilor Dr. Samuel P. Geisberg care au dus la lansarea sistemului Pro / ENGINEER în 1987.
În panorama actuală a propunerilor CAD industriale, majoritatea celor mai populare programe au adoptat această paradigmă, deși există diferențe în abordarea parametrilor modelului, a gestionării evenimentelor și a tehnologiilor matematice și informatice pentru a le implementa.

Metaball

forma obiectului modelată prin metaboli sferici

Metaballs (sau "blobs") sunt un anumit tip de primitive utilizate pentru a crea modele organice, proiectarea sau simularea lichidelor. Sunt entități volumetrice, cum ar fi voxelurile , au un nucleu central care este vizualizat ca o suprafață implicită și ca o forță externă sau câmp de „influență”. Când două metabile sunt reunite, ele reacționează între ele prin câmpul de forță extern care le atrage (dacă este pozitiv) și le determină fuziunea sau le respinge (dacă este negativ) și provoacă o scădere a volumului. ^[21]

Odată ce modelul a fost creat ca o suprafață implicită, este, în general, posibil să-l convertiți într-o rețea de poligon reală, invocând parametri precum densitatea finală a rețelei. Au fost dezvoltate mai multe forme de Metaball:

• Metaboli sferici - sunt metaboli în forma lor nativă, fiind legați de această geometrie, au dezavantajul, în cazul modelelor organice complexe, al numărului mare de entități care trebuie poziționate, mai ales în prezența formelor alungite și suple.
• Metaballs cu altă geometrie - în timp ce exploatează aceleași principii ca metaballs sferice, aceste entități pot lua forma altor tipuri de primitive și au avantajul de a vă permite să aproximați forma finală folosind mult mai puține entități.
• Metamuscoli - aceste entități geometrice reprezintă una dintre evoluțiile majore ale metabilelor. Au fost introduse pentru prima dată în 1997 de REM Infogràfica ca un plug-in pentru 3DS Max , numit MetaReyes în revizuirea 3.1. ^[22] Metamusculii sunt metaboli deformabili pe căile spline; prin modificarea punctelor de control ale splinei și a parametrilor metabilelor, se obțin forme alungite care aproximează un mușchi, interacțiunea diferitelor metamuscule, conform metodelor tipice ale metabulelor, generează forma finală. Valoarea și limita acestor primitivi este specializarea lor în definirea formelor aproape exclusiv anatomice .

Suprafete NURBS

Modelarea unui cârlig folosind suprafețe NURBS

Tehnologia NURBS a fost introdusă de Boeing în 1975 , ^[23] acronim pentru spline raționale neuniforme B , este utilizat în grafica 3D pentru a crea o gamă largă de modele; este deosebit de potrivit pentru reprezentarea suprafețelor organice, de exemplu a creaturilor și personajelor, și a obiectelor de proiectare care necesită suprafețe complexe și precise, cum ar fi mașinile . Suprafețele NURBS sunt suprafețe matematice perfect netezite, care nu se caracterizează prin fațeta tipică a suprafețelor poligonale, ^[24] sunt ușor editabile și controlabile prin câteva puncte de control, numite CV-uri (Control Vertices).

O suprafață NURBS poate fi generată fie din curbele NURBS în sine, prin operații de extrudare, revoluție, lofting, patch-uri și altele, fie din primitive de tip NURBS precum sfere, cilindri, toruri etc. Modificările ulterioare ale unui model NURBS depind foarte mult de instrumentele puse la dispoziție de software-ul 3D, dar în general trecem la editarea punctelor suprafeței sau a vârfurilor CV, ^[25] unde este necesar putem adăuga sau elimina curbe în direcțiile U și V, ^[26] cum puteți adăuga și elimina vârfurile de control în curbe.

Modelare parametrică solidă

Este un fel de modelare utilizat în domeniul CAD .
Modelarea parametrică solidă în proiectarea CAD a umplut unele dintre neajunsurile modelării solide simple. Vă permite să generați solide prin introducerea parametrilor numerici, de ex. înălțime, lungime, adâncime, raze și măsurători unghiulare și să poată interveni asupra acestor parametri chiar și după realizarea modelului, să-și modifice și să actualizeze geometria fără a fi nevoie să-l reconstruiască. Pe lângă modelarea utilizând parametri, a fost introdus și conceptul de „caracteristică” și arborele de construcție: în practică, toate prelucrările aplicate pe modelul solid sunt înregistrate (ca o caracteristică), într-un fel de arbore cronologic care funcționează conform unui schemă de dependență tată fiu; este posibil în orice moment în timpul modelării să reveniți în arborele de construcție, să selectați o caracteristică, să editați și să modificați parametrii și să actualizați întregul model cu noii parametri. Modelarea parametrică solidă este acum numită „hibridă” ^[23], deoarece mulți modelatori CAD au adăugat funcții avansate de modelare solidă hibridă și de suprafață pentru a putea crea modele mai complexe.

Modelare solidă parametrică CAD a unei componente mecanice, cu arborele caracteristicilor.

O secvență tipică de modelare parametrică solidă este prezentată mai jos; este o schemă foarte simplă, care poate fi adoptată mai ales pentru componentele mecanice sau care în orice caz nu necesită intervenții complexe:

1. Selectarea unui plan de plecare (un plan implicit sau special creat)
2. Desen 2D pe plan ( schiță inițială)
3. Caracteristică de bază sau caracteristică (de exemplu, extragere schiță)
4. Caracteristici secundare (tăieturi / extrudări similare caracteristicii de bază)
5. Procese de finisare (teșituri, fileuri, fire etc.)

Trebuie amintit că fiecare parametru numeric referitor la schițele de pornire și caracteristicile de prelucrare poate fi editat și modificat în orice moment al modelării, precum și toate opțiunile caracteristicilor. Sistemul de procesare nu se desfășoară într-o singură direcție (ca în modelarea poligonală cu finisare progresivă), ci este reversibil și modificabil pe termen nelimitat.

Suprafața subdiviziunii

Suprafețele de subdiviziune B-spline ale lui Catmull Clark au fost dezvoltate de E. Catmull și J. Clark în 1978 . ^[27] au fost utilizate pentru prima dată ca parte a graficelor computerizate 3D de la Pixar în filmul de animație Geri's Game din 1989 .
Sunt un instrument de modelare foarte versatil, potrivit mai ales pentru crearea de modele organice într-un mod simplu și detaliat. Acestea combină cele mai bune caracteristici ale modelării poligonale și modelării NURBS împreună; la fel ca suprafețele NURBS, acestea sunt perfect netezite și fără fațete, dar pot avea ca forme de bază o topologie neregulată, ^[28] tipică modelelor poligonale.
Una dintre cele mai bune modalități de a începe modelarea cu suprafețe de subdiviziune este de a converti un model poligonal, singura cerință importantă este ca rețeaua care urmează să fie convertită să fie cât mai simplă posibil, adică formată dintr-un număr redus de poligoane, acest lucru se datorează faptului că nu T au nevoie de multe poligoane pentru a face suprafețe de subdiviziune perfecte. Comutarea de la o suprafață de poligon la o suprafață de subdiviziune este automată și acest lucru se aplică și procesului invers.
Practic suprafețele de subdiviziune folosesc aceleași tehnici de modelare utilizate pentru ochiurile de poligon, cu unele distincții și cu multe mai multe posibilități, cum ar fi posibilitatea de a atribui o „ greutate ” mai mare sau mai mică ^[29] fiecărui punct al suprafeței.

Suprafețe implicite (Voxel)

În general, mai mult decât reprezentarea unei tehnici de modelare, Voxels sunt folosiți ca sisteme pentru a vizualiza geometrii sau fenomene particulare. Voxelurile generează un volum în jurul unui punct geometric (adică definit și poziționat în spațiu), acest punct este afișat și redat prin suprafața implicită a voxelului.
Vizualizarea volumetrică a voxelului este utilizată pe scară largă în domeniul medical, utilizând date tridimensionale din tomografia computerizată (CT) și imagistica prin rezonanță magnetică (RMN), ^[30] Modelele generate în acest mod se încadrează în categoria „modelării tridimensionale prin scanare . "", descris mai jos.
Voxelurile sunt, de asemenea, utilizate în animația tridimensională pentru unele tipuri de simulare complexă, cum ar fi cea a efectelor gazoase , atmosferice și de explozie , ^{[31] în} mod similar pot fi utilizate pentru a crea materiale lichide și fluide , cum ar fi apa , lava etc. prin intermediul motoarelor de generare a particulelor, în acest caz utilizarea lor se încadrează în domeniul „modelării procedurale”.
Pentru modelarea manuală efectivă, suprafețele implicite pot utiliza structura geometriilor existente. Prin exploatarea caracteristicii voxelurilor pentru a crea entități volumetrice în jurul punctelor geometrice, este posibil să se construiască anumite forme, atât materiale cât și „imateriale”, utilizând unul dintre sistemele de modelare examinate aici (de exemplu, modelarea poligonală) și să se verifice treptat forma volumetrică care este fiind generat.

Modelele care pot fi obținute pot fi, de asemenea, similare cu cele realizate folosind metaboli ^[32] (care sunt și entități volumetrice), dar, în general, abilitățile tipice ale voxelurilor sunt utilizate pentru a genera suprafețe foarte complexe, care sunt greu de obținut în orice alt mod . Din cele spuse se poate înțelege că domeniul de utilizare al suprafețelor implicite include aproape exclusiv forme și structuri de tip organic, natural sau imaginar, dar nu de tip geometric.

Modelare 3D folosind voxeluri pornind de la un set de puncte

Hărți de deplasare

Același subiect în detaliu: Cartarea deplasărilor .

Cartarea deplasării este o tehnică de modelare care nu folosește instrumentele standard de schimbare, ci se bazează pe prelucrarea imaginilor în gri scară.
Folosește același principiu ca și „Maparea imaginilor”, de ex. „ Bump mapping ” (rugozitate), cu diferența că deplasarea intervine asupra geometriei modelului, modificându-l. Acționând în direcția „normală” a suprafeței, harta de deplasare determină o deplasare pozitivă a punctelor modelului corespunzătoare zonelor luminoase ale imaginii și într-o direcție negativă a celor corespunzătoare zonelor întunecate. Poate fi considerat un instrument pentru deformarea ochiului ^[33] prin imagini, este utilizat atât pe modele organice, cât și pe modele geometrice.
Se pot distinge două tipuri de deplasări:

• Deplasare geometrică - acționând direct asupra punctelor rețelei poligonale, acest tip de deplasare necesită un nivel ridicat de teselare a rețelei pentru a produce rezultate bune, prin urmare are dezavantajul de a produce modele foarte grele și dificil de gestionat.
• Displacement per Micropoligoni (Microdisplacement) - il displacement per Micropoligoni genera in automatico un grande numero di piccole facce triangolari (anche molti milioni), ed è in grado di realizzare modelli molto dettagliati. La particolarità e il grande vantaggio di questo sistema risiede nel fatto che la tassellizzazione del modello avviene solo in fase di rendering o pre-visualizzazione (è cioè temporanea), mentre non va a interessare la geometria di base che può mantenersi così molto semplice. Per estremo, utilizzando un solo poligono piano e un'immagine mappata, si può ottenere in fase di rendering un modello perfettamente definito (ad es. un terreno frastagliato o un bassorilievo scultoreo ).
  

  Displacement per micropoligoni, ottenuto da un unico poligono quadrangolare

Scultura 3D

Per indicare questa tecnica si usa anche il termine "displacement painting", in quanto deriva dalla comunione di tecniche di displacement map e di tecniche di painting 3D .
È un sistema molto affine a tecniche di scultura tradizionale, opera utilizzando dei pennelli virtuali, variabili in dimensione e funzioni, che, passati sulla superficie del modello vanno a modificarne la geometria in tempo reale, provocando protrusioni, avvallamenti, scalfitture e incisioni , come se si stesse lavorando su un pezzo di argilla .
I precursori di questa tecnica furono i programmi di painting diretto su mesh, che però non lavoravano sul canale del displacement. Il primo esempio di questo tipo di scultura fu il modulo "artisan", impiegato da Maya , ma il capostipite vero e proprio dei modellatori basati su questa tecnologia è senza dubbio ZBrush di pixologic , ^[34] seguito da una serie di altri pacchetti commerciali.
La scultura diretta della mesh viene utilizzata soprattutto per la rifinitura e il dettaglio in alta definizione di modelli semplici realizzati con altri metodi, ma può essere usata anche per definire da zero un modello partendo da primitive semplici come parallelepipedi o sfere . È usata in larga misura nella modellazione organica, in particolare nella modellazione e definizioni di personaggi.
Data l'estrema complessità dei modelli ottenuti con questa tecnica (che possono essere formati da molti milioni di poligoni), si rende quasi sempre necessario trasferire i dati tridimensionali della mesh in mappe di displacement o in normal map , utilizzabili in modelli molto più leggeri.

Tecniche di Rotoscoping

Non si tratta di una tecnica di modellazione 3D in senso stretto, Il rotoscoping (o ricalco), è piuttosto una tecnica di supporto alla modellazione. In molti casi può essere di aiuto iniziare la modellazione di un qualsiasi oggetto utilizzando come riferimento delle immagini di sfondo. Queste vengono posizionate e scalate nelle finestre standard di lavorazione del programma 3D, oppure, se si preferisce, possono essere mappate su dei piani paralleli alle viste di lavoro. ^[35] Per taluni soggetti è sufficiente utilizzare una sola immagine di riferimento, per altri, più complessi, possono servire due o tre immagini, posizionate nelle viste: Frontale , Laterale , Superiore (o inferiore ).
La tecnica del rotoscoping è utilizzabile per ogni tipologia di oggetti, da quelli realizzati in modellazione organica, agli oggetti tecnici realizzati in ambiente CAD .

Modellazione di un dettaglio anatomico ( orecchio ), con l'ausilio di un'immagine di sfondo

Modellazione di una creatura mediante immagini poste nelle viste Frontale e Laterale

Un discorso a parte meritano le successive due voci, in quanto adottano tecnologie e procedure particolari, che le pongono al di fuori della modellazione manuale semplice:

La modellazione procedurale

La modellazione procedurale è una modellazione assistita da strumenti software che generano in maniera automatica o semi-automatica la geometria voluta. La qualità dei modelli prodotti è in questo caso delegata alle maggiori o minori capacità del software impiegato.
vi sono varie categorie di software procedurali per quanto concerne la creazione di forme tridimensionali, si possono distinguere i seguenti simulatori e generatori:

• Simulatori fluidodinamici
• Simulatori di tessuti e soft-body
• Generatori di vegetazione
• Generatori di capelli e peluria
• Generatori di modelli 3D (volti, creature, oggetti geometrici etc.)
• Generatori frattali ( terreni , forme astratte etc.)

Questi programmi generano forme tridimensionali sotto forma di mesh, volumi o superfici, impiegabili nei normali software 3D per le applicazioni necessarie.
Generalmente sono due i metodi di modellazione usati: o esclusivamente attraverso l'impostazione dei parametri messi a disposizione dal software e l'immissione di dati numerici, dopodiché la generazione procede in maniera automatica - o attraverso dei sistemi di modellazione guidata , che consentono un controllo maggiore di quanto si sta realizzando: in questo caso il software segue delle geometrie di guida (curve, mesh etc.), o viene limitato da vincoli esterni. I casi da analizzare sarebbero molti e specifici per ogni tipologia di modellazione procedurale.

Esempio di modellazione totalmente automatica, impostata tramite parametri

In questo caso la modellazione è stata guidata mediante la collisione con oggetti esterni

La scansione tridimensionale

Realizzare modelli 3D acquisendoli da oggetti reali rientra in un tipo di modellazione utilizzato in svariati settori; dall'architettura all'industria cinematografica, dalla conservazione dei beni artistici alla medicina, etc.
Esiste una vasta gamma di strumenti e procedure per ottenere della repliche virtuali di oggetti fisici:

• Per Fotogrammetria - è un sistema abbastanza semplice e economico, ^[36] che permette di acquisire forme a basso dettaglio. Si utilizzano delle fotografie del soggetto prese da varie angolature (a volte con dei marcatori ^[37] applicati), il software si occupa poi di ricostruire la versione tridimensionale. La precisione non è assoluta, ei modelli approssimano in maniera semplice la forma di partenza.
• Per Sonda 3D a contatto (Tastatore) - si basa sull'uso di un braccio meccanico snodato che va a "tastare" il modello negli incroci di una griglia ^[36] segnata sulla sua superficie, mentre il software riproduce i punti nello spazio tridimensionale, è un sistema adatto a replicare oggetti non troppo grandi e realizzati in materiali rigidi (ad es. piccole e medie sculture).
• Per scansione Laser

Lo stesso argomento in dettaglio: Scanner Laser 3D .

è un sistema versatile che comprende molti tipi di strumenti, a seconda delle dimensioni degli oggetti da scansionare, della risoluzione ecc. , si va da strumenti manuali, piccoli e portatili, a apparecchiature da studio, fisse o mobili, fino a attrezzature da utilizzarsi in spazi aperti per rilevare territori o architetture. ^[38]
I sistemi laser, per ogni inquadratura dell'oggetto, producono delle superfici formate da nuvole di punti , varie inquadrature forniranno una serie di nuvole di punti che andranno a comporre il modello 3D, il dettaglio ottenibile con questi sistemi può essere anche molto elevato. Le tipologie di oggetti scansionabili è molto vasta; essendo una tecnica non a contatto e non invasiva, si possono rilevare oggetti morbidi e flessibili come ad es. i corpi umani. ^[39]

• Per Proiezione di Pattern Luminosi - produce una serie di nuvole di punti che verranno trattate in maniera similare alla scansione laser. In questa tecnica sul modello viene proiettata una luce bianca, sotto forma generalmente di strisce, che viene poi catturata da dei sensori di luce ^[40] (ad es. delle macchine fotografiche digitali). Rispetto alla scansione laser è un sistema molto più veloce, ma ha lo svantaggio di non poter scansionare oggetti molto grandi.
• Scansioni TAC o RMN

Lo stesso argomento in dettaglio: Tomografia computerizzata e Imaging a risonanza magnetica .

Questi sistemi di indagine diagnostica consentono, in una maniera non invasiva, di poter rilevare le strutture anatomiche interne di un corpo umano o animale, non ottenibili con altri sistemi.

Principi di corretta modellazione

Per comprendere quale debba essere il giusto utilizzo dei vari sistemi di modellazione bisognerebbe introdurre il concetto di Modello 3D corretto e Modello 3D scorretto. Si deve cioè spostare l'attenzione dall'aspetto tecnico della modellazione a un'analisi attenta del modello da realizzare.
Il processo di modellazione deriva primariamente dalla tipologia del modello da realizzare. La tipologia del modello comporterà una prima scelta tra tecniche di modellazione organica e tecniche di modellazione geometrica (non avrebbe senso approcciare la modellazione di un componente meccanico con delle tecniche organiche; come sarebbe un nonsenso voler realizzare una mano umana con un sistema CAD ), questo perché ogni tipologia di oggetto è associabile in maniera naturale a determinate tecniche e non a altre.
Ciò che condizionerà la scelta specifica del sistema di modellazione, saranno invece le caratteristiche richieste al modello dalla sua destinazione d'uso . Un modello 3D molto bello da vedersi non è necessariamente eseguito correttamente: perché potrebbe essere inadatto all'utilizzo cui è destinato (ad es. il modello 3D di un' automobile da usarsi in un videogame , sarà necessariamente diverso dal modello CAD della stessa automobile da utilizzarsi per la produzione di serie ). Si adotterà una tecnica di modellazione corretta se sarà adeguata primariamente alla tipologia del modello e secondariamente al suo utilizzo finale.

Note

Bibliografia

Libri e Manuali

• Andreucci Giacomo, SketchUp. Modellazione 3D e geomodellazione, Edizioni FAG, Milano, 2012, pp. 512
• CAD Tutor 3D. Corso interattivo di Autocad 3D. Di Claudio Gasparini, 2005, Gasparini Editore, ISBN 88-89740-00-0
• LightWave 3D Guida completa, Dan Ablan, 1998 - APOGEO ISBN 88-7303-399-7
• Rogers, David; Earnshaw, Rae (31.10.2001). Computer Graphics Techniques:Theory and Practice. Springer, 399. ISBN 0-387-97237-4
• Karen E. Goulekas - Visual Effects in a Digital World - 2001, Morgan Kaufmann, ISBN 0-12-293785-6
• Michael Todd Peterson - 3D Studio MAX 2 Guida completa, 1998 APOGEO ISBN 88-7303-400-4
• John Kundert-Gibbs, Peter Lee - Maya 5 Guida completa - Apogeo Editore ISBN 88-503-2219-4
• LightWave [6] Guida completa, Dan Ablan, 2000 - APOGEO ISBN 88-7303-583-3
• Mental ray per Autodesk 3ds Max, Max Design e VIZ, Guida completa - 2008 - AM4 EDUCATIONAL ISBN 978-88-901879-1-9

Riviste

• Computer Grafica tecniche & applicazioni, Fascicoli N° 6, 11, 14, 15, 18, 21, 42, 46, 52, 56, Imago Edizioni.
• 3D professional, Numeri 1 e 2, Imago Edizioni.
• CG computer Gazette, Numero 12 Anno XIV, dicembre 1999, IHT Gruppo Editoriale.

Voci correlate

• Computer grafica 3D
• Grafica computerizzata
• Modellazione geometrica
• Rendering
• Animazione al computer
• Mappa immagine
• Tekla corporation

Altri progetti

• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su modellazione 3D

Portale Informatica

Portale Ingegneria