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            企業新聞

            淺談不同的3D建模方式

            概要 

              3D模型無處不在。我們見到的每個實物都有自己的3D模型,并廣泛應用于各個行業。在本指南中,我們將介紹主流的3D建模方法,包括如何從頭開始設計模型,到如何用三維掃描儀完成數字化

            方式

              參數化建模、多邊形建模、數字雕塑、三維掃描、攝影測量

            軟件

              Blender, Autodesk Maya, ZBrush, SOLIDWORKS, Artec Studio

            模型平臺

              Sketchfab, Turbosquid, CGTrader, Quixel

            簡介

              你是否想過自己周圍有多少3D模型?現在開始,你將用一種全新的眼光看世界。電視、電影、動畫片、商業廣告、視頻游戲、社交媒體、移動應用程序、VR等等,都有3D模型。那手里拿著的杯子、桌上的筆、駕駛的汽車、坐著的椅子呢?很多你能想象得到的物體,曾幾何時,也只是個3D模型。

              那這些模型是怎么制成的呢?

              本文將介紹3D建模的基礎知識,了解創建3D模型主流的方式,即從CAD和多邊形建模到三維掃描。我們還將討論常見的建模軟件,并就“何時從無到有設計模型,何時使用三維掃描儀”談談心得體會。

              我們開始吧!但開始之前,先解釋一個問題…

             

            什么是3D模型?

            建模軟件中機械部件的3D模型

              在計算機圖形學中,3D模型是在專用軟件中為某個表面或物體創建的數字形象。三維空間中的一系列點,由各種幾何體連接(如三角形、線、弧面等),以此來代表一個物理實體。有些情況下,3D模型可以體現物體的大小、形狀和紋理。而構建這種形象的過程即為3D建模。

             

            3D模型的用途和使用方式

              3D模型是許多創意型職業的一部分。3D模型是工程師和設計師設計流程的一部分,用于新品研發或產品改造。建筑師將3D模型用于建筑物、景觀和室內的視覺展示,可以代替傳統建筑模型,也能作為有益補充。

              游戲設計師廣泛采用3D建模法,為游戲機游戲、電腦游戲和移動游戲制作3D資產和角色。

            奧地利演員Peter Simonischek查看自己栩栩如生的半身像,三維掃描后制作而成

              電影制作者將3D模型用于角色特效,也能為動畫和真人動畫制作各類物體。

              醫療行業也借助3D模型完成身體解剖結構數字化,定制醫療解決方案,如假體、矯形器、種植牙,展示整形手術效果等等。

            使用三維掃描儀修復霸王龍足部

              科教部門的應用方式同樣多種多樣,包括遺跡與文物保護、化合物可視模型、地質模型等等。

             

            3D建模的兩種主要方式

              雖然3D建模的方法有很多,但主要可以歸為兩種:在3D建模軟件中構建模型,或將現實世界中的某個物體,通過三維掃描儀制作成數字模型。下面,我們來分析一下兩種方式各自的優缺點,為你找到合適的方式。

              方式一:3D建模

            工業設計師正在設計新產品原型

              創建3D模型的第一種方法是使用專門的3D建模軟件從零開始。各行各業的專業人士都在廣泛使用這種方式,包括工程師、工業設計師、建筑師、CGI藝術家等等。

              要點:

              如果你要設計全新產品,沒有實物參照,那么3D建模不僅可以讓你放飛想象力,還能把創意變為現實。

              這種方法的偉大之處在于,你可以設計一些還不存在的物體,絕對獨一無二,比如汽車新部件或者視頻游戲中的奇幻生物;當然也適合已經存在但無法掃描的東西。

              例如,如果你需要一個世界著名建筑物的模型,但是它距離你的所在地非常遙遠,那么借助照片和視頻資料,從零開始創建一個3D模型更劃算,你不用親自前往,再安排三維掃描了(而且如果是歷史建筑,掃描起來可不簡單?。?,這可能會更容易,而且成本效益更高。又或者,你需要設計一些還沒有被創造出來的新物體,那么3D建??梢宰屇惴棚w想象力,并將其變為現實。

              有多種不同的3D建模技術和建模軟件,支持從零開始設計模型。這取決于你想要創建何種對象,以及預期應用是什么。

              參數化建模

            在 CAD軟件中設計3D模型

              工程師和設計師設計全新零件和組件的真實計算機模型時,參數化3D建?;駽AD(計算機輔助設計)是首選方法。我們日常接觸的幾乎所有現代產品都是用三維CAD建模法設計的。

             

              通過這種方法,設計師創建的3D模型所有參數,可以和實物完全相同:材料、重量、尺寸、光學參數、物理參數等等。這些模型隨后可以進行3D打印或數控加工,也可以用來運行復雜的模擬。例如,你可以設計組件,看它們是否相匹配,測試壓力下的反應,監測液體如何穿過它們,通過模擬評估制造方式等等。

              多邊形建模

            汽車的多邊形網格模型

              你所見過或玩過的幾乎所有視頻游戲或科幻電影,都離不開這項技術。多邊形模型是由多邊形組成的:平面、二維幾何、三角形或四邊形,藝術家通過改變這些多邊形來構建3D網格。與CAD建模不同,這種技術更多以概念為導向,而非測量。動畫和視頻游戲工作室使用多邊形建模完成很多設計,從電影和游戲人物到各種三維資產,如武器、盔甲、車輛和整個虛擬世界。

             

            數字雕塑

              這種方法也被3D藝術家用于游戲和動畫電影中,適合創建形狀自然且線條圓潤的超現實物體。該方法也被用于創建設計、草圖和3D打印的原型模型。這一過程和用粘土或石頭等真實材料進行雕刻非常相似。使用類似刷子的雕刻工具,你可以處理物體的多邊形網格,推、拉、扭轉各幾何部分,也能增加額外的幾何來模仿自然結構。與多邊形建模相比,數字雕塑需要更多的藝術技巧,而且需要格外仔細,也更耗時。所以在多數情況下,這些方法會同時使用:首先對物體進行建模,然后發送給三維雕塑家進行細節處理,完成形最終造型。

            在數字雕塑軟件中設計電視節目形象

              無論使用何種方法,選對合適的建模軟件都很重要,這些軟件必須包含所有必要的工具,才能讓你完成3D建模。

             

            適合新手的3D建模軟件

              如果你剛入行,正在尋找3D建模軟件,我們這里有幾款推薦。

              首先嘗試一下Blender。這款軟件不僅免費,而且還有很多教程以及一個強大的社區,是適合初學者的完美軟件。開源3D計算機圖形軟件適用范圍廣泛,包括視覺特效、3D模型打印、交互式應用、視頻游戲等等。

              對于專業人員和高階用戶來說,如果一款軟件能為每一步后期處理提供相應操作工具,那就是一款優秀軟件。不妨試試Autodesk Maya,也被稱為Maya。這款軟件支持用戶界面自定義設置,成為了視頻游戲開發、3D建模、3D動畫行業的選擇。決定付費使用前,可試用一個月。

            Zbrush中的3D模型龍

              另外,還可以嘗試3ds Max,同樣可以試用一個月。這款軟件專門用于角色建模、動畫和物品超現實渲染,這款軟件速度快,操作方便。

              如果你需要數字雕塑的軟件,可以嘗試ZBrush。ZBrush能處理大量多邊形構成的高聚合模型,并因此著稱,配合Artec Studio使用時,效果佳。其他類似軟件包括3D-Coat或Autodesk Mudbox。

              如果你需要CAD建模軟件,可以考慮SOLIDWORKS,這是工業標準級別的機械設計軟件。工程師和設計師將SOLIDWORKS用于零件和裝配建模,具有模擬功能和繪圖、裝配工具。其他推薦的CAD軟件有AutoCAD、Fusion 360或Rhinoceros。

              許多工作室也在使用這些軟件,如你打算創建3D模型,那么一定會與其中至少一款打交道。

            使用結構光三維掃描儀為內燃機曲軸進行三維掃描

              創建3D模型的第二種方法是掃描。CAD或多邊形建模支持從頭設計,但三維掃描有所不同,你可以為現實生活中的物體、人、環境制作精確的數字副本。這種方法可以獨立使用,但更多的時候可以作為已有建模工藝的補充,將掃描結果導出至CAD軟件,進行改造設計或檢查,也可以導出至多邊形建?;虻袼苘浖M行進一步潤色修改。

              要點:

              多邊形建模支持從頭開始設計模型,但三維掃描不同,你可以根據真實物體、人、環境制作精確的副本。該方法可以獨立使用,也可以融入其他建模工藝。

              三維掃描采用的技術不同,掃描過程也有有所不同。常見產品類型包括結構光三維掃描儀、激光三角測量掃描儀、時差測距激光掃描儀等等?,F在的一些智能手機和平板電腦也可以作為掃描儀使用,這要歸功于內置或附加的傳感器,設備才能感知三維世界。但無論使用何種技術,三維掃描儀的最終效果都是一樣的,即生成真實物體的三維模型,可用于從CAD到逆向工程、質量檢測到遺產保護、CGI等多種場景。

              下面我們介紹幾個三維掃描與傳統3D建模結合使用的案例。

             

            三維掃描與CAD

              精確采集物體幾何信息是三維掃描的用途之一,并用于分析、逆向工程,或檢查是否存在缺陷、是否與原始CAD模型或草圖存在偏差。如果找不到某個產品的三維或平面CAD文件,這一方法就特別有用。你無需花幾個小時的時間,從頭開始建模,只要掃描一下,幾分鐘后,就會顯示在屏幕上。和傳統建模、接觸式測量法(如CMM)相比,這一方式不僅更快,而且更精準。

            三維掃描儀搭配旋轉臺,掃描機械部件用于逆向工程

              除了三維復制能力,三維掃描儀還支持定制化解決方案,傳統建模是不可能實現的。例如,醫生和醫療專業人員使用三維掃描,為病人設計貼合身材的解決方案,如根據病人的脊柱掃描定制輪椅、定制鞋底或定制假肢。

             

            三維掃描與多邊形建模與雕塑

              如需追求高的逼真度,三維掃描儀也是一款常用工具,這點多邊形建?;虻袼芊ㄓ袝r無法實現。許多體育游戲工作室使用三維掃描儀掃描知名運動員的臉部,使3D形象看起來更逼真。電影公司也會使用三維掃描儀,來設計超現實的3D資產(如武器或車輛)時,或根據真實演員的造型來新建角色與其花幾個小時從頭開始設計,不如用掃描儀掃描現實生活中的實物或人,然后上傳模型,在常用3D設計軟件中進一步編輯。

            編輯三維掃描儀采集的第一人稱射擊游戲角色3D模型

             

            攝影測量法

              在某些情況下,除了三維掃描和3D建模外,一些專業人員也會采用另一種建模方法——攝影測量法。這種方法和三維掃描類似,通過用相機(或多個相機)為現實世界中存在的物體拍攝多張照片,拼接后創建3D模型。

              然而,與三維掃描相比,這個過程要從各個角度捕獲物體,并拍攝數百張照片,因此更為耗時。此外,也不能像三維掃描儀那樣實時構建模型,這樣就無法及時發現問題,也無法及時修復。

            多機位攝影測量設備用于全身三維掃描

              攝影測量法的主要優點是物體再現的紋理質量特別高,超過了大多數三維掃描儀。然而,這種方法的缺點是精確度欠佳。為了實現紋理和幾何效果,建議同時使用三維掃描儀和攝影測量法。

             

            3D模型存儲和銷售平臺

              三維模型完成后,使用和分享的途徑也有很多。如果模型僅供內部使用,可以把它存儲在電腦上,或者上傳到文件共享平臺,如Dropbox。如果你想分享的人沒有兼容的3D軟件,或許可以上傳到某些網站,不僅支持模型存儲,也支持他人查看和下載。

              許多網站支持3D模型的存儲和銷售。有些網站,如Sketchfab或Turbosquid的Kraken,支持創建自己的模型作品集,供私人和公眾查看。例如,在Sketchfab中,你不僅可以上傳模型,還能調整光線和其他參數,并獲得一個嵌入代碼,這樣就可以像發布優酷視頻或微博一樣將其發布到網站上。

              有些平臺,包括Sketchfab、Turbosquid、CGTrader和Quixel,不僅支持3D模型的存儲,還能將模型出售給感興趣的顧客。像Unity和Unreal Engine這樣的游戲引擎有自己的3D模型市場,游戲開發者可以在這里為他們的游戲購買3D資產。

              受歡迎的3D建模和設計軟件開發者(如Autodesk),都有自己的3D模型瀏覽網站,可以直接從軟件中上傳3D模型。同樣,像Artec Studio這樣的3D掃描軟件也可以做到這點,支持將最終的3D模型導出到原生3D查看器ViewShape中。

             

            結論

              綜上所述,我們有各種方法來創建3D模型。如果需要為尚不存在或全新的物體建模,可以用3D建模軟件。如果需要對已經存在的物體建模,則可以考慮三維掃描。不僅可以節省時間和精力,還能得到精準的效果,這或許是傳統建模工具永遠無法實現的。

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