Der Ausdruck "3D" ist eine Abkürzung für das englische "3 Dimension", also "3 Dimensions". Symbole "3D" (in der russischen Literatur wird häufig auch die Abkürzung "3d" verwendet) weisen darauf hin, dass sich ein Objekt oder eine Technologie von anderen dadurch unterscheidet, dass es mehr als zwei Dimensionen hat.
Wozu dienen 3D-Modelle?
Alle Objekte in der realen Welt haben drei Dimensionen. Gleichzeitig verwenden wir in den allermeisten Fällen zur Darstellung dreidimensionaler Objekte zweidimensionale Oberflächen: ein Blatt Papier, eine Leinwand, einen Computerbildschirm. Der Bildhauer schafft dreidimensionale Figuren, aber bevor er mit dem Schnitzen einer Skulptur aus Granit beginnt, erstellt er Skizzen, in denen das zukünftige Werk in mehreren Ansichten dargestellt ist - von allen Seiten. Ebenso arbeitet ein Architekt oder Designer, indem er flache Ansichten von entworfenen Produkten oder Gebäuden auf einem Whatman-Papier oder auf einem Computerbildschirm anzeigt.
Das Fach "Zeichnen" im Rahmen der obligatorischen Schule soll das dreidimensionale Modellieren vermitteln - die genaue Beschreibung von Objekten mit Volumen auf einer ebenen, zweidimensionalen Oberfläche eines Blattes Papier. Darüber hinaus wird den Kindern in Knet-Modellierklassen im Kindergarten und in der Grundschule das dreidimensionale Modellieren beigebracht. So viel Aufmerksamkeit der 3D-Modellierung im Bildungsprozess kommt nicht von ungefähr. Bei jeder Aktivität zum Erstellen echter Objekte müssen Sie eine gute Vorstellung davon haben, wie dieses Objekt von allen Seiten aussehen wird. Ein Schneider und ein Kleiderdesigner müssen wissen, wie ein Anzug oder ein Kleid zu einer Person mit einer bestimmten Figur passt. Der Friseur kreiert einen Haarschnitt und eine Frisur, die Volumen haben und aus verschiedenen Blickwinkeln anders aussehen. Der Juwelier modelliert seinen Schmuck. Der Zahnarzt muss nicht nur einen schönen künstlichen Zahn herstellen, sondern auch seine Lage im Verhältnis zu den übrigen Zähnen des Patienten berücksichtigen. Der Tischler muss die Fugen der dreidimensionalen Teile sehr genau anpassen können. Er möchte auch visuell sehen, wie bequem die von ihm entworfenen Möbel zu verwenden sind und wie sie sich in das Interieur einfügen.
Vertreter verschiedener Berufsgruppen verwenden seit langem Zeichnungen, die aus vielen Arten bestehen, für die dreidimensionale Modellierung. Mit der Verbreitung von Personalcomputern wurde es möglich, einen Teil der Aufgabe, dreidimensionale Modelle zu erstellen, Software zu übertragen. Konstruktionsautomatisierungssysteme (CAD) waren die ersten, die die Funktionalität der dynamischen Anzeige von erstellten dreidimensionalen Objekten auf der Bildschirmebene beinhalteten. Das Wort "dynamisch" bedeutet in diesem Fall die Möglichkeit, das Bild eines dreidimensionalen Objekts auf dem Bildschirm zu drehen und von allen Seiten zu betrachten. Die Dynamik eines 3D-Modells kann jedoch auch die Fähigkeit des Modells bedeuten, seine Form zu ändern und sich zu bewegen. Die Schöpfer von Cartoons und Computerspielen haben ein Bedürfnis nach einer solchen Funktionalität.
In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts, noch in der Vor-Computer-Ära, tauchten dreidimensionale Oberflächenbehandlungstechnologien auf. Kurz nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs finanzierte die US Air Force die Arbeit von Parsons Inc., um Maschinen zu entwickeln, die komplexe Teile nach einem bestimmten Algorithmus fräsen konnten. Diese Arbeiten führten zur Entwicklung einer ganzen Klasse von CNC-Werkzeugmaschinen (Computer Numerical Control). Das Entwerfen von Arbeitsalgorithmen für CNC-Maschinen ist eine weitere Aufgabe aus dem Bereich der 3D-Modellierung.
1986 entwickelte der amerikanische Ingenieur Charles W. Hall einen Drucker, der dreidimensionale Objekte mittels Stereolithographie druckte. Später erschienen 3D-Drucker, die dreidimensionale Produkte aus den unterschiedlichsten Materialien drucken, darunter Drucker zum Drucken menschlicher Organe oder beispielsweise Drucker zum Drucken von Süßwarendekorationen und Fertiggerichten. Heute kann man zum Preis eines Smartphones einen einfachen, aber durchaus funktionalen 3D-Drucker kaufen und darauf volumetrische Objekte für zu Hause oder Details von Modellen und verschiedenen Geräten drucken. Alle 3D-Drucker zum Drucken erhalten als Eingabe ein dreidimensionales Modell in einem bestimmten Format.
Grundprinzipien der 3D-Modellierung
Voraussetzung für die 3D-Modellierung ist das Vorhandensein räumlicher Vorstellungskraft. Es ist wichtig, sich das zukünftige Arbeitsergebnis vorstellen zu können, es gedanklich zu rotieren und von allen Seiten zu betrachten, sowie zu verstehen, aus welchen Elementen das Modell besteht, welche Möglichkeiten es bietet und welche Einschränkungen es auferlegt. Das räumliche Vorstellungsvermögen ist von Natur aus unterschiedlich entwickelt, kann aber ebenso wie die Lese- und Schreibfähigkeit oder das Gehör für Musik entwickelt werden. Es ist wichtig, nicht aufzugeben und sich einzureden, dass nichts funktioniert, sondern Erfahrungen zu sammeln, indem man zunächst einfache Modelle erstellt und dann allmählich zu komplexeren übergeht.
Wenn Sie in einem CAD-Programm drei Rechtecke zeichnen und sie gemäß den Zeichenregeln anordnen, kann das Anzeigemodul des dreidimensionalen Modells des Programms das diesen drei Projektionen entsprechende Parallelepiped erstellen und auf dem Bildschirm anzeigen. Ebenso können Sie durch Befolgen der Zeichenregeln ein Modell von fast jedem Teil erstellen.
Alle Programme für die 3D-Modellierung sind Vektor. Das heißt, sie beschreiben Objekte nicht als Ansammlung einzelner Punkte, sondern als eine Menge von Formeln und arbeiten nur mit ganzen Objekten. Wenn Sie nur die Hälfte eines Objekts ändern oder verschieben müssen, müssen Sie es ausschneiden (wenn es ein Werkzeug gibt, das dies ermöglicht) und die Hälften als neue Objekte fixieren. Um mit einem Vektoreditor zu arbeiten, ist es nicht notwendig, mathematische Formeln zu kennen, sie sind im Programm enthalten. Eine wichtige und nützliche Konsequenz dieses Ansatzes ist, dass jedes Objekt ohne Qualitätseinbußen verschoben, modifiziert und skaliert werden kann. Andererseits wird das Programm Sie nicht verstehen, wenn Sie versuchen, ein Rechteck zu zeichnen, indem Sie beispielsweise viele Punkte entlang seiner Ränder platzieren, die sich visuell berühren. Für das Programm werden es nur viele Punkte sein, kein Rechteck. Mit diesem Rechteck kann sie Ihrer Meinung nach keine Aktionen ausführen. Um ein Rechteck zu erstellen, müssen Sie ein geeignetes Werkzeug auswählen und es verwenden. Dann können Sie mit dem Programm beliebige Aktionen mit dem erstellten Objekt ausführen: es ändern, an einen bestimmten Punkt verschieben, strecken, biegen usw. Außerdem kann die meisten Software für die 3D-Modellierung nicht mit Grafiken im Rasterformat (bmp, jpg, png,
3D-Modellierung aus "Bricks"
Die überwiegende Mehrheit der technischen Details ist eine Kombination volumetrischer Primitive: Parallelepipede, Kugeln, Prismen und so weiter. Jedes Werkzeug für die 3D-Modellierung verfügt über eine Bibliothek volumetrischer Primitive und ist in der Lage, diese unter Berücksichtigung der vom Benutzer angegebenen Parameter zu reproduzieren. Um beispielsweise ein Modell eines Zylinders zu erstellen, genügt es, das entsprechende Werkzeug im Programm auszuwählen und Durchmesser und Höhe einzustellen. Außerdem sind alle Programme für dreidimensionales Design in der Lage, mindestens zwei mathematische Operationen mit dreidimensionalen Figuren durchzuführen: Addition und Subtraktion. Wenn Sie zum Beispiel zwei Zylinder aus Primitiven erstellt haben: einen mit einem Durchmesser von 5 cm und einer Höhe von 1 cm und den zweiten mit einem Durchmesser von 3 cm und einer Höhe von offensichtlich mehr als 1 cm, können Sie sie entlang der Mittelachse und subtrahiere den zweiten vom ersten (größeren) Zylinder … Das Ergebnis ist eine 1 cm dicke Unterlegscheibe mit einem Außendurchmesser von 5 cm und einem Innendurchmesser von 3 cm Wenn Sie beispielsweise einen separaten Satz separater Objekte haben: "Kopf ohne Ohren und Nase", "Nase", linkes Ohr“und „rechtes Ohr“, dann können Sie sie verbinden und hinzufügen, um ein neues Objekt „Kopf mit Ohren und Nase“zu erstellen. Wenn Sie über eine Bibliothek mit Ohren, Nasen und Köpfen in verschiedenen Formen verfügen, können Sie, indem Sie sie durchgehen, ein Modell des Kopfes Ihres Freundes (oder Ihres eigenen) erstellen. Durch Subtrahieren des "Mund"-Objekts vom resultierenden Kopf erhalten Sie dann einen Kopf mit einem Mund. Das Erstellen eines 3D-Modells aus "Bausteinen", Objekten, die in der Programmbibliothek vorhanden sind oder von außen in das Programm geladen werden, ist eine einfache und eine der beliebtesten Methoden.
Natürlich gibt es in keinem Programm „Bausteine“für alle Fälle. Viele Objekte können jedoch erstellt werden, indem andere Objekte im Raum verschoben oder modifiziert werden. Sie können beispielsweise denselben Zylinder selbst erstellen, indem Sie einen Kreis als Basis nehmen und ihn nach oben verschieben, wobei Sie jeden Schritt beibehalten, indem Sie die Positionen in einem Objekt hinzufügen. Wenn das Programm über ein solches Werkzeug verfügt, erledigt es alles von selbst, Sie müssen nur angeben: entlang welcher Flugbahn und wie weit Sie die Basis bewegen müssen. Aus der nach der oben beschriebenen Technologie erstellten Unterlegscheibe können Sie also ein neues Objekt erstellen - ein Rohr. Einschließlich - ein Rohr mit vielen Biegungen beliebiger Krümmung. Ein wichtiger Punkt: Dazu muss der Kreis zunächst dreidimensional sein. Lassen Sie - mit vernachlässigbarer Dicke, aber nicht gleich Null. Dazu muss das Programm über ein Werkzeug verfügen, um eine flache Figur ohne Dicke in eine dreidimensionale Figur mit vernachlässigbarer, aber bestimmter Dicke umzuwandeln.
3D-Modellierung aus Polygonen
Viele 3D-Modellierungsprogramme arbeiten mit speziellen Objekttypen, den sogenannten "Meshes". Ein Netz ist ein polygonales Netz oder eine Sammlung von Scheitelpunkten, Kanten und Flächen eines 3D-Objekts. Um ein aus Netzen zusammengesetztes Objekt zu verstehen, kann man sich beispielsweise einen aus Lego-Teilen erstellten Roboter anschauen. Jedes Stück ist ein separates Netz. Wenn die durchschnittliche Größe eines Lego-Teils 1 cm beträgt und Sie einen Roboter mit einer Höhe von 50 cm zusammenbauen, können Sie das Bild (z. B. einer Person) erkennen, das Sie darin gelegt haben. Der Realismus einer solchen Skulptur wird jedoch sehr mittelmäßig sein. Ein anderes Gespräch, wenn man aus Teilen mit einer durchschnittlichen Größe von 1 cm einen 50 Kilometer hohen Roboter baut. Geht man einen angemessenen Abstand, um die gesamte riesige Skulptur zu sehen, wird man die Winkligkeit der Oberfläche nicht bemerken und der Roboter kann wie eine lebende Person mit glatter Haut aussehen.
Das Netz kann beliebig klein sein, sodass Sie jede visuelle Glätte der Modelloberfläche erzielen können. Grundsätzlich ist das Konstruieren eines Objekts aus Meshes dasselbe wie Pixelkunst in einem 2D-Bild. Wir erinnern uns jedoch daran, dass die Menge von Punkten in Form eines Rechtecks kein "Rechteck"-Objekt ist. Das heißt, damit das aus den Maschen erzeugte Bild ein dreidimensionales Objekt wird, müssen seine Konturen mit Volumen gefüllt werden. Dafür gibt es Werkzeuge, die aber von Neulingen in der 3D-Modellierung oft vergessen werden. Genauso wie die Tatsache, dass eine Fläche (zum Beispiel eine Kugel) vollständig geschlossen sein muss, damit sie in eine volumetrische Figur umgewandelt wird. Es lohnt sich, einen Punkt (ein Netz) von der fertigen geschlossenen Oberfläche zu entfernen, und das Programm kann sie nicht in ein 3D-Objekt umwandeln.
Die Bewegung und das Aussehen des 3D-Modells
Stellen Sie sich vor, Sie erstellen ein Autoobjekt aus Netzen oder auf andere Weise. Wenn Sie im Programm zur dreidimensionalen Modellierung die Trajektorie und die Bewegungsgeschwindigkeit eines beliebigen Punktes innerhalb des Objekts durch die Formel festlegen und die Bedingung festlegen, dass sich alle anderen Punkte synchron bewegen, fährt das Auto. Wenn gleichzeitig die Räder des Autos als separate Objekte ausgewählt und ihren Mittelpunkten separate Bewegungs- und Rotationsbahnen zugewiesen werden, drehen sich die Räder des Autos auf dem Weg. Durch die Wahl der richtigen Entsprechung zwischen der Bewegung der Karosserie und der Räder können Sie den Realismus des endgültigen Cartoons erreichen. Ebenso können Sie ein "menschliches" Objekt bewegen, aber dies erfordert ein Verständnis der menschlichen Anatomie und Dynamik des Gehens oder Laufens. Und dann - alles ist einfach: Im Inneren des Objekts entsteht ein Skelett, und jedem seiner Teile werden eigene Bewegungsgesetze zugewiesen.
Ein in einem dreidimensionalen Modellierungsprogramm erstelltes Objekt kann in seinen Formen ein echtes Muster aus dem Leben oder der Fantasie des Schöpfers vollständig wiederholen, es kann sich realistisch bewegen, aber es fehlt ihm noch eine weitere Eigenschaft, um es vollständig zu erfüllen. Diese Eigenschaft ist die Textur. Die Farbe und Rauheit der Oberfläche bestimmen unsere Wahrnehmung, daher verfügen die meisten 3D-Editoren auch über Werkzeuge zum Erstellen von Texturen, einschließlich Bibliotheken vorgefertigter Oberflächen: von Holz und Metall bis hin zu der dynamischen Textur eines tosenden Meeres im Mondlicht. Allerdings erfordern nicht alle 3D-Modellierungsaufgaben eine solche Funktionalität. Wenn Sie ein Modell zum Drucken auf einem 3D-Drucker erstellen, wird die Textur seiner Oberfläche durch das zu druckende Material bestimmt. Wenn Sie einen Schrank in CAD für Möbelbauer entwerfen, dann ist es für Sie natürlich interessant, das Produkt in der Textur der ausgewählten Holzart zu "kleiden", aber viel wichtiger ist es, Festigkeitsberechnungen in das gleiche Programm.
Dateiformate in der 3D-Modellierung
Software zum Erstellen, Bearbeiten und Herstellen von 3D-Objekten wird auf dem Markt in Dutzenden von Anwendungen und Paketen angeboten. Viele Entwickler solcher Software verwenden ihre eigenen Dateiformate, um Simulationsergebnisse zu speichern. Dadurch können sie ihre Produkte besser nutzen und ihre Designs vor Missbrauch schützen. Es gibt über hundert 3D-Dateiformate. Einige von ihnen sind geschlossen, dh die Ersteller erlauben anderen Programmen nicht, ihre Dateiformate zu verwenden. Diese Situation erschwert die Interaktion von Personen, die sich mit der 3D-Modellierung befassen, erheblich. Ein in einem Programm erstelltes Layout oder Modell lässt sich oft nur sehr schwer oder gar nicht importieren und in ein anderes Programm konvertieren.
Es gibt jedoch offene 3D-Grafikdateiformate, die von fast allen Programmen für die Arbeit mit 3D verstanden werden:
. COLLADA ist ein universelles XML-basiertes Format, das speziell für den Austausch von Dateien zwischen Programmen verschiedener Entwickler entwickelt wurde. Dieses Format wird von beliebten Produkten wie Autodesk 3ds Max, SketchUp, Blender unterstützt (in einigen Fällen ist ein spezielles Plug-In erforderlich). Außerdem kann dieses Format die neuesten Versionen von Adobe Photoshop verstehen.
. OBJ - Entwickelt von Wavefront Technologies. Dieses Format ist Open Source und wird von vielen Entwicklern von 3D-Grafikeditoren übernommen. Die meisten 3D-Modellierungsprogramme können.obj-Dateien importieren und exportieren.
. STL ist ein Format zum Speichern von Dateien, die zum Drucken mit Stereolithographie bestimmt sind. Viele 3D-Drucker können heute direkt aus.stl drucken. Es wird auch von vielen Slicern unterstützt - Programmen zur Druckvorbereitung auf einem 3D-Drucker.
Online-3D-Editor tinkercad.com
Die Website tinkercad.com von Autodesk ist die beste Lösung für diejenigen, die mit der 3D-Modellierung von Grund auf beginnen. Komplett frei. Die leicht zu erlernende Website bietet mehrere Lektionen, mit denen Sie die Hauptfunktionen innerhalb einer Stunde verstehen und loslegen können. Die Benutzeroberfläche der Site wurde ins Russische übersetzt, die Lektionen sind jedoch nur auf Englisch verfügbar. Grundkenntnisse der englischen Sprache reichen jedoch aus, um den Unterricht zu verstehen. Darüber hinaus ist es nicht schwer, im Internet russischsprachige Anleitungen und Übersetzungen von Tinkercad-Lektionen zu finden.
Im Arbeitsbereich der Site ist eine große Anzahl von volumetrischen Primitiven verfügbar, einschließlich derer, die von anderen Benutzern erstellt wurden. Es gibt Werkzeuge zum Skalieren, Fangen an einem Koordinatenraster und an Schlüsselpunkten von Objekten. Jedes Objekt kann in ein Loch umgewandelt werden. Ausgewählte Objekte können kombiniert werden. Auf diese Weise wird das Addieren und Subtrahieren von Objekten implementiert. Der Transformationsverlauf ist verfügbar, auch für neu gespeicherte Objekte, was sehr praktisch ist, wenn Sie viele Schritte zurückgehen müssen.
Für diejenigen, denen die oben beschriebenen elementaren Funktionen nicht ausreichen, gibt es eine Funktionalität zum Schreiben von Skripten und dementsprechend zum Erstellen komplexer Skripte zur Transformation von Objekten.
Keine Werkzeuge zum Schneiden von Gegenständen. Es gibt keine Polygone in ihrer reinen Form (das polygonale Modell ist teilweise in krummlinigen Objektprimitiven implementiert). Keine Texturen. Mit Tinkercad können Sie jedoch ziemlich komplexe und künstlerische Objekte erstellen.
Unterstützt den Import und Export von Dateien in den Formaten STL, OBJ, SVG.
SketchUp
Semiprofessioneller 3D-Grafikeditor von Trimble Inc, der vor einigen Jahren von der Google Corporation übernommen wurde. Die Pro-Version kostet 695 US-Dollar. Es gibt eine kostenlose Online-Version mit eingeschränkter Funktionalität.
Vor ein paar Jahren gab es eine kostenlose Desktop-Version des Editors, aber heute ist nur die Online-Version ohne Geld erhältlich. Die Webversion verfügt über einfache Zeichenwerkzeuge, das Erstellen von Kurven und das Extrudieren-Werkzeug, mit dem Sie aus einem flachen Bild einen Volumenkörper erstellen können. Auch in der Webversion gibt es Ebenen und Texturen. Eine Bibliothek mit vom Benutzer erstellten Objekten und Texturen ist verfügbar.
Der Import ist für Dateien eines eigenen Formats (SketchUp-Projekt) möglich. Sie können auch eine.stl-Datei als Objekt in die Szene einfügen.
Links zu Google ermöglichen es SketchUp, sich in die Dienste des Internetgiganten zu integrieren. Dies ist nicht nur der Zugriff auf Cloud-Speicher, in dem Sie viele vorgefertigte Szenen und Objekte für Ihre Arbeit finden, sondern auch die Möglichkeit, Satelliten- und Luftbilder von Google Earth zu importieren, um realistische Szenen zu erstellen.
Im Allgemeinen sind die Fähigkeiten der kostenlosen Version von SketchUp merklich höher als die in tinkercad verfügbare Funktionalität, aber die SketchUp-Website wird oft langsamer, wenn Sie versuchen, ernsthafte Operationen durchzuführen, als ob sie andeuten, dass es besser ist, zur kostenpflichtigen Version zu wechseln des Produkts. Die kostenlose Version von SketchUp bietet ein Angebot, Geld zu zahlen, um seine Fähigkeiten fast bei jedem Schritt zu erweitern.
Da SketchUp Pro eine gute Funktionalität hat und weit verbreitet ist, zum Beispiel beim Design von Möbeln oder der Entwicklung von Innenarchitektur, können wir empfehlen, die kostenlose Webversion des Produkts für diejenigen zu beherrschen, die einen Schritt in Richtung ernsthaftes Modellieren machen möchten sind sich aber ihrer Stärken und Zweckmäßigkeit noch nicht sicher Übergang zu kostenpflichtigen Versionen.
Mixer
Blender ist ein legendäres Projekt, das neben Linux oder PostgreSQL zeigt, dass eine Gemeinschaft von Programmierern, die durch die Idee der freien Softwareverteilung vereint ist, fast alles kann.
Blender ist ein professioneller 3D-Grafikeditor mit nahezu unbegrenzten Möglichkeiten. Er erlangte die größte Popularität unter den Schöpfern von Animationen und realistischen 3D-Szenen. Als Beispiel für die Fähigkeiten dieses Produkts können wir die Tatsache anführen, dass alle Animationen für den Film "Spider-Man 2" darin erstellt wurden. Und - nicht nur für diesen Film.
Die vollständige Beherrschung der Fähigkeiten des Blender-Editors erfordert einen erheblichen Zeitaufwand und Verständnis für alle Aspekte der 3D-Grafik, einschließlich Beleuchtung, Bühnenbild und Bewegung. Es verfügt über alle bekannten und beliebten Werkzeuge für die volumetrische Modellierung, und für unmögliche oder noch nicht erfundene Werkzeuge gibt es die Programmiersprache Python, in der der Editor selbst geschrieben ist und in der Sie seine Fähigkeiten beliebig erweitern können.
Die Benutzergemeinschaft von Blender umfasst mehr als eine halbe Million Menschen und daher wird es nicht schwer sein, Leute zu finden, die bei der Beherrschung helfen.
Für einfache Projekte ist Blender übermäßig funktional und komplex, aber für diejenigen, die ernsthaft mit 3D-Modellen arbeiten, ist es eine gute Wahl.
