L'espressione "3D" è un'abbreviazione per l'inglese "3 dimension", ovvero "3 dimensioni". I simboli "3D" (nella letteratura russa viene spesso utilizzata anche l'abbreviazione "3d") indicano che un oggetto o una tecnologia differisce dagli altri in quanto ha più di due dimensioni.
A cosa servono i modelli 3D?
Tutti gli oggetti nel mondo reale hanno tre dimensioni. Allo stesso tempo, nella stragrande maggioranza dei casi, per rappresentare oggetti tridimensionali, utilizziamo superfici bidimensionali: un foglio di carta, una tela, lo schermo di un computer. Lo scultore crea figure tridimensionali, ma prima di iniziare a scolpire una scultura dal granito, crea schizzi in cui il lavoro futuro è raffigurato in più viste - da tutti i lati. Allo stesso modo, un architetto o un designer lavora visualizzando viste piatte di prodotti o edifici progettati su un foglio Whatman o sullo schermo di un computer.
Il tema del "disegno" nell'ambito dell'istruzione obbligatoria mira a insegnare la modellazione tridimensionale - la descrizione esatta di oggetti che hanno volume, su una superficie piana e bidimensionale di un foglio di carta. Inoltre, ai bambini viene insegnata la modellazione tridimensionale nelle classi di modellazione della plastilina nella scuola materna e nella scuola elementare. Tanta attenzione alla modellazione 3D nel processo educativo non è casuale. In qualsiasi attività per creare oggetti reali, devi avere una buona idea di come apparirà questo oggetto da tutti i lati. Un sarto e uno stilista di vestiti devono sapere come un abito o un vestito si adatterà a una persona con una certa figura. Il parrucchiere crea un taglio di capelli e un'acconciatura che avrà volume e aspetto diverso da diverse angolazioni. Il gioielliere modella i suoi gioielli. Il dentista non deve solo creare un bel dente artificiale, ma anche tener conto della sua posizione rispetto al resto dei denti del paziente. Il falegname deve essere in grado di incastrare in modo molto preciso le giunzioni delle parti tridimensionali. Vorrebbe anche vedere visivamente come i mobili che progetta saranno comodi da usare e come si adatteranno agli interni.
Per molto tempo, rappresentanti di varie professioni hanno utilizzato disegni, costituiti da molti tipi, per la modellazione tridimensionale. Con la proliferazione dei personal computer, è stato possibile affidare parte del compito di creare modelli tridimensionali al software. I sistemi di automazione della progettazione (CAD) sono stati i primi a includere la funzionalità di visualizzazione dinamica degli oggetti tridimensionali creati sul piano dello schermo. La parola "dinamico", in questo caso, indica la capacità di ruotare l'immagine di un oggetto tridimensionale sullo schermo e vederlo da tutti i lati. Tuttavia, la dinamica di un modello 3D può anche significare la capacità del modello di cambiare forma e muoversi. I creatori di cartoni animati e giochi per computer hanno bisogno di tale funzionalità.
Nella seconda metà del ventesimo secolo, anche nell'era pre-informatica, sono apparse le tecnologie di trattamento delle superfici tridimensionali. Poco dopo la fine della seconda guerra mondiale, l'US Air Force finanziò il lavoro di Parsons Inc per creare macchine in grado di fresare parti complesse secondo un determinato algoritmo. Questi lavori hanno portato alla creazione di un'intera classe di macchine utensili a controllo numerico computerizzato (CNC). La progettazione di algoritmi di lavoro per macchine CNC è un altro compito nel campo della modellazione 3D.
Nel 1986, l'ingegnere americano Charles W. Hall ha creato una stampante che stampava oggetti tridimensionali usando la stereolitografia. Successivamente sono apparse le stampanti 3D, che stampavano prodotti tridimensionali da un'ampia varietà di materiali, comprese le stampanti per la stampa di organi umani o, ad esempio, stampanti che stampano decorazioni di pasticceria e piatti pronti. Oggi è possibile acquistare una stampante 3D semplice, ma abbastanza funzionale, al prezzo di uno smartphone, e stamparci sopra oggetti volumetrici per la casa, o dettagli di modelli e dispositivi vari. Tutte le stampanti 3D per la stampa ricevono un modello tridimensionale come input in un formato specifico.
Principi di base della modellazione 3D
Un prerequisito per la modellazione 3D è la presenza dell'immaginazione spaziale. È importante essere in grado di immaginare il risultato futuro del lavoro, ruotarlo mentalmente ed esaminarlo da tutte le parti, nonché capire in quali elementi è costituito il modello, quali opportunità offre e quali restrizioni impone. Per natura, l'immaginazione spaziale di ognuno è sviluppata a vari livelli, tuttavia, proprio come l'alfabetizzazione o l'orecchio per la musica, può essere sviluppata. È importante non arrendersi, dicendosi che nulla sta funzionando, ma fare esperienza realizzando dapprima modelli semplici, passando gradualmente a quelli più complessi.
Se in qualsiasi programma CAD si disegnano tre rettangoli e li si dispone secondo le regole di disegno, il modulo di visualizzazione del modello tridimensionale del programma sarà in grado di creare e visualizzare sullo schermo il parallelepipedo corrispondente a queste tre proiezioni. Allo stesso modo, seguendo le regole del disegno, puoi creare un modello di quasi tutte le parti.
Tutti i programmi per la modellazione 3d sono vettoriali. Ciò significa che descrivono gli oggetti non come un insieme di punti separati, ma come un insieme di formule e funzionano solo con oggetti interi. Se devi modificare o spostare solo metà di un oggetto, dovrai tagliarlo (se esiste uno strumento che ti consente di farlo) e fissare le metà come nuovi oggetti. Per lavorare con un editor vettoriale, non è affatto necessario conoscere le formule matematiche, sono incluse nel programma. Una conseguenza importante e utile di questo approccio è che qualsiasi oggetto può essere spostato, modificato e ridimensionato senza comprometterne la qualità. D'altra parte, il programma non ti capirà se provi a disegnare un rettangolo, ad esempio, posizionando molti punti lungo i suoi bordi che si toccano visivamente. Per il programma, saranno solo molti punti, non un rettangolo. Non sarà in grado di eseguire alcuna azione con questo, secondo te, rettangolo. Per creare un rettangolo, devi scegliere uno strumento adatto e usarlo. Quindi il programma ti consentirà di eseguire qualsiasi azione con l'oggetto creato: modificarlo, spostarlo in un determinato punto, allungare, piegare e così via. Inoltre, la maggior parte dei software per la modellazione 3D non sarà in grado di lavorare con la grafica in formato raster (bmp, jpg, png, gif, ecc.) ottenuta, ad esempio, da Photoshop.
Modellazione 3D da "mattoni"
La stragrande maggioranza dei dettagli tecnici è una combinazione di primitive volumetriche: parallelepipedi, sfere, prismi e così via. Qualsiasi strumento per la modellazione 3D dispone di una libreria di primitive volumetriche ed è in grado di riprodurle, tenendo conto dei parametri specificati dall'utente. Per creare, ad esempio, un modello di un cilindro, è sufficiente selezionare l'utensile appropriato nel programma e impostare il diametro e l'altezza. Inoltre, tutti i programmi per la progettazione tridimensionale sono in grado di eseguire almeno due operazioni matematiche con figure tridimensionali: addizione e sottrazione. Quindi, ad esempio, avendo ricavato due cilindri dalle primitive: uno con diametro di 5 cm e altezza di 1 cm, e il secondo con diametro di 3 cm e altezza ovviamente maggiore di 1 cm, puoi unirli lungo il asse centrale e sottrarre il secondo dal primo cilindro (più grande) … Il risultato è una rondella spessa 1 cm con un diametro esterno di 5 cm e un diametro interno di 3 cm Se hai, ad esempio, un insieme separato di oggetti separati: "testa senza orecchie e naso", "naso", " orecchio sinistro" e "orecchio destro", quindi puoi collegarli e aggiungerli per creare un nuovo oggetto "testa con orecchie e naso". Se hai una libreria di orecchie, nasi e teste di forme diverse, puoi, scorrendoli, creare un modello della testa del tuo amico (o della tua). Quindi, sottraendo l'oggetto "bocca" dalla testa risultante, puoi ottenere una testa con una bocca. Creare un modello 3D da "mattoni", oggetti disponibili nella libreria del programma o caricati nel programma dall'esterno, è un modo semplice e uno dei più popolari.
Naturalmente, non ci sono "mattoni" per tutti i casi in nessun programma. Tuttavia, molti oggetti possono essere creati spostando altri oggetti nello spazio o modificandoli. Ad esempio, puoi creare tu stesso lo stesso cilindro prendendo un cerchio come base e spostandolo verso l'alto, mantenendo ogni passaggio aggiungendo le posizioni in un oggetto. Se il programma ha uno strumento del genere, farà tutto da solo, devi solo specificare: lungo quale traiettoria e quanto lontano devi spostare la base. Quindi dalla rondella creata secondo la tecnologia sopra descritta, puoi creare un nuovo oggetto: una pipa. Compreso: un tubo con molte curve di qualsiasi curvatura. Un punto importante: per questo, il cerchio deve essere inizialmente tridimensionale. Let - con spessore trascurabile, ma non uguale a zero. Per fare ciò, il programma deve disporre di uno strumento per convertire una figura piana con spessore zero in una tridimensionale con spessore trascurabile, ma specifico.
Modellazione 3D da poligoni
Molti programmi di modellazione 3D funzionano con tipi speciali di oggetti chiamati "mesh". Una mesh è una mesh poligonale o un insieme di vertici, bordi e facce di un oggetto 3D. Per capire un oggetto composto da mesh, puoi guardare, ad esempio, un robot creato da parti di Lego. Ogni pezzo è una maglia separata. Se la dimensione media di una parte Lego è di 1 cm e monti un robot alto 50 cm, sarà possibile riconoscere l'immagine (di una persona, ad esempio) che ci hai posato. Tuttavia, il realismo di una tale scultura sarà molto mediocre. Un'altra conversazione, se crei un robot alto 50 chilometri da parti con una dimensione media di 1 cm. Se vai a una distanza decente per vedere l'intera scultura gigante, non noterai l'angolosità della superficie e il robot può sembrare una persona vivente con la pelle liscia.
La mesh può essere piccola quanto vuoi, il che significa che puoi ottenere qualsiasi levigatezza visiva della superficie del modello. Fondamentalmente, la costruzione di un oggetto dalle mesh è la stessa della pixel art in un'immagine 2D. Tuttavia, ricordiamo che l'insieme di punti a forma di rettangolo non è un oggetto "rettangolo". Ciò significa che affinché l'immagine creata dalle maglie diventi un oggetto tridimensionale, i suoi contorni devono essere riempiti di volume. Ci sono strumenti per questo, ma sono spesso dimenticati dai nuovi arrivati alla modellazione 3D. Così come il fatto che una superficie (una sfera, per esempio) si trasformi in una figura volumetrica, deve essere completamente chiusa. Vale la pena rimuovere un punto (una mesh) dalla superficie chiusa finita e il programma non sarà in grado di trasformarlo in un oggetto 3D.
Il movimento e l'aspetto del modello 3D
Immagina di creare un oggetto auto dalle maglie o in qualsiasi altro modo. Se nel programma per la modellazione tridimensionale imposti la traiettoria e la velocità di movimento di qualsiasi punto all'interno dell'oggetto mediante la formula, impostando la condizione che tutti gli altri punti si muovano in modo sincrono, l'auto guiderà. Se, allo stesso tempo, le ruote dell'auto vengono selezionate come oggetti separati e vengono assegnate traiettorie separate di movimento e rotazione ai loro centri, le ruote dell'auto gireranno lungo la strada. Scegliendo la corretta corrispondenza tra il movimento della carrozzeria e le sue ruote, puoi ottenere il realismo del cartone finale. Allo stesso modo, puoi far muovere un oggetto "umano", ma ciò richiede una comprensione dell'anatomia umana e delle dinamiche del camminare o della corsa. E poi - tutto è semplice: uno scheletro viene creato all'interno dell'oggetto e a ciascuna delle sue parti vengono assegnate le proprie leggi di movimento.
Un oggetto creato in un programma di modellazione tridimensionale può nelle sue forme ripetere completamente un campione reale della vita o della fantasia del creatore, può muoversi realisticamente, ma mancherà comunque di una caratteristica in più per abbinarlo pienamente. Questa caratteristica è la consistenza. Il colore e la ruvidità della superficie determinano la nostra percezione, quindi la maggior parte degli editor 3D dispone anche di strumenti per creare trame, comprese librerie di superfici già pronte: dal legno e dal metallo alla trama dinamica di un mare in tempesta al chiaro di luna. Tuttavia, non tutte le attività di modellazione 3D richiedono tale funzionalità. Se stai creando un modello per la stampa su una stampante 3D, la trama della sua superficie sarà determinata dal materiale da stampare. Se stai progettando un armadio in CAD per produttori di mobili, allora, ovviamente, sarà interessante per te "vestire" il prodotto con la trama delle specie di legno selezionate, ma sarà molto più importante fare calcoli di resistenza in lo stesso programma.
Formati di file nella modellazione 3D
Il software per creare, modificare e produrre oggetti 3D è presentato sul mercato da decine di applicazioni e pacchetti. Molti sviluppatori di tale software utilizzano i propri formati di file per salvare i risultati della simulazione. Ciò consente loro di sfruttare meglio i loro prodotti e protegge i loro progetti da un uso improprio. Esistono oltre un centinaio di formati di file 3D. Alcuni di essi sono chiusi, ovvero i creatori non consentono ad altri programmi di utilizzare i loro formati di file. Questa situazione complica notevolmente l'interazione delle persone impegnate nella modellazione 3D. Un layout o un modello creato in un programma è spesso molto difficile o impossibile da importare e convertire in un altro programma.
Esistono, tuttavia, formati di file grafici 3D aperti che sono compresi da quasi tutti i programmi per lavorare con il 3D:
. COLLADA è un formato universale basato su XML progettato specificamente per lo scambio di file tra programmi di diversi sviluppatori. Questo formato è supportato (in alcuni casi è necessario un plug-in speciale) da prodotti popolari come Autodesk 3ds Max, SketchUp, Blender. Inoltre, questo formato può comprendere le ultime versioni di Adobe Photoshop.
. OBJ - Sviluppato da Wavefront Technologies. Questo formato è open source e adottato da molti sviluppatori di editor di grafica 3D. La maggior parte dei software di modellazione 3D ha la capacità di importare ed esportare file.obj.
. STL è un formato progettato per l'archiviazione di file destinati alla stampa mediante stereolitografia. Molte stampanti 3D oggi possono stampare direttamente da.stl. È anche supportato da molte affettatrici - programmi per preparare la stampa su una stampante 3D.
Editor 3D online tinkercad.com
Il sito tinkercad.com, di proprietà di Autodesk, è la soluzione migliore per chi inizia a fare modellazione 3D da zero. Completamente gratis. Facile da imparare, il sito ha diverse lezioni che ti permettono di comprendere le funzionalità principali entro un'ora e iniziare. L'interfaccia del sito è stata tradotta in russo, ma le lezioni sono disponibili solo in inglese. Tuttavia, la conoscenza di base dell'inglese è sufficiente per comprendere le lezioni. Inoltre, non è difficile trovare guide in lingua russa e traduzioni di lezioni di tinkercad su Internet.
Nell'area di lavoro del sito sono disponibili un gran numero di primitive volumetriche, comprese quelle create da altri utenti. Ci sono strumenti per ridimensionare, agganciare a una griglia di coordinate e ai punti chiave degli oggetti. Qualsiasi oggetto può essere convertito in un buco. Gli oggetti selezionati possono essere combinati. Ecco come viene implementata l'aggiunta e la sottrazione di oggetti. È disponibile la cronologia delle trasformazioni, anche per gli oggetti appena salvati, molto comoda quando è necessario tornare indietro di molti passaggi.
Per coloro per i quali le funzioni elementari sopra descritte non sono sufficienti, esiste una funzionalità per scrivere script e, di conseguenza, creare script complessi per trasformare oggetti.
Nessuno strumento per tagliare oggetti. Non ci sono poligoni nella loro forma pura (il modello poligonale è implementato, in una certa misura, nelle primitive di oggetti curvilinei). Nessuna trama. Tuttavia, tinkercad ti consente di creare oggetti abbastanza complessi e artistici.
Supporta l'importazione e l'esportazione di file nei formati STL, OBJ, SVG.
SketchUp
Editor di grafica 3D semi-professionale di Trimble Inc, acquisito diversi anni fa da Google Corporation. La versione Pro costa $ 695. Esiste una versione online gratuita con funzionalità limitate.
Un paio di anni fa esisteva una versione desktop gratuita dell'editor, ma oggi è disponibile solo la versione online senza soldi. La versione web ha semplici strumenti di disegno, creazione di curve e lo strumento Estrusione, che consente di creare un solido da un'immagine piatta. Anche nella versione web sono presenti strati e texture. È disponibile una libreria di oggetti e trame creati dall'utente.
L'importazione è possibile per i file del proprio formato (progetto SketchUp) È anche possibile inserire un file.stl nella scena come oggetto.
I collegamenti con Google consentono a SketchUp di integrarsi con i servizi del gigante di Internet. Questo non è solo l'accesso al cloud storage, dove puoi trovare molte scene e oggetti già pronti da utilizzare nel tuo lavoro, ma anche la possibilità di importare immagini satellitari e aeree da Google Earth per creare scene realistiche.
In generale, le capacità della versione gratuita di SketchUp sono notevolmente superiori alle funzionalità disponibili in tinkercad, ma il sito Web di SketchUp spesso rallenta quando si tenta di eseguire alcune operazioni serie, come se suggerisse che è meglio passare alla versione a pagamento del prodotto. La versione gratuita di SketchUp presenta un'offerta di pagamento per espandere le sue capacità in quasi ogni fase del processo.
Considerando che SketchUp Pro ha una buona funzionalità ed è ampiamente utilizzato, ad esempio, nella progettazione di mobili o nello sviluppo di design d'interni, possiamo consigliare di padroneggiare la versione web gratuita del prodotto per coloro che vogliono fare un passo verso la modellazione seria, ma non sono ancora sicuro dei loro punti di forza e convenienza. Passare alle versioni a pagamento.
Miscelatore
Blender è un progetto leggendario che mostra, insieme a Linux o PostgreSQL, che una comunità di programmatori uniti dall'idea della distribuzione di software libero può fare quasi tutto.
Blender è un editor di grafica 3D professionale con possibilità quasi illimitate. Ha guadagnato la più grande popolarità tra i creatori di animazione e scene 3D realistiche. Come esempio delle capacità di questo prodotto, possiamo citare il fatto che tutte le animazioni per il film "Spider-Man 2" sono state create al suo interno. E - non solo per questo film.
La piena padronanza delle capacità dell'editor di Blender richiede un notevole investimento di tempo e la comprensione di tutti gli aspetti della grafica 3D, inclusi illuminazione, scenografia e movimento. Ha tutti gli strumenti noti e popolari per la modellazione volumetrica e per strumenti impossibili o non ancora inventati c'è il linguaggio di programmazione Python, in cui è scritto l'editor stesso e in cui puoi espandere le sue capacità quanto osi.
La comunità di utenti di Blender conta più di mezzo milione di persone e quindi non sarà difficile trovare persone che aiutino a padroneggiarlo.
Per progetti semplici, Blender è eccessivamente funzionale e complesso, ma per coloro che faranno seriamente la modellazione 3D, è un'ottima scelta.
