L'expression « 3D » est une abréviation de l'anglais « 3 dimension », c'est-à-dire « 3 dimensions ». Les symboles « 3D » (dans la littérature russe, l'abréviation « 3d » est également souvent utilisée) indiquent qu'un objet ou une technologie diffère des autres en ce qu'il a plus de deux dimensions.
A quoi servent les modèles 3D ?
Tous les objets du monde réel ont trois dimensions. Parallèlement, dans la grande majorité des cas, pour représenter des objets en trois dimensions, on utilise des surfaces en deux dimensions: une feuille de papier, une toile, un écran d'ordinateur. Le sculpteur crée des figures en trois dimensions, mais avant de commencer à sculpter une sculpture en granit, il crée des croquis dans lesquels le futur travail est représenté sous plusieurs vues - de tous les côtés. De même, un architecte ou un designer travaille en affichant des vues à plat de produits ou de bâtiments conçus sur un papier Whatman ou sur un écran d'ordinateur.
Le sujet "dessin" dans le cadre de l'enseignement obligatoire vise à enseigner la modélisation en trois dimensions - la description exacte d'objets qui ont du volume, sur une surface plane, bidimensionnelle, d'une feuille de papier. De plus, les enfants apprennent la modélisation en trois dimensions dans les cours de modélisation en pâte à modeler à la maternelle et à l'école primaire. Tant d'attention à la modélisation 3D dans le processus éducatif n'est pas accidentelle. Dans toute activité pour créer de vrais objets, vous devez avoir une bonne idée de l'apparence de cet objet de tous les côtés. Un tailleur et un créateur de vêtements doivent savoir comment un costume ou une robe s'adaptera à une personne avec une certaine silhouette. Le coiffeur crée une coupe de cheveux et une coiffure qui auront du volume et auront un aspect différent sous différents angles. Le bijoutier modèle ses bijoux. Le dentiste doit non seulement créer une belle dent artificielle, mais aussi tenir compte de son emplacement par rapport au reste des dents du patient. Le menuisier doit être capable d'adapter très précisément les joints des pièces tridimensionnelles. Il aimerait également voir visuellement comment les meubles qu'il conçoit seront pratiques à utiliser et comment ils s'intégreront dans l'intérieur.
Pendant longtemps, les représentants de diverses professions ont utilisé des dessins, composés de nombreux types, pour la modélisation en trois dimensions. Avec la prolifération des ordinateurs personnels, il est devenu possible de confier une partie de la tâche de création de modèles tridimensionnels à des logiciels. Les systèmes d'automatisation de la conception (CAO) ont été les premiers à inclure la fonctionnalité d'affichage dynamique des objets tridimensionnels créés sur le plan de l'écran. Le mot "dynamique", dans ce cas, signifie la possibilité de faire pivoter l'image d'un objet en trois dimensions sur l'écran et de le voir de tous les côtés. Cependant, la dynamique d'un modèle 3D peut également signifier la capacité du modèle à changer de forme et à se déplacer. Les créateurs de dessins animés et de jeux informatiques ont besoin d'une telle fonctionnalité.
Dans la seconde moitié du XXe siècle, même à l'ère pré-informatique, des technologies de traitement de surface en trois dimensions sont apparues. Peu de temps après la fin de la Seconde Guerre mondiale, l'US Air Force a financé les travaux de Parsons Inc pour créer des machines capables de fraiser des pièces complexes selon un algorithme donné. Ces travaux ont conduit à la création de toute une classe de machines-outils à commande numérique par ordinateur (CNC). La conception d'algorithmes de travail pour les machines CNC est une autre tâche du domaine de la modélisation 3D.
En 1986, l'ingénieur américain Charles W. Hall a créé une imprimante qui imprime des objets en trois dimensions en utilisant la stéréolithographie. Plus tard, des imprimantes 3D sont apparues, imprimant des produits en trois dimensions à partir d'une grande variété de matériaux, notamment des imprimantes pour l'impression d'organes humains ou, par exemple, des imprimantes qui impriment des décorations de confiserie et des plats cuisinés. Aujourd'hui, une imprimante 3D simple mais assez fonctionnelle peut être achetée pour le prix d'un smartphone, et y imprimer des objets volumétriques pour la maison, ou des détails de modèles et d'appareils divers. Toutes les imprimantes 3D pour l'impression reçoivent un modèle tridimensionnel en entrée dans un format spécifique.
Principes de base de la modélisation 3D
Une condition préalable à la modélisation 3D est la présence d'imagination spatiale. Il est important de pouvoir imaginer le résultat futur du travail, de le faire pivoter mentalement et de l'examiner de tous les côtés, ainsi que de comprendre de quels éléments le modèle se compose, quelles opportunités il offre et quelles restrictions il impose. Par nature, l'imagination spatiale de chacun est développée à des degrés divers, cependant, tout comme l'alphabétisation ou l'oreille musicale, elle peut être développée. Il est important de ne pas baisser les bras en se disant que rien ne va, mais d'acquérir de l'expérience en réalisant d'abord des modèles simples pour passer progressivement à des modèles plus complexes.
Si dans n'importe quel programme de CAO vous dessinez trois rectangles et les disposez selon les règles de dessin, alors le module d'affichage du modèle tridimensionnel du programme pourra créer et afficher à l'écran le parallélépipède correspondant à ces trois projections. De même, en suivant les règles de dessin, vous pouvez créer un modèle de presque n'importe quelle pièce.
Tous les programmes de modélisation 3D sont vectoriels. Cela signifie qu'ils décrivent les objets non pas comme une collection de points séparés, mais comme un ensemble de formules et ne fonctionnent qu'avec des objets entiers. Si vous devez modifier ou déplacer seulement la moitié d'un objet, vous devrez alors le couper (s'il existe un outil qui vous permet de le faire) et fixer les moitiés en tant que nouveaux objets. Pour travailler avec un éditeur vectoriel, il n'est pas du tout nécessaire de connaître les formules mathématiques, elles sont incluses dans le programme. Une conséquence importante et utile de cette approche est que tout objet peut être déplacé, modifié et mis à l'échelle sans compromettre la qualité. D'un autre côté, le programme ne vous comprendra pas si vous essayez de dessiner un rectangle, par exemple, en plaçant de nombreux points le long de ses bords qui se touchent visuellement. Pour le programme, ce sera juste beaucoup de points, pas un rectangle. Elle ne pourra effectuer aucune action avec ce rectangle, à votre avis. Pour créer un rectangle, vous devez choisir un outil approprié et l'utiliser. Ensuite, le programme vous permettra d'effectuer toutes les actions avec l'objet créé: le changer, le déplacer vers un point donné, l'étirer, le plier, etc. Aussi, la plupart des logiciels de modélisation 3D ne pourront pas travailler avec des graphiques au format raster (bmp, jpg, png, gif, etc.) obtenus, par exemple, à partir de Photoshop.
Modélisation 3D à partir de "briques"
La grande majorité des détails techniques sont une combinaison de primitives volumétriques: parallélépipèdes, boules, prismes, etc. Tout outil de modélisation 3D dispose d'une bibliothèque de primitives volumétriques et est capable de les reproduire en tenant compte des paramètres spécifiés par l'utilisateur. Pour, par exemple, créer un modèle de cylindre, il suffit de sélectionner l'outil approprié dans le programme et de définir le diamètre et la hauteur. De plus, tous les programmes de conception en trois dimensions sont capables d'effectuer au moins deux opérations mathématiques avec des figures en trois dimensions: l'addition et la soustraction. Ainsi, par exemple, après avoir créé deux cylindres à partir de primitives: l'un d'un diamètre de 5 cm et d'une hauteur de 1 cm, et le second d'un diamètre de 3 cm et d'une hauteur évidemment supérieure à 1 cm, vous pouvez les combiner le long de la axe central et soustraire le second du premier (plus grand) cylindre … Le résultat est une rondelle de 1 cm d'épaisseur avec un diamètre extérieur de 5 cm et un diamètre intérieur de 3 cm. Si vous avez, par exemple, un ensemble séparé d'objets séparés: "tête sans oreilles ni nez", "nez", " oreille gauche" et "oreille droite", vous pouvez ensuite les connecter et les ajouter pour créer un nouvel objet "tête avec oreilles et nez". Si vous disposez d'une bibliothèque d'oreilles, de nez et de têtes de formes différentes, alors vous pouvez, en les parcourant, créer un modèle de la tête de votre ami (ou de la vôtre). Ensuite, en soustrayant l'objet "bouche" de la tête résultante, vous pouvez obtenir une tête avec une bouche. Créer un modèle 3D à partir de "briques", des objets disponibles dans la bibliothèque du programme ou chargés dans le programme depuis l'extérieur, est un moyen simple et l'un des plus populaires.
Bien sûr, il n'y a pas de « blocs de construction » pour tous les cas dans aucun programme. Cependant, de nombreux objets peuvent être créés en déplaçant d'autres objets dans l'espace ou en les modifiant. Par exemple, vous pouvez créer vous-même le même cylindre en prenant un cercle comme base et en le déplaçant vers le haut, en conservant chaque étape en ajoutant les positions dans un objet. Si le programme dispose d'un tel outil, il fera tout tout seul, il vous suffit de spécifier: le long de quelle trajectoire et jusqu'où vous devez déplacer la base. Ainsi, à partir de la rondelle créée selon la technologie décrite ci-dessus, vous pouvez créer un nouvel objet - un tuyau. Y compris - un tuyau avec de nombreux coudes de n'importe quelle courbure donnée. Un point important: pour cela, le cercle doit être initialement tridimensionnel. Soit - avec une épaisseur négligeable, mais pas égale à zéro. Pour ce faire, le programme doit disposer d'un outil permettant de convertir une figure plate avec une épaisseur nulle en une figure tridimensionnelle avec une épaisseur négligeable, mais spécifique.
Modélisation 3D à partir de polygones
De nombreux programmes de modélisation 3D fonctionnent avec des types d'objets spéciaux appelés "maillages". Un maillage est un maillage polygonal ou un ensemble de sommets, d'arêtes et de faces d'un objet 3D. Pour comprendre un objet composé de maillages, vous pouvez regarder, par exemple, un robot créé à partir de pièces Lego. Chaque pièce est un maillage séparé. Si la taille moyenne d'une pièce Lego est de 1 cm, et que vous assemblez un robot de 50 cm de haut, alors il sera possible de reconnaître l'image (d'une personne, par exemple) que vous y avez posée. Cependant, le réalisme d'une telle sculpture sera très médiocre. Autre conversation, si vous créez un robot à 50 kilomètres de haut à partir de pièces d'une taille moyenne de 1 cm. Si vous parcourez une distance décente pour voir toute la sculpture géante, vous ne remarquerez pas l'angularité de la surface et le robot peut ressembler à une personne vivante à la peau lisse.
Le maillage peut être aussi petit que vous le souhaitez, ce qui signifie que vous pouvez obtenir n'importe quel lissage visuel de la surface du modèle. Fondamentalement, construire un objet à partir de maillages est le même que le pixel art dans une image 2D. Cependant, on se souvient que l'ensemble des points en forme de rectangle n'est pas un objet "rectangle". Cela signifie que pour que l'image créée à partir des maillages devienne un objet tridimensionnel, ses contours doivent être remplis de volume. Il existe des outils pour cela, mais ils sont souvent oubliés par les néophytes de la modélisation 3D. Tout comme le fait que pour qu'une surface (une sphère, par exemple) se transforme en figure volumétrique, il faut qu'elle soit complètement fermée. Cela vaut la peine de supprimer un point (un maillage) de la surface fermée finie, et le programme ne pourra pas le transformer en objet 3D.
Le mouvement et l'apparence du modèle 3D
Imaginez créer un objet voiture à partir de maillages, ou de toute autre manière. Si, dans le programme de modélisation tridimensionnelle, vous définissez la trajectoire et la vitesse de déplacement de n'importe quel point à l'intérieur de l'objet par la formule, en définissant la condition que tous les autres points se déplacent de manière synchrone, la voiture conduira. Si, en même temps, les roues de la voiture sont sélectionnées en tant qu'objets séparés et que des trajectoires de mouvement et de rotation distinctes sont attribuées à leurs centres, les roues de la voiture tourneront en cours de route. En choisissant la bonne correspondance entre le mouvement de la carrosserie et de ses roues, vous pouvez atteindre le réalisme du dessin animé final. De même, vous pouvez faire bouger un objet "humain", mais cela nécessite une compréhension de l'anatomie humaine et de la dynamique de la marche ou de la course. Et puis - tout est simple: un squelette est créé à l'intérieur de l'objet, et chacune de ses parties se voit attribuer ses propres lois de mouvement.
Un objet créé dans un programme de modélisation en trois dimensions peut, dans ses formes, répéter complètement un échantillon réel de la vie ou de la fantaisie du créateur, il peut bouger de manière réaliste, mais il lui manquera toujours une caractéristique supplémentaire pour le correspondre pleinement. Cette caractéristique est la texture. La couleur et la rugosité de la surface déterminent notre perception, de sorte que la plupart des éditeurs 3D disposent également d'outils pour créer des textures, y compris des bibliothèques de surfaces prêtes à l'emploi: du bois et du métal à la texture dynamique d'une mer déchaînée au clair de lune. Cependant, toutes les tâches de modélisation 3D ne nécessitent pas une telle fonctionnalité. Si vous créez un modèle à imprimer sur une imprimante 3D, la texture de sa surface sera déterminée par le matériau à imprimer. Si vous concevez une armoire en CAO pour les fabricants de meubles, alors, bien sûr, il sera intéressant pour vous d'"habiller" le produit dans la texture de l'essence de bois sélectionnée, mais il sera beaucoup plus important de faire des calculs de résistance dans le même programme.
Formats de fichiers dans la modélisation 3D
Les logiciels de création, d'édition et de fabrication d'objets 3D sont présentés sur le marché par des dizaines d'applications et de packages. De nombreux développeurs de tels logiciels utilisent leurs propres formats de fichiers pour enregistrer les résultats de la simulation. Cela leur permet de mieux tirer parti de leurs produits et protège leurs conceptions contre les abus. Il existe plus d'une centaine de formats de fichiers 3D. Certains d'entre eux sont fermés, c'est-à-dire que les créateurs n'autorisent pas d'autres programmes à utiliser leurs formats de fichiers. Cette situation complique grandement l'interaction des personnes engagées dans la modélisation 3D. Une mise en page ou un modèle créé dans un programme est souvent très difficile voire impossible à importer et à convertir dans un autre programme.
Il existe cependant des formats de fichiers graphiques 3D ouverts qui sont compris par presque tous les programmes pour travailler avec la 3D:
. COLLADA est un format universel basé sur XML conçu spécifiquement pour l'échange de fichiers entre des programmes de différents développeurs. Ce format est pris en charge (dans certains cas, un plug-in spécial est requis) par des produits populaires tels qu'Autodesk 3ds Max, SketchUp, Blender. En outre, ce format peut comprendre les dernières versions d'Adobe Photoshop.
. OBJ - Développé par Wavefront Technologies. Ce format est open source et adopté par de nombreux développeurs d'éditeurs graphiques 3D. La plupart des logiciels de modélisation 3D ont la capacité d'importer et d'exporter des fichiers.obj.
Le. STL est un format conçu pour stocker des fichiers destinés à l'impression par stéréolithographie. De nombreuses imprimantes 3D peuvent aujourd'hui imprimer directement à partir de.stl. Il est également pris en charge par de nombreux slicers - programmes permettant de préparer l'impression sur une imprimante 3D.
Éditeur 3D en ligne tinkercad.com
Le site tinkercad.com, propriété d'Autodesk, est la meilleure solution pour ceux qui commencent à faire de la modélisation 3D à partir de zéro. Complètement libre. Facile à prendre en main, le site propose plusieurs leçons qui vous permettent de comprendre les principales fonctionnalités en une heure et de vous lancer. L'interface du site a été traduite en russe, mais les leçons ne sont disponibles qu'en anglais. Cependant, une connaissance de base de l'anglais est suffisante pour comprendre les leçons. De plus, il n'est pas difficile de trouver des guides et des traductions de cours de tinkercad en russe sur Internet.
Un grand nombre de primitives volumétriques sont disponibles dans l'espace de travail du site, y compris celles créées par d'autres utilisateurs. Il existe des outils pour la mise à l'échelle, l'accrochage à une grille de coordonnées et aux points clés des objets. Tout objet peut être converti en un trou. Les objets sélectionnés peuvent être combinés. C'est ainsi que l'addition et la soustraction d'objets sont mises en œuvre. L'historique des transformations est disponible, y compris pour les objets nouvellement enregistrés, ce qui est très pratique lorsqu'il faut revenir en arrière de plusieurs étapes.
Pour ceux pour qui les fonctions élémentaires décrites ci-dessus ne suffisent pas, il existe une fonctionnalité pour écrire des scripts et, par conséquent, créer des scripts complexes pour transformer des objets.
Pas d'outils pour couper des objets. Il n'y a pas de polygones dans leur forme pure (le modèle polygonal est implémenté, dans une certaine mesure, dans des primitives d'objets curvilignes). Aucune texture. Cependant, tinkercad permet de créer des objets assez complexes et artistiques.
Prend en charge l'importation et l'exportation de fichiers aux formats STL, OBJ, SVG.
SketchUp
Editeur graphique 3D semi-professionnel de Trimble Inc, racheté il y a plusieurs années par Google Corporation. La version Pro coûte 695 $. Il existe une version en ligne gratuite avec des fonctionnalités limitées.
Il y a quelques années, il existait une version de bureau gratuite de l'éditeur, mais aujourd'hui, seule la version en ligne est disponible sans argent. La version Web dispose d'outils de dessin simples, créant des courbes et de l'outil Extruder, qui vous permet de créer un solide à partir d'une image plate. La version Web contient également des couches et des textures. Une bibliothèque d'objets et de textures créés par l'utilisateur est disponible.
L'import est possible pour les fichiers de son propre format (projet SketchUp). Vous pouvez également insérer un fichier.stl dans la scène en tant qu'objet.
Des liens avec Google permettent à SketchUp de s'intégrer aux services du géant de l'internet. Ce n'est pas seulement l'accès au stockage en nuage, où vous pouvez trouver de nombreuses scènes et objets prêts à l'emploi à utiliser dans votre travail, mais aussi la possibilité d'importer des images satellites et aériennes de Google Earth pour créer des scènes réalistes.
En général, les capacités de la version gratuite de SketchUp sont sensiblement plus élevées que les fonctionnalités disponibles dans tinkercad, mais le site Web de SketchUp ralentit souvent lorsque vous essayez d'effectuer des opérations sérieuses, comme s'il suggérait qu'il est préférable de passer à la version payante du produit. La version gratuite de SketchUp propose une offre de paiement pour étendre ses capacités presque à chaque étape du processus.
Considérant que SketchUp Pro a de bonnes fonctionnalités et est largement utilisé, par exemple, dans la conception de meubles ou le développement de design d'intérieur, nous pouvons recommander de maîtriser la version Web gratuite du produit pour ceux qui veulent faire un pas vers la modélisation sérieuse, mais ne sont pas encore sûrs de leurs points forts et de leur opportunité. transition vers des versions payantes.
Mixeur
Blender est un projet légendaire qui montre, avec Linux ou PostgreSQL, qu'une communauté de programmeurs unis par l'idée de la distribution de logiciels libres peut presque tout faire.
Blender est un éditeur graphique 3D professionnel avec des possibilités presque illimitées. Il a acquis la plus grande popularité parmi les créateurs d'animation et de scènes 3D réalistes. Comme exemple des capacités de ce produit, nous pouvons citer le fait que toute l'animation du film "Spider-Man 2" y a été créée. Et - pas seulement pour ce film.
La maîtrise complète des capacités de l'éditeur Blender nécessite un investissement important en temps et une compréhension de tous les aspects des graphiques 3D, y compris l'éclairage, la mise en scène et le mouvement. Il possède tous les outils bien connus et populaires pour la modélisation volumétrique, et pour les outils impossibles ou pas encore inventés, il y a le langage de programmation Python, dans lequel l'éditeur lui-même est écrit et dans lequel vous pouvez étendre ses capacités autant que vous l'osez.
La communauté d'utilisateurs de Blender compte plus d'un demi-million de personnes et il ne sera donc pas difficile de trouver des personnes qui aideront à le maîtriser.
Pour les projets simples, Blender est trop fonctionnel et complexe, mais pour ceux qui vont sérieusement faire de la modélisation 3D, c'est un excellent choix.
