Десять лучших приложений с открытым исходным кодом для 3D-технологий

Десять лучших приложений с открытым исходным кодом для 3D-технологий

Что такое 3D (3D)

Трехмерная 3D-технология произвела революцию в том, как мы воспринимаем, создаем и взаимодействуем с цифровым контентом. От фильмов и видеоигр до архитектуры и дизайна продукта — 3D повсюду. Но что такое 3D и как оно работает ? Это всеобъемлющее введение рассмотрит фундаментальные концепции, инструменты и приложения 3D-технологии, давая вам прочное понимание этой захватывающей области.

Что такое 3D?

1.1 Основы 3D

3D, или трехмерный, относится к объектам, которые имеют глубину в дополнение к высоте и ширине. В отличие от 2D (двумерных) объектов, которые существуют только на плоских поверхностях, таких как бумага или экраны, 3D-объекты можно вращать и рассматривать с разных углов, имитируя то, как мы воспринимаем объекты в реальном мире.

В цифровой сфере 3D-модели — это математические представления объектов в виртуальном пространстве. Эти модели можно изменять, анимировать и визуализировать в изображения или видео.

1.2 Системы координат в 3D

3D-модели определяются в системе координат, состоящей из трех осей:

• Ось X : представляет ширину (слева направо)
• Ось Y : представляет высоту (вверх и вниз)
• Ось Z : представляет глубину (спереди назад)

Система координат XYZ позволяет точно позиционировать и манипулировать объектами в трехмерном пространстве.

Основные компоненты 3D

2.1 Моделирование

Моделирование — это процесс создания формы и структуры 3D-объекта. Существует несколько методов моделирования, каждый из которых подходит для разных типов проектов:

• Полигональное моделирование : включает создание моделей путем определения вершин (точек), ребер (линий, соединяющих вершины) и граней (поверхностей, ограниченных ребрами). Это наиболее распространенный метод создания сложных форм.
• NURBS-моделирование : использует математические кривые (неоднородные рациональные B-сплайны) для создания гладких, точных поверхностей. Идеально подходит для промышленного дизайна и моделирования автомобилей.
• Скульптура : Подобно работе с цифровой глиной, скульптура позволяет создавать высокодетализированные и органичные формы. Этот метод часто используется для моделирования персонажей.
• Процедурное моделирование : включает использование алгоритмов и правил для автоматического создания моделей. Это полезно для создания сложных структур, таких как ландшафты или городские пейзажи.

2.2 Текстурирование

Текстурирование подразумевает нанесение изображений или узоров на поверхность 3D- модели для придания ей цвета, детализации и реализма. Текстуры могут имитировать такие материалы, как дерево, металл или кожа.

• UV-картирование : метод, который проецирует 2D-текстуру на 3D-модель. UV-картирование включает в себя развертку модели на плоскую поверхность, на которую можно точно нанести текстуру.
• Карты рельефа и карты нормалей : методы, используемые для имитации деталей поверхности, таких как неровности и морщины, без добавления дополнительной геометрии.
• Карты отражений : контролируют блеск и отражательную способность поверхности.

2.3 Освещение

Освещение имеет решающее значение в 3D для имитации того, как свет взаимодействует с объектами, создавая тени, блики и отражения. Правильное освещение может повысить реалистичность и настроение сцены.

• Типы источников света : к распространенным типам относятся точечные источники света (излучающие свет во всех направлениях), прожекторы (сфокусированные лучи света) и направленные источники света (похожие на солнечный свет).
• Глобальное освещение : имитирует отражение света от поверхностей, косвенно освещая другие объекты.
• Окружающая окклюзия : техника затенения, которая добавляет глубину, имитируя мягкие тени в складках и углах, куда свет проникает с меньшей вероятностью.

2.4 Рендеринг

Рендеринг — это процесс преобразования 3D-сцены в 2D-изображение или анимацию. Он включает в себя расчет эффектов освещения, затенения и текстур для получения конечного результата.

• Рендеринг в реальном времени : используется в видеоиграх и интерактивных приложениях, где кадры рендерятся на лету. Обычно используются такие методы, как растеризация и эффекты экранного пространства.
• Трассировка лучей : более продвинутая техника рендеринга, которая имитирует путь световых лучей, создавая высокореалистичные изображения. Трассировка лучей требует больших вычислительных ресурсов и часто используется в высококлассных визуальных эффектах и ​​анимации.
• Движки рендеринга : такое программное обеспечение, как Blender’s Cycles, Arnold и V-Ray, специализируется на рендеринге, предлагая различные методы и оптимизации для различных нужд.

2.5 Анимация

Анимация в 3D подразумевает создание иллюзии движения путем манипулирования объектами с течением времени. Это может варьироваться от простых движений до сложных анимаций персонажей.

• Keyframeing : процесс определения конкретных точек во времени, в которых изменяются свойства объекта (положение, вращение, масштаб и т. д.). Затем программное обеспечение интерполирует эти изменения для создания плавного движения.
• Оснастка : подразумевает создание скелета или оснастки, которая управляет 3D-моделью, что упрощает анимацию персонажей или механических объектов.
• Захват движения : техника, которая записывает движение реальных актеров и применяет его к 3D-персонажам. Это широко используется в фильмах и видеоиграх для реалистичной анимации.

Применение 3D-технологий

3.1 Развлечения

• Фильмы и анимация : 3D широко используется в создании визуальных эффектов (VFX) и анимационных фильмов. Pixar, DreamWorks и другие студии полагаются на 3D-технологии, чтобы оживить истории.
• Видеоигры : Современные видеоигры создаются с использованием 3D-движков, таких как Unity и Unreal Engine, что позволяет создавать захватывающие среды и реалистичные модели персонажей.
• Виртуальная реальность (VR) и дополненная реальность (AR) : 3D-модели играют важную роль в создании виртуальных миров и интерактивных впечатлений, которые можно найти в приложениях VR и AR.

3.2 Архитектура и дизайн

• Архитектурная визуализация : Архитекторы используют 3D-программное обеспечение для создания реалистичных визуализаций зданий и интерьеров до их строительства. Это помогает в планировании и презентации.
• Дизайн продукта : промышленные дизайнеры используют 3D-моделирование для создания прототипов и тестирования продукции в цифровом формате перед ее переходом к физическому производству.
• Дизайн интерьера : 3D-инструменты позволяют дизайнерам создавать виртуальные макеты помещений, экспериментировать с различной мебелью и материалами и представлять концепции клиентам.

3.3 Производство и инжиниринг

• САПР (система автоматизированного проектирования) : инженеры используют программное обеспечение САПР для проектирования и моделирования продуктов, деталей и машин в 3D. Это имеет решающее значение в таких областях, как автомобильный дизайн, аэрокосмическая промышленность и машиностроение.
• 3D- печать : 3D-модели можно экспортировать в форматы, такие как STL, которые используются 3D-принтерами для создания физических объектов слой за слоем. Это произвело революцию в прототипировании и индивидуальном производстве.

3.4 Медицинская и научная визуализация

• Медицинская визуализация : 3D-технология используется для создания подробных моделей анатомии человека на основе снимков МРТ или КТ, помогая в диагностике, планировании хирургических операций и обучении.
• Научное моделирование : исследователи используют 3D-модели для визуализации сложных явлений, таких как молекулярные структуры, астрофизическое моделирование и гидродинамика.

3.5 Образование и обучение

• Образовательные инструменты : 3D-модели все чаще используются в образовательном программном обеспечении для обеспечения интерактивного и захватывающего обучения — от биологии и химии до истории и географии.
• Обучение с помощью симуляций : пилоты, хирурги и другие специалисты используют 3D-симуляции для обучения в безопасной и контролируемой среде, воспроизводя реальные сценарии.

Начало работы с 3D

4.1 Выбор правильного программного обеспечения

Существует множество пакетов 3D-программ, каждый из которых имеет свои сильные и слабые стороны. Некоторые популярные варианты включают:

• Blender : бесплатное программное обеспечение с открытым исходным кодом, предлагающее широкий спектр функций для моделирования, анимации и рендеринга.
• Autodesk Maya : профессиональное программное обеспечение, широко используемое в индустрии кино и видеоигр.
• Cinema 4D : известен своим удобным интерфейсом и мощными инструментами для создания анимированной графики.
• SketchUp : более простой и доступный вариант, особенно для архитектурного моделирования.
• ZBrush : специализируется на цифровой скульптуре, идеально подходит для создания детализированных персонажей и органических моделей.

4.2 Учебные ресурсы

• Онлайн-уроки : такие сайты, как YouTube, Blender Guru и CG Cookie, предлагают бесчисленное множество учебных пособий от начального до продвинутого уровня.
• Книги и курсы : такие книги, как «Искусство 3D-компьютерной анимации и эффектов», и онлайн-курсы на таких платформах, как Udemy и Coursera, предлагают структурированные пути обучения.
• Практика и проекты : Лучший способ изучить 3D — это делать. Начните с простых проектов и постепенно беритесь за более сложные задачи по мере обретения уверенности.

4.3 Присоединение к сообществу

Сообщество 3D обширно и поддерживает. Присоединяйтесь к форумам, участвуйте в испытаниях и делитесь своими работами на таких платформах, как ArtStation, Sketchfab или CGSociety, чтобы получать отзывы и улучшать свои навыки.

Будущее 3D-технологий

5.1 Рендеринг в реальном времени и трассировка лучей

Благодаря развитию технологий графических процессоров трассировка лучей в реальном времени становится все более доступной, позволяя создавать фотореалистичную графику в видеоиграх и интерактивных приложениях.

5.2 ИИ и машинное обучение

Искусственный интеллект все чаще интегрируется в рабочие процессы 3D: от автоматизации утомительных задач до повышения реалистичности с помощью методов машинного обучения.

5.3 Виртуальное производство

Виртуальное производство, популяризированное такими сериалами, как «Мандалорец», сочетает 3D-технологии с рендерингом в реальном времени и светодиодными стенами для создания захватывающих сред, которые смешивают реальный и виртуальный миры.

5.4 Расширенное использование в образовании и обучении

По мере того, как 3D-технологии становятся все более доступными, ожидается, что их использование в образовании, медицинском обучении и дистанционном обучении будет расти, обеспечивая более интерактивный и захватывающий опыт обучения.

3D-технология — мощный инструмент, охватывающий множество отраслей: от развлечений и дизайна до инженерии и образования. Понимание основ 3D-моделирования, текстурирования, освещения и рендеринга — первый шаг к освоению этой технологии. Независимо от того, являетесь ли вы любителем, профессионалом или просто любопытным, мир 3D предлагает бесконечные возможности для творчества и инноваций.

Ниже представлен список 10 лучших программ для 3D-графики с открытым исходным кодом, которые высоко ценятся за различные аспекты 3D-моделирования, анимации, рендеринга и многого другого:

1. Blender — самый популярный пакет для создания 3D-графики с открытым исходным кодом.

Блендер

• Описание : Blender — самый популярный пакет для создания 3D-объектов с открытым исходным кодом. Он поддерживает весь 3D-конвейер, включая моделирование, скульптурирование, текстурирование, анимацию, рендеринг и видеоредактирование. Blender также имеет активное сообщество и обширную библиотеку обучающих материалов.
• Основные характеристики :
  • Расширенные инструменты моделирования
  • Скульптура и живопись
  • Рендеринг в реальном времени с Eevee и трассировка лучей с Cycles
  • Расширенная поддержка плагинов и дополнений
• Платформа : Windows, macOS, Linux

2. FreeCAD — параметрическая 3D САПР

FreeCAD

• Описание : FreeCAD — параметрический 3D CAD-моделлер, в основном используемый для проектирования реальных объектов любого размера. Идеально подходит для инженеров, архитекторов и дизайнеров.
• Основные характеристики :
  • Параметрическое моделирование
  • Модульная архитектура, допускающая плагины
  • Поддерживает широкий спектр форматов файлов (STEP, IGES, STL и т. д.)
  • Моделирование роботов и поддержка обработки на станках с ЧПУ
• Платформа : Windows, macOS, Linux

3. Wings 3D — мощный и удобный инструмент для моделирования подразделений.

Крылья 3D

• Описание : Wings 3D — мощный и удобный моделер сабдивов. Он предлагает простой интерфейс, который позволяет новичкам легко начать 3D-моделирование.
• Основные характеристики :
  • Расширенное моделирование подразделений
  • Настраиваемый интерфейс
  • Широкий спектр инструментов выбора и моделирования
  • Поддерживает множество распространенных форматов 3D-файлов
• Платформа : Windows, macOS, Linux

4. OpenSCAD — это скриптовый 3D-моделировщик САПР.

OpenSCAD

• Описание : OpenSCAD — это скриптовый 3D CAD-моделер, в основном используемый для создания точных моделей, пригодных для 3D-печати. ​​Идеально подходит для тех, кто предпочитает программный подход к 3D-дизайну.
• Основные характеристики :
  • Возможности параметрического проектирования
  • Идеально подходит для создания точных моделей и инженерных деталей.
  • Моделирование на основе сценариев (с использованием простого языка сценариев)
  • Экспорт в STL и другие форматы для 3D-печати
• Платформа : Windows, macOS, Linux

5. MeshLab — мощный инструмент для обработки и редактирования 3D треугольных сеток.

МешЛаб

• Описание : MeshLab — мощный инструмент для обработки и редактирования 3D-треугольных сеток. Широко применяется в области 3D-сканирования и подготовки моделей для 3D-печати.
• Основные характеристики :
  • Широкие возможности обработки сеток
  • Очистка и исправление ошибок сетки
  • Визуализация и рендеринг сложных 3D-моделей
  • Поддерживает широкий спектр форматов 3D-файлов
• Платформа : Windows, macOS, Linux

6. Tinkercad, хотя и не полностью с открытым исходным кодом

Тинкеркад

• Описание : Tinkercad, хотя и не полностью с открытым исходным кодом, предлагает бесплатный доступ и является популярным онлайн-инструментом 3D-моделирования для начинающих. Он особенно популярен в образовательных целях и для 3D-печати.
• Основные характеристики :
  • Простой в использовании интерфейс с функцией перетаскивания
  • Ориентирован на новичков и образовательное использование
  • Интеграция с сервисами 3D-печати
  • Веб-платформа, доступная с любого устройства
• Платформа : Веб-базированная

7. BRL-CAD — это программа с открытым исходным кодом.

BRL-CAD

• Описание : BRL-CAD — это система твердотельного моделирования с открытым исходным кодом и богатой историей, изначально разработанная армией США. Она особенно сильна в области инженерных и научных приложений.
• Основные характеристики :
  • Расширенное моделирование CSG (конструктивной твердотельной геометрии)
  • Обширная библиотека инструментов для геометрического анализа
  • Поддержка высокопроизводительной трассировки лучей
  • Поддержка нескольких платформ с долгой историей развития
• Платформа : Windows, macOS, Linux

8. Art of Illusion — это студия 3D-моделирования и рендеринга с открытым исходным кодом.

Искусство Иллюзии

• Описание : Art of Illusion — это студия 3D-моделирования и рендеринга с открытым исходным кодом. Она особенно подходит для новичков и тех, кто интересуется анимацией.
• Основные характеристики :
  • Простой и интуитивно понятный интерфейс
  • Особое внимание уделяется анимации и процедурным текстурам
  • Интегрированный язык сценариев для пользовательских инструментов
  • Поддержка различных методов рендеринга
• Платформа : Windows, macOS, Linux

9. MakeHuman — это инструмент с открытым исходным кодом, предназначенный для создания реалистичных 3D-моделей людей.

СделатьЧеловека

• Описание : MakeHuman — это инструмент с открытым исходным кодом, предназначенный для создания реалистичных 3D-моделей людей. Он очень полезен для моделирования персонажей в играх, фильмах и симуляциях.
• Основные характеристики :
  • Простой в использовании интерфейс для создания человеческих персонажей
  • Широкие возможности настройки тела, лица и одежды
  • Экспорт в различные 3D-форматы (FBX, OBJ, Collada)
  • Интеграция с Blender для дальнейшего редактирования
• Платформа : Windows, macOS, Linux

10. Houdini Apprentice — бесплатная версия мощного 3D-редактора.

Ученик Гудини

• Описание : Houdini Apprentice — бесплатная версия мощного программного обеспечения для 3D-анимации и VFX Houdini. Хотя оно не полностью открытое, оно предлагает почти все функции платной версии с несколькими ограничениями.
• Основные характеристики :
  • Отраслевой стандарт для визуальных эффектов и процедурного моделирования
  • Мощные инструменты для моделирования частиц
  • Рабочий процесс на основе узлов
  • Ограничено некоммерческим использованием с водяным знаком
• Платформа : Windows, macOS, Linux

Эти инструменты предоставляют ряд возможностей в зависимости от ваших потребностей, независимо от того, сосредоточены ли вы на точном моделировании САПР, создании персонажей или полноценной 3D-анимации и рендеринге.