Трехмерное моделирование в современном мире

Сегодня я расскажу вам о том, что такое 3D-моделирование, каким оно бывает, где его применяют и с чем его едят. Эта статья в первую очередь ориентирована на тех, кто только краем уха слышал, что такое 3D-моделирование, или только пробует свои силы в этом. Поэтому буду объяснять максимум «на пальцах».

Сам я технический специалист и уже более 10 лет работаю с 3D-моделями, поработал более чем в 10ке различных программ разных классов и назначений, а также в различных отраслях. В связи с этим накопился определенный helicopter view на эту отрасль, с чем и хотел с вами поделиться.

3D-моделирование прочно вошло в нашу жизнь, частично или полностью перестроив некоторые виды бизнеса. В каждой отрасли, в которую 3D-моделирование принесло свои изменения, имеются как свои определенные стандарты, так и негласные правила. Но даже внутри одной отрасли, количество программных пакетов бывает такое множество, что новичку бывает очень трудно разобраться и сориентироваться с чего начинать. Поэтому, для начала давайте разберем какие же бывают виды 3D-моделирования и где они применяются.

Можно выделить 3 крупные отрасли, которые сегодня невозможно представить без применения трехмерных моделей. Это:

  • Индустрия развлечений
  • Медицина (хирургия)
  • Промышленность

С первой мы сталкиваемся почти каждый день. Это фильмы, анимация и 90% компьютерных игр. Все виртуальные миры и персонажи созданы с помощью одного и того же принципа — полигонального моделирования.





Полигонами называются вот эти треугольники и четырехугольники.

Чем больше полигонов на площадь модели, тем точнее модель. Однако, это не значит, что если модель содержит мало полигонов (low poly), то это плохая модель, и у человека руки не оттуда. Тоже самое, нельзя сказать про то, что если в модели Over999999 полигонов (High poly), то это круто. Все зависит от предназначения. Если, к примеру, речь идет о массовых мультиплеерах, то представьте какого будет вашему компьютеру, когда нужно будет обработать 200 персонажей вокруг, если все они high poly?



Полигональное моделирование происходит путем манипуляций с полигонами в пространстве. Вытягивание, вращение, перемещение и.т.д.

Пионером в этой отрасли является компания Autodesk (известная многим по своему продукту AutoCAD, но о нем позже).
Продукты Autodesk 3Ds Max, и Autodesk Maya, де-факто стали стандартом отрасли. И свое знакомство с 3D моделями, будучи 15-летним подростком, я начал именно с 3Ds Max.

Что же мы получаем на выходе сделав такую модель? Мы получаем визуальный ОБРАЗ. Геймеры иногда говорят: «я проваливался под текстуры» в игре. На самом деле вы проваливаетесь сквозь полигоны, на которые наложены эти текстуры. И падение в бесконечность происходит как раз потому, что за образом ничего нет. В основном, полученные образы используются для РЕНДЕРА (финальная визуализация изображения), в игре / в фильме / для картинки на рабочем столе.



Собственно, я в свое время и пытался что-то «слепить», чтобы сделать крутой рендер (тогда это было значительно сложнее).
Кстати о лепке. Есть такое направление как 3D-sсulpting. По сути, тоже самое полигональное моделирование, но направленное на создание в основном сложных биологических организмов. В ней используются другие инструменты манипуляций с полигонами. Сам процесс больше напоминает чеканку, чем 3D моделинг.



Если полигональная модель выполнена в виде замкнутого объема, как например, те же скульптуры, то благодаря современной технологии 3D-печати (которая прожует почти любую форму) они могут быть воплощены в жизнь.

По сути, это единственный путь для полигональных 3D моделей оказаться в реальном мире. Из вышеописанного можно сделать вывод, что полигональное моделирование нужно исключительно для творческих людей (художников, дизайнеров, скульпторов). Но это не однозначно. Так, например, еще одной крупной сферой применения 3D моделей является медицина, а именно- хирургия. Можно вырастить протез кости взамен раздробленной. Например, нижняя челюсть для черепашки.



У меня нет медицинского образования и я никогда ничего не моделил для медицины, но учитывая характер форм модели, уверен, что там применяется именно полигональное моделирование. Медицина сейчас шагнула очень далеко, и как показывает следующее видео, починить себе можно практически все (были бы деньги).



Конечно, используя полигональное моделирование, можно построить все эти восстанавливающие и усиливающие элементы, но невозможно контролировать необходимые зазоры, сечения, учесть физические свойства материала и технологию изготовления (особенно плечевого сустава). Для таких изделий применяются методы промышленного проектирования.

По правильному они называются: САПР (Система Автоматизированного ПРоектирования) или по-английский CAD (Computer-Aided Design). Это принципиально другой тип моделирования. Именно на нем я специализируюсь уже 8 лет. И именно про него я буду вам в дальнейшем рассказывать. Чем этот метод отличается от полигонального? Тем, что тут нет никаких полигонов. Все формы являются цельными и строятся по принципу профиль + направление.



Базовым типом является твердотельное моделирование. Из названия можно понять, что, если мы разрежем тело, внутри оно не будет пустым. Твердотельное моделирование есть в любой CAD-системе. Оно отлично подходит для проектирования рам, шестеренок, двигателей, зданий, самолётов, автомобилей, да и всего, что получается путем промышленного производства. Но в нем (в отличии от полигонального моделирования) нельзя сделать модель пакета с продуктами из супермаркета, копию соседской собаки или скомканные вещи на стуле.

Цель этого метода — получить не только визуальный образ, но также измеримую и рабочую информацию о будущем изделии.

CAD – это точный инструмент и при работе с CAD, нужно предварительно в голове представлять топологию модели. Это алгоритм действий, который образует форму модели. Вот, как раз по топологии, можно отличить опытного специалиста от криворукого. Не всегда задуманную топологию и сложность формы можно реализовать в твердотелке, и тогда нам на помощь приходит неотъемлемая часть промышленного проектирования — поверхностное моделирование.



Топология в поверхностях в 10 раз важнее, чем при твердотельном моделирование. Неверная топология – крах модели. (напоминаю, что это статья обзорная и для новичков, я не расписываю тут нюансы). Освоение топологии поверхностей на высоком уровне, закрывает 70% вопросов в промышленном моделировании. Но для этого нужно много и постоянно практиковаться. В конечном итоге, поверхности все равно замыкаются в твердотельную модель.

Со временем приходит понимание наиболее удобного метода при моделировании того или иного изделия. Тут полно лайф-хаков, причем у каждого специалиста есть свои.

ВАЖНО: использование CAD без профильного образования не продуктивно! Я сам много раз наблюдал, как творческие люди, или мастера на все руки пытались проектировать. Да, конечно они что-то моделировали, но все это было «сферическим конем в вакууме».
При моделировании в CAD, помимо топологии, необходимо иметь конструкторские навыки. Знать свойства материалов, и технологию производства. Без этого, все равно, что подушкой гвозди забивать, или гладить пылесосом.

В CAD мы получаем электронно-геометрическую модель изделия.

(Напоминаю, что при полигональном моделировании мы получаем визуальный образ)

С нее можно:

  • Сделать чертежи
  • По ней можно написать программу для станков с ЧПУ,
  • Ее можно параметризировать (это когда изменяя 1 параметр можно изменить модель без переделки)
  • Можно проводить прочностные и другие расчеты.
  • Ее так же можно послать на 3д печать (и качество будет лучше)
  • Сделать рендер.

Думаю, пока этого вам хватит. Мы разобрали:

  • 2 основных вида моделирования.
  • Разобрали отрасли применения.
  • Разобрали возможности каждого метода и его назначение.
  • Разобрали базовые типы моделирования в CAD и некоторые нюансы.

Надеюсь, вам было интересно!
Поделиться публикацией

Комментарии 13

    +1
    Надеюсь, вам было интересно!

    Да, было очень познавательно и полезно. Узнал об основах, базисе в 3Д конструировании и проектировании.
    А планируется ли продолжение такого курса статей?
      0
      Было бы неплохо указать примеры ПО для всех трех приведеных типов моделирования.
        0

        Для второго и третьего — Siemens NX, Catia, ProE, Solidworks, Компас… И есть куча невнятных опенсорс решений, которые интересны лишь узкому кругу лиц.

          0
          Siemens NX, Catia, ProE, Solidworks, Компас…

          Все это для 3d-sculpting и CAD одновременно?
            0

            Это CAD. Представители 3d-sculpting написаны в самой статье: Autodesk 3Ds Max, и Autodesk Maya...

              0
              Я так понял, это представители ПО для полигонального моделирования. Здесь их, например, в основной пятерке нет. Я, в основном, слышал о ZBrush, как о наиболее распространенном инструменте для 3d-sculpting.
            0

            Интересно, почему в такой широкой линейке примеров отсутствует Inventor, в котором половина обратной стороны глобуса проектирует?

              0

              Могу лишь сказать про область, с которой связан: а именно разработка авиации. Возможно в других отраслях и применяется Inventor. Мне такие не знакомы.

                0
                Не совсем про ТТМ, но друг брата третьей жены говорил, что за бугром в авиации Инвентор любят за хорошую симуляцию воздушных потоков. Понятно, что агентство ОБС, но я склонен верить, потому что лично знаю, что в российском нефтегазе (где все исторически как САПР любили Солид) через инвентор смотрят на поведение жидкостей при бурении, что ценно, ибо на стенде на раз-два испытание модели скважины не проведёшь. А в целом он тот же Солид, только с другого боку, не однояйцевые, но близнецы. Плюс тонны англоязычного обучающего материала и бесплатная лицензия студентам без всяких ISICов, что вкупе с его популярностью на западе немаловажно для тех, кто мечтает отучиться и завести трактор.
                Короче, Autodesk Inventor — в копилку, Fusion 360 туда же.
          0
          >Тем, что тут нет никаких полигонов.
          Людей не вводите в заблуждение, там используются всё те же полигоны при отрисовке моделей. Тот же STL формат это лишь набор поверхностей из треугольников.
            0
            Дак вроде речь не про отрисовку а про моделирование. А то так можно дообобщаться до того что вообще разницы нет, ведь и там и там пикселы используются для отображения на мониторе :)
            Оператор ПО в случае CAD оперирует не полигонами а формами (профиль+направление), чтобы быть ближе к физике (к железу т.е., к станкам и расчётам)
              0
              Не везде нужны станки и расчеты. Некоторые вещи печатаются на 3D принтере для дальнейшего холодного литья. В таких ситуациях удобнее работать с полигонами, а не с вычитаниями.
            0
            Есть ещё 3D моделирование через написание кода — по мне, так проще и быстрее всего для простых моделей. В OpenScad например. На завод с такими навыками не возьмут, но по-быстрому что-то для 3д принтера набросать — самое то.
            В медицине же воксельные модели распространены, томограф сразу готовую модель выдаёт, затем врач может смотреть срезы в любом месте, что невозможно в любом другом случае.

            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

            Самое читаемое