modelagem 3d

Na computação gráfica 3D , a modelagem 3D é o processo de desenvolvimento de uma representação matemática baseada em coordenadas de uma superfície de um objeto (inanimado ou vivo) em três dimensões por meio de software especializado , manipulando arestas, vértices e polígonos em um espaço 3D simulado . [1] [2] [3]

Os modelos tridimensionais (3D) representam um corpo físico utilizando uma coleção de pontos no espaço 3D, conectados por diversas entidades geométricas como triângulos, linhas, superfícies curvas, etc. [4] Sendo uma coleção de dados ( pontos e outras informações) , os modelos 3D podem ser criados manualmente, por meio de algoritmos ( modelagem processual ) ou por digitalização . [5] [6] Suas superfícies podem ser definidas posteriormente com mapeamento de textura .

Contorno

O produto é chamado de modelo 3D, enquanto 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 denominado renderização 3D ou usado em uma simulação computacional de fenômenos físicos.

Os modelos 3D podem ser criados automática 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 por 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 usado para produzir modelos 3D. Os programas individuais desta classe são chamados de aplicativos de modelagem. [7]

História

Modelo tridimensional de um espectrógrafo [8]
Modelo giratório de videogame 3D
Modelos de selfies 3D são gerados a partir de fotos 2D tiradas na cabine fotográfica Fantasitron 3D em Madurodam .

Os modelos 3D são agora amplamente utilizados em  gráficos 3D  e  CAD , mas sua história é anterior ao uso generalizado de gráficos 3D em  computadores pessoais . [9]

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 visualizações, o que pode ajudar o designer a ver se o objeto foi criado conforme pretendido em comparação com sua visão original. Ver o design dessa forma pode ajudar o designer ou a empresa a descobrir as mudanças ou melhorias necessárias no produto. [10]

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 ​​na educação gráfica 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). Modelos sólidos são usados ​​principalmente para simulações médicas e de engenharia e geralmente são construídos com geometria sólida construtiva.
  • Casca ou limite – Estes modelos representam a superfície, ou seja, o limite do objeto, e não o seu volume (como uma casca de ovo infinitamente fina). Quase todos os modelos visuais usados ​​em jogos e filmes são modelos de concha.

A modelagem sólida e de casca 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.

Os 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, as superfícies inferior e superior do cubo devem ter 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 transformação de 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 . Esta etapa é usada na renderização baseada em polígonos, onde os objetos são divididos desde 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, portanto a projeção é sempre convexa); . [11] As representações poligonais não são usadas em todas as técnicas de renderização e, nestes casos, a etapa de mosaico não é incluída na transição da representação abstrata para a cena renderizada.

Processo

Explorando diferentes tipos de técnicas de modelagem 3D [12]

  • Modelagem Poligonal – A modelagem poligonal é uma técnica fundamental e amplamente utilizada na modelagem 3D. Ele gira em torno da conexão de vértices, arestas e faces para formar polígonos, permitindo aos artistas um controle preciso sobre a geometria. Essa técnica é eficiente na produção de modelos detalhados de móveis com notável precisão, capturando cada detalhe intrincado.
  • Modelagem de superfície de subdivisão – A modelagem de superfície de subdivisão é uma técnica empregada para produzir formas suaves e orgânicas a partir de uma malha base. É particularmente valioso na criação de peças de mobiliário como sofás, almofadas e cadeiras ergonômicas. Ao subdividir a malha base e suavizar a superfície, são criados modelos de alta qualidade, perfeitos para fins de marketing ou comércio eletrônico.
  • Modelagem NURBS Splines de base racional não uniformes (NURBS) são altamente eficazes na criação de superfícies suaves e precisas. Essa técnica é ideal para modelar móveis com detalhes e curvas intrincadas. As superfícies NURBS mantêm a sua suavidade mesmo quando dimensionadas ou modificadas, permitindo aos designers modificar o tamanho ou a forma dos móveis sem comprometer a qualidade ou a estética.
  • Operações Booleanas – A modelagem 3D booleana, também conhecida como operações booleanas, refere-se a uma técnica usada em computação gráfica 3D para criar formas complexas combinando ou subtraindo vários objetos ou volumes. Envolve a execução de operações como união, interseção e diferença nas primitivas geométricas ou malhas para obter a forma desejada. A modelagem booleana permite que artistas e designers criem facilmente formas e formatos complexos combinando objetos simples e manipulando-os usando operações booleanas. Essa técnica é comumente usada em software de modelagem 3D e é útil para diversas aplicações, como arquitetura, design de produto e animação.
  • Modelagem Processual – A modelagem processual é uma técnica usada em computação gráfica e imagens geradas por computador (CGI) para criar modelos 3D realistas ou estilizados. Envolve o uso de algoritmos ou regras para gerar automaticamente a geometria, a textura ou outras propriedades de um modelo, em vez de criar cada detalhe manualmente. Na modelagem processual, um conjunto de regras ou parâmetros é definido por um artista ou programador para descrever as características desejadas de um modelo. Essas regras podem ser baseadas em matemática, variações aleatórias ou outros procedimentos lógicos. O modelo é então gerado aplicando essas regras, muitas vezes de forma iterativa, para obter a forma, os detalhes e as variações desejadas. Essa técnica é comumente usada em diversas aplicações, incluindo a geração de terrenos complexos, edifícios, vegetação ou até mesmo personagens. Permite a criação eficiente de ambientes em grande escala com recursos detalhados e realistas. A modelagem processual também pode ser combinada com técnicas de modelagem tradicionais para maior flexibilidade e controle sobre o resultado final. Algumas vantagens da modelagem processual incluem a capacidade de modificar ou recriar facilmente modelos, o potencial para variações realistas e aleatoriedade e a capacidade de criar detalhes complexos e intrincados com eficiência. No entanto, também tem limitações, tais como o potencial de falta de controlo sobre detalhes específicos ou dificuldades em alcançar estilos artísticos específicos. No geral, a modelagem processual é uma técnica poderosa e versátil que permite a criação de modelos 3D complexos e realistas de maneira mais eficiente e flexível do que as técnicas tradicionais de modelagem manual.
  • Escultura digital – A escultura digital é uma técnica utilizada por artistas e designers para criar modelos 3D utilizando software especializado. Ele permite que os artistas esculpem objetos virtuais com ferramentas semelhantes às usadas na escultura tradicional, como pincéis, argila e ferramentas de escultura. O artista manipula a argila ou material virtual para criar modelos intrincados e detalhados que podem ser vistos de todos os ângulos. A escultura digital oferece mais flexibilidade e controle em comparação aos métodos de escultura tradicionais, pois permite desfazer e refazer facilmente, dimensionar e experimentar diferentes materiais e texturas. É comumente usado em setores como cinema, animação, videogames e design de produtos. Atualmente existem três tipos de escultura digital: Displacement , que é o mais utilizado entre as aplicações no momento, utiliza um modelo denso (geralmente gerado por superfícies de subdivisão de uma malha de controle poligonal) 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 alongamento poligonal 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, uma vez que os modelos se formem e possivelmente os detalhes tenham sido esculpidos. A nova malha geralmente terá as informações originais da malha de alta resolução transferidas para dados de deslocamento ou dados normais do mapa, se for para um mecanismo de jogo.
Um peixe de fantasia 3D composto por superfícies orgânicas geradas usando LAI4D

A etapa de modelagem consiste em moldar objetos individuais que posteriormente serão utilizados na cena. Existem várias técnicas de modelagem, incluindo:

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

Modelos 3D também podem ser criados utilizando a técnica de Fotogrametria com programas dedicados como RealityCapture , Metashape e 3DF Zephyr . A limpeza e o processamento posterior 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.

Software de modelagem 3D

Há uma variedade de programas de modelagem 3D que podem ser usados ​​nas indústrias de engenharia, design de interiores, cinema e outras. Cada software de modelagem 3D possui recursos específicos e pode ser utilizado para atender às demandas da indústria.

Código G

Muitos programas incluem opções de exportação para formar um código G , aplicável a máquinas de fabricação aditiva ou subtrativa. O código G (controle numérico computadorizado) funciona com tecnologia automatizada para formar uma representação real de modelos 3D. Este código é um conjunto específico de instruções para realizar as etapas de fabricação de um produto. [13]

Modelos humanos

A primeira aplicação comercial amplamente disponível de modelos virtuais humanos apareceu em 1998 no site Lands' End . Os modelos virtuais humanos foram criados pela empresa My Virtual Mode Inc. e permitiram aos usuários criar um modelo de si mesmos e experimentar roupas 3D. Existem vários programas modernos que permitem a criação de modelos humanos virtuais ( Poser é 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. [14] Roupas 3D dinâmicas são usadas para catálogos de moda virtuais, bem como para vestir personagens 3D para videogames, filmes de animação 3D, para dublês digitais em filmes [15] , bem como para fazer roupas para avatares em mundos virtuais como SecondLife .

Comparação com métodos 2D

Os efeitos fotorrealistas 3D são frequentemente obtidos sem modelagem 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 em relação aos 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 por extravio, exagero ou esquecimento de incluir um efeito visual.

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

Mercado de modelos 3D

Existe um grande mercado para modelos 3D (bem como para conteúdo relacionado a 3D, como texturas, scripts, etc.) – seja para modelos individuais ou para grandes coleções. Vários mercados online para conteúdo 3D permitem que artistas individuais vendam conteúdo que eles criaram, incluindo TurboSquid , MyMiniFactory , Sketchfab , CGTrader e Cults . Muitas vezes, o objetivo dos artistas é obter valor adicional dos ativos que criaram anteriormente para projetos. Ao fazer isso, os artistas podem ganhar mais dinheiro com seu conteúdo antigo, e as empresas podem economizar dinheiro comprando modelos pré-fabricados, em vez de pagar um funcionário para criar um do zero. Esses mercados 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 mercado. Na maioria dos casos, o artista mantém a propriedade do modelo 3D, enquanto o cliente apenas compra o direito de uso e apresentação do modelo. Alguns artistas vendem seus produtos diretamente em lojas próprias oferecendo seus produtos a um preço menor por não utilizarem intermediários.

A indústria de arquitetura, engenharia e construção (AEC) é o maior mercado para modelagem 3D, com um valor estimado de US$ 12,13 bilhões até 2028. [16] Isso se deve à crescente adoção de modelagem 3D na indústria de AEC, o que ajuda a melhorar a precisão do projeto, reduzir erros e omissões e facilitar a colaboração entre as partes interessadas do projeto. [17] [18]

Nos últimos anos, surgiram vários mercados especializados em renderização e impressão de modelos 3D. Alguns dos mercados de impressão 3D são uma combinação de sites de compartilhamento de modelos, com ou sem capacidade de e-com integrada. Algumas dessas plataformas também oferecem serviços de impressão 3D sob demanda, software para renderização de modelos e visualização dinâmica de itens.

impressao 3D

O termo impressão 3D ou impressão tridimensional é uma forma de tecnologia de fabricação aditiva onde um objeto tridimensional é criado a partir de camadas sucessivas de material. [19] Os objetos podem ser criados sem a necessidade de moldes complexos e caros ou montagem com múltiplas peças. A impressão 3D permite que ideias sejam prototipadas e testadas sem a necessidade de passar por um processo de produção. [19] [20]

Os modelos 3D podem ser adquiridos em mercados online e impressos por indivíduos ou empresas utilizando impressoras 3D disponíveis comercialmente, permitindo a produção doméstica de objetos como peças sobressalentes e até equipamentos médicos. [21] [22]

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 . [23] Eles também são usados ​​na indústria médica para criar representações interativas da anatomia. [24]

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

O setor científico os utiliza como modelos altamente detalhados de compostos químicos. [25]

A indústria da arquitetura os utiliza para demonstrar edifícios e paisagens propostas em vez de modelos arquitetônicos físicos tradicionais . Além disso, o uso do nível de detalhe (LOD) em modelos 3D está se tornando cada vez mais importante na indústria de AEC. LOD é uma medida do nível de detalhe e precisão incluído em um modelo 3D. Os níveis de LOD variam de 100 a 500, com o LOD 100 representando um modelo conceitual que mostra a massa básica e a localização dos objetos, e o LOD 500 representando um modelo extremamente detalhado que inclui informações sobre todos os aspectos do edifício, incluindo sistemas MEP e acabamentos interiores. . Ao usar o LOD, arquitetos , engenheiros e empreiteiros gerais podem comunicar de forma mais eficaz a intenção do projeto e tomar decisões mais informadas durante todo o processo de construção. [26] [27]

A comunidade arqueológica está agora a criar modelos 3D de património cultural para investigação e visualização. [28] [29]

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 das ciências da terra começou a construir modelos geológicos 3D como prática padrão.

Os modelos 3D também podem ser a base para dispositivos físicos 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 da forma de um objeto pode ser:

  1. Um designer, engenheiro industrial ou artista usando um sistema 3D-CAD
  2. Um objeto existente, submetido a engenharia reversa ou copiado usando um digitalizador ou scanner de formato 3D
  3. Dados matemáticos armazenados na memória com base em uma descrição numérica ou cálculo do objeto. [19]

Um grande número de softwares 3D também são usados ​​na construção de representações digitais de modelos ou peças mecânicas antes de serem realmente fabricadas. Softwares relacionados a CAD e CAM são usados ​​nessas áreas e, com esse software, você pode não apenas construir as peças, mas também montá-las e observar sua funcionalidade.

A modelagem 3D também é utilizada na área de design industrial , onde os produtos são modelados em 3D [30] antes de serem representados aos clientes. Nas indústrias de mídia e eventos, a modelagem 3D é usada em projetos de palcos e cenários . [31]

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 características 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). [32] A representação RDF de modelos 3D pode ser usada no raciocínio , o que permite aplicações 3D inteligentes que, por exemplo, podem comparar automaticamente dois modelos 3D por volume. [33]

Testando um modelo sólido 3D

Os modelos sólidos 3D podem ser testados de diferentes maneiras, dependendo do que for necessário, usando simulação, projeto de mecanismo e análise. Se um motor for projetado e montado corretamente (isto pode ser feito de forma diferente dependendo do programa de modelagem 3D que está sendo usado), usando a ferramenta de mecanismo o usuário deverá ser capaz de dizer se o motor ou máquina está montado corretamente pela forma como opera. Projetos diferentes precisarão ser testados 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 através da bomba. Esses testes verificam se um produto foi desenvolvido corretamente ou se precisa ser modificado para atender aos seus requisitos.

Veja também

Referências

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links externos

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