modelagem 3d -3D modeling

Em computação gráfica 3D , a modelagem 3D é o processo de desenvolver uma representação matemática baseada em coordenadas de qualquer superfície de um objeto (inanimado ou vivo) em três dimensões por meio de software especializado , manipulando bordas, vértices e polígonos em um espaço 3D simulado.

Modelos tridimensionais (3D) representam um corpo físico usando uma coleção de pontos no espaço 3D, conectados por várias entidades geométricas, como triângulos, linhas, superfícies curvas, etc. Sendo uma coleção de dados ( pontos e outras informações), os modelos 3D pode ser criado manualmente, algoritmicamente ( modelagem procedural ) ou por varredura . Suas superfícies podem ser definidas com mapeamento de textura .

Contorno

O produto é chamado de modelo 3D . Alguém que trabalha com modelos 3D pode ser chamado de artista 3D ou modelador 3D .

Um modelo 3D também pode ser exibido como uma imagem bidimensional por meio de um processo chamado renderização 3D ou usado em uma simulação computacional de fenômenos físicos.

Modelos 3D podem ser criados automaticamente ou manualmente. O processo de modelagem manual de preparação de dados geométricos para computação gráfica 3D é semelhante às artes plásticas , como a escultura . O modelo 3D pode ser criado fisicamente usando dispositivos de impressão 3D que formam camadas 2D do modelo com material tridimensional, uma camada de cada vez. Sem um modelo 3D, uma impressão 3D não é possível.

O software de modelagem 3D é uma classe de software de computação gráfica 3D usada para produzir modelos 3D. Programas individuais desta classe, como SketchUp , são chamados de aplicativos de modelagem.

História

Modelo tridimensional de um espectrógrafo

Modelo giratório de videogame 3D

Modelos de selfie 3D são gerados a partir de fotos 2D tiradas na cabine de fotos 3D Fantasitron em Madurodam

Os modelos 3D são agora amplamente usados em qualquer lugar em gráficos 3D e CAD , mas sua história é anterior ao uso generalizado de gráficos 3D em computadores pessoais .

No passado, muitos jogos de computador usavam imagens pré-renderizadas de modelos 3D como sprites antes que os computadores pudessem renderizá-los em tempo real. O designer pode então ver o modelo em várias direções e vistas, o que pode ajudar o designer a ver se o objeto foi criado como pretendido em comparação com sua visão original. Ver o design dessa maneira pode ajudar o designer ou a empresa a descobrir as mudanças ou melhorias necessárias para o produto.

Representação

Uma renderização moderna do icônico modelo de bule de Utah desenvolvido por Martin Newell (1975). O bule Utah é um dos modelos mais comuns usados no ensino de gráficos 3D.

Quase todos os modelos 3D podem ser divididos em duas categorias:

Sólido – Esses modelos definem o volume do objeto que representam (como uma rocha). Os modelos sólidos são usados principalmente para simulações de engenharia e médicas, e geralmente são construídos com geometria sólida construtiva
Casca ou limite – Esses modelos representam a superfície, ou seja, o limite do objeto, não seu volume (como uma casca de ovo infinitesimalmente fina). Quase todos os modelos visuais usados em jogos e filmes são modelos de conchas.

A modelagem de sólidos e cascas pode criar objetos funcionalmente idênticos. As diferenças entre eles são principalmente variações na forma como são criados e editados e convenções de uso em vários campos e diferenças nos tipos de aproximações entre o modelo e a realidade.

Modelos de casca devem ser múltiplos (sem buracos ou rachaduras na casca) para serem significativos como um objeto real. Em um modelo de casca de cubo, a superfície inferior e superior do cubo deve ter uma espessura uniforme, sem furos ou rachaduras na primeira e na última camada impressa. Malhas poligonais (e, em menor grau, superfícies de subdivisão ) são de longe a representação mais comum. Os conjuntos de níveis são uma representação útil para superfícies deformadas que sofrem muitas mudanças topológicas, como fluidos .

O processo de transformar representações de objetos, como a coordenada do ponto médio de uma esfera e um ponto em sua circunferência em uma representação poligonal de uma esfera, é chamado de tesselação . Essa etapa é usada na renderização baseada em polígonos, onde os objetos são divididos de representações abstratas (" primitivas "), como esferas, cones etc., até as chamadas malhas , que são redes de triângulos interconectados. Malhas de triângulos (em vez de, por exemplo , quadrados ) são populares porque provaram ser fáceis de rasterizar (a superfície descrita por cada triângulo é plana, então a projeção é sempre convexa); . As representações de polígonos não são usadas em todas as técnicas de renderização e, nesses casos, a etapa de tesselação não é incluída na transição da representação abstrata para a cena renderizada.

Processo

Existem três maneiras populares de representar um modelo:

Modelagem poligonal – Pontos no espaço 3D, chamados vértices , são conectados por segmentos de linha para formar uma malha poligonal . A grande maioria dos modelos 3D hoje são construídos como modelos poligonais texturizados, porque são flexíveis, porque os computadores podem renderizá-los tão rapidamente. No entanto, os polígonos são planares e só podem aproximar superfícies curvas usando muitos polígonos.
Modelagem de curvas – As superfícies são definidas por curvas, que são influenciadas por pontos de controle ponderados. A curva segue (mas não necessariamente interpola) os pontos. Aumentar o peso de um ponto puxará a curva para mais perto desse ponto. Os tipos de curva incluem B-spline racional não uniforme (NURBS), splines, patches e primitivas geométricas
Escultura digital – Ainda um método relativamente novo de modelagem, a escultura 3D tornou-se muito popular nos poucos anos em que existe. Existem atualmente três tipos de escultura digital: Deslocamento , que é o mais utilizado entre as aplicações neste momento, usa um modelo denso (geralmente gerado por superfícies de subdivisão de uma malha de controle de polígono) e armazena novas localizações para as posições dos vértices através do uso de um mapa de imagem que armazena os locais ajustados. Volumétrico , vagamente baseado em voxels , tem capacidades semelhantes ao deslocamento, mas não sofre de alongamento de polígonos quando não há polígonos suficientes em uma região para obter uma deformação. A tesselação dinâmica , que é semelhante ao voxel, divide a superfície usando triangulação para manter uma superfície lisa e permitir detalhes mais finos. Esses métodos permitem uma exploração muito artística, pois o modelo terá uma nova topologia criada sobre ele assim que os modelos se formarem e possivelmente os detalhes forem esculpidos. A nova malha geralmente terá as informações originais da malha de alta resolução transferidas para dados de deslocamento ou dados de mapas normais se for um mecanismo de jogo.

Um peixe de fantasia 3D composto por superfícies orgânicas geradas usando LAI4D.

O estágio de modelagem consiste em moldar objetos individuais que são usados posteriormente na cena. Existem várias técnicas de modelagem, incluindo:

A modelagem pode ser realizada por meio de um programa dedicado (por exemplo, Cinema 4D , Maya , 3ds Max , Blender , LightWave , Modo ) ou um componente de aplicativo (Shaper, Lofter no 3ds Max) ou alguma linguagem de descrição de cena (como no POV-Ray ). Em alguns casos, não há distinção estrita entre essas fases; nesses casos, a modelagem é apenas parte do processo de criação da cena (é o caso, por exemplo, de Caligari trueSpace e Realsoft 3D ).

Modelos 3D também podem ser criados usando a técnica de Fotogrametria com programas dedicados como RealityCapture , Metashape , 3DF Zephyr e Meshroom. A limpeza e o processamento adicional podem ser realizados com aplicativos como MeshLab , GigaMesh Software Framework , netfabb ou MeshMixer. A fotogrametria cria modelos usando algoritmos para interpretar a forma e a textura de objetos e ambientes do mundo real com base em fotografias tiradas de vários ângulos do assunto.

Materiais complexos como areia soprada, nuvens e sprays líquidos são modelados com sistemas de partículas e são uma massa de coordenadas 3D que possuem pontos , polígonos , splats de textura ou sprites atribuídos a eles.

Modelos humanos

A primeira aplicação comercial amplamente disponível de modelos virtuais humanos apareceu em 1998 no site da Lands' End . Os modelos virtuais humanos foram criados pela empresa My Virtual Mode Inc. e permitiram que os usuários criassem um modelo de si mesmos e experimentassem roupas 3D. Existem vários programas modernos que permitem a criação de modelos humanos virtuais ( Poser sendo um exemplo).

roupas 3D

Modelo de roupa 3D dinâmico feito no Marvelous Designer

O desenvolvimento de softwares de simulação de tecidos , como Marvelous Designer, CLO3D e Optitex, permitiu que artistas e designers de moda modelassem roupas 3D dinâmicas no computador. As roupas 3D dinâmicas são usadas para catálogos virtuais de moda, bem como para vestir personagens 3D para videogames, filmes de animação 3D, para dublês digitais em filmes e para fazer roupas para avatares em mundos virtuais como o SecondLife .

Comparação com métodos 2D

Efeitos fotorrealistas 3D são frequentemente obtidos sem modelagem de estrutura de arame e às vezes são indistinguíveis na forma final. Alguns softwares de arte gráfica incluem filtros que podem ser aplicados a gráficos vetoriais 2D ou gráficos raster 2D em camadas transparentes.

As vantagens da modelagem 3D de wireframe sobre métodos exclusivamente 2D incluem:

Flexibilidade, capacidade de alterar ângulos ou animar imagens com renderização mais rápida das alterações;
Facilidade de renderização, cálculo automático e renderização de efeitos fotorrealistas em vez de visualização ou estimativa mental;
Fotorrealismo preciso, menos chance de erro humano ao errar, exagerar ou esquecer de incluir um efeito visual.

As desvantagens em comparação com a renderização fotorrealista 2D podem incluir uma curva de aprendizado do software e dificuldade em alcançar certos efeitos fotorrealistas. Alguns efeitos fotorrealistas podem ser obtidos com filtros de renderização especiais incluídos no software de modelagem 3D. Para o melhor dos dois mundos, alguns artistas usam uma combinação de modelagem 3D seguida pela edição das imagens 2D renderizadas por computador do modelo 3D.

mercado de modelos 3D

A primeira empresa a vender modelos 3D foi a Viewpoint (Orem, UT), fundada por John Wright em 1988. O primeiro modelo 3D digitalizado de John foi um carro feito em 1984 usando Movie.byu em um computador HP 9000. O primeiro modelo 3D "Catálogo" foi feito para Wallace Colvard em 1990, que estava trabalhando para a NBC para criar a primeira bola de futebol e capacete para um novo comercial de animação 3D do Super Bowl chamado "Bud Bowl". Wallace ligou para John e perguntou se a Viewpoint tinha uma bola de futebol 3d em seu "catálogo". O Viewpoint não tinha um catálogo, então John e sua equipe rapidamente fizeram o primeiro catálogo de objetos 3D que incluía apenas alguns objetos 3D e "enviaram por fax" para Wallace. O negócio de modelos 3D da Viewpoint cresceu para mais de US$ 6 milhões em vendas em 1998 e seus modelos ainda estão sendo exibidos em milhares de filmes (Total Recall, Independence Day, Antz, etc.) Um grande mercado para modelos 3D (assim como conteúdo relacionado a 3D, como texturas, scripts, etc.) ainda existe – seja para modelos individuais ou grandes coleções. Vários mercados online de conteúdo 3D permitem que artistas individuais vendam conteúdo que eles criaram, incluindo TurboSquid , CGStudio, CreativeMarket, Sketchfab , CGTrader e Cults. Muitas vezes, o objetivo dos artistas é obter valor adicional dos ativos que eles criaram anteriormente para projetos. Ao fazer isso, os artistas podem ganhar mais dinheiro com seu conteúdo antigo, e as empresas podem economizar comprando modelos pré-fabricados em vez de pagar um funcionário para criar um do zero. Esses marketplaces normalmente dividem a venda entre eles e o artista que criou o ativo, os artistas recebem de 40% a 95% das vendas de acordo com o marketplace. Na maioria dos casos, o artista mantém a propriedade do modelo 3D enquanto o cliente compra apenas o direito de uso e apresentação do modelo. Alguns artistas vendem seus produtos diretamente em lojas próprias oferecendo seus produtos a um preço mais baixo por não utilizarem intermediários.

Nos últimos anos, surgiram vários mercados especializados em modelos de impressão 3D. Alguns dos mercados de impressão 3D são combinações de sites de compartilhamento de modelos, com ou sem recurso de e-com integrado. Algumas dessas plataformas também oferecem serviços de impressão 3D sob demanda, software para renderização de modelos e visualização dinâmica de itens, etc. As plataformas de compartilhamento de arquivos de impressão 3D incluem Shapeways , Sketchfab , Pinshape , Thingiverse , TurboSquid , CGTrader , Threeding , MyMiniFactory e GrabCAD .

impressao 3D

O termo impressão 3D ou impressão tridimensional é uma forma de tecnologia de manufatura aditiva onde um objeto tridimensional é criado a partir de sucessivas camadas de material. Os objetos podem ser criados sem a necessidade de moldes caros complexos ou montagem com várias peças. A impressão 3D permite que as ideias sejam prototipadas e testadas sem ter que passar por um processo de produção.

Nos últimos anos, houve um aumento no número de empresas que oferecem modelos personalizados de objetos impressos em 3D que foram digitalizados, projetados em software CAD e depois impressos de acordo com os requisitos do cliente. Os modelos 3D podem ser adquiridos em mercados online e impressos por indivíduos ou empresas usando impressoras 3D disponíveis comercialmente, permitindo a produção caseira de objetos como peças de reposição e até equipamentos médicos.

Usos

Etapas da reconstrução facial forense de uma múmia feita no Blender pelo designer 3D brasileiro Cícero Moraes .

Hoje, a modelagem 3D é usada em vários setores, como cinema, animação e jogos, design de interiores e arquitetura . Eles também são usados na indústria médica para criar representações interativas da anatomia.

A indústria médica usa modelos detalhados de órgãos; estes podem ser criados com vários cortes de imagem 2-D de uma ressonância magnética ou tomografia computadorizada . A indústria cinematográfica os usa como personagens e objetos para filmes animados e da vida real . A indústria de videogames os utiliza como ativos para computadores e videogames .

O setor de ciências os utiliza como modelos altamente detalhados de compostos químicos.

A indústria da arquitetura os usa para demonstrar edifícios e paisagens propostos em vez de modelos arquitetônicos físicos tradicionais .

A comunidade arqueológica está agora criando modelos 3D de patrimônio cultural para pesquisa e visualização.

A comunidade de engenharia os utiliza como projetos de novos dispositivos, veículos e estruturas, bem como uma série de outros usos.

Nas últimas décadas, a comunidade de ciências da terra começou a construir modelos geológicos 3D como uma prática padrão.

Modelos 3D também podem ser a base para dispositivos físicos que são construídos com impressoras 3D ou máquinas CNC .

Em termos de desenvolvimento de videogames, a modelagem 3D é uma etapa de um processo de desenvolvimento mais longo. Simplificando, a fonte da geometria para a forma de um objeto pode ser:

1. Um designer, engenheiro industrial ou artista usando um sistema 3D-CAD

2. Um objeto existente, engenharia reversa ou copiado usando um digitalizador ou scanner de forma 3-D

3. Dados matemáticos armazenados na memória com base em uma descrição numérica ou cálculo do objeto.

Um grande número de software 3D também é usado na construção de representações digitais de modelos mecânicos ou peças antes de serem realmente fabricados. Softwares relacionados a CAD e CAM são usados nesses campos e, com este software, você não apenas pode construir as peças, mas também montá-las e observar sua funcionalidade.

A modelagem 3D também é usada no campo do design industrial , onde os produtos são modelados em 3D antes de representá-los para os clientes. Nas indústrias de mídia e eventos, a modelagem 3D é usada no cenário e na cenografia .

A tradução OWL 2 do vocabulário do X3D pode ser usada para fornecer descrições semânticas para modelos 3D , o que é adequado para indexação e recuperação de modelos 3D por recursos como geometria, dimensões, material, textura, reflexão difusa, espectros de transmissão, transparência, refletividade, opalescência, esmaltes, vernizes e esmaltes (em oposição a descrições textuais não estruturadas ou museus e exposições virtuais 2.5D usando o Google Street View no Google Arts & Culture , por exemplo). A representação RDF de modelos 3D pode ser utilizada no raciocínio , o que possibilita aplicações 3D inteligentes que, por exemplo, podem comparar automaticamente dois modelos 3D por volume.

Testando um modelo sólido 3D

Os modelos sólidos 3D podem ser testados de diferentes maneiras, dependendo do que é necessário, usando simulação, projeto de mecanismo e análise. Se um motor for projetado e montado corretamente (isso pode ser feito de forma diferente dependendo de qual programa de modelagem 3D está sendo usado), usando a ferramenta de mecanismo, o usuário deve saber se o motor ou máquina está montado corretamente pela forma como opera. Design diferente precisará ser testado de maneiras diferentes. Por exemplo; uma bomba de piscina precisaria de uma simulação da água que passa pela bomba para ver como a água flui pela bomba. Esses testes verificam se um produto foi desenvolvido corretamente ou se precisa ser modificado para atender aos seus requisitos.

Veja também

links externos

Mídia relacionada à modelagem 3D no Wikimedia Commons

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