Polygonale 3D-Modellierung: Gängige Box- und Kantenmodellierungs-Workflows

In diesem Beitrag konzentrieren wir uns auf einige der spezifischen Werkzeuge und Prozesse, die bei der polygonalen 3D-Modellierung verwendet werden.

Bei der polygonalen Modellierung erstellt ein Künstler eine digitale Darstellung eines 3D-Objekts mit einem geometrischen Netz aus Flächen, Kanten und Scheitelpunkten. Gesichter sind normalerweise viereckig oder dreieckig und bilden die Oberfläche des 3D-Modells. Mithilfe der folgenden Techniken wandelt ein Modellierer ein primitives 3D-Netz (normalerweise ein Würfel, ein Zylinder oder eine Kugel) methodisch in ein vollständiges 3D-Modell um:

Extrusion

Die Extrusion ist eine Methode zum Hinzufügen von Geometrie zu einem Polygongrundelement und eines der Hauptwerkzeuge, mit denen ein Modellierer mit der Formgebung eines Gitters beginnt.

Durch Extrusion manipuliert ein Modellierer das 3D-Netz, indem er entweder eine Fläche auf sich selbst kollabiert (um eine Einkerbung zu erstellen) oder die Fläche entlang ihrer Flächennormalen - dem Richtungsvektor senkrecht zur polygonalen Fläche - nach außen extrudiert.

Durch das Extrudieren einer viereckigen Fläche werden vier neue Polygone erstellt, um die Lücke zwischen ihrer Start- und Endposition zu schließen. Die Extrusion kann ohne ein konkretes Beispiel schwierig zu visualisieren sein:

  • Stellen Sie sich eine einfache Pyramidenform mit einer viereckigen (4-kantigen) Basis vor. Ein Modellierer kann diese primitive Pyramide in eine hausähnliche Form umwandeln, indem er die Basis der Pyramide auswählt und sie in der negativen Y-Richtung extrudiert. Die Basis der Pyramide wird nach unten verschoben, und im Raum zwischen Basis und Kappe werden vier neue vertikale Flächen erstellt. Ein ähnliches Beispiel könnte in der Modellierung der Beine eines Tisches oder Stuhls gesehen werden.
  • Kanten können auch extrudiert werden. Beim Extrudieren einer Kante wird diese im Wesentlichen dupliziert. Die duplizierte Kante kann dann in eine beliebige Richtung vom Original weggezogen oder gedreht werden, wobei automatisch eine neue polygonale Fläche erstellt wird, die beide verbindet. Dies ist das primäre Mittel zum Formen der Geometrie im Konturmodellierungsprozess.

Unterteilung

Mithilfe der Unterteilung können Modellierer einem Modell entweder einheitlich oder selektiv eine polygonale Auflösung hinzufügen. Da ein polygonales Modell normalerweise von einem Grundelement mit niedriger Auflösung und sehr wenigen Flächen ausgeht, ist es fast unmöglich, ein fertiges Modell ohne eine gewisse Unterteilungsebene zu erstellen.

  • Eine einheitliche Unterteilung teilt die gesamte Oberfläche eines Modells gleichmäßig auf. Einheitliche Unterteilungen werden normalerweise auf einer linearen Skala durchgeführt, dh jede polygonale Fläche wird in vier Teile unterteilt. Eine gleichmäßige Unterteilung hilft, "Blockierungen" zu beseitigen, und kann verwendet werden, um die Oberfläche eines Modells gleichmäßig zu glätten.
  • Kantenschleifen - Die Auflösung kann auch durch selektives Platzieren zusätzlicher Kantenschleifen erhöht werden. Eine Kantenschleife kann über alle zusammenhängenden polygonalen Flächen hinzugefügt werden, wobei die ausgewählten Flächen unterteilt werden, ohne dass der Rest des Netzes unnötig aufgelöst werden muss. Kantenschleifen werden in der Regel verwendet, um die Auflösung in Bereichen eines Modells zu erhöhen, bei denen ein Detailgrad erforderlich ist, der in keinem Verhältnis zur Geometrie in der Nähe steht (die Knie- und Ellbogengelenke eines Zeichenmodells sind ein hervorragendes Beispiel, ebenso wie Lippen und Augen).
    Kantenschleifen können auch verwendet werden, um eine Oberfläche für die Extrusion oder eine gleichmäßige Unterteilung vorzubereiten. Wenn eine Oberfläche gleichmäßig unterteilt ist, werden alle harten Kanten gerundet und geglättet. Wenn eine Unterteilung erforderlich ist, der Modellierer jedoch bestimmte harte Kanten beibehalten möchte, können Sie diese beibehalten, indem Sie eine Kantenschleife auf beiden Seiten der betreffenden Kante platzieren. Derselbe Effekt kann durch die Verwendung einer Abschrägung erzielt werden, die weiter unten erläutert wird.

Abschrägungen oder Fasen

Wenn Sie in den Bereichen Ingenieurwesen, Industriedesign oder Holzverarbeitung tätig waren, hat das Wort Fase möglicherweise bereits ein gewisses Gewicht für Sie.

Standardmäßig sind die Kanten eines 3D-Modells unendlich scharf - ein Zustand, der in der realen Welt so gut wie nie vorkommt. Sieh Dich um. Bei genauerer Betrachtung weist fast jede Kante, auf die Sie stoßen, eine Verjüngung oder Rundheit auf.

Eine Abschrägung oder Fase berücksichtigt dieses Phänomen und wird verwendet, um die Härte der Kanten eines 3D-Modells zu verringern:

  • Beispielsweise tritt jede Kante eines Würfels bei einer 90-Grad-Konvergenz zwischen zwei polygonalen Flächen auf. Durch Abschrägen dieser Kanten wird eine schmale 45-Grad-Fläche zwischen den konvergierenden Ebenen erstellt, um das Erscheinungsbild der Kante zu mildern, und der Würfel kann realistischer mit Licht interagieren. Die Länge (oder der Versatz) der Abschrägung sowie ihre Rundheit können vom Modellierer bestimmt werden.

Verfeinern / Formen

Die meisten Modelle werden auch als "Scheitelpunkte schieben und ziehen" bezeichnet und erfordern ein gewisses Maß an manueller Verfeinerung. Beim Verfeinern eines Modells verschiebt der Künstler einzelne Scheitelpunkte entlang der x-, y- oder z-Achse, um die Konturen der Oberfläche zu optimieren.

Eine ausreichende Analogie zur Verfeinerung könnte in der Arbeit eines traditionellen Bildhauers gesehen werden: Wenn ein Bildhauer arbeitet, blockiert er zuerst die großen Formen der Skulptur und konzentriert sich dabei auf die Gesamtform seines Stücks. Anschließend überprüft er jede Region der Skulptur mit einem "Rechenpinsel", um die Oberfläche zu optimieren und die erforderlichen Details herauszuarbeiten.

Das Verfeinern eines 3D-Modells ist sehr ähnlich. Jede Extrusion, Abschrägung, Kantenschleife oder Unterteilung wird in der Regel von mindestens einer kleinen Verbesserung von Scheitelpunkt zu Scheitelpunkt begleitet.

Das Verfeinerungsstadium kann mühsam sein und verbraucht wahrscheinlich 90 Prozent der Gesamtzeit, die ein Modellbauer für ein Teil verbringt. Es dauert möglicherweise nur 30 Sekunden, um eine Kantenschleife zu platzieren oder eine Extrusion herauszunehmen, aber es ist nicht ungewöhnlich, dass ein Modellierer Stunden damit verbringt, die nahegelegene Oberflächentopologie zu verfeinern (insbesondere bei organischen Modellen, bei denen Oberflächenänderungen glatt und subtil sind ).

Verfeinerung ist letztendlich der Schritt, der ein Modell von einem in Arbeit befindlichen Objekt zu einem fertigen Objekt macht.