3D建模方式

2021年 6月 21日
概要 

3D模型无处不在。我们见到的每个实物都有自己的3D模型,并广泛应用于各个行业。在本指南中,我们将介绍最主流的3D建模方法,包括如何从头开始设计模型,到如何用三维扫描仪完成数字化

方式
参数化建模、多边形建模、数字雕塑、三维扫描、摄影测量
软件
Blender, Autodesk Maya, ZBrush, SOLIDWORKS, Artec Studio
模型平台
Sketchfab, Turbosquid, CGTrader, Quixel

简介

你是否想过自己周围有多少3D模型?现在开始,你将用一种全新的眼光看世界。电视、电影、动画片、商业广告、视频游戏、社交媒体、移动应用程序、VR等等,都有3D模型。那手里拿着的杯子、桌上的笔、驾驶的汽车、坐着的椅子呢?很多你能想象得到的物体,曾几何时,也只是个3D模型。

那这些模型是怎么制成的呢?

本文将介绍3D建模的基础知识,了解创建3D模型最主流的方式,即从CAD和多边形建模到三维扫描。我们还将讨论最常见的建模软件,并就“何时从无到有设计模型,何时使用三维扫描仪”谈谈心得体会。

我们开始吧!但开始之前,先解释一个问题…

什么是3D模型?

建模软件中机械部件的3D模型

在计算机图形学中,3D模型是在专用软件中为某个表面或物体创建的数字形象。三维空间中的一系列点,由各种几何体连接(如三角形、线、弧面等),以此来代表一个物理实体。有些情况下,3D模型可以体现物体的大小、形状和纹理。而构建这种形象的过程即为3D建模。

3D模型的用途和使用方式

3D模型是许多创意型职业的一部分。3D模型是工程师和设计师设计流程的一部分,用于新品研发或产品改造。建筑师将3D模型用于建筑物、景观和室内的视觉展示,可以代替传统建筑模型,也能作为有益补充。

游戏设计师广泛采用3D建模法,为游戏机游戏、电脑游戏和移动游戏制作3D资产和角色。

奥地利演员Peter Simonischek查看自己栩栩如生的半身像,三维扫描后制作而成

电影制作者将3D模型用于角色特效,也能为动画和真人动画制作各类物体。

医疗行业也借助3D模型完成身体解剖结构数字化,定制医疗解决方案,如假体、矫形器、种植牙,展示整形手术效果等等。

使用三维扫描仪修复霸王龙足部

科教部门的应用方式同样多种多样,包括遗迹与文物保护、化合物可视模型、地质模型等等。

3D建模的两种主要方式

虽然3D建模的方法有很多,但主要可以归为两种:在3D建模软件中构建模型,或将现实世界中的某个物体,通过三维扫描仪制作成数字模型。下面,我们来分析一下两种方式各自的优缺点,为你找到合适的方式。

方式一:3D建模

工业设计师正在设计新产品原型

创建3D模型的第一种方法是使用专门的3D建模软件从零开始。各行各业的专业人士都在广泛使用这种方式,包括工程师、工业设计师、建筑师、CGI艺术家等等。

要点:

如果你要设计全新产品,没有实物参照,那么3D建模不仅可以让你放飞想象力,还能把创意变为现实。

这种方法的伟大之处在于,你可以设计一些还不存在的物体,绝对独一无二,比如汽车新部件或者视频游戏中的奇幻生物;当然也适合已经存在但无法扫描的东西。

例如,如果你需要一个世界著名建筑物的模型,但是它距离你的所在地非常遥远,那么借助照片和视频资料,从零开始创建一个3D模型更划算,你不用亲自前往,再安排三维扫描了(而且如果是历史建筑,扫描起来可不简单!),这可能会更容易,而且成本效益更高。又或者,你需要设计一些还没有被创造出来的新物体,那么3D建模可以让你放飞想象力,并将其变为现实。

有多种不同的3D建模技术和建模软件,支持从零开始设计模型。这取决于你想要创建何种对象,以及预期应用是什么。

参数化建模

工程师和设计师设计全新零件和组件的真实计算机模型时,参数化3D建模或CAD(计算机辅助设计)是首选方法。我们日常接触的几乎所有现代产品都是用三维CAD建模法设计的。

在 CAD软件中设计3D模型

通过这种方法,设计师创建的3D模型所有参数,可以和实物完全相同:材料、重量、尺寸、光学参数、物理参数等等。这些模型随后可以进行3D打印或数控加工,也可以用来运行复杂的模拟。例如,你可以设计组件,看它们是否相匹配,测试压力下的反应,监测液体如何穿过它们,通过模拟评估制造方式等等。

多边形建模

你所见过或玩过的几乎所有视频游戏或科幻电影,都离不开这项技术。多边形模型是由多边形组成的:平面、二维几何、三角形或四边形,艺术家通过改变这些多边形来构建3D网格。与CAD建模不同,这种技术更多以概念为导向,而非测量。动画和视频游戏工作室使用多边形建模完成很多设计,从电影和游戏人物到各种三维资产,如武器、盔甲、车辆和整个虚拟世界。

汽车的多边形网格模型

数字雕塑

这种方法也被3D艺术家用于游戏和动画电影中,最适合创建形状自然且线条圆润的超现实物体。该方法也被用于创建设计、草图和3D打印的原型模型。这一过程和用粘土或石头等真实材料进行雕刻非常相似。使用类似刷子的雕刻工具,你可以处理物体的多边形网格,推、拉、扭转各几何部分,也能增加额外的几何来模仿自然结构。与多边形建模相比,数字雕塑需要更多的艺术技巧,而且需要格外仔细,也更耗时。所以在多数情况下,这些方法会同时使用:首先对物体进行建模,然后发送给三维雕塑家进行细节处理,完成形最终造型。

在数字雕塑软件中设计电视节目形象

无论使用何种方法,选对合适的建模软件都很重要,这些软件必须包含所有必要的工具,才能让你完成3D建模。

适合新手的最佳3D建模软件

如果你刚入行,正在寻找最佳3D建模软件,我们这里有几款推荐。

首先尝试一下Blender。这款软件不仅免费,而且还有很多教程以及一个强大的社区,是适合初学者的完美软件。开源3D计算机图形软件适用范围广泛,包括视觉特效、3D模型打印、交互式应用、视频游戏等等。

对于专业人员和高阶用户来说,如果一款软件能为每一步后期处理提供相应操作工具,那就是一款优秀软件。不妨试试Autodesk Maya,也被称为Maya。这款软件支持用户界面自定义设置,成为了视频游戏开发、3D建模、3D动画行业的最爱。决定付费使用前,可试用一个月。

Zbrush中的3D模型龙

另外,还可以尝试3ds Max,同样可以试用一个月。这款软件专门用于角色建模、动画和物品超现实渲染,这款软件速度快,操作方便。

如果你需要数字雕塑的软件,可以尝试ZBrush。ZBrush能处理大量多边形构成的高聚合模型,并因此著称,配合Artec Studio使用时,效果极佳。其他类似软件包括3D-Coat或Autodesk Mudbox。

如果你需要CAD建模软件,可以考虑SOLIDWORKS,这是工业标准级别的机械设计软件。工程师和设计师将SOLIDWORKS用于零件和装配建模,具有模拟功能和绘图、装配工具。其他推荐的CAD软件有AutoCAD、Fusion 360或Rhinoceros。

许多工作室也在使用这些软件,如你打算创建3D模型,那么一定会与其中至少一款打交道。

모델 #2: 3D 스캐닝

使用结构光三维扫描仪为内燃机曲轴进行三维扫描

创建3D模型的第二种方法是扫描。CAD或多边形建模支持从头设计,但三维扫描有所不同,你可以为现实生活中的物体、人、环境制作精确的数字副本。这种方法可以独立使用,但更多的时候可以作为已有建模工艺的补充,将扫描结果导出至CAD软件,进行改造设计或检查,也可以导出至多边形建模或雕塑软件进行进一步润色修改。

要点:

多边形建模支持从头开始设计模型,但三维扫描不同,你可以根据真实物体、人、环境制作精确的副本。该方法可以独立使用,也可以融入其他建模工艺。

三维扫描采用的技术不同,扫描过程也有有所不同。常见产品类型包括结构光三维扫描仪、激光三角测量扫描仪、时差测距激光扫描仪等等。现在的一些智能手机和平板电脑也可以作为扫描仪使用,这要归功于内置或附加的传感器,设备才能感知三维世界。但无论使用何种技术,三维扫描仪的最终效果都是一样的,即生成真实物体的三维模型,可用于从CAD到逆向工程、质量检测到遗产保护、CGI等多种场景。

下面我们介绍几个三维扫描与传统3D建模结合使用的案例。

三维扫描与CAD

精确采集物体几何信息是三维扫描的用途之一,并用于分析、逆向工程,或检查是否存在缺陷、是否与原始CAD模型或草图存在偏差。如果找不到某个产品的三维或平面CAD文件,这一方法就特别有用。你无需花几个小时的时间,从头开始建模,只要扫描一下,几分钟后,就会显示在屏幕上。和传统建模、接触式测量法(如CMM)相比,这一方式不仅更快,而且更精准。

三维扫描仪搭配旋转台,扫描机械部件用于逆向工程

除了三维复制能力,三维扫描仪还支持定制化解决方案,传统建模是不可能实现的。例如,医生和医疗专业人员使用三维扫描,为病人设计贴合身材的解决方案,如根据病人的脊柱扫描定制轮椅、定制鞋底或定制假肢。

三维扫描与多边形建模与雕塑

如需追求极高的逼真度,三维扫描仪也是一款常用工具,这点多边形建模或雕塑法有时无法实现。许多体育游戏工作室使用三维扫描仪扫描知名运动员的脸部,使3D形象看起来更逼真。电影公司也会使用三维扫描仪,来设计超现实的3D资产(如武器或车辆)时,或根据真实演员的造型来新建角色与其花几个小时从头开始设计,不如用扫描仪扫描现实生活中的实物或人,然后上传模型,在常用3D设计软件中进一步编辑。

编辑三维扫描仪采集的第一人称射击游戏角色3D模型

摄影测量法

在某些情况下,除了三维扫描和3D建模外,一些专业人员也会采用另一种建模方法——摄影测量法。这种方法和三维扫描类似,通过用相机(或多个相机)为现实世界中存在的物体拍摄多张照片,拼接后创建3D模型。

多机位摄影测量设备用于全身三维扫描

然而,与三维扫描相比,这个过程要从各个角度捕获物体,并拍摄数百张照片,因此更为耗时。此外,也不能像三维扫描仪那样实时构建模型,这样就无法及时发现问题,也无法及时修复。

摄影测量法的主要优点是物体再现的纹理质量特别高,超过了大多数三维扫描仪。然而,这种方法的缺点是精确度欠佳。为了实现纹理和几何最佳效果,建议同时使用三维扫描仪和摄影测量法。

3D模型存储和销售平台

三维模型完成后,使用和分享的途径也有很多。如果模型仅供内部使用,可以把它存储在电脑上,或者上传到文件共享平台,如Dropbox。如果你想分享的人没有兼容的3D软件,或许可以上传到某些网站,不仅支持模型存储,也支持他人查看和下载。

许多网站支持3D模型的存储和销售。有些网站,如Sketchfab或Turbosquid的Kraken,支持创建自己的模型作品集,供私人和公众查看。例如,在Sketchfab中,你不仅可以上传模型,还能调整光线和其他参数,并获得一个嵌入代码,这样就可以像发布优酷视频或微博一样将其发布到网站上。

有些平台,包括Sketchfab、Turbosquid、CGTrader和Quixel,不仅支持3D模型的存储,还能将模型出售给感兴趣的顾客。像Unity和Unreal Engine这样的游戏引擎有自己的3D模型市场,游戏开发者可以在这里为他们的游戏购买3D资产。

最受欢迎的3D建模和设计软件开发者(如Autodesk),都有自己的3D模型浏览网站,可以直接从软件中上传3D模型。同样,像Artec Studio这样的3D扫描软件也可以做到这点,支持将最终的3D模型导出到原生3D查看器ViewShape中。

结论

综上所述,我们有各种方法来创建3D模型。如果需要为尚不存在或全新的物体建模,可以用3D建模软件。如果需要对已经存在的物体建模,则可以考虑三维扫描。不仅可以节省时间和精力,还能得到精准的效果,这或许是传统建模工具永远无法实现的。

目录
作者: 

这篇文章有帮助吗?