Полигон в 3д моделировании это

3ds Max. Часть 4. Основы полигонального моделирования

Без знания основ полигонального моделирования невозможно спроектировать чуть более сложные объекты, чем примитивы. Разбираемся с вертексами и рёбрами.

Степан Степанов

Автор статей по дизайну. В веб-дизайн пришёл в 2013 году, осознанно начал заниматься с 2015 года. Параллельно освоил вёрстку. Время от времени публикую переводы на Habr.

Перед тем как начать моделирование такого сложного 3D-объекта, как автомобиль, нужно понимать основные принципы полигонального моделирования и знать назначение и функциональные возможности инструментов.

Что такое полигон

Полигон — плоскость, состоящая из нескольких точек в пространстве, соединённых рёбрами.

Что такое полигональное моделирование (polygonal modeling)

Полигональное моделирование — это один из видов трёхмерного моделирования, позволяющий моделировать любой объект (ну или почти любой) и за счёт соединения полигонов создавать из них группы и формировать нужный облик модели. Например так:

Разбираемся с полигональным моделированием на примере

Давайте создадим примитив box, конвертируем его в Editable Poly (редактируемые полигоны) и на этом примере детально рассмотрим, что такое полигон и из чего он состоит. В этом уроке вы можете посмотреть, как создать примитив.

Чтобы конвертировать объект в редактируемые полигоны, нажмите правой кнопкой мыши в активном окне проекции и в контекстном меню выберите Convert To — Convert to Editable Poly.

Итак, вы создали примитив box и перевели его в Editable Poly. Далее рассмотрим, из каких подобъектов состоит Editable Poly.

Уровень подобъектов Editable Poly

Нажмите стрелку на командной панели во вкладке Modify перед названием Editable Poly, чтобы перейти на уровень подобъектов. Их мы и будем сейчас разбирать.

Vertex (вершины)

Чтобы работать с этим уровнем подобъектов, нажмите клавишу 1 на клавиатуре. Вершина — это одномерный объект (точка) в пространстве. Если соединить, например, две вершины, получится ребро.

Edge (рёбра)

Нажмите на клавишу 2 на клавиатуре, чтобы работать с этим уровнем подобъектов. Ребро — это двумерный объект, который определяется двумя вершинами и представляет собой линию. Три ребра и более образуют многоугольник.

Border (граница)

Нажмите на клавишу 3 на клавиатуре, чтобы работать с этим уровнем подобъектов.

В том виде, в котором сейчас представлен наш объект, Border выделить не получится. Border — это граница, где что-то должно заканчиваться, а у нас объект замкнутый.

Перейдите на подобъект, выделите любой видимый полигон и удалите его по нажатию на Del на клавиатуре. Теперь края удалённого полигона и будут тем самым бордером.

Polygon (полигон)

Polygon вызывается по клавише 4 на клавиатуре. Состоит из трёх и более рёбер.

Element (элемент)

Element вызывается по клавише 5 на клавиатуре. Этот подобъект необходим в случае, когда нужно выделить целиком весь объект.

В свитке Selection иконками представлены все подобъекты Editable Poly. Когда вы выбираете один из подобъектов, там активируется нужная иконка, и наоборот: когда вы нажимаете на какую-либо из иконок, у вас будет выделяться один из подобъектов в списке.

Все эти подобъекты нужны при создании полигональной сетки 3D—объекта. Чтобы выполнять с ними какие-либо действия, нужно использовать базовые инструменты для работы с подобъектами, которые находятся на командной панели во вкладке Modify ниже окна объекта Editable Poly.

Заключение

Всё полигональное моделирование основано на взаимодействии с рассмотренными подобъектами — вершинами, рёбрами, полигонами и так далее. Посредством Editable Poly создаются большинство моделей и сцен, которые можно применить где угодно — от анимационной презентации архитектурной застройки до локаций для игр.

Полигональное моделирование: значение, особенности, рекомендации в работе

Существуют несколько видов трехмерного моделирования: каркасное, твердотельное, поверхностное, генеративное и полигональное. Объемная визуализация с использованием полигонов является самой первой разновидностью 3D-моделирования. Полигональное моделирование 3d max имеет свои нюансы и сложности, однако данный метод по-прежнему пользуется огромной популярностью в сфере 3D-технологий.

Что такое полигональное моделирование

Полигональное моделирование – низкоуровневое моделирование, которое позволяет визуализировать объект с помощью полигональной сетки.

Полигональные сетки состоят из таких подобъектов:

• вершина – точка соединения ребер, их может быть сколько угодно;
• ребра – линии, выступающие границами граней;
• грани или полигоны – ячейки сетки, участки плоскости, которые имеют чаще всего треугольную или четырехугольную форму. Полигональная сетка может состоять из огромного количества одинаковых ячеек.

Для создания трехмерной модели объекта необходимо работать с подобъектами. Можно менять их масштаб и форму, вращать, объединять и делить, а также применять другие операции, которые позволяют специальные компьютерные программы.

Полигональное моделирование выполняется в таких программах:

• 3ds Max;
• Maya;
• Alias;
• Rhino.

Полигональные сетки представляют собой совокупность полигонов, из которых формируются контуры, оболочка будущего объекта. Кажется, что с ними несложно работать, они имеют четко определяемые внешнюю и внутреннюю область, не нужно делать никаких дополнительных параметров и вычислений. Однако этот метод требует терпения и усидчивости, поскольку для создания даже самой простой трехмерной модели необходимо сделать тысячи кликов мышью. Наименьшая ошибка может свести всю работу не «нет», так как переделать готовый объект очень сложно.

Методики и способы построения полигональных моделей

Существует три основных методики создания полигональных моделей, которые чаще всего используются в объединенном варианте, однако могут применяться и в чистом виде.

1. С помощью примитивов – когда за основу берутся готовые геометрические фигуры (например, куб или цилиндр), затем конструируется нужная модель путем вытягивания подобъектов, деления существующих граней.
2. Вытягиванием из полигона-исходника новых граней, когда каждый подобъект появляется из предыдущего.
3. Вручную, без исходников и примитивов, когда все подобъекты прорисовываются, а не вытягиваются.

Полигональное моделирование предусматривает три основных способа построения объектов визуализации.

1. Моделирование при помощи вершин – проводятся манипуляции с вершинами, их перемещение, удаление и т.д.
2. Моделирование при помощи ребер – для придания нужной формы объекту меняется положение ребер, их размеры.
3. Моделирование при помощи полигонов – грани используются для более сложных операций, например, придания формам выпуклости или наоборот заостренности, сглаживание или вдавливание поверхности, здесь ведется работа с плоскостями.

Рекомендации при создании полигональных моделей

1. Лучше использовать четырехугольные геометрические фигуры. Они проще деформируются, что позволяет не тратить время на ненужные манипуляции. Рекомендуется применять как можно меньше треугольников.
2. Не стоит использовать сложные геометрические фигуры, с большим количеством углов и ребер, это может привести к деформации текстуры.
3. При создании полигональной модели нужно визуализировать только необходимые элементы, построение дополнительных конструкций усложняет саму модель, если это мелкие детали, их можно сделать, используя текстуры.

Полигональное моделирование рассчитано в первую очередь на создание объемных моделей объектов с точными формами и четкими контурами. Объекты складываются из полигонов – крошечных граней, которые имеют форму и цвет. Данный метод на сегодняшний день чаще всего применяется в промышленном дизайне.

Обзор полигонов

Полигоны – один из типов геометрии, которые используются для создания трехмерных моделей в Autodesk® Maya®. Кроме этого, в Maya имеются еще два вида поверхностей — NURBS и иерархические (subdivision).

Полигоны используются для создания многих типов 3D моделей и широко используются для разработки трехмерных объектов в фильмах, видеоиграх и интернете.

Терминология полигонов

Полигоны представляют собой фигуры с прямыми сторонами (3 или более сторон), определенными посредством точек трехмерного пространства (вершин (vertice)) и соединяющих эти точки линий (ребер (edge)). Внутренняя область полигона называется гранью (face). Вершины ребра и грани являются базовыми компонентами полигонов. Вы можете выделять и модифицировать полигоны, используя базовые компоненты.

При создании полигональных моделей чаще всего используются трехсторонние (треугольники) или четырехсторонние (четырехугольники) полигоны. Maya также поддерживает полигоны с большим количеством сторон, но они используются значительно реже.

Отдельный полигон также называют гранью (face) и определяют как область, ограниченную тремя или более вершинами, и соответствующими им ребрами. Если многие грани соединены между собой, то такой объект называется полигональной сеткой (polygon mesh) или полигональным объектом (polygonal object). Полигональная сетка может создаваться разными способами. Подробнее о способах создания полигональных объектов см. ниже.

Обычно в полигональной сетке вершины и ребра совместно используются разными гранями. В этом случае их называют общими вершинами (shared vertices) или общими гранями (shared edges).

Полигональные сетки могут состоять из не связанных между собой частей, которые называются оболочками (shell). Внешние ребра сетки называются граничными ребрами (border edges).

Наложение текстуры на полигональную модель

На полигональные модели с помощью UV-координат может быть наложена текстура. Подробнее см. отдельное руководство по работе с текстурными координатами.

Обзор полигонального моделирования

Существуют разные техники по созданию полигональных моделей в Maya:

• Примитивы – это трехмерные геометрические формы, которые Вы можете создать в Maya. В число примитивов входят, например, сфера, куб, цилиндр, конус, плоскость и многие другие. Вы можете изменить базовые атрибуты примитива, чтобы сделать его более сложным. Можно также разрезать, экструдировать, сливать или удалять разные компоненты примитива, чтобы изменить его форму. Многие 3D художники используют примитивы в качестве начальной точки для создания моделей. Такая техника называется моделированием из примитива.
• Отдельные полигоны могут быть созданы с помощью средства Create Polygon Tool. Этот инструмент позволяет размещать в сцене вершины, определяющие форму полигональной грани. Вы можете также разрезать или экструдировать полигональную грань, чтобы добавить новые грани к уже созданной. Такая техника обычно используется, если Вам нужно наиболее точно построить модель по заданному контуру. Например, Вы можете описанный прием, если Вам нужно построить сложный 3D логотип, используя импортированное 2D изображение как референс.
• Полигоны могут также создаваться превращением из имеющихся NURBS или иерархических (subdivision) поверхностей, используя меню Modify.

Нормали полигонов

Нормаль — это воображаемая линия, перпендикулярная поверхности полигона. В Maya нормали используются для определения ориентации грани полигональной грани (нормали граней), или для расчета закраски граней (нормали вершин).

Нормали граней

Передняя сторона грани полигона грфически представляется с помощью перпендикулярного к ней вектора, называемого нормалью грани.

Порядок перечисления вершин, окружающих грань, определяют ее направление (в какую сторону грань обращена лицом, а в какую — изнанкой). Этот факт может оказаться важным, так как полигоны видны только со своей лицевой стороны, хотя Maya по умолчанию делает все полигоны видными с обеих сторон. Вы можете отключить эту возможность для любой полигональной сетки.

При закраске или рендеринге полигонов нормали определяют отражение света от граней, а значит и цвет полигональной модели.

Нормали вершин

Нормали вершин определяют сглаживание закраски между гранями полигона, в отличие от нормалей грани, которые задают видимость или невидимость полигона.

Нормали вершин изображаются линиями, начинающимися в вершине, по одной на каждую грань, которая использует эту вершину.

• Если все нормали одной вершины имеют строго одно и то же направление (в этом случае они называются общими или мягкими нормалями), то цветовой переход от грани к грани будет плавным.

• Если нормали вершин указывают в одном и том же направлении для каждой грани (в этом случае они называются жесткими нормалями), переход цвета между гранями будет резким, создавая эффект граненой поверхности.

Продвинутые пользователи могут вручную манипулировать нормалями вершин, чтобы создать видимость жестких граней (складок) и теней без использования дополнительной геометрии. Для этой операции используется пункт Vertex Normal Edit Tool меню Normals. Если нормаль отредактирована вручную, она замораживается. Если Вы разморозите ранее отредактированную нормаль, то Maya автоматически пересчитает ее направление и вернет в положение, принятое по умолчанию.

Виды 3Д моделирования: полигональное, сплайновое и NURBS моделирование.

Существует несколько способов 3Д моделирования, которые использует 3Д моделлер: полигональное, сплайновое и NURBS моделирование. Они могут применяться как отдельно, так и комплексно.

Полигональное моделирование

Полигональное моделирование – это вид 3Д моделирования, который появился в то время, когда для определения местонахождения точки необходимо было вручную вводить ее координаты по осям X, Y, Z. Если три точки координат задать как вершины и соединить их ребрами, то получится треугольник, который в 3Д моделировании называют полигоном.

Полигон с тремя вершинами называется триангулированным полигоном, с четырьмя вершинами – квадриангулированным полигоном. Если посмотреть на модели, созданные с помощью полигонов, то можно заметить, что большинство из них созданы именно полигонами с четырьмя и тремя вершинами. Каждый полигон может иметь собственную текстуру и цвет, а объединив несколько полигонов можно получить модель любого объекта. Соединенные между собой полигоны образуют полигональную сетку или полигональный объект.

Для того, чтобы края модели не имели граненого вида, необходимо, чтобы полигоны были малого размера, а поверхность объекта состояла из маленьких плоскостей.

Если предполагается точное моделирование объекта (высокополигональное моделирование), либо в дальнейшем увеличение его изображения, то необходимо строить модель с большим количеством полигонов, хотя, если на модель объекта смотреть издали без приближения, достаточно будет небольшого количества полигонов. Такие модели будут называться высокополигональными и низкополигональными соответственно.

Несмотря на то, что полигональное моделирование используется довольно таки часто, особенно в создании трехмерных компьютерных игр реального времени, в последнее время наблюдается переход от моделирования полигонов к работе со сплайнами (сплайновое моделирование).

Сплайновое моделирование

Сплайновое моделирование – это вид 3Д моделирования, при котором модель создается при помощи сплайнов (Сплайн − от англ. spline – гибкое лекало, в 3D – это трехмерная кривая). Линии сплайнов задаются трехмерным набором контрольных точек в пространстве, которые и определяют гладкость кривой. Все сплайны сводятся к сплайновому каркасу, на основе которого уже будет создаваться огибающая трехмерная геометрическая поверхность.

Кроме того, в сплайновом моделировании используются сплайновые примитивы (параметрические объекты, используемые для моделирования объекта). Базовыми сплайновыми примитивами являются:

1. Линия (Line);
2. Дуга (Arc);
3. Спираль (Helix).
4. Окружность Circle (Circle);
5. Кольцо (Donut);
6. Эллипс (Ellipse);
7. Прямоугольник (Rectangle);
8. Многоугольник (NGon);
9. Многоугольник в виде звезды (Star);
10. Сечение (Section);
11. Сплайновый текст (Text).

В различных программах, позволяющих работать со сплайнами, есть и другие более сложные сплайновые объекты. Преимущество сплайновых объектов в том, что они обладают гибкими настройками и всегда можно вернуться к изменению их формы.

Сплайновое или полигональное моделирование?

Сплайновое моделирование – более точное, и при масштабировании (приближении) качество объекта не меняется. При сплайновом моделировании форма кувшина описывается множеством кривых по экватору шара. Поверхность, построенную с помощью сплайнов можно масштабировать и изготавливать с такой точностью, которая необходима и которую можно задать на этапе прототипирования.

Формы кувшина, созданные с помощью полигонов, имеют различную степень детализации между плоскостями. Изделие с 260 полигонами имеет степень детализации 35 градусов, с 520 полигонами – 25 градусов, с 1280 полигонами – 10 градусов между гранями. Несмотря на то, что издалека изделие кажется гладким, а количество полигонов более 1000, при изготовлении такого объекта будут небольшие шероховатости, поскольку даже на маленьком объекте заметен угол в 10 градусов между плоскостями.

Полигональное и сплайновое моделирование можно сравнить с помощью растрового и векторного изображений: векторное изображение можно масштабировать в любых пределах и его качество не будет теряться, а при увеличении растрового изображения будет теряться качество линий. Более наглядно на картинке:

3Д модели, созданные с помощью сплайнового или полигонального моделирования, сохраняются, как правило, в двух форматах: форматы IGES и STL соответственно. Чаще всего на установках прототипирования используются форматы STL, но с помощью специальных программ формат IGES можно перевести в STL. Обратите внимание, что обратное преобразование невозможно.

Частным случаем сплайнового моделирования, который уже стал отдельным видом 3Д моделирования, является NURBS моделирование.

NURBS моделирование

NURBS моделирование или технология Non-Uniform Rational B-Spline – это технология неоднородных рациональных В-сплайнов, создание плавных форм и моделей, у которых нет острых краев, как у полигональных моделей. Именно из-за этой отличительной черты технологию NURBS применяют для построения органических моделей и объектов (растений, животных, людей).

NURBS-кривые, используемые в данном моделировании, бывают двух видов: Р (Point) кривые и CV (Control Vertex) кривые. Point кривые управляются вершинами, находящимися непосредственно на самой линии или объекте, а Control Vertex кривые управляются точками, лежащими за пределами линии или объекта. Разницу наглядно видно на иллюстрации:

Программы для 3Д моделирования

• Autodesk 3d max (с помощью данной программы были созданы некоторые сцены таких фильмов, как «Матрица», «Парк юрского периода», «Лара Крофт» и другие);

• Autodesk Maya (очень популярная программа в кинематографе. С помощью нее были созданы персонажи Голлум («Властелин колец»), мышонок Литтл Стюарт и даже Шрек);

• Autodesk Softimage (с помощью данной программы создавались рекламные ролики M&M’s и Coca-Cola, фильмы «Город грехов», «Аватар», «Братья Гримм»);

• Autodesk Mudbox – программа, специализирующаяся на высокополигональном моделировании;
• ZBrush от Pixologic – программа специально созданная для высокополигонального моделирования и 3Д скульптинга;
• Houdini от компании Side Effects Software;
• Lightwave 3D от компании NewTek;

• Rhinoceros 3D – программа, специализирующаяся на NURBS моделировании;
• Cinema 4d от компании Maxon;
• прочие.

Команда 3Д дизайнеров и моделлеров KOLORO обладает большим опытом в создании 3Д моделей, мы используем различные виды моделирования и различные программы для моделирования объектов. К каждому заказчику у нас индивидуальный подход, и в процессе работы с ним, мы оказываем необходимую поддержку, консультируем по спорным и сопутствующим вопросам. Мы гарантируем высокое качество выполненных нами работ и четкое соблюдение условий и требований клиента.

Свяжитесь с нами по телефону или заполните форму обратной связи для того, чтобы мы могли предложить Вам оптимальную схему выполнения вашего проекта. Отправьте нам свою 3Д модель для просчета стоимости. Консультации и просчет стоимости — бесплатно!

Наши контакты: +38(057)-760-26-05; +38(057)-760-26-06; +38(099)-618-87-50; info@koloro.com.ua.