A expressão "3D" é uma abreviatura do inglês "3 dimensões", ou seja, "3 dimensões". Os símbolos "3D" (na literatura russa, a abreviatura "3d" também é frequentemente usada) indicam que um objeto ou tecnologia difere de outros por ter mais de duas dimensões.
Para que servem os modelos 3D?
Todos os objetos do mundo real têm três dimensões. Ao mesmo tempo, na grande maioria dos casos, para representar objetos tridimensionais, usamos superfícies bidimensionais: uma folha de papel, tela, tela de computador. O escultor cria figuras tridimensionais, mas antes de começar a esculpir uma escultura em granito, faz esboços nos quais o futuro trabalho é retratado em várias vistas - de todos os lados. Da mesma forma, um arquiteto ou designer trabalha exibindo visões planas de produtos ou edifícios projetados em um papel Whatman ou em uma tela de computador.
A disciplina de “desenho” no âmbito da escolaridade obrigatória visa o ensino da modelação tridimensional - a descrição exacta de objectos que apresentam volume, sobre uma superfície plana e bidimensional de uma folha de papel. Além disso, as crianças aprendem modelagem tridimensional em aulas de modelagem de plasticina no jardim de infância e no ensino fundamental. Tanta atenção à modelagem 3D no processo educacional não é acidental. Em qualquer atividade de criação de objetos reais, você deve ter uma boa ideia de como esse objeto será visto de todos os lados. Um alfaiate e um designer de roupas devem saber como um terno ou vestido vai caber em uma pessoa com uma determinada figura. A cabeleireira cria um corte de cabelo e penteado que terá volume e aspecto diferente em diferentes ângulos. O joalheiro modela suas joias. O dentista não deve apenas criar um dente artificial bonito, mas também levar em consideração sua localização em relação ao resto dos dentes do paciente. O carpinteiro deve ser capaz de ajustar as juntas das partes tridimensionais com muita precisão. Ele também gostaria de ver visualmente como os móveis que ele projeta serão convenientes de usar e como eles se encaixarão no interior.
Há muito tempo, representantes de várias profissões usam desenhos, de vários tipos, para modelagem tridimensional. Com a proliferação dos computadores pessoais, tornou-se possível confiar parte da tarefa de criação de modelos tridimensionais ao software. Os sistemas de automação de projetos (CAD) foram os primeiros a incluir a funcionalidade de exibição dinâmica de objetos tridimensionais criados no plano da tela. A palavra "dinâmico", neste caso, significa a capacidade de girar a imagem de um objeto tridimensional na tela e vê-lo de todos os lados. No entanto, a dinâmica de um modelo 3D também pode significar a capacidade do modelo de mudar sua forma e se mover. Os criadores de desenhos animados e jogos de computador precisam dessa funcionalidade.
Na segunda metade do século XX, ainda na era pré-computador, surgiram as tecnologias de tratamento de superfície tridimensional. Pouco depois do fim da Segunda Guerra Mundial, a Força Aérea dos Estados Unidos financiou o trabalho da Parsons Inc para criar máquinas que pudessem fresar peças complexas de acordo com um determinado algoritmo. Esses trabalhos levaram à criação de toda uma classe de máquinas-ferramentas de controle numérico computadorizado (CNC). Projetar algoritmos de trabalho para máquinas CNC é outra tarefa da área de modelagem 3D.
Em 1986, o engenheiro americano Charles W. Hall criou uma impressora que imprimia objetos tridimensionais usando estereolitografia. Mais tarde, surgiram as impressoras 3D, imprimindo produtos tridimensionais de uma ampla variedade de materiais, incluindo impressoras para impressão de órgãos humanos ou, por exemplo, impressoras que imprimem decorações de confeitaria e pratos prontos. Hoje, uma impressora 3D simples, mas bastante funcional, pode ser comprada pelo preço de um smartphone, e nela impressa objetos volumétricos para a casa, ou detalhes de modelos e dispositivos diversos. Todas as impressoras 3D para impressão recebem um modelo tridimensional como entrada em um formato específico.
Princípios básicos de modelagem 3D
Um pré-requisito para a modelagem 3D é a presença de imaginação espacial. É importante ser capaz de imaginar o resultado futuro do trabalho, girar mentalmente e examiná-lo por todos os lados, bem como entender em que elementos o modelo consiste, quais oportunidades ele oferece e quais restrições impõe. Por natureza, a imaginação espacial de todos é desenvolvida em vários graus, no entanto, assim como a alfabetização ou um ouvido para música, ela pode ser desenvolvida. É importante não desistir, dizendo a si mesmo que nada está dando certo, mas ganhar experiência fazendo modelos simples no início, passando gradualmente para os mais complexos.
Se em algum programa CAD você desenhar três retângulos e organizá-los de acordo com as regras de desenho, então o módulo de visualização do modelo tridimensional do programa poderá criar e exibir na tela o paralelepípedo correspondente a essas três projeções. Da mesma forma, seguindo as regras de desenho, você pode criar um modelo de quase qualquer peça.
Todos os programas para modelagem 3D são vetoriais. Isso significa que eles descrevem objetos não como uma coleção de pontos separados, mas como um conjunto de fórmulas e funcionam apenas com objetos inteiros. Se precisar mudar ou mover apenas metade de um objeto, você terá que cortá-lo (se houver uma ferramenta que permita fazer isso) e fixar as metades como novos objetos. Para trabalhar com um editor de vetores, não é necessário conhecer fórmulas matemáticas, elas estão incluídas no programa. Uma consequência importante e útil dessa abordagem é que qualquer objeto pode ser movido, modificado e escalado sem comprometer a qualidade. Por outro lado, o programa não o entenderá se você tentar desenhar um retângulo, por exemplo, colocando muitos pontos ao longo de suas bordas que se tocam visualmente. Para o programa, serão apenas muitos pontos, não um retângulo. Ela não conseguirá realizar nenhuma ação com este, na sua opinião, retângulo. Para criar um retângulo, você precisa escolher uma ferramenta adequada e usá-la. Em seguida, o programa permitirá que você execute qualquer ação com o objeto criado: altere-o, mova-o para um determinado ponto, estique, dobre e assim por diante. Além disso, a maioria dos softwares para modelagem 3D não será capaz de trabalhar com gráficos em formato raster (bmp, jpg, png, gif, etc.) obtidos, por exemplo, no Photoshop.
Modelagem 3D de "tijolos"
A grande maioria dos detalhes técnicos é uma combinação de primitivos volumétricos: paralelepípedos, bolas, prismas e assim por diante. Qualquer ferramenta de modelagem 3d possui uma biblioteca de primitivas volumétricas e é capaz de reproduzi-las, levando em consideração os parâmetros especificados pelo usuário. Para, por exemplo, criar um modelo de um cilindro, basta selecionar a ferramenta adequada no programa e definir o diâmetro e a altura. Além disso, todos os programas de design tridimensional são capazes de realizar pelo menos duas operações matemáticas com figuras tridimensionais: adição e subtração. Assim, por exemplo, tendo criado dois cilindros a partir de primitivas: um com um diâmetro de 5 cm e uma altura de 1 cm, e o segundo com um diâmetro de 3 cm e uma altura obviamente maior que 1 cm, você pode combiná-los ao longo do eixo central e subtrair o segundo do primeiro cilindro (maior) … O resultado é uma arruela de 1 cm de espessura com um diâmetro externo de 5 cm e um diâmetro interno de 3 cm. Se você tiver, por exemplo, um conjunto separado de objetos separados: "cabeça sem orelhas e nariz", "nariz", " orelha esquerda "e" orelha direita ", então você pode conectá-los e adicioná-los para criar um novo objeto" cabeça com orelhas e nariz ". Se você tem uma biblioteca de orelhas, narizes e cabeças de diferentes formatos, então você pode, passando por eles, criar um modelo da cabeça do seu amigo (ou a sua própria). Então, subtraindo o objeto "boca" da cabeça resultante, você pode obter uma cabeça com uma boca. Criar um modelo 3D a partir de "tijolos", objetos disponíveis na biblioteca do programa ou carregados no programa de fora, é uma forma simples e uma das mais populares.
Obviamente, não existem “blocos de construção” para todos os casos em qualquer programa. No entanto, muitos objetos podem ser criados movendo outros objetos no espaço ou modificando-os. Por exemplo, você mesmo pode criar o mesmo cilindro pegando um círculo como base e movendo-o para cima, mantendo cada etapa adicionando as posições em um objeto. Se o programa possui tal ferramenta, então ele fará tudo sozinho, você só precisa especificar: ao longo de qual trajetória e quão longe você precisa mover a base. Portanto, a partir da lavadora criada de acordo com a tecnologia descrita acima, você pode criar um novo objeto - um tubo. Incluindo - um tubo com muitas curvas de qualquer curvatura. Um ponto importante: para isso, o círculo deve ser inicialmente tridimensional. Let - com espessura desprezível, mas não igual a zero. Para fazer isso, o programa deve ter uma ferramenta para converter uma figura plana com espessura zero em uma tridimensional com espessura desprezível, mas específica.
Modelagem 3D de polígonos
Muitos programas de modelagem 3D trabalham com tipos especiais de objetos chamados "malhas". Uma malha é uma malha poligonal ou uma coleção de vértices, arestas e faces de um objeto 3D. Para entender um objeto composto de malhas, você pode observar, por exemplo, um robô criado a partir de peças de Lego. Cada peça é uma malha separada. Se o tamanho médio de uma peça Lego é de 1 cm, e você monta um robô de 50 cm de altura, então será possível reconhecer a imagem (de uma pessoa, por exemplo) que você colocou nela. No entanto, o realismo de tal escultura será muito medíocre. Outra conversa, se você criar um robô de 50 quilômetros de altura a partir de peças com tamanho médio de 1 cm. Se você percorrer uma distância decente para ver a escultura gigante inteira, não notará a angularidade da superfície e o robô pode parecer uma pessoa viva com pele lisa.
A malha pode ser tão pequena quanto você deseja, o que significa que você pode obter qualquer suavidade visual da superfície do modelo. Basicamente, construir um objeto a partir de malhas é o mesmo que pixel art em uma imagem 2D. No entanto, lembramos que o conjunto de pontos em forma de retângulo não é um objeto "retângulo". Isso significa que para que a imagem criada a partir das malhas se transforme em um objeto tridimensional, seus contornos devem ser preenchidos com volume. Existem ferramentas para isso, mas muitas vezes são esquecidas pelos iniciantes na modelagem 3D. Assim como o fato de que para que uma superfície (uma esfera, por exemplo) se transforme em uma figura volumétrica, ela deve estar completamente fechada. Vale a pena remover um ponto (uma malha) da superfície fechada acabada, e o programa não será capaz de transformá-la em um objeto 3D.
O movimento e a aparência do modelo 3D
Imagine criar um objeto de carro a partir de malhas ou de qualquer outra forma. Se no programa de modelagem tridimensional você definir a trajetória e a velocidade de movimento de qualquer ponto dentro do objeto pela fórmula, definindo a condição de que todos os outros pontos se movam de forma síncrona, o carro irá se mover. Se, ao mesmo tempo, as rodas do carro forem selecionadas como objetos separados e trajetórias separadas de movimento e rotação forem atribuídas a seus centros, as rodas do carro irão girar ao longo do caminho. Ao escolher a correspondência correta entre o movimento da carroceria do carro e suas rodas, você pode alcançar o realismo do desenho final. Da mesma forma, você pode fazer um movimento de objeto "humano", mas isso requer uma compreensão da anatomia humana e da dinâmica de caminhar ou correr. E então - tudo é simples: um esqueleto é criado dentro do objeto, e cada uma de suas partes recebe suas próprias leis de movimento.
Um objeto criado em um programa de modelagem tridimensional pode em suas formas repetir completamente uma amostra real da vida ou fantasia do criador, pode mover-se de forma realista, mas ainda faltará mais uma característica para combiná-la totalmente. Essa característica é a textura. A cor e aspereza da superfície determinam nossa percepção, então a maioria dos editores 3D também tem ferramentas para criar texturas, incluindo bibliotecas de superfícies prontas: de madeira e metal à textura dinâmica de um mar furioso ao luar. No entanto, nem todas as tarefas de modelagem 3D exigem essa funcionalidade. Se você estiver criando um modelo para impressão em uma impressora 3D, a textura de sua superfície será determinada pelo material a ser impresso. Se você está projetando um gabinete em CAD para fabricantes de móveis, então, é claro, será interessante para você "vestir" o produto na textura da espécie de madeira selecionada, mas será muito mais importante fazer cálculos de resistência em o mesmo programa.
Formatos de arquivo na modelagem 3D
Softwares para criação, edição e fabricação de objetos 3D são apresentados no mercado por dezenas de aplicativos e pacotes. Muitos desenvolvedores de tal software usam seus próprios formatos de arquivo para salvar os resultados da simulação. Isso permite que eles aproveitem melhor seus produtos e protege seus designs contra o uso indevido. Existem mais de cem formatos de arquivo 3D. Alguns deles são fechados, ou seja, os criadores não permitem que outros programas utilizem seus formatos de arquivo. Essa situação complica muito a interação das pessoas envolvidas na modelagem 3D. Um layout ou modelo criado em um programa geralmente é muito difícil ou impossível de importar e converter em outro programa.
Existem, no entanto, formatos de arquivos gráficos 3D abertos que são compreendidos por quase todos os programas para trabalhar com 3D:
. COLLADA é um formato universal baseado em XML projetado especificamente para a troca de arquivos entre programas de diferentes desenvolvedores. Este formato é suportado (em alguns casos, um plug-in especial é necessário) por produtos populares como Autodesk 3ds Max, SketchUp, Blender. Além disso, este formato pode compreender as versões mais recentes do Adobe Photoshop.
. OBJ - Desenvolvido por Wavefront Technologies. Este formato é de código aberto e adotado por muitos desenvolvedores de editores gráficos 3D. A maioria dos softwares de modelagem 3D tem a capacidade de importar e exportar arquivos.obj.
. STL é um formato projetado para armazenar arquivos destinados à impressão usando estereolitografia. Muitas impressoras 3D hoje podem imprimir diretamente de.stl. Também é suportado por muitos divisores - programas para preparar a impressão em uma impressora 3D.
Editor 3D online tinkercad.com
O site tinkercad.com, da Autodesk, é a melhor solução para quem começa a fazer modelagem 3D do zero. Completamente grátis. Fácil de aprender, o site possui várias lições que permitem que você entenda as principais funcionalidades em uma hora e dê os primeiros passos. A interface do site foi traduzida para o russo, mas as aulas estão disponíveis apenas em inglês. Porém, o conhecimento básico de inglês é suficiente para entender as aulas. Além disso, não é difícil encontrar guias em russo e traduções de lições de tinkercad na Internet.
Um grande número de primitivas volumétricas estão disponíveis na área de trabalho do site, incluindo aquelas criadas por outros usuários. Existem ferramentas para dimensionar, encaixar em uma grade de coordenadas e em pontos-chave de objetos. Qualquer objeto pode ser convertido em um buraco. Os objetos selecionados podem ser combinados. É assim que a adição e subtração de objetos são implementadas. O histórico de transformações está disponível, inclusive para objetos recém-salvos, o que é muito conveniente quando você precisa voltar muitas etapas.
Para aqueles para quem as funções elementares descritas acima não são suficientes, existe uma funcionalidade para escrever scripts e, consequentemente, criar scripts complexos para transformar objetos.
Sem ferramentas para cortar objetos. Não há polígonos em sua forma pura (o modelo poligonal é implementado, até certo ponto, em primitivos de objeto curvilíneo). Sem texturas. No entanto, o tinkercad permite que você crie objetos artísticos e bastante complexos.
Suporta importação e exportação de arquivos nos formatos STL, OBJ, SVG.
SketchUp
Editor gráfico semiprofissional 3D da Trimble Inc, adquirido há vários anos pela Google Corporation. A versão Pro custa $ 695. Existe uma versão online gratuita com funcionalidade limitada.
Há alguns anos, havia uma versão desktop gratuita do editor, mas hoje apenas a versão online está disponível sem dinheiro. A versão web possui ferramentas de desenho simples, criação de curvas e a ferramenta Extrude, que permite criar um sólido a partir de uma imagem plana. Também na versão web existem camadas e texturas. Uma biblioteca de objetos e texturas criados pelo usuário está disponível.
A importação é possível para arquivos de seu próprio formato (projeto SketchUp). Você também pode inserir um arquivo.stl na cena como um objeto.
Os links com o Google permitem que o SketchUp se integre aos serviços do gigante da Internet. Não se trata apenas de acesso ao armazenamento em nuvem, onde você pode encontrar muitas cenas e objetos prontos para usar em seu trabalho, mas também a capacidade de importar imagens aéreas e de satélite do Google Earth para criar cenas realistas.
Em geral, os recursos da versão gratuita do SketchUp são visivelmente superiores à funcionalidade disponível no tinkercad, mas o site do SketchUp costuma ficar lento ao tentar realizar algumas operações sérias, como se sugerindo que é melhor mudar para a versão paga do produto. A versão gratuita do SketchUp vem com uma oferta de pagamento para expandir seus recursos em quase todas as etapas do caminho.
Considerando que SketchUp Pro tem boa funcionalidade e é amplamente utilizado, por exemplo, no design de móveis ou no desenvolvimento de design de interiores, podemos recomendar o domínio da versão web gratuita do produto para quem deseja dar um passo em direção à modelagem séria, mas ainda não tem certeza de seus pontos fortes e conveniência. transição para versões pagas.
Liquidificador
O Blender é um projeto lendário que mostra, junto com o Linux ou PostgreSQL, que uma comunidade de programadores unidos pela ideia de distribuição de software livre pode fazer quase tudo.
O Blender é um editor de gráficos 3D profissional com possibilidades quase ilimitadas. Ele ganhou a maior popularidade entre os criadores de animação e cenas 3D realistas. Como exemplo das capacidades deste produto, podemos citar o fato de que toda a animação do filme "Homem-Aranha 2" foi criada nele. E - não apenas para este filme.
Dominar totalmente os recursos do editor Blender requer um investimento significativo de tempo e compreensão de todos os aspectos dos gráficos 3D, incluindo iluminação, configuração de palco e movimento. Possui todas as ferramentas conhecidas e populares para modelagem volumétrica, e para ferramentas impossíveis ou ainda não inventadas existe a linguagem de programação Python, na qual o próprio editor é escrito e na qual você pode expandir suas capacidades o quanto quiser.
A comunidade de usuários do Blender soma mais de meio milhão de pessoas e, portanto, não será difícil encontrar pessoas que ajudem a dominá-lo.
Para projetos simples, o Blender é excessivamente funcional e complexo, mas para aqueles que vão fazer modelagem 3D a sério, é uma ótima escolha.
