عناوین مطلب درباره: مدلسازی سه بعدی چیست؟
- مدلسازی سه بعدی – 3D Modeling
- تاریخچه مدلسازی سه بعدی – The History Of 3D Modeling
- داستان قوری – The Famous Teapot
- کاربردهای مدلسازی سه بعدی – Application Areas of 3D Modeling
- فواید و مزایا مدلسازی سه بعدی – Benefits of 3D Modeling
- نرم افزار های مدلسازی رایج – Common 3D Modeling Softwares
- انواع مدل های سه بعدی – Types Of 3D Models
- تکنیک های مدلسازی سه بعدی – 3D Modeling Technique
مدلسازی سه بعدی – 3D Modeling
مدلسازی سه بعدی فرآیند ایجاد یک نمایش ریاضی از هر سطح یک جسم در سه بعد از طریق نرم افزار تخصصی است. این محصول یک مدل سه بعدی نامیده میشود. مدلهای سه بعدی میتواند به عنوان یک تصویر دو بعدی از طریق فرآیندی به نام رندر سه بعدی نمایش داده شود یا در شبیهسازی رایانهای از پدیدههای فیزیکی استفاده شود. همچنین این مدلها از طریق پرینترهای سه بعدی میتواند بطور فیزیکی و به صورت یک شیء – Object ایجاد شوند.
تاریخچه مدلسازی سه بعدی – The History Of 3D Modeling
تلاش برای درک کردن و به تصویر کشیدن فضای سه بعدی از قرن ششم پیش از میلاد، و شاید هم پیش از آن، آغاز شده بود. هندسه تلاشی بود برای مدلسازی جهان مادی و اشیا و اجسام آن. در قرن سوم پیش از میلاد بود که اقلیدس اصول اولیهی هندسه را در کتابش تدوین کرد و به همین دلیل، به او لقب پدر هندسه یا بنیانگذار علم هندسه را دادند. علم هندسه با ویژگیهای فضا و نقاط (که خطوط و اشکال را تشکیل میدهند) سروکار دارد. اجسام بُعد دارند. پس، بُعد – Dimention نیز یکی از موضوعاتی است که در هندسه به آن پرداخته میشود. در هندسهی اقلیدسی چیزی به نام محور مختصات وجود نداشت تا بشود اشکال سه بعدی را با داشتن طول و عرض و ارتفاع رسم کرد.
رنه دکارت، فیلسوف و ریاضیدان معروف فرانسوی، در قرن ۱۷ دستگاه مختصات را به هندسه افزود و راه را برای پیشرفتهای بعدی باز کرد. درواقع، محور مختصات دکارتی پایهی ریاضی مدلسازی سه بعدی است .اجسام سه بعدی را روی محور مختصات و با ۳ نقطه (طول، عرض و ارتفاع) نشان میدهند.
- قرن 20 و تولد Computer aided Design – CAD
کامپیوتر چیست؟ ماشینحسابی بسیار سریع که میتواند محاسبات سخت و پیچیده را برای انسان در کمترین زمان ممکن انجام دهد. کامپیوتر با همین ایده اختراع شد. کسی از کامپیوتر برای طراحی – Design استفاده نمیکرد. چون کامپیوتر قرار بود محاسبات انجام دهد و به مهندسان کمک کند. کامپیوتر ابزاری برای آفرینشهای هنری نبود. اما من و شما خوب میدانیم که به ابزار قدرتمندی برای خلق آثار هنری تبدیل شد.
در سال 1963، Ivan Edvard Sutherland نرمافزاری به نام Sketchpad را ساخت که کامپیوتر را به وسیلهای برای دیزاین و طراحی گرافیک تبدیل کرد. اسکچپد - Sketchpad مثل یک دفتر نقاشی است، البته یک دفتر نقاشی سه بعدی. پس، از کامپیوتر برای طراحی و تولید هر نوع تصویری، یعنی گرافیک کامپیوتری (Computer Graphics - CG)، هم میشود استفاده کرد.
در سال 1964، شرکت General Motors و IBM اعلام کردند که با همکاری یکدیگر برنامهی کامپیوتری یکپارچهای برای طراحی ماشین ساختهاند. نام آن برنامه Design Augmented by Computer بود. پس از آن بود که نرمافزارهای CAD (دیزاین به کمک کامپیوتر) برای طراحی در حوزهها و صنایع مختلف ساخته شد. خودروسازی، معماری، طراحی و ساخت موتورها و دستگاههای پیچیده و سنگین صنعتی، شهرسازی، صنعت سینما و تلویزیون، صنعت جواهرسازی، بازیهای کامپیوتری و … از جمله صنایع و حوزههایی است که نرم افزارهای CAD در آنها کاربرد پیدا کرد.
- Computational Geometry and Geometric Modeling
با نرمافزاری ابتدایی مثل اسکچپد – Sketchpad نمیشد موتور هواپیما یا انیمیشن ساخت یا نقشههایی از عمق اقیانوسها تهیه کرد. نرمافزارهای طراحی به موازات پیشرفت در سختافزار (کامپیوترها) پیشرفت کردند. باز هم هندسه و مدلسازی هندسی به کمک برنامهنویسان و سازندگان نرمافزارهای کَد – CAD آمد و راه را برای توسعه نرمافزارهای طراحی سه بعدی قویتر و با امکانات بیشتر هموار کرد. چون آن نرمافزارها هم محاسبات پیچیدهای را برای مدلسازی سه بعدی انجام میدهند.
چطور میشود با کامپیوتر و برنامههای کامپیوتری مسائل هندسی را سریع و بهینه حل کرد؟ هندسه محاسباتی یا کامپیوتری شاخهای از علوم کامپیوتر و ریاضی است که تلاش میکند پاسخی برای آن سوال پیدا کند. هندسه محاسباتی دو زیرشاخهی اصلی دارد: هندسه الگوریتمی و هندسه محاسباتی عددی یا طراحی هندسی یا مدلسازی هندسی. کار مدلسازی هندسی این است که اشیای جهان واقعی را با زبان کامپیوتر ترسیم کند. پس، با مدلسازی هندسی طراحی و تولید هر نوع سیستم کَد – CAD ممکن است.
از مدلسازی سه بعدی برای بخشهایی اعم از مهندسی و ساخت گرفته تا انیمیشن دیجیتال برای فیلمها و بازیهای ویدیویی استفاده میشود. اولین استفاده از گرافیک رایانه در اوایل دهه 1960 برای اهداف علمی و مهندسی بود و بیان هنری CGI از اواخر دهه 1960 آغاز شد. اولین برنامه تجاری مدلسازی جامد - Solid با نام Syntha Vision در سال 1969 منتشر و دردسترس قرار گرفت. 20 سال طول کشید تا با پیدایش Pro/ENGINEER مهندسان و طراحان توانستند که از NURBS و مدلسازی پارامتری استفاده کنند. مدلسازی سهبعدی با محبوبیت و کارایی بیشتری روبرو شد و کاربردهای مدلسازی سه بعدی از بازیهای ویدئویی و فیلمهای سینمایی گرفته تا کلیه ابعاد طراحی و ساخت تجاری گسترش یافت. اولین فناوری چاپ سه بعدی بنام استریولیتوگرافی (SLA)، در سال 1986 پدیدار شد و که نام فایل STL از آن گرفته شده است.
داستان قوری - The Famous Teapot
قوری Utah Teapot در نرم افزار 3ds Max بعنوان یکی از آبجکت های اصلی این نرم افزار است. (مدلی که تا به امروز بعنوان نمادی از اولین مدلهای تاثیرگذار صنعت سه بعدی سازی ازش یاد میشه.) در سال 1974 اولین بار Martin Newell دانشمند علوم رایانه ای در دانشگاه یوتا در آمریکا تصمیم گرفت بعنوان پایان نامه خودش یک آبجکت سه بعدی پیچیده ای رو طراحی کنه. قوری یکی از گزینه های خوبی بود که Newell زمانی که داشت با همسرش چایی میخورد به ذهنشون رسید. درواقع پیشنهاد سه بعدی کردن قوری از سمت همسر Newell ارائه شد. سپس Newell یک قلم و کاغذ برداشت و در اولین اقدام شروع به طراحی این قوری کرد. این مدل تمام خصوصیات های توپولوژی را داشت، نظیر برآمدگی ها و فرو رفتگی ها، تداخل و قسمت های پنهان، سایه های داخلی و خارجی.
طراحی اولیه قوری که یک Sketch دستی بود حالا تبدیل به یک فرمول برای اجرا و پیاده سازی مدل سه بعدی اون شده بود. حالا Martin Newell باید به آزمایشگاه خودش در دانشگاه Utah برمیگشت و این فرمول رو با کمک نقاطی که به اونها Bézier میگفتن و پیش تر هم برای مدلسازی یک خودرو استفاده شده بود، تبدیل به یک قوری سه بعدی زیبا و دوست داشتنی میکرد. مدل به دست اومده از نظر Martin Newell و Jim Blinn (یکی دیگر از دانشمندا علوم رایانه ای که بعدا با شرکت های ناسا و مایکروسافت همکاری کرد) بسیار قابل قبول و زیبا بود.
جالب بدونید این قوری هم اکنون در موزه Computer History Museum در کالیفرنیا آمریکا در کنار اسکچ اولیه قوری که توسط Martin ترسیم شده قرار دارد.
کاربردهای مدلسازی سه بعدی – Application Areas of 3D Modeling
- طراحی و مهندسی: مدلسازی سه بعدی در طراحی و مهندسی برای ایجاد مدلهای دقیق از قطعات و محصولات استفاده می شود. این مدلها برای تجزیه و تحلیل عملکرد، شبیه سازی و ساخت استفاده می شوند. مثلا در صنعت خودروسازی، مدلسازی سه بعدی برای طراحی و توسعه خودروهای جدید استفاده می شود. این مدلها برای تجزیه و تحلیل عملکرد، شبیه سازی تصادفات و تولید قطعات استفاده می شوند.
- معماری و طراحی داخلی: مدلسازی سه بعدی در معماری و طراحی داخلی برای ایجاد مدلهای سه بعدی از ساختمانها، فضاها و مبلمان استفاده می شود. این مدلها برای تجسم طراحی، ارتباط با مشتریان و مستند سازی استفاده می شوند.
- سرگرمی و رسانه: مدلسازی سه بعدی در سرگرمی و رسانه برای ایجاد جلوه های ویژه، انیمیشن و بازی های ویدئویی استفاده می شود. این مدلها برای ایجاد دنیاهای خیالی و شخصیتهای واقع گرایانه استفاده می شوند.
- آموزش و یادگیری: مدلسازی سه بعدی در آموزش و یادگیری برای ایجاد مدلهای سه بعدی از مفاهیم و موضوعات پیچیده استفاده می شود. این مدلها برای کمک به دانش آموزان در درک مفاهیم و یادگیری بهتر استفاده می شوند.
- پزشکی: مدلسازی سه بعدی در پزشکی برای ایجاد مدلهای سه بعدی از اندام ها و ساختارهای بدن استفاده می شود. این مدلها برای آموزش دانشجویان پزشکی، برنامه ریزی جراحی و درمان بیماری ها استفاده می شوند.
فواید و مزایا مدلسازی سه بعدی – Benefits of 3D Modeling
- تجسم و ارتباطات: مدل های سه بعدی می توانند برای تجسم ایده ها و مفاهیم پیچیده استفاده شوند. آنها می توانند به مردم کمک کنند تا از زوایای مختلف به یک شی یا یک محیط نگاه کنند و جزئیات را به طور دقیق درک کنند. این می تواند برای آموزش، بازاریابی و فروش مفید باشد.
- شبیه سازی و آزمایش: مدل های سه بعدی می توانند برای شبیه سازی رفتار یک شی یا یک محیط در شرایط مختلف استفاده شوند. این می تواند برای آزمایش ایده ها و طراحی ها بدون نیاز به ساخت نمونه واقعی آنها مفید باشد. این می تواند منجر به صرفه جویی در زمان و هزینه شود و از خطاهای ساخت و ساز جلوگیری کند.
- تحلیل و طراحی: مدل های سه بعدی می توانند برای تجزیه و تحلیل ویژگی های یک شی یا یک محیط استفاده شوند. این می تواند برای شناسایی مناطق مشکل ساز یا بهبود عملکرد مفید باشد.
- تولید و ساخت: مدل های سه بعدی می توانند برای تولید مدل های واقعی استفاده شوند. این می تواند برای تولید قطعات، ابزارها و محصولات مفید باشد.
نرم افزار های مدلسازی رایج – Common 3D Modeling Softwares
- بلندر – Blender
- اتودسک تری دی استودیو مکس – Autodesk 3ds Max
- اتودسک مایا – Autodesk Maya
- زیبراش – Zbrush
- راینو – Rhinoceros
- اسکچاپ – Sketchup
- سالید ورکس – Solidworks
انواع مدل های سه بعدی – Types Of 3D Models
در طراحی اشیاء سه بعدی – 3D Objects با استفاده از برنامه های Computer aided Design – CAD، برنامه های مدل سازی از پولیگان مش – Polygon Mesh یا نربز – NURBS (Non-Uniform Rational Basis Spline / یک خط پایه منطقی غیریکنواخت:)) ) برای توصیف آبجکت استفاده می کنند.
- مدل سه بعدی پولیگان مش – Polygon Mesh 3D Model: مدل سه بعدی مش مجموعه ای از رئوس – Vertices، یال ها – Edges و وجه ها – Faces است که با هم یک شی سه بعدی را تشکیل می دهند. رئوس مختصات در فضای سه بعدی هستند، یال ها هر کدام دو راس مجاور را به هم متصل می کنند و وجه ها (چندضلعی Polygon) لبه ها را محصور می کنند تا سطح جسم را تشکیل دهند. رایج ترین چند ضلعی های – Polygons مورد استفاده در مدل های مش سه بعدی مثلث ها – Triangles و چهار ضلعی ها – Quadrilaterals هستند. مدل های مش رایج ترین مدل ها در مدل سازی سه بعدی هستند.
- مدل سه بعدی نربز – NURBS 3D Model: نربز – NURBS مخفف "Non-Uniform Rational B-Spline" است و نمایشی ریاضی از اشیاء سه بعدی است. مدلهای نربز نرم تر و انعطاف پذیرتر از مدلهای مش هستند، اما همچنین پیچیدهتر و از نظر محاسباتی فشرده تر هستند.
تکنیک های مدلسازی سه بعدی – 3D Modeling Technique
- Polygon Modeling – Mesh Modeling
- Box Modeling
- Nurbs Modeling – Spline Modeling
- Boolean Modeling
- 3D Sculping
- Parametric Modeling
- Procedual Modeling
- Kit bashing
- 3D Scanning
Polygon Modeling – Mesh Modeling
مش مجموعهای از رئوس vertices ،یال ها edges و وجه faces است که شکل یک شیء را در گرافیک کامپیوتری سه بعدی مشخص میکند. مش مدلینگ – Mesh Modeling تکنیکی است که در گرافیک کامپیوتری و مدلسازی سه بعدی استفاده میشود. این نوع مدلسازی در ایجاد اشیاء سهبعدی پیچیده با اتصال رئوس (نقاط)، لبهها (خطوط) و وجهها (چندضلعیها) برای ایجاد ساختار مشبک کاربرد دارد.
Box Modeling
مدلسازی Box Modeling تکنیکی در مدلسازی سه بعدی است که در آن از یک شکل اولیه (مانند جعبه، استوانه، کره و غیره) برای ساختن شکل اصلی مدل نهایی استفاده می شود. سپس از این شکل اصلی برای اسکالپ مدل نهایی استفاده می شود.
اسم Box Modeling به دلیل ساختار متفاوت طراحی در این متد انتخاب شده است. در این روش طراح در بورد برنامه یک مستطیل یا مربع به اندازه مدلی که میخواهد طرح آن را بسازد ایجاد، سپس با کپی همان مستطیل کنارش، مرحلهبهمرحله جزییات و شکل مدل را تکمیل میکند. نکته دیگر در این روش بحث چیدمان جزءبهجزء یک طرح کنار هم برای تکمیل کل طرح است. مثلا، شما طرح سه بعدی دست انسان را در نظر بگیرید. در مرحله اول یک مربع برای کف دست ایجاد میشود سپس مرحلهبهمرحله مستطیلهایی برای انگشتها و پس از تکمیل پنج انگشت، فرم و شکل آنها با جزییات به مدل دست اضافه میشود.
Nurbs Modeling – Spline Modeling
نربز – NURBS یک مدل ریاضی با استفاده از خطوط پایه (B-splines) است که معمولاً در گرافیک کامپیوتری برای نمایش منحنی ها و سطوح استفاده می شود. انعطاف پذیری و دقت بالایی را برای دست زدن به اشکال تحلیلی (تعریف شده توسط فرمول های رایج ریاضی) و مدلسازی ارائه می دهد. شکل سطوح NURBS توسط نقاط کنترل – Control Points تعیین می شود. در یک فرم فشرده، سطوح NURBS می توانند اشکال هندسی ساده را نشان دهند. برای اشکال پیچیده ارگانیک، T-splines و سطوح تقسیم بندی مناسب تر هستند زیرا تعداد نقاط کنترل را در مقایسه با سطوح NURBS به نصف کاهش می دهند.
Boolean Modeling
مدلسازی Boolean Modeling تکنیکی است که به شما امکان میدهد با ترکیب اشکال سادهتر با استفاده از عملیاتهایی مانند اتحاد – Union ،تقاطع – Intersection و تفاوت – Difference، اشکال پیچیده ایجاد کنید. می تواند برای ایجاد فرم های ارگانیک، قطعات مکانیکی یا المان های معماری مفید باشد.
3D Sculpting
مجسمهسازی دیجیتال – Digital Sculpt که بهعنوان مدلسازی مجسمهسازی سه بعدی 3D Sculpting شناخته میشود، استفاده از نرمافزاری است که ابزارهایی را برای هل دادن – Push، کشیدن – Pull، صاف کردن – Smooth، گرفتن Grab، نیشگون گرفتن Pinch و ... یک شی دیجیتال به گونهای که از یک ماده واقعی مانند خاک رس ساخته شده است، ارائه میکند.
Parametric Modeling
طراحی پارامتریک یک پروسه ی بر پایه تفکر الگوریتمیک می باشد که یک سری پارامتر و قوانین همراه یکدیگر روابط بین هدف طراحی ونتیجه طراحی را تعریف و روشن می کنند. مدلسازی پارامتریک یک پارادایم مدلسازی است که در آن روابط بین المان ها، تکثیر هندسه و فرم های پیچیده را رقم می زند. کلمه پارامتریک از مبحث “معادله پارامتریک در ریاضیات منشا می گیرد و اشاره به استفاده از پارامترها و متغییرهای مشخص که می باشد که می توان با تغییر آن ها نتیجه یک سیستم یا معادله را ویرایش کرد. با ابزار هایی مثل الگوریتم های مولد میتوان، فراکتال ها – Fractals، اتوماتای سلولی – Cellular Automata، دیاگرام ورونوئی – Voronoi، سیستم های لیندنمایر – L-system، مثلث بندی – Triangulation، فرمول برتر – Superformula و دیگر الگوریتم های خاص پا به عرصه ای فراتر از احجام معمول و موجود گذاشت.
Procedual Modeling
مدلسازی رویهای – Procedual Modeling تکنیکی است که به ما امکان میدهد به جای ایجاد مدلهای کاملاً جدید، مدلهای موجود را بر اساس دنبالهای از قوانین، دستورالعملها یا الگوریتمها تغییر داده و تغییر دهیم. این شامل دو مرحله اصلی است: مدل سازی مدولار و مدل سازی تغییر خودکار. سیستمهای ال، فراکتالها و مدلسازی مولد تکنیکهای مدلسازی رویهای هستند زیرا از الگوریتمهایی برای تولید صحنهها استفاده میکنند. یکی از مزایای مدلسازی رویه ای این است که می توانید به راحتی مدل خود را با اصلاح پارامترها یا قوانین الگوریتم خود تغییر داده و تنظیم کنید. این به شما امکان می دهد تا با تغییرات و احتمالات مختلف آزمایش و تکرار کنید.
Kit bashing
"kit" به "kit model" اشاره دارد. بنابراین، زمانی که یک مدل ساز در حال «kit bashing» است، قطعاتی را از کیتهای مدلهای مختلف ترکیب میکند شبیه به کولاژ. سازنده مدل چندین مدل جداگانه را در یک مدل کاملاً جدید ترکیب می کند.
3D Scanning
اسکن سه بعدی 3D Scanning فرآیند تجزیه و تحلیل یک شیء، شخص یا محیط واقعی برای جمع آوری داده ها است. یک دستگاه اسکن سه بعدی یا اسکنر سه بعدی شکل و احتمالاً ظاهر (مانند رنگ) سوژه را جمع آوری می کند. سپس می توان از این داده ها برای بدست آوردن یک مدل سه بعدی استفاده کرد.
