Как создавать 3D-модели

21 Июня 2021 г.
Время на чтение: 13 минут
1822
summary 

3D-модели окружают нас повсюду. Они являются основой любого физического объекта, который мы видим и используем в повседневной жизни. В этом руководстве мы расскажем о самых популярных методах 3D-моделирования: от построения модели с нуля до оцифровки физического объекта с помощью 3D-сканера.

СПОСОБЫ
Параметрическое моделирование, полигональное моделирование, цифровое скульптурирование, 3D-сканирование, фотограмметрия
ПРОГРАММЫ
Blender, Autodesk Maya, ZBrush, SOLIDWORKS, Artec Studio
МАРКЕТПЛЕЙСЫ
Sketchfab, Turbosquid, CGTrader, Quixe

Введение

Если вы никогда не задумывались о том, сколько 3D-моделей вас окружает, то теперь начнете видеть окружающий мир в совершенно новом свете. 3D-модели есть на телевидении, в фильмах и мультфильмах, рекламе, видеоиграх, социальных сетях, мобильных приложениях, приложениях виртуальной реальности и т. п. Но это далеко не только виртуальные объекты, которые можно увидеть на экране. Чашка, которую вы держите в руках, ручка на столе, ваш автомобиль и стул — это всё когда-то было 3D-моделями, как и многие другие современные объекты.

Но как эти модели были созданы?

В этой статье мы раскроем основы процесса 3D-моделирования и посмотрим на самые популярные способы создания 3D-моделей: от САПР (CAD) и полигонального моделирования до 3D-сканирования. Мы также пройдемся по самым распространенным программам для моделирования и поделимся советами, которые помогут вам понять, когда лучше создавать модели с нуля, а когда — использовать 3D-сканер.

Что ж, начнем с самого главного.

Что такое 3D-модель?

3D-модель механической детали в программе для моделирования

В компьютерной графике под 3D-моделью понимается цифровое представление поверхности или объекта, созданное в специализированной программе. Модель передает параметры физического тела с помощью набора точек в 3D-пространстве, объединенных в различные геометрические объекты: треугольники, линии, изогнутые поверхности и т. д. В некоторых случаях 3D-модель может передавать размер, форму и текстуру объекта. Процесс создания этого представления называется 3D-моделированием.

Где и как используются 3D-модели?

3D-модели являются неотъемлемой частью многих творческих профессий. Инженеры и дизайнеры используют 3D-модели в процессе проектирования для создания новых продуктов либо для изменения конструкции существующих объектов. Архитекторы строят 3D-модели для визуализации зданий, ландшафтов и интерьеров вместо или как дополнение к созданию традиционных архитектурных моделей.

Разработчики игр широко используют 3D-моделирование для создания 3D-объектов и персонажей для консольных, компьютерных и мобильных игр.

Австрийский актер Петер Симонишек осматривает отпечатанную на 3D-принтере предельно точную 3D-модель самого себя, созданную на основе 3D-скана

Киностудии применяют 3D-модели для создания спецэффектов, персонажей и различных объектов в анимационных и художественных фильмах.

В медицине 3D-модели нужны для визуализации анатомии человека, создания индивидуальных медицинских изделий (например, протезов, ортопедических приспособлений, зубных имплантов), для демонстрации ожидаемых результатов пластической операции и т. д.

Оцифровка костей ноги тираннозавра рекс с помощью 3D-сканера

В сферах науки и образования они также используются в самых разных целях: от сохранения исторических и археологических ценностей до визуализации химических соединений, геологических моделей и многих других объектов.

Два основных способа создания 3D-моделей

Хотя существует довольно много способов создания 3D-моделей, наиболее популярны два: построение модели в программе для 3D-моделирования и использование объекта из реального мира для создания его цифровой модели с помощью 3D-сканера. Взглянем на достоинства и недостатки обоих методов и узнаем, как определить наиболее подходящий для конкретных задач.

Способ № 1: 3D-моделирование

Промышленный дизайнер работает над прототипом нового продукта

Первый способ создать 3D-модель — это начать с нуля, используя специализированное программное обеспечение для 3D-моделирования. Этот способ широко используется специалистами в самых разных отраслях: инженерами, промышленными дизайнерами, архитекторами, художниками компьютерной графики и многими другими.

КЛЮЧЕВОЙ МОМЕНТ:

Если вам необходимо спроектировать что-то совершенно новое, что еще никогда не было создано, 3D-моделирование станет идеальным способом, который позволит дать волю воображению и воплотить в жизнь все идеи.

Этот метод примечателен тем, что позволяет создавать принципиально новое и уникальное: новый компонент автомобиля или фантастическое существо в видеоигре, или же что-то, что уже существует, но недоступно для сканирования.

Например, если вам нужна модель известного на весь мир здания, расположенного слишком далеко от вас, может быть намного проще и дешевле создать его 3D-модель с нуля, пользуясь справочными материалами (фотографиями, видео), а не ехать туда, где оно находится, и организовывать 3D-сканирование (когда речь идет об исторических зданиях, эта задача сама по себе может оказаться проблематичной). Или же, если вам необходимо создать что-то совершенно новое, что еще никогда не было разработано, 3D-моделирование станет отличным способом воплотить в жизнь все ваши идеи и замыслы.

Существуют разные технологии 3D-моделирования и разнообразные программы, в которых можно создать модель с нуля. Выбор во многом зависит от конкретного объекта, который необходимо создать, и его предполагаемого применения.

Параметрическое моделирование

Параметрическое 3D-моделирование, CAD-среда или система автоматизированного проектирования (САПР) является основным способом, которым пользуются инженеры и дизайнеры для создания реалистичных компьютерных моделей будущих деталей и сборных изделий. Практически каждый современный продукт, с которым мы ежедневно взаимодействуем, был создан с помощью 3D-моделирования в CAD-среде.

Построение 3D-модели в CAD-программе (САПР)

С помощью этого метода дизайнер создает 3D-модель объекта, который может иметь точно такие же параметры, как у имеющегося предмета: материал, вес, размер, оптические, физические параметры и т. д. Эти модели можно затем распечатать на 3D-принтере или изготовить на фрезерном станке, а также использовать в сложных симуляциях и тестах. Например, можно создать совокупность деталей и посмотреть, как они примыкают друг другу, проверить, как они реагируют на внешнее воздействие, проследить, как их будут обтекать жидкости, оценить способ их производства с помощью симуляций и многое другое.

Полигональное моделирование

Эта техника моделирования лежит в основе практически каждой видеоигры или научно-фантастического фильма. Полигональная модель состоит из полигонов — плоских двумерных форм, треугольников или четырехугольников, из которых моделер строит 3D-сетку. В отличие от моделирования в CAD-среде, или среде САПР, эта техника больше подходит для воплощения идей и концепций, нежели для измерений. Анимационные студии и разработчики видеоигр используют полигональное моделирование для создания самых разных объектов: от персонажей фильмов и игр до различных 3D-предметов, включая оружие, обмундирование, транспортные средства и даже целые виртуальные миры.

Модель автомобиля из полигональной сетки

Цифровое скульптурирование

Этот метод, который также используется 3D-художниками в играх и анимационных фильмах, лучше всего подходит для создания гиперреалистичных объектов с органическими, естественными формами. Он также используется для создания моделей-прототипов для дизайна, набросков и 3D-печати. Этот процесс очень похож на создание скульптур из таких привычных материалов, как глина или камень. Используя похожий на кисть инструмент, можно изменять полигональную сетку объекта, вытягивать ее, углублять, закручивать или добавлять дополнительные элементы, которые будут имитировать органическую структуру. Цифровое скульптурирование требует еще больше художественных навыков, чем полигональное моделирование, и является более трудоемким и долгим процессом. Именно поэтому во многих случаях эти методы используются вместе: сначала моделируется объект, а затем его отправляют 3D-скульптору для добавления деталей, после чего он приобретает окончательный вид.

Создание персонажа для телесериала в программе цифрового скульптурирования

Каким бы способом вы ни решили воспользоваться, очень важно правильно подобрать программу для моделирования, в которой будут все необходимые инструменты для создания 3D-модели.

Лучшие программы для 3D-моделирования базового уровня

Если вы только начинаете свой путь в этой сфере и хотите найти лучшую программу для 3D-моделирования, мы дадим несколько рекомендаций.

Прежде всего, попробуйте программу Blender. Она не только бесплатная, но еще и предлагает множество учебных материалов, доступ к сообществу пользователей и вообще идеально подходит для новичков. Эта программа для компьютерной 3D-графики с открытым исходным кодом может применяться для самых разных целей: создания спецэффектов, печати 3D-моделей, разработки интерактивных приложений и видеоигр.

Для профессиональных и более продвинутых пользователей больше подойдут программы с расширенным функционалом для каждого этапа постобработки данных. Обратите внимание на Autodesk Maya, которую чаще называют просто Maya. Благодаря удобному настраиваемому интерфейсу эта программа является популярным инструментом в индустрии видеоигр, а также в 3D-моделировании и 3D-анимации. Вы сможете бесплатно попробовать поработать в ней в течение месяца и только потом принимать решение о покупке.

3D-модель дракона в ZBrush

Как вариант, попробуйте еще 3ds Max, эта программа также предлагает один месяц бесплатного использования. Она отличается высокой скоростью и простотой работы и предназначена для создания персонажей, анимации и гиперреалистичного отображения отсканированных объектов.

Если вы ищете программное обеспечение для цифрового скульптурирования, попробуйте ZBrush. В этой программе можно обрабатывать модели, состоящие из очень большого числа полигонов, и она идеально дополняет программу Artec Studio. Похожими альтернативами являются 3D-Coat или Autodesk Mudbox.

Если вам требуется программа для моделирования в среде САПР, обратите внимание на SOLIDWORKS, которая является отраслевым стандартом в области проектирования различных изделий. Инженеры и дизайнеры используют SOLIDWORKS для моделирования деталей и компонентов в сборе. Она оснащена функцией симуляции и инструментами для построения чертежей и осуществления сборки. Также для работы в САПР можно рассмотреть AutoCAD, Fusion 360 или Rhinoceros.

Эти варианты также являются стандартными для многих студий, и если вы захотите создать 3D-модель, то, скорее всего, будете работать с одной из перечисленных программ.

Способ № 2: 3D-сканирование

3D-сканирование коленвала двигателя внутреннего сгорания с помощью 3D-сканера на базе технологии структурированной подсветки

Второй способ создать 3D-модель — это сканирование. В отличие от полигонального или CAD-моделирования, которое позволяет полностью построить модель с нуля, этот метод помогает получить точную цифровую копию имеющегося объекта, человека или панорамы с помощью 3D-сканера. Этот способ можно использовать отдельно, но чаще всего его применяют совместно с другими методами моделирования: например, сначала сканируют объект, а затем загружают данные в CAD-программу для дальнейшего изменения конструкции или проверки качества, или же в программу для полигонального моделирования или скульптурирования для дальнейшего преобразования.

КЛЮЧЕВОЙ МОМЕНТ:

В отличие от полигонального моделирования, которое позволяет создать модель с нуля, 3D-сканирование помогает получить точную цифровую копию имеющегося объекта, человека или панорамы. Этот способ можно использовать отдельно, но чаще всего его применяют совместно с другими методами моделирования.

Процесс 3D-сканирования зависит от технологии, на основе которой разработан сканер. Есть 3D-сканеры со структурированной подсветкой, лазерные сканеры на основе триангуляции, лазерные сканеры на базе технологии ToF и другие. Некоторые современные смартфоны и планшеты тоже можно использовать как сканеры благодаря встроенным или накладным датчикам, которые позволяют им видеть мир в 3D. Какая бы технология ни использовалась, итоговый результат работы 3D-сканеры всегда один — 3D-модель имеющегося объекта, которую можно использовать в самых разных целях: САПР, реверс-инжиниринга, контроля качества, сохранения культурного наследия, компьютерной графики и т. д.

Давайте взглянем на несколько примеров того, как 3D-сканирование можно использовать в сочетании с традиционным 3D-моделированием.

3D-сканирования для САПР

Одним из способов использования 3D-сканирования является получение точной геометрической информации об объекте, который необходимо проанализировать, подвергнуть реверс-инжинирингу или проверить на наличие дефектов или отклонений от оригинальной CAD-модели или чертежа. Оно особенно полезно в тех случаях, когда у вас нет доступа к изначальным 3D или 2D-CAD-файлам этого объекта. Вместо того, чтобы тратить долгие часы на создание модели с нуля, можно просто отсканировать предмет и увидеть его на экране компьютера уже через несколько минут. Это будет не только быстрее, но и точнее, чем использовать традиционные способы моделирования или контактные методы измерения, такие как КИМ.

Сканирование механической детали для реверс-инжиниринга с помощью поворотного столика и 3D-сканера

Кроме способности копировать объект в 3D, 3D-сканеры также позволяют нам создавать индивидуальные решения, которые невозможно получить традиционными способами моделирования. Например, врачи и медицинский персонал используют 3D-сканирование для разработки изделий для своих пациентов на основе индивидуальных особенностей тела. Это могут быть инвалидные кресла на базе скана позвоночника пациента, индивидуальные стельки или протез ноги, идеально прилегающий к телу.

3D-сканирование для полигонального моделирования и скульптурирования

3D-сканеры также оказываются оптимальным инструментом, когда необходимо добиться высокой степени фотореалистичности, которую не всегда можно получить с помощью полигонального моделирования или скульптурирования. Многие игровые студии, которые специализируются на спортивных играх, используют 3D-сканеры для оцифровки лиц известных атлетов, чтобы их 3D-персонажи выглядели максимально реалистично. Киностудии пользуются 3D-сканерами, когда необходимо получить такие гиперреалистичные 3D-объекты как оружие или транспортные средства, или же если нужно создать персонажа, похожего на настоящего актера. Вместо того, чтобы много часов тратить на отрисовку этих объектов с нуля, можно отсканировать имеющиеся объекты или людей, а затем загрузить модели для дальнейшего редактирования в одной из программ для 3D-дизайна.

Редактирование 3D-модели персонажа видеоигры, оцифрованного с помощью 3D-сканера

Фотограмметрия

В некоторых случаях в дополнение к 3D-сканированию и 3D-моделированию некоторые профессионалы применяют еще один способ моделирования — фотограмметрию. Этот метод очень близок к 3D-сканированию, поскольку позволяет создавать 3D-модель чего-то или кого-то путем получения множества фотографий объекта камерой (или несколькими камерами) и объединения снимков между собой.

Пример фотограмметрического решения с несколькими десятками камер для 3D-сканирования человека в полный рост

Однако если сравнивать этот процесс с 3D-сканированием, то он является более долгим: приходится делать сотни снимков объекта со всех ракурсов. Кроме того, фотограмметрия не строит модель в режиме реального времени, как это делают 3D-сканеры, поэтому невозможно проверить, все ли участки поверхности отсняты, и не нужно ли внести изменения.

Основным преимуществом фотограмметрии является возможность передать объект с максимально возможным качеством текстуры — лучше, чем может большинство 3D-сканеров. Однако недостатком является то, что этот способ не настолько точный. Чтобы получить максимально высокое качество текстуры и геометрии, рекомендуется использовать сразу два типа оборудования: 3D-сканеры и фотограмметрию.

Маркетплейсы для хранения и продажи 3D-моделей

Как только ваша 3D-модель будет готова, ее можно будет использовать и распространять множеством способов. Если вы создаете модель для собственного пользования, вы можете хранить ее на своем компьютере или загрузить на файлообменник, например, Dropbox. Однако если вы хотите поделиться моделью с человеком, у которого может не быть совместимой 3D-программы для просмотра, то загрузите ее на веб-сайт, где можно не только хранить результаты своего труда, но и позволять другим людям просматривать и скачивать их.

Существует много веб-сайтов для хранения и продажи 3D-моделей. Некоторые из них, такие как Sketchfab или Kraken компании Turbosquid, позволяют создавать собственные коллекции моделей как для частного, так и для публичного просмотра. Например, в Sketchfab можно не только загрузить модель в ее изначальном виде, но еще и настроить освещение и другие параметры, а также получить код для встраивания, который можно загрузить на веб-сайт, как YouTube-видео или твит.

Некоторые из этих платформ, включая Sketchfab, Turbosquid, CGTrader и Quixel, позволяют не только хранить 3D-модели, но и продавать их людям, которые могут быть заинтересованы в них. Такие игровые движки, как Unity и Unreal Engine, имеют собственные маркетплейсы для 3D-моделей, где разработчики игр могут покупать 3D-объекты для своих игр.

Разработчики самых популярных программ для 3D-моделирования и дизайна (например, Autodesk) имеют собственные сайты для 3D-просмотра, на которые также можно загружать 3D-модели прямо из программы. Точно такими же функциями обладает программа для 3D-сканирования Artec Studio, которая позволяет сохранять готовые 3D-модели на собственном сайте для их просмотра под названием ViewShape

Заключение

Как видите, существует множество способов создания 3D-моделей. В тех случаях, когда необходимо создать что-то абсолютно новое, удобнее сделать это в программе для 3D-моделирования. Однако если нужно получить модель на основе имеющегося объекта, то лучше выбрать 3D-сканирование. Это позволит не только сэкономить время и силы, но еще и получить точные результаты, которых, вероятнее всего, не удалось бы добиться привычными инструментами для моделирования.

Содержание
Written by: 

Светлана Голубева

Техножурналист

Была ли эта статья полезной?