3D 模型

電腦輔助工程嘅形式
(由3D模型跳轉過嚟)

3D 模型粵拼saam1 di1 mou4 jing4),又叫三維模型或者叫立體模型,係指一個(對於部電腦嚟講)用數字呈現嘅三維物體。立體模型有長度、闊度同高度,就好似喺現實世界見到嘅實物一樣,因此可以用嚟建構虛擬世界

呢個立體模型模擬穿梭機嘅外型。

3D 建模英文3D modeling)就係指用專門軟件整立體模型。廿一世紀初有好多立體圖像軟件,例如 Blender 就好多人用。建模涉及製作者喺模擬嘅立體空間入便操作角、邊同埋立面[1],譬如係以一啲簡單嘅幾何物體(例如圓柱或者球體呀噉)做起始,然後再改變唔同邊嘅長度或者唔同角嘅位置,最後整出想要嘅形狀。除此之外,製作者亦可以用程序生成或者立體掃描嚟創建想要嘅形狀[2][3]。造好咗形狀,製作者仲可以用材質貼圖着色器等嘅工具,決定模型表面望落係乜嘢質哋[4]

整好之後,呢啲模型跟住就可以直接攞去 Unity 或者 Unreal 等嘅遊戲引擎度使用,用嚟為視像遊戲虛擬實境等嘅產品建構虛擬世界[5][6][7]

概念始源

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一個十二面體 3D 模型;個模型帶有頂點法綫
睇埋:立體投影

基本造型

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做 3D 建模,最基本步驟係建立個模型嘅幾何結構。多邊形網格[8]有三大基本元素,包括頂點同埋[9],呢三樣嘢會界定件物件嘅形狀。概念如下[10]

  • 頂點:3D 空間內嘅一,每個頂點都有個三維(X Y Z)嘅座標
  • :由兩個頂點連接埋一齊而成,模型表面嘅「骨架」。
  • ,或者叫立面:由三條或以上嘅邊組成,形成一塊平面,通常係三角形或者四邊形

例如下圖呢個多邊形網格,就模擬緊海豚嘅形態:


 


線框模型[11]亦有一定嘅作用:線框模型基本上等同多邊形網格,只係冇咗立面,淨係展示個模型啲角同邊,好似下圖噉;喺好多情況下,線框模型都[註 1]比較方便用家睇清楚個模型嘅形狀,而 Blender 等嘅圖像軟件會畀用家揀用邊種方式(多邊形網格定線框模型)嚟睇個 3D 模型。


 


建模造型嘅過程最簡單常用嘅,可以係用多邊形造型:用家可以由一個基礎嘅幾何形狀(譬如係球體或者立方體)做起始,再用各種方法編輯個模型嘅頂點、邊同面,當中常用嘅功能有子分[12]拉伸[13]以及細分曲面[14]呀噉,最後大致得出想要嘅形狀——好多圖像專家認為,模型嘅幾何形狀唔需要整到太過精細,噉係因為望落似表面細節嘅效果,往往可以用着色器材質貼圖等嘅技巧造出嚟[15]

建模造型亦有一種手法係靠物理模擬:圖像軟件往往有功能,畀用家加指定嘅物理效果落去個模型度,譬如係叫隻軟件當個模型係一嚿用布料造嘅物體,然後模擬佢點樣跌落地;跟住用家就可以攞個模擬嘅其中一「格」,指定攞嗰格嚟做個模型嘅預設形狀[16]。諸如碰撞等嘅功能,都可以用嚟做呢樣嘢。

材質貼圖

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内文:材質貼圖

材質texture)係一啲圖像,可以用嚟「貼喺個模型表面」令到個模型望落有某啲特定嘅質哋。

着色器

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内文:着色器

彩現嘅過程必定會用到着色器shader):着色器係一大類嘅演算法,亦可以包埋執行呢啲演算法嘅程式,負責教部電腦點樣處理一嚿物體嘅顏色、光暗同質哋,達致設計者想要嘅效果。當中「效果」可以係令到個模型望落更加迫真。

喺實際應用上,着色器會做一系列嘅數據處理,最後畀出想要嘅效果:設計模型嘅人可以當正着色器係黑盒,會攞某啲嘢做輸入,計數,跟住畀若干個輸出,當中輸入可以係顏色數據、位置同埋其他數值等,而輸出就係(例如)色彩數值[17];一個效果好多時都會用多過一件着色器嚟造,喺呢個過程裡便一件着色器可以行一啲運算,然後將自己計到嘅結果傳畀下一件着色器。下一件着色器又做運算,最後得出一個總體結果。好多圖像軟件都會畀用家用視覺化編程噉嘅方法設立「總體」着色器,揀選想用邊啲着色器,然後再決定着色器之間啲數據要點樣傳[18]


 
風氏着色法可以令到一個模型表面望落平滑啲。左圖用嘅係平直着色法,而右圖就用咗風氏着色法[19]


加動畫

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呢個立體模型模擬一隻蝴蝶嘅外形,而且仲加咗拍翼嘅動畫。
睇埋:電腦動畫角色

最佳化

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其他 3D 模型相關嘅重要概念:

  • 多邊形:用嚟衡量啲 3D 模型有幾複雜嘅指標,如果話一個 3D 模型多邊形多,即係話個模型有好多塊表面,正路就表示個模型望落多細節[20][21]
  • 細節層次(LOD):指一個 3D 模型嘅表示有幾複雜;例如想像家陣有個 3D 模型,設計者將個程式設計成「如果用家近睇個模型,就將個模型啲多邊形完全顯示嗮出嚟(LOD 高);而如果用家遠睇個模型,就將個模型簡化(少噉咗多邊形)噉顯示(LOD 低)」噉嘅樣,噉就可以避免部機要做啲不必要咁仔細嘅運算,慳返運算上用嘅時間[20][22]。可以睇埋軟件最佳化嘅概念。


細節層次嘅展現
圖例          
角嘅數量 ~5500 ~2880 ~1580 ~670 140
Notes 最高細節層次 最低細節層次


睇埋

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註釋

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  1. 多邊形網格比起嚟。

參攷

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  1. Slick, Justin (2020-09-24). "What Is 3D Modeling?". Lifewire (英文). 喺2022-02-03搵到.
  2. "How to 3D scan with a phone: Here are our best tips". Sculpteo (英文). 喺2021-07-14搵到.
  3. "Facebook and Matterport collaborate on realistic virtual training environments for AI". TechCrunch (美國英文). 30 June 2021. 喺2021-07-14搵到.
  4. How Is a 3D Model of a Product Made?. CGIFurniture.
  5. "What is 3D Modeling & What's It Used For?". Concept Art Empire (美國英文). 2018-04-27. 喺2021-05-05搵到.
  6. "3D Modeling". Siemens Digital Industries Software. 喺2021-07-14搵到.
  7. "What is 3D Modeling? | How 3D Modeling is Used Today". Tops (美國英文). 2020-04-27. 喺2021-07-14搵到.
  8. 多邊形網格:polygon mesh
  9. 頂點(vertex)、(edge)同埋(face)
  10. Lorensen, William E.; Cline, Harvey E. (1 August 1987). "Marching cubes: A high resolution 3D surface construction algorithm". ACM SIGGRAPH Computer Graphics. 21 (4): 163-169.
  11. 線框模型:wireframe model
  12. Subdivide;增添邊將面分割做細部份,或者增添頂點將邊分割做細部份。
  13. Extrude
  14. Subdivision surface;可以令到個模型嘅表面睇落平滑啲。
  15. Materials, Shaders & Textures. Unity documentation.
  16. Cloth. Blender,亦可以睇返 Blender 嘅 convert to mesh
  17. Rost, Randi J (2004). OpenGL Shading Language. Addison-Wesley Professional.
  18. Shader Nodes;Blender 係每件着色器做一個節點,節點間嘅箭咀就表示數據傳送嘅方向。節點同箭咀都由用家設定。節點英文叫 node
  19. Watt, Alan H.; Watt, Mark (1992). Advanced Animation and Rendering Techniques: Theory and Practice. Addison-Wesley Professional. pp. 21-26.
  20. 20.0 20.1 Biljecki, F.; Ledoux, H.; Stoter, J. (2016). "An improved LOD specification for 3D building models". Computers, Environment and Urban Systems. 59: 25-37.
  21. DecimateBlender 有工具,可以畀用家調節個模型嘅多邊形數量。
  22. Biljecki, F.; Ledoux, H.; Stoter, J.; Zhao, J. (2014). "Formalisation of the level of detail in 3D city modelling". Computers, Environment and Urban Systems. 48: 1-15.