En gráficos de computadora en 3D , el modelado 3D es el proceso de desarrollar una representación matemática basada en coordenadas de una superficie de un objeto (inanimado o vivo) en tres dimensiones a través de un software especializado manipulando 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] Al ser una colección de datos ( puntos y otra información), los modelos 3D se pueden crear manualmente, algorítmicamente ( modelado procedimental ) o mediante escaneo . [5] [6] Sus superficies pueden definirse aún más con mapeo de texturas .
El producto se llama modelo 3D, mientras que alguien que trabaja con modelos 3D puede ser denominado artista 3D o modelador 3D.
Un modelo 3D también puede mostrarse como una imagen bidimensional a través de un proceso llamado renderizado 3D o utilizarse 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 informáticos 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 realizar una impresión 3D.
El software de modelado 3D es una clase de software de gráficos por computadora en 3D que se utiliza para producir modelos en 3D. Los programas individuales de esta clase se denominan aplicaciones de modelado. [7]
Los modelos 3D se utilizan ampliamente en la actualidad en gráficos 3D y CAD , pero su historia es anterior al uso generalizado de gráficos 3D en computadoras personales . [9]
En el pasado, muchos juegos de computadora utilizaban imágenes pre-renderizadas de modelos 3D como sprites antes de que las computadoras pudieran renderizarlos en tiempo real. El diseñador puede entonces ver el modelo en varias direcciones y vistas, esto puede ayudarlo a ver si el objeto se creó como se pretendía 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 para el producto. [10]
Casi todos los modelos 3D se pueden dividir en dos categorías:
El modelado de sólidos y de capas permite crear objetos funcionalmente idénticos. Las diferencias entre ellos son principalmente variaciones en la forma de creación y edición, 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 (no deben tener agujeros ni grietas en la concha) para que tengan sentido como un objeto real. En un modelo de concha de un cubo, la superficie inferior y superior del cubo deben tener un espesor uniforme sin agujeros ni grietas en la primera y la última capa impresas. 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 en 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 a partir de representaciones abstractas (" primitivas ") como esferas, conos , etc., en 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). [11] Las representaciones poligonales no se utilizan en todas las técnicas de representación, y en estos casos el paso de teselación no se incluye en la transición de la representación abstracta a la escena renderizada.
Hay tres formas populares de representar un modelo:
La etapa de modelado consiste en dar forma a los objetos individuales que luego se utilizarán en la escena. Existen varias técnicas de modelado, entre ellas:
El modelado se puede realizar mediante un programa dedicado (por ejemplo, el 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 algún lenguaje de descripción de escenas (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 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 la 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 , salpicaduras de textura o sprites asignados a ellos.
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 se puede utilizar para satisfacer las demandas de la industria.
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) trabaja con tecnología automatizada para formar una representación 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. [12]
La primera aplicación comercial de modelos humanos virtuales ampliamente disponible apareció en 1998 en el sitio web de Lands' End . Los modelos humanos virtuales fueron creados por la empresa My Virtual Mode Inc. y permitían 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).
El desarrollo de software de simulación de telas como Marvelous Designer, CLO3D y Optitex, ha permitido a los artistas y diseñadores de moda modelar ropa dinámica en 3D en la computadora. [13] 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, [14] como herramienta de creación para marcas de moda digital , así como para confeccionar ropa para avatares en mundos virtuales como SecondLife .
Los efectos fotorrealistas en 3D suelen lograrse sin modelado de estructura alámbrica y, a veces, son indistinguibles en la forma final. Algunos programas de diseño gráfico incluyen filtros que se pueden aplicar a gráficos vectoriales 2D o gráficos rasterizados 2D en capas transparentes.
Las ventajas del modelado 3D en estructura alámbrica frente a los métodos exclusivamente 2D incluyen:
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. Algunos efectos fotorrealistas se pueden lograr con filtros de representación especiales incluidos en el software de modelado 3D. Para lograr lo mejor de ambos mundos, algunos artistas utilizan una combinación de modelado 3D seguido de la edición de las imágenes renderizadas por computadora en 2D a partir del modelo 3D.
Existe un gran mercado para los modelos 3D (así como para el contenido relacionado con el 3D, como texturas, guiones, etc.), ya sea para modelos individuales o para grandes colecciones. Varios mercados en línea para contenido 3D permiten a los artistas individuales vender el contenido que han creado, incluidos TurboSquid , MyMiniFactory , Sketchfab , CGTrader y Cults . 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 antiguo y las empresas pueden ahorrar dinero comprando modelos prefabricados en lugar de pagar 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 según 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 más bajo al no utilizar intermediarios.
La industria de la arquitectura, la ingeniería y la construcción (AEC) es el mercado más grande para el modelado 3D, con un valor estimado de $12,13 mil millones para 2028. [15] 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. [16] [17]
En los últimos años han surgido numerosos mercados especializados en la reproducción e impresión de modelos en 3D. Algunos de estos mercados son una combinación de sitios para compartir modelos, con o sin capacidad de comercio electrónico incorporada. Algunas de estas plataformas también ofrecen servicios de impresión 3D a pedido, software para la reproducción de modelos y visualización dinámica de elementos.
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. [18] Los objetos se pueden crear sin la necesidad de moldes complejos y costosos o ensamblajes con múltiples piezas. La impresión 3D permite crear prototipos de ideas y probarlas sin tener que pasar por un proceso de producción. [18] [19]
Los modelos 3D se pueden comprar en mercados en línea e imprimirlos por personas o empresas utilizando impresoras 3D disponibles comercialmente, lo que permite la producción casera de objetos como repuestos e incluso equipos médicos. [20] [21]
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 . [22] También se utilizan en la industria médica para crear representaciones interactivas de la anatomía. [23]
La industria médica utiliza modelos detallados de órganos; estos pueden crearse con múltiples cortes de imágenes bidimensionales de una resonancia magnética o una tomografía computarizada . La industria cinematográfica los utiliza como personajes y objetos para películas animadas y de la vida real . La industria de los videojuegos los utiliza como recursos para juegos de computadora y de video .
El sector científico los utiliza como modelos muy detallados de compuestos químicos. [24]
La industria de la arquitectura utiliza modelos 3D para demostrar los edificios y paisajes propuestos en lugar de los modelos arquitectónicos físicos tradicionales . Además, el uso del nivel de detalle (LOD) en los modelos 3D se está volviendo cada vez más importante en la industria AEC. LOD es una medida del nivel de detalle y precisión incluidos en un modelo 3D. Los niveles de LOD varían de 100 a 500, donde LOD 100 representa un modelo conceptual que muestra la masa y ubicación básicas 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. [25] [26]
La comunidad arqueológica ahora está creando modelos 3D del patrimonio cultural para investigación y visualización. [27] [28]
La comunidad de ingenieros los utiliza como diseños de nuevos dispositivos, vehículos y estructuras, así como para una gran cantidad de otros usos.
En las últimas décadas, la comunidad de ciencias de la tierra ha comenzado a construir modelos geológicos 3D como una práctica estándar.
Los modelos 3D pueden ser la base para dispositivos físicos que se construyen con impresoras 3D o máquinas CNC .
En el desarrollo de videojuegos, el modelado 3D es una etapa de un proceso de desarrollo más largo. La fuente de la geometría para la forma de un objeto puede ser:
También se utiliza una gran cantidad de software 3D para construir representaciones digitales de modelos mecánicos o piezas antes de que se fabriquen. Con el software CAD y CAM , el operador puede probar la funcionalidad de conjuntos de piezas.
El modelado 3D se utiliza en el campo del diseño industrial , donde los productos se modelan en 3D [29] antes de presentarlos a los clientes. En las industrias de los medios y los eventos, el modelado 3D se utiliza en el diseño de escenarios y decorados . [30]
La traducción OWL 2 del vocabulario de X3D se puede utilizar para proporcionar descripciones semánticas para modelos 3D, lo que es adecuado para la indexación y recuperación de 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). [31] 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. [32]
Medios relacionados con el modelado 3D en Wikimedia Commons