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Gráficos por computadora tridimensionales (3D)
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En gráficos por computadora en 3D , el modelado 3D es el proceso de desarrollar una representación basada en coordenadas matemáticas de cualquier superficie de un objeto (inanimado o vivo) en tres dimensiones a través de software especializado mediante la manipulación de bordes, vértices y polígonos en un espacio 3D simulado. [1] [2] [3]

Los modelos tridimensionales (3D) representan un cuerpo físico utilizando una colección de puntos en el espacio 3D, conectados por varias entidades geométricas como triángulos, líneas, superficies curvas, etc. [4] Siendo una colección de datos ( puntos y otra información) , Los modelos 3D se pueden crear de forma manual, algorítmica ( modelado de procedimientos ) o mediante escaneo . [5] [6] Sus superficies pueden definirse más con el mapeo de texturas .

Esquema

El producto se llama modelo 3D . Alguien que trabaja con modelos 3D puede denominarse artista 3D o modelador 3D .

Un modelo 3D también puede mostrarse como una imagen bidimensional a través de un proceso llamado renderizado 3D o usarse en una simulación por computadora de fenómenos físicos.

Los modelos 3D se pueden crear de forma automática o manual. El proceso de modelado manual de preparar datos geométricos para gráficos por computadora en 3D es similar a las artes plásticas como la escultura . El modelo 3D se puede crear físicamente utilizando dispositivos de impresión 3D que forman capas 2D del modelo con material tridimensional, una capa a la vez. Sin un modelo 3D, no es posible una impresión 3D. [7]

El software de modelado 3D es una clase de software de gráficos por computadora en 3D que se utiliza para producir modelos 3D. Los programas individuales de esta clase, como SketchUp , se denominan aplicaciones de modelado. [8]

Historia

Modelo tridimensional de un espectrógrafo [9]
Modelo de videojuego 3D giratorio
Los modelos de selfies en 3D se generan a partir de imágenes en 2D tomadas en el fotomatón Fantasitron 3D en Madurodam

Los modelos 3D ahora se usan ampliamente en cualquier lugar de  gráficos 3D  y  CAD, pero su historia es anterior al uso generalizado de gráficos 3D en  computadoras personales .

En el pasado, muchos  juegos de computadora  usaban imágenes pre-renderizadas de modelos 3D como  sprites  antes de que las computadoras pudieran renderizarlas en tiempo real. Luego, el diseñador puede ver el modelo en varias direcciones y vistas, esto puede ayudar al diseñador a ver si el objeto se creó según lo previsto en comparación con su visión original. Ver el diseño de esta manera puede ayudar al diseñador o la empresa a descubrir los cambios o las mejoras necesarias para el producto. [10] [11]

Representación

Una versión moderna del modelo icónico de tetera de Utah desarrollado por Martin Newell (1975). La tetera Utah es uno de los modelos más comunes utilizados en la educación de gráficos 3D.

Casi todos los modelos 3D se pueden dividir en dos categorías:

  • Sólido : estos modelos definen el volumen del objeto que representan (como una roca). Los modelos sólidos se utilizan principalmente para simulaciones médicas y de ingeniería, y generalmente se construyen con geometría sólida constructiva
  • Cáscara o límite : estos modelos representan la superficie, es decir, el límite del objeto, no su volumen (como una cáscara de huevo infinitesimalmente delgada). Casi todos los modelos visuales utilizados en juegos y películas son modelos de caparazón.

El modelado de sólidos y conchas puede crear objetos funcionalmente idénticos. Las diferencias entre ellos son principalmente variaciones en la forma en que se crean y editan y convenciones de uso en varios campos y diferencias en los tipos de aproximaciones entre el modelo y la realidad.

Los modelos de carcasa deben ser múltiples (sin agujeros ni grietas en la carcasa) para que sean significativos como un objeto real. En un modelo de caparazón de un cubo, la superficie inferior y superior del cubo debe tener un grosor uniforme sin agujeros ni grietas en la primera y última capa impresa. Las mallas poligonales (y en menor medida las superficies de subdivisión ) son, con mucho, la representación más común. Los conjuntos de niveles son una representación útil para deformar superficies que sufren muchos cambios topológicos, como los fluidos .

El proceso de transformar representaciones de objetos, como la coordenada del punto medio de una esfera y un punto en su circunferencia en una representación poligonal de una esfera, se llama teselación . Este paso se utiliza en el renderizado basado en polígonos, donde los objetos se dividen desde representaciones abstractas (" primitivas ") como esferas, conos , etc., a las llamadas mallas , que son redes de triángulos interconectados. Las mallas de triángulos (en lugar de, por ejemplo, cuadrados ) son populares ya que han demostrado ser fáciles de rasterizar (la superficie descrita por cada triángulo es plana, por lo que la proyección siempre es convexa); . [12] Las representaciones poligonales no se utilizan en todas las técnicas de renderizado y, en estos casos, el paso de teselación no se incluye en la transición de la representación abstracta a la escena renderizada.

Proceso

Hay tres formas populares de representar un modelo:

  • Modelado poligonal : los puntos en el espacio 3D, llamados vértices , están conectados por segmentos de línea para formar una malla poligonal . La gran mayoría de los modelos 3D de hoy en día se construyen como modelos poligonales texturizados, porque son flexibles y porque las computadoras pueden renderizarlos muy rápidamente. Sin embargo, los polígonos son planos y solo pueden aproximarse a superficies curvas utilizando muchos polígonos.
  • Modelado de curvas : las superficies se definen mediante curvas, que están influenciadas por puntos de control ponderados. La curva sigue (pero no necesariamente interpola) los puntos. Aumentar el peso de un punto acercará la curva a ese punto. Los tipos de curvas incluyen B-spline racionales no uniformes (NURBS), splines, parches y primitivas geométricas
  • Escultura digital : todavía es un método bastante nuevo de modelado, la escultura en 3D se ha vuelto muy popular en los pocos años que existe. [ cita requerida ] Actualmente existen tres tipos de escultura digital: El desplazamiento , que es la aplicación más utilizada en este momento, utiliza un modelo denso (a menudo generado por superficies de subdivisión de una malla de control poligonal) y almacena nuevas ubicaciones para el vértice posiciones mediante el uso de un mapa de imágenes que almacena las ubicaciones ajustadas. Volumétrico , vagamente basado en vóxeles, tiene capacidades similares a las del desplazamiento, pero no sufre el estiramiento del polígono cuando no hay suficientes polígonos en una región para lograr una deformación. La teselación dinámica , que es similar al vóxel, divide la superficie mediante triangulación para mantener una superficie lisa y permitir detalles más finos. Estos métodos permiten una exploración muy artística, ya que el modelo tendrá una nueva topología creada sobre él una vez que los modelos se formen y posiblemente los detalles se hayan esculpido. La nueva malla generalmente tendrá la información original de la malla de alta resolución transferida a datos de desplazamiento o datos de mapas normales si se trata de un motor de juego.
Un pez de fantasía en 3D compuesto por superficies orgánicas generadas con LAI4D.

La etapa de modelado consiste en dar forma a objetos individuales que luego se utilizan en la escena. Hay varias técnicas de modelado, que incluyen:

  • Geometría sólida constructiva
  • Superficies implícitas
  • Superficies de subdivisión

El modelado se puede realizar mediante un programa dedicado (por ejemplo, Cinema 4D , Maya , 3ds Max , Blender , LightWave , Modo ) o un componente de aplicación (Shaper, Lofter en 3ds Max) o algún lenguaje de descripción de escena (como en POV-Ray ). En algunos casos, no existe una distinción estricta entre estas fases; en tales casos, el modelado es solo una parte del proceso de creación de la escena (este es el caso, por ejemplo, de Caligari trueSpace y Realsoft 3D ).

También se pueden crear modelos 3D utilizando la técnica de fotogrametría con programas dedicados como RealityCapture , Metashape , 3DF Zephyr y Meshroom. La limpieza y el procesamiento posterior se pueden realizar con aplicaciones como MeshLab , GigaMesh Software Framework , netfabb o MeshMixer. La fotogrametría crea modelos utilizando algoritmos para interpretar la forma y textura de objetos y entornos del mundo real basándose en fotografías tomadas desde muchos ángulos del sujeto.

Los materiales complejos como arena, nubes y aerosoles líquidos se modelan con sistemas de partículas y son una masa de coordenadas 3D que tienen puntos , polígonos , símbolos de textura o sprites asignados.

Modelos humanos

La primera aplicación comercial ampliamente disponible de modelos virtuales humanos apareció en 1998 en el sitio web de Lands 'End . Los modelos virtuales humanos fueron creados por la empresa My Virtual Mode Inc. y permitieron a los usuarios crear un modelo de sí mismos y probarse ropa en 3D. [13] Hay varios programas modernos que permiten la creación de modelos humanos virtuales ( Poser es un ejemplo).

Ropa 3D

Modelo dinámico de ropa 3D hecho en Marvelous Designer

El desarrollo de software de simulación de telas , como Marvelous Designer, CLO3D y Optitex, ha permitido a artistas y diseñadores de moda modelar prendas dinámicas en 3D en la computadora. [14] La ropa dinámica en 3D se utiliza para catálogos virtuales de moda, así como para vestir personajes en 3D para videojuegos, películas de animación en 3D, para dobles digitales en películas [15] y para confeccionar ropa para avatares en mundos virtuales como SecondLife. .

Comparación con métodos 2D

Los efectos fotorrealistas en 3D a menudo se logran sin modelado de estructura de alambre y, a veces, son indistinguibles en la forma final. Algunos programas de arte gráfico incluyen filtros que se pueden aplicar a gráficos vectoriales 2D o gráficos rasterizados 2D en capas transparentes.

Las ventajas del modelado 3D de estructura alámbrica sobre los métodos exclusivamente 2D incluyen:

  • Flexibilidad, capacidad para cambiar ángulos o animar imágenes con una representación más rápida de los cambios;
  • Facilidad de renderizado, cálculo automático y renderizado de efectos fotorrealistas en lugar de visualizar o estimar mentalmente;
  • Fotorrealismo preciso, menos posibilidades de error humano al extraviar, exagerar u olvidar incluir un efecto visual.

Las desventajas en comparación con la representación fotorrealista en 2D pueden incluir una curva de aprendizaje del software y la dificultad para lograr ciertos efectos fotorrealistas. Se pueden lograr algunos efectos fotorrealistas con filtros de renderizado especiales incluidos en el software de modelado 3D. Para obtener lo mejor de ambos mundos, algunos artistas utilizan una combinación de modelado 3D seguido de la edición de imágenes 2D renderizadas por computadora a partir del modelo 3D.

Mercado de modelos 3D

La primera empresa en vender modelos 3D fue Viewpoint (Orem, UT), fundada por John Wright en 1988. El primer modelo 3D digitalizado de John fue un automóvil fabricado en 1984 con Movie.byu en una computadora HP 9000. El primer modelo 3D "Catalog" se hizo para Wallace Colvard en 1990, quien estaba trabajando para NBC para crear el primer balón de fútbol americano y un casco para un nuevo comercial de animación 3D del Super Bowl llamado "Bud Bowl". Wallace llamó a John y le preguntó si Viewpoint tenía un balón de fútbol en 3D en su "catálogo". Viewpoint no tenía un catálogo, por lo que John y su equipo hicieron rápidamente el primer catálogo de objetos 3D que incluía solo algunos objetos 3D y lo "enviaron por fax" a Wallace. El negocio de modelos 3D de Viewpoint creció a más de $ 6 millones en ventas en 1998 y sus modelos todavía se muestran en miles de películas (Total Recall, Independence Day, Antz, etc.) Todavía existe un gran mercado para modelos 3D (así como contenido relacionado con 3D, como texturas, guiones, etc.), ya sea para modelos individuales o grandes colecciones. Varios mercados en línea para contenido 3D permiten a los artistas individuales vender contenido que han creado, incluidoTurboSquid , 3DBaza , CGStudio, CreativeMarket, Sketchfab , CGTradery cultos. A menudo, el objetivo de los artistas es obtener un valor adicional de los activos que han creado previamente para proyectos. Al hacerlo, los artistas pueden ganar más dinero con su contenido anterior, y las empresas pueden ahorrar dinero comprando modelos prefabricados en lugar de pagarle a un empleado para que cree uno desde cero. Estos mercados generalmente dividen la venta entre ellos y el artista que creó el activo, los artistas obtienen entre el 40% y el 95% de las ventas de acuerdo con el mercado. En la mayoría de los casos, el artista conserva la propiedad del modelo 3D, mientras que el cliente solo compra el derecho a usar y presentar el modelo. Algunos artistas venden sus productos directamente en sus propias tiendas ofreciendo sus productos a un precio menor al no utilizar intermediarios.

En los últimos años han surgido numerosos mercados especializados en modelos de impresión 3D. Algunos de los mercados de impresión 3D son una combinación de modelos que comparten sitios, con o sin una función de comunicación electrónica incorporada. Algunas de esas plataformas también ofrecen servicios de impresión en 3D a la carta, de software para el modelo de representación y visualización dinámica de artículos, etc. 3D plataformas de intercambio de archivos de impresión incluyen Shapeways , sketchfab , Pinshape , Thingiverse , TurboSquid , CGTrader , Threeding , MyMiniFactory y GrabCAD .

Impresión 3D

El término impresión 3D o impresión tridimensional es una forma de tecnología de fabricación aditiva en la que se crea un objeto tridimensional a partir de capas sucesivas de material. [16] Los objetos se pueden crear sin la necesidad de complejos y costosos moldes o ensamblajes con múltiples partes. La impresión 3D permite crear prototipos y probar ideas sin tener que pasar por un proceso de producción. [16] [17]

En los últimos años, ha habido un aumento en el número de empresas que ofrecen modelos personalizados impresos en 3D de objetos que han sido escaneados, diseñados en software CAD y luego impresos según los requisitos del cliente. Los modelos 3D se pueden comprar en mercados en línea e imprimirlos personas o empresas que utilizan impresoras 3D disponibles comercialmente, lo que permite la producción en el hogar de objetos como piezas de repuesto e incluso equipos médicos. [18] [19]

Usos

Pasos de la reconstrucción facial forense de una momia realizada en Blender por el diseñador 3D brasileño Cícero Moraes .

Hoy en día, el modelado 3D se utiliza en diversas industrias como el cine, la animación y los juegos, el diseño de interiores y la arquitectura . [20] También se utilizan en la industria médica para crear representaciones interactivas de la anatomía. [21]

La industria médica utiliza modelos detallados de órganos; estos pueden crearse con múltiples cortes de imágenes en 2-D de una resonancia magnética o tomografía computarizada . La industria del cine los utiliza como personajes y objetos animados para la vida real y las imágenes en movimiento . La industria de los videojuegos los usa como activos para computadoras y videojuegos .

El sector científico los utiliza como modelos muy detallados de compuestos químicos. [22]

La industria de la arquitectura los usa para demostrar edificios y paisajes propuestos en lugar de modelos arquitectónicos físicos tradicionales .

La comunidad de ingenieros los utiliza como diseños de nuevos dispositivos, vehículos y estructuras, así como una serie de otros usos.

En las últimas décadas, la comunidad de las ciencias de la tierra ha comenzado a construir modelos geológicos 3D como práctica estándar.

Los modelos 3D también pueden ser la base para dispositivos físicos que se construyen con impresoras 3D o máquinas CNC .

En términos de desarrollo de videojuegos, el modelado 3D es una etapa en un proceso de desarrollo más largo. En pocas palabras, la fuente de la geometría de la forma de un objeto puede ser:

1. Un diseñador, ingeniero industrial o artista que utiliza un sistema CAD en 3D.

2. Un objeto existente, sometido a ingeniería inversa o copiado con un digitalizador o escáner de formas 3D

3. Datos matemáticos almacenados en la memoria basados ​​en una descripción numérica o cálculo del objeto. [dieciséis]

También se utiliza una gran cantidad de software 3D para construir una representación digital de modelos mecánicos o piezas antes de que se fabriquen. En tales campos se utiliza software relacionado con CAD y CAM , y con este software, no solo puede construir las piezas, sino también ensamblarlas y observar su funcionalidad.

El modelado 3D también se utiliza en el campo del diseño industrial , donde los productos se modelan en 3D antes de representarlos a los clientes. En las industrias de eventos y medios, el modelado 3D se utiliza en el diseño de escenarios y escenarios . [23] [24]

La traducción OWL 2 del vocabulario de X3D se puede utilizar para proporcionar descripciones semánticas para modelos 3D , lo que es adecuado para indexar y recuperar modelos 3D por características como geometría, dimensiones, material, textura, reflexión difusa, espectros de transmisión, transparencia, reflectividad, opalescencia, esmaltes, barnices y esmaltes (a diferencia de las descripciones textuales no estructuradas o los museos y exposiciones virtuales 2.5D que utilizan Google Street View en Google Arts & Culture , por ejemplo). [25] La representación RDF de modelos 3Dse puede utilizar en el razonamiento , lo que permite aplicaciones 3D inteligentes que, por ejemplo, pueden comparar automáticamente dos modelos 3D por volumen. [26]

Probando un modelo sólido 3D

Los modelos sólidos 3D se pueden probar de diferentes maneras dependiendo de lo que se necesite mediante el uso de simulación, diseño de mecanismos y análisis. Si un motor está diseñado y ensamblado correctamente (esto se puede hacer de manera diferente dependiendo del programa de modelado 3D que se esté utilizando), utilizando la herramienta de mecanismo, el usuario debería poder saber si el motor o la máquina están ensamblados correctamente por su funcionamiento. Los diferentes diseños deberán probarse de diferentes maneras. Por ejemplo; una bomba de piscina necesitaría una simulación del agua corriendo a través de la bomba para ver cómo fluye el agua a través de la bomba. Estas pruebas verifican si un producto está desarrollado correctamente o si necesita ser modificado para cumplir con sus requisitos.

Ver también

  • Lista de software de modelado 3D
  • Lista de modelos de prueba 3D comunes
  • Lista de formatos de archivo: gráficos 3D
  • Modelo de ciudad 3D
  • Software de gráficos por computadora en 3D
  • Figura 3D
  • Impresión 3d
  • Escáner 3D
  • Escaneo 3D
  • Formato de archivo de fabricación aditiva
  • Modelado de información de construcción
  • Modelado de tela
  • Animación facial por computadora
  • Caja de Cornell
  • Geometría digital
  • Bucle de borde
  • Evolver
  • Modelado geológico
  • Holografía
  • Tomografía computarizada industrial
  • Cubos de marcha
  • Cascada abierta
  • Malla poligonal
  • Modelado poligonal
  • Trazado de rayos (gráficos)
  • Escala (geometría)
  • SIGGRAPH
  • Conejito de Stanford
  • Malla triangular
  • Tetera de Utah
  • Voxel
  • B-rep

Enlaces externos

Medios relacionados con el modelado 3D en Wikimedia Commons

Referencias

  1. ^ "¿Qué es el modelado 3D y para qué se utiliza?" . Imperio del arte conceptual . 2018-04-27 . Consultado el 5 de mayo de 2021 .
  2. ^ "Modelado 3D" . Software Siemens Digital Industries . Consultado el 14 de julio de 2021 .
  3. ^ Marketing, TOPS (27 de abril de 2020). "¿Qué es el modelado 3D? | Cómo se usa hoy el modelado 3D" . TOPS . Consultado el 14 de julio de 2021 .
  4. ^ años, Justin Slick Writer El ex escritor de Lifewire, Justin Slick, ha estado creando gráficos por computadora en 3D durante más de 10; Carácter, especializado en; Creación de medio ambiente elegante nuestro proceso editorial Justin. "Proceso de modelado 3D definido" . Lifewire . Consultado el 14 de julio de 2021 .
  5. ^ "Cómo escanear en 3D con un teléfono: estos son nuestros mejores consejos" . Sculpteo . Consultado el 14 de julio de 2021 .
  6. ^ "Facebook y Matterport colaboran en entornos de entrenamiento virtual realistas para IA" . TechCrunch . Consultado el 14 de julio de 2021 .
  7. ^ "Modelado 3D: Creación de objetos 3D" . Sculpteo . Consultado el 5 de mayo de 2021 .
  8. ^ Tredinnick Ross, Victoria Interrante (octubre de 2006). "Una herramienta de diseño arquitectónico inmersivo basada en tabletas". ACADIA 2006: Intercambio digital de paisajes sintéticos Difusión digital: Difusión y representación : 329.
  9. ^ "Inicia el proyecto ERIS" . Anuncio de ESO . Consultado el 14 de junio de 2013 .
  10. ^ "¿Qué es el modelado de sólidos? Software CAD 3D. Aplicaciones del modelado de sólidos" . Ingeniería Brighthub . Consultado el 18 de noviembre de 2017 .
  11. ^ Renderizado arquitectónico 3D 101 Una guía definitiva ArchiCGI
  12. ^ Jon Radoff , Anatomía de un MMORPG Archivado el 13 de diciembre de 2009 en la Wayback Machine , 22 de agosto de 2008
  13. ^ "Termina el fin primero con la nueva tecnología 'Mi modelo virtual': elimina las conjeturas de las compras en la Web de ropa que le quede bien" . PRNewswire . Lands 'End . 12 de febrero de 2004 . Consultado el 24 de noviembre de 2013 .
  14. ^ "Todo sobre la moda virtual y la creación de ropa 3D" . CGElves . Consultado el 25 de diciembre de 2015 .
  15. ^ "Ropa 3D hecha para El Hobbit con Marvelous Designer" . 3DArtista . Consultado el 9 de mayo de 2013 .
  16. ↑ a b c Burns, Marshall (1993). Fabricación automatizada: mejora de la productividad en la fabricación . Englewood Cliffs, Nueva Jersey: PTR Prentice Hall. págs. 1-12, 75, 192-194. ISBN 0-13-119462-3. OCLC  27810960 .
  17. ^ "¿Qué es la impresión 3D? La guía definitiva" . Hubs 3D . Consultado el 18 de noviembre de 2017 .
  18. ^ "Juguetes de impresión 3D" . Business Insider . Consultado el 25 de enero de 2015 .
  19. ^ "Nuevas tendencias en impresión 3D: dispositivos médicos personalizados" . Envisiontec . Consultado el 25 de enero de 2015 .
  20. ↑ Rector, Emily (17 de septiembre de 2019). "¿Qué es el modelado y el diseño 3D? Una guía para principiantes en 3D" . MarketScale . Consultado el 5 de mayo de 2021 .
  21. ^ "Los modelos de realidad virtual 3D ayudan a producir mejores resultados quirúrgicos: la tecnología innovadora mejora la visualización de la anatomía del paciente, encuentra un estudio" . ScienceDaily . Consultado el 19 de septiembre de 2019 .
  22. ^ Peddie, John (2013). La historia de la magia visual en las computadoras . Londres: Springer-Verlag. págs. 396–400. ISBN 978-1-4471-4931-6.
  23. ^ "Modelado 3D para empresas" . Mobiliario CGI . Consultado el 5 de noviembre de 2020 .
  24. ^ "¿Qué es el modelado 3D? Cosas que debes saber hoy en día" . Archicgi . Consultado el 2 de agosto de 2016 .
  25. ^ Sikos, LF (2016). "Semántica rica para modelos 3D interactivos de artefactos culturales". Investigación en Metadatos y Semántica . Comunicaciones en Informática y Ciencias de la Información. 672 . Springer International Publishing . págs. 169–180. doi : 10.1007 / 978-3-319-49157-8_14 . ISBN 978-3-319-49156-1.
  26. ^ Yu, D .; Hunter, J. (2014). "Identificadores de fragmentos X3D: ampliación del modelo de anotación abierta para admitir la anotación semántica de objetos del patrimonio cultural 3D en la Web". Revista Internacional de Patrimonio en la Era Digital . 3 (3): 579–596. doi : 10.1260 / 2047-4970.3.3.579 .