Los modelos tridimensionales (3D) representan un cuerpo físico utilizando una colección de puntos en el espacio 3D, [4] [5] conectados por varias entidades geométricas como triángulos, líneas, superficies curvas, etc. [6] Ser una colección de datos ( puntos y otra información), los modelos 3D se pueden crear manualmente, algorítmicamente ( modelado de procedimientos ) o mediante escaneo . [7] [8] Sus superficies se pueden definir aún más con mapeo de texturas .
Describir
El producto se denomina modelo 3D, mientras que alguien que trabaja con modelos 3D puede denominarse artista 3D o modelador 3D.
Un modelo 3D también se puede mostrar como una imagen bidimensional mediante 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 preparación de 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, la impresión 3D no es posible.
Los modelos 3D ahora se utilizan ampliamente en gráficos 3D y CAD , pero su historia es anterior al uso generalizado de gráficos 3D en computadoras personales . [11]
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, lo que puede ayudarle 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 a la empresa a determinar los cambios o mejoras necesarios en el producto. [12]
Representación
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 infinitamente 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 diversos campos y diferencias en los tipos de aproximaciones entre el modelo y la realidad.
Los modelos de concha deben ser múltiples (sin agujeros ni grietas en la concha) para que tengan significado como objeto real. En un modelo de cáscara de un cubo, la superficie inferior y superior del cubo deben tener un espesor 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 diferencia, 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 de su circunferencia , en una representación poligonal de una esfera, se llama teselación . Este paso se utiliza en la representación basada en polígonos, donde los objetos se descomponen desde representaciones abstractas (" primitivas ") como esferas, conos , etc., hasta las llamadas mallas , que son redes de triángulos interconectados. Las mallas de triángulos (en lugar de, por ejemplo, cuadrados ) son populares porque han demostrado ser fáciles de rasterizar (la superficie descrita por cada triángulo es plana, por lo que la proyección siempre es convexa); . [13] 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
Explorando diferentes tipos de técnicas de modelado 3D [14]
Modelado poligonal : el modelado poligonal es una técnica fundamental y ampliamente utilizada en el modelado 3D. Gira en torno a conectar vértices, aristas y caras para formar polígonos, lo que permite a los artistas un control preciso sobre la geometría. Esta técnica es eficaz para producir modelos de muebles detallados con notable precisión, capturando cada detalle intrincado.
Modelado de superficies de subdivisión : el modelado de superficies de subdivisión es una técnica empleada para producir formas suaves y orgánicas a partir de una malla base. Es especialmente valioso a la hora de crear muebles como sofás, cojines y sillas ergonómicas. Al subdividir la malla base y alisar la superficie, se crean modelos de alta calidad, perfectos para fines de marketing o comercio electrónico.
Modelado NURBS Las splines de base racional no uniforme (NURBS) son muy efectivas para crear superficies suaves y precisas. Esta técnica es ideal para modelar muebles con detalles intrincados y curvas. Las superficies NURBS mantienen su suavidad incluso cuando se escalan o modifican, lo que permite a los diseñadores modificar el tamaño o la forma de los muebles sin comprometer la calidad o la estética.
Operaciones booleanas : el modelado 3D booleano, también conocido como operaciones booleanas, se refiere a una técnica utilizada en gráficos por computadora en 3D para crear formas complejas combinando o restando múltiples objetos o volúmenes. Implica realizar operaciones como unión, intersección y diferencia en las primitivas geométricas o mallas para lograr la forma deseada. El modelado booleano permite a los artistas y diseñadores crear fácilmente formas complejas combinando objetos simples y manipulándolos mediante operaciones booleanas. Esta técnica se usa comúnmente en software de modelado 3D y es útil para diversas aplicaciones como arquitectura, diseño de productos y animación.
Modelado de procedimientos : el modelado de procedimientos es una técnica utilizada en gráficos por computadora e imágenes generadas por computadora (CGI) para crear modelos 3D realistas o estilizados. Implica el uso de algoritmos o reglas para generar la geometría, la textura u otras propiedades de un modelo automáticamente, en lugar de crear cada detalle manualmente. En el modelado de procedimientos, un artista o programador define un conjunto de reglas o parámetros para describir las características deseadas de un modelo. Estas reglas pueden basarse en matemáticas, variaciones aleatorias u otros procedimientos lógicos. Luego, el modelo se genera aplicando estas reglas, a menudo de forma iterativa, para obtener la forma, los detalles y las variaciones deseadas. Esta técnica se utiliza comúnmente en diversas aplicaciones, incluida la generación de terrenos, edificios, vegetación o incluso personajes complejos. Permite la creación eficiente de entornos a gran escala con características detalladas y realistas. El modelado de procedimientos también se puede combinar con técnicas de modelado tradicionales para obtener más flexibilidad y control sobre el resultado final. Algunas ventajas del modelado de procedimientos incluyen la capacidad de modificar o recrear modelos fácilmente, el potencial de variaciones realistas y aleatoriedad, y la capacidad de crear detalles complejos e intrincados de manera eficiente. Sin embargo, también tiene limitaciones, como la posibilidad de falta de control sobre detalles específicos o dificultades para lograr estilos artísticos específicos. En general, el modelado procedimental es una técnica poderosa y versátil que permite la creación de modelos 3D complejos y realistas de una manera más eficiente y flexible que las técnicas tradicionales de modelado manual.
Escultura digital : la escultura digital es una técnica utilizada por artistas y diseñadores para crear modelos 3D utilizando software especializado. Permite a los artistas esculpir objetos virtuales con herramientas similares a las utilizadas en la escultura tradicional, como pinceles, arcilla y herramientas de tallado. El artista manipula la arcilla o el material virtual para crear modelos intrincados y detallados que se pueden ver desde todos los ángulos. La escultura digital ofrece más flexibilidad y control en comparación con los métodos de escultura tradicionales, ya que permite deshacer y rehacer, escalar y experimentar fácilmente con diferentes materiales y texturas. Se utiliza comúnmente en industrias como el cine, la animación, los videojuegos y el diseño de productos. Actualmente existen tres tipos de escultura digital: Desplazamiento , que es la más utilizada entre las aplicaciones en este momento, utiliza un modelo denso (a menudo generado por superficies de subdivisión de una malla de control de polígonos) y almacena nuevas ubicaciones para las posiciones de los vértices mediante el uso de un mapa de imágenes que almacena las ubicaciones ajustadas. Volumétrico , basado libremente en vóxeles , tiene capacidades similares al desplazamiento, pero no sufre estiramiento de polígonos 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 suave 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 se formen los modelos y posiblemente se hayan esculpido los detalles. La nueva malla generalmente tendrá la información de malla original de alta resolución transferida a datos de desplazamiento o datos de mapa normales si se trata de un motor de juego.
La etapa de modelado consiste en dar forma a objetos individuales que luego se utilizan en la escena. Existen varias técnicas de modelado, entre ellas:
El modelado se puede realizar mediante un programa dedicado (por ejemplo, software de modelado 3D de Adobe Substance, Blender , Cinema 4D , LightWave , Maya , Modo , 3ds Max ) o un componente de aplicación (Shaper, Lofter en 3ds Max) o alguna descripción de la escena. lenguaje (como en POV-Ray ). En algunos casos, no existe una distinción estricta entre estas fases; en tales casos, el modelado es sólo 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 y 3DF Zephyr . 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.
Existe una variedad de programas de modelado 3D que se pueden utilizar en las industrias de ingeniería, diseño de interiores, cine y otras. Cada software de modelado 3D tiene capacidades específicas y puede utilizarse para satisfacer las demandas de la industria.
código g
Muchos programas incluyen opciones de exportación para formar un código g , aplicable a maquinaria de fabricación aditiva o sustractiva. El código G (control numérico por computadora) funciona con tecnología automatizada para formar una interpretación del mundo real de modelos 3D. Este código es un conjunto específico de instrucciones para llevar a cabo los pasos de la fabricación de un producto. [15]
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. Existen varios programas modernos que permiten la creación de modelos humanos virtuales ( Poser es un ejemplo).
ropa 3D
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. [16]
La ropa dinámica en 3D se utiliza para catálogos de moda virtuales, así como para vestir personajes en 3D para videojuegos, películas de animación en 3D, para dobles digitales en películas, [17] como herramienta de creación para marcas de moda digitales , así como para confeccionar ropa para avatares en mundos virtuales como SecondLife .
Las ventajas del modelado 3D de estructura alámbrica sobre los métodos exclusivamente 2D incluyen:
Flexibilidad, capacidad de 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 renderización fotorrealista 2D pueden incluir una curva de aprendizaje del software y 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
Existe un gran mercado para modelos 3D (así como contenido relacionado con 3D, como texturas, guiones, etc.), ya sea para modelos individuales o para grandes colecciones. Varios mercados en línea de contenido 3D permiten a artistas individuales vender contenido que ellos mismos han creado, incluidos TurboSquid , MyMiniFactory , Sketchfab , CGTrader y Cults . A menudo, el objetivo de los artistas es obtener valor adicional de los activos que han creado previamente para proyectos. Al hacerlo, los artistas pueden ganar más dinero con su contenido antiguo y las empresas pueden ahorrar dinero comprando modelos prefabricados en lugar de pagarle a un empleado para que cree uno desde cero. Estos mercados normalmente dividen la venta entre ellos y el artista que creó el activo; los artistas obtienen entre el 40% y el 95% de las ventas según el mercado. En la mayoría de los casos, el artista conserva la propiedad del modelo 3D, mientras que el cliente sólo compra el derecho a utilizar 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.
La industria de arquitectura, ingeniería y construcción (AEC) es el mayor mercado para el modelado 3D, con un valor estimado de 12,13 mil millones de dólares para 2028. [18] Esto se debe a la creciente adopción del modelado 3D en la industria AEC, que ayuda a mejorar la precisión del diseño, reducir errores y omisiones y facilitar la colaboración entre las partes interesadas del proyecto. [19] [20]
En los últimos años han surgido numerosos mercados especializados en modelos de renderizado e impresión 3D. Algunos de los mercados de impresión 3D son una combinación de sitios para compartir modelos, con o sin capacidad de comercio electrónico incorporada. Algunas de esas plataformas también ofrecen servicios de impresión 3D bajo demanda, software para renderizado de modelos y visualización dinámica de artículos.
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. [21] Los objetos se pueden crear sin la necesidad de moldes costosos y complejos o ensamblajes con múltiples piezas. La impresión 3D permite crear prototipos y probar ideas sin tener que pasar por un proceso de producción. [21] [22]
Los modelos 3D pueden comprarse en mercados en línea e imprimirse por personas o empresas utilizando impresoras 3D disponibles comercialmente, lo que permite la producción casera de objetos como repuestos e incluso equipos médicos. [23] [24]
Usos
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 . [25] [26] También se utilizan en la industria médica para crear representaciones interactivas de la anatomía. [27] [28]
El sector científico los utiliza como modelos muy detallados de compuestos químicos. [31]
La industria de la arquitectura los utiliza para demostrar edificios y paisajes propuestos en lugar de modelos arquitectónicos físicos tradicionales . [32] Además, el uso del nivel de detalle (LOD) en modelos 3D se está volviendo cada vez más importante en la industria AEC. LOD es una medida del nivel de detalle y precisión incluido en un modelo 3D. Los niveles LOD varían de 100 a 500, donde LOD 100 representa un modelo conceptual que muestra la masa básica y la ubicación de los objetos, y LOD 500 representa un modelo extremadamente detallado que incluye información sobre cada aspecto del edificio, incluidos los sistemas MEP y los acabados interiores. . Al utilizar LOD, los arquitectos , ingenieros y contratistas generales pueden comunicar de manera más efectiva la intención del diseño y tomar decisiones más informadas durante todo el proceso de construcción. [33] [34]
La comunidad arqueológica ahora está creando modelos 3D de patrimonio cultural para investigación y visualización. [35] [36] La comunidad de ingenieros los utiliza como diseños de nuevos dispositivos, vehículos y estructuras, así como para una serie de otros usos. En las últimas décadas, la comunidad de ciencias de la tierra ha comenzado a construir modelos geológicos 3D como práctica estándar. [37] [38] Los modelos 3D también pueden ser la base para dispositivos físicos que se construyen con impresoras 3D o máquinas CNC . [39] [40]
En términos de desarrollo de videojuegos, el modelado 3D es una etapa de un proceso de desarrollo más largo. En pocas palabras, la fuente de la geometría de la forma de un objeto puede ser:
Un diseñador, ingeniero industrial o artista que utiliza un sistema CAD 3D.
Un objeto existente, sometido a ingeniería inversa o copiado mediante un digitalizador o escáner de formas 3D.
Datos matemáticos almacenados en la memoria basados en una descripción numérica o cálculo del objeto. [21]
También se utiliza una gran cantidad de software 3D para construir representaciones digitales de modelos o piezas mecánicas antes de su fabricación. En dichos campos se utiliza software relacionado con CAD y CAM . [41] [42] [43] El modelado 3D también se utiliza en el campo del diseño industrial , donde los productos se modelan en 3D [44] antes de representarlos a los clientes. En las industrias de medios y eventos, el modelado 3D se utiliza en el diseño de escenarios y escenografías . [45]
La traducción OWL 2 del vocabulario de X3D se puede utilizar para proporcionar descripciones semánticas para modelos 3D, que es adecuada para indexar y recuperar modelos 3D por características como geometría, dimensiones, material, textura, reflexión difusa, espectros de transmisión, transparencia, reflectividad, opalescencia, veladuras, barnices y esmaltes (a diferencia de descripciones textuales no estructuradas o museos y exposiciones virtuales 2.5D que utilizan Google Street View en Google Arts & Culture , por ejemplo). [46] La representación RDF de modelos 3D se puede utilizar en el razonamiento , lo que permite aplicaciones 3D inteligentes que, por ejemplo, pueden comparar automáticamente dos modelos 3D por volumen. [47]
Probando un modelo sólido 3D
Los modelos sólidos 3D se pueden probar de diferentes maneras según lo que se necesite mediante simulación, diseño de mecanismos y análisis. [48] 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 del mecanismo, el usuario debería poder saber si el motor o la máquina está ensamblado correctamente por cómo opera. Será necesario probar diferentes diseños 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 se desarrolla correctamente o si es necesario modificarlo para cumplir con sus requisitos.
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enlaces externos
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