十大 3D 技术开源应用程序

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什么是三维 (3D)

三维 3D 技术彻底改变了我们感知、创建和与数字内容交互的方式。从电影和视频游戏到建筑和产品设计，3D 无处不在。但 3D 到底是什么？它是如何工作的？这篇全面的介绍将探讨 3D 技术的基本概念、工具和应用，让您对这个令人兴奋的领域有扎实的了解。

什么是 3D？

1.1 3D 基础知识

3D 或三维物体是指除了高度和宽度之外还具有深度的物体。与仅存在于纸张或屏幕等平面上的 2D（二维）物体不同，3D 物体可以旋转并从多个角度查看，从而模拟我们在现实世界中感知物体的方式。

在数字领域，3D 模型是虚拟空间中物体的数学表示。这些模型可以被操作、制作动画并渲染成图像或视频。

1.2 3D 坐标系

3D 模型在由三个轴组成的坐标系中定义：

• X 轴：表示宽度（从左到右）
• Y 轴：代表高度（上下）
• Z 轴：代表深度（从前到后）

该 XYZ 坐标系允许在 3D 空间中精确定位和操纵物体。

3D 的核心组件

2.1 建模

建模是创建 3D 对象的形状和结构的过程。建模有多种方法，每种方法适用于不同类型的项目：

• 多边形建模：通过定义顶点（点）、边（连接顶点的线）和面（由边包围的表面）来创建模型。这是创建复杂形状的最常用方法。
• NURBS 建模：使用数学曲线（非均匀有理 B 样条）创建光滑、精确的表面。非常适合工业设计和汽车建模。
• 雕刻：与使用数字粘土类似，雕刻可以创建高度精细和有机的形状。此方法通常用于角色建模。
• 程序建模：涉及使用算法和规则自动生成模型。这对于创建景观或城市景观等复杂结构非常有用。

2.2 纹理

纹理处理涉及将图像或图案应用于 3D模型的表面，以赋予其颜色、细节和真实感。纹理可以模拟木材、金属或皮肤等材料。

• UV 映射：一种将 2D 纹理投影到 3D 模型上的技术。UV 映射涉及将模型展开为平面，以便可以准确地应用纹理。
• 凹凸贴图和法线贴图：用于模拟凹凸和皱纹等表面细节而无需添加额外几何体的技术。
• 镜面反射图：控制表面的光泽度和反射率。

2.3 照明

光照在 3D 中至关重要，它可以模拟光线与物体的相互作用，从而产生阴影、高光和反射。适当的光照可以增强场景的真实感和氛围。

• 灯光类型：常见类型包括点光源（向所有方向发光）、聚光灯（聚焦光束）和定向光源（如阳光）。
• 全局照明：模拟光从表面反射的方式，间接照亮其他物体。
• 环境光遮蔽：一种阴影技术，通过模拟光线不太可能到达的褶皱和角落中的柔和阴影来增加深度。

2.4 渲染

渲染是将 3D 场景转换为 2D 图像或动画的过程。它涉及计算光照、阴影和纹理的效果以产生最终输出。

• 实时渲染：用于视频游戏和交互式应用程序，其中帧是即时渲染的。通常使用光栅化和屏幕空间效果等技术。
• 光线追踪：一种更先进的渲染技术，可模拟光线的路径，产生高度逼真的图像。光线追踪计算量大，通常用于高端视觉效果和动画。
• 渲染引擎：Blender 的 Cycles、Arnold 和 V-Ray 等软件专门用于渲染，可针对各种需求提供不同的方法和优化。

2.5 动画

3D 动画涉及通过随时间操纵物体来创建运动幻觉。这包括从简单的动作到复杂的角色动画。

• 关键帧：定义对象属性（位置、旋转、比例等）发生变化的特定时间点的过程。然后软件会插入这些变化以创建流畅的运动。
• 索具：涉及创建控制 3D 模型的骨架或装备，从而更容易为角色或机械物体制作动画。
• 动作捕捉：一种记录真实演员动作并将其应用于 3D 角色的技术。该技术广泛用于电影和视频游戏中，以制作逼真的动画。

3D 技术的应用

3.1 娱乐

• 电影和动画：3D 广泛应用于制作视觉效果 (VFX) 和动画电影。皮克斯、梦工厂和其他工作室都依靠 3D 技术将故事变为现实。
• 视频游戏：现代视频游戏使用 Unity 和 Unreal Engine 等 3D 引擎构建，可实现沉浸式环境和逼真的角色模型。
• 虚拟现实 (VR) 和增强现实 (AR)：3D 模型对于创建 VR 和 AR 应用中的虚拟世界和交互式体验至关重要。

3.2 架构与设计

• 建筑可视化：建筑师使用 3D 软件在建筑和室内装饰开始建造之前创建逼真的可视化效果。这有助于规划和展示。
• 产品设计：工业设计师在进行实体生产之前，使用 3D 建模对产品进行原型设计和数字测试。
• 室内设计：3D 工具允许设计师创建虚拟房间布局、尝试不同的家具和材料并向客户展示概念。

3.3 制造与工程

• CAD（计算机辅助设计）：工程师使用 CAD 软件以 3D 形式设计和模拟产品、零件和机械。这在汽车设计、航空航天和机械工程等领域至关重要。
• 3D打印：3D 模型可以导出为 STL 等格式，3D 打印机可使用这些格式逐层创建实体对象。这彻底改变了原型设计和定制制造。

3.4 医学和科学可视化

• 医学成像：3D 技术用于根据 MRI 或 CT 扫描创建人体解剖的详细模型，有助于诊断、手术规划和教育。
• 科学模拟：研究人员使用 3D 模型来可视化复杂现象，例如分子结构、天体物理模拟和流体动力学。

3.5 教育培训

• 教育工具：3D 模型越来越多地用于教育软件，以提供从生物学和化学到历史和地理的交互式和沉浸式学习体验。
• 模拟训练：飞行员、外科医生和其他专业人员使用 3D 模拟在安全可控的环境中进行训练，复制真实世界的场景。

3D 入门

4.1 选择正确的软件

市面上有许多 3D 软件包，每个都有其优点和缺点。一些流行的选项包括：

• Blender：一款免费的开源软件，具有丰富的建模、动画和渲染功能。
• Autodesk Maya：广泛应用于电影和视频游戏行业的专业级软件。
• Cinema 4D：以其用户友好的界面和强大的运动图形工具而闻名。
• SketchUp：一个更简单、更易于访问的选项，特别适用于建筑建模。
• ZBrush：专门用于数字雕刻，非常适合创建详细的角色和有机模型。

4.2 学习资源

• 在线教程：YouTube、Blender Guru 和 CG Cookie 等网站提供从初学者到高级水平的无数教程。
• 书籍和课程：《3D 计算机动画和效果艺术》等书籍以及 Udemy 和 Coursera 等平台上的在线课程提供了结构化的学习路径。
• 练习和项目：学习 3D 的最佳方式就是实践。从简单的项目开始，随着信心的增强，逐渐承担更复杂的任务。

4.3 加入社区

3D 社区规模庞大，支持力度大。加入论坛、参与挑战并在 ArtStation、Sketchfab 或 CGSociety 等平台上分享您的作品，以获得反馈并提高您的技能。

3D 技术的未来

5.1 实时渲染和光线追踪

随着 GPU 技术的进步，实时光线追踪变得越来越容易实现，从而可以在视频游戏和交互式应用程序中实现逼真的图形。

5.2 人工智能和机器学习

人工智能越来越多地融入到 3D 工作流程中，从自动化繁琐的任务到通过机器学习技术增强真实感。

5.3 虚拟制作

虚拟制作因《曼达洛人》等电视剧而受到推广，它将 3D 技术与实时渲染和 LED 墙相结合，创造出融合现实世界和虚拟世界的沉浸式环境。

5.4 扩大在教育培训领域的应用

随着 3D 技术变得越来越经济实惠且易于获取，其在教育、医疗培训和远程学习领域的应用预计将不断增长，从而提供更具互动性和沉浸感的学习体验。

3D 技术是一种强大的工具，它涵盖了从娱乐和设计到工程和教育等众多行业。了解 3D 建模、纹理、照明和渲染的基础知识是掌握这项技术的第一步。无论您是业余爱好者、专业人士还是只是好奇，3D 世界都为创造力和创新提供了无限的可能性。

以下是十大开源 3D 软件程序的列表，这些程序在 3D 建模、动画、渲染等各个方面都备受推崇：

1.Blender 是最受欢迎的开源 3D 创作套件

混合器

• 描述：Blender 是最受欢迎的开源 3D 创作套件。它支持整个 3D 流程，包括建模、雕刻、纹理、动画、渲染和视频编辑。Blender 还拥有一个活跃的社区和大量的教程库。
• 主要特点：
  • 高级建模工具
  • 雕刻和绘画
  • 使用 Eevee 进行实时渲染并使用 Cycles 进行光线追踪
  • 广泛支持插件和附加组件
• 平台：Windows、macOS、Linux

2. FreeCAD 是参数化 3D CAD

自由CAD

• 描述：FreeCAD 是一款参数化 3D CAD 建模器，主要用于设计任何尺寸的真实物体。它是工程师、建筑师和设计师的理想选择。
• 主要特点：
  • 参数化建模
  • 允许插件的模块化架构
  • 支持多种文件格式（STEP、IGES、STL 等）
  • 机器人模拟和 CNC 加工支持
• 平台：Windows、macOS、Linux

3. Wings 3D 是一款功能强大且用户友好的细分建模器

翅膀 3D

• 描述：Wings 3D 是一款功能强大且用户友好的细分建模器。它提供了一个简单的界面，使初学者可以轻松开始 3D 建模。
• 主要特点：
  • 高级细分建模
  • 可定制的界面
  • 广泛的选择和建模工具
  • 支持多种常见的 3D 文件格式
• 平台：Windows、macOS、Linux

4. OpenSCAD 是一个基于脚本的 3D CAD 建模器

OpenSCAD

• 描述：OpenSCAD 是一款基于脚本的 3D CAD 建模器，主要用于创建适合 3D 打印的精确模型。它非常适合那些喜欢使用编程方法进行 3D 设计的人。
• 主要特点：
  • 参数化设计功能
  • 非常适合创建精确的模型和工程零件
  • 基于脚本的建模（使用简单的脚本语言）
  • 导出为 STL 和其他格式以进行 3D 打印
• 平台：Windows、macOS、Linux

5. MeshLab 是一个强大的处理和编辑 3D 三角网格的工具

网格实验室

• 描述：MeshLab 是一款功能强大的处理和编辑 3D 三角网格的工具。它广泛应用于 3D 扫描和准备 3D 打印模型领域。
• 主要特点：
  • 广泛的网格处理能力
  • 清理和修复网格错误
  • 复杂 3D 模型的可视化和渲染
  • 支持多种 3D 文件格式
• 平台：Windows、macOS、Linux

6. Tinkercad，虽然不是完全开源

Tinkercad

• 描述：Tinkercad 虽然不是完全开源的，但可以免费使用，是一款深受初学者欢迎的在线 3D 建模工具。它尤其适用于教育目的和 3D 打印。
• 主要特点：
  • 易于使用的拖放界面
  • 专注于初学者和教育用途
  • 与 3D 打印服务集成
  • 基于网络的平台，可通过任何设备访问
• 平台：基于网络

7. BRL-CAD 是一个开源

巴西雷亚尔到CAD

• 描述：BRL-CAD 是一个历史悠久的开源实体建模系统，最初由美国陆军开发。它在工程和科学应用领域尤其强大。
• 主要特点：
  • 高级 CSG（构造实体几何）建模
  • 丰富的几何分析工具库
  • 支持高性能光线追踪
  • 支持多平台，拥有悠久的发展历史
• 平台：Windows、macOS、Linux

8. Art of Illusion 是一家开源 3D 建模和渲染工作室

幻術

• 描述：Art of Illusion 是一个开源 3D 建模和渲染工作室。它特别适合初学者和对动画感兴趣的人。
• 主要特点：
  • 简单直观的界面
  • 重点关注动画和程序纹理
  • 自定义工具的集成脚本语言
  • 支持各种渲染技术
• 平台：Windows、macOS、Linux

9. MakeHuman 是一款用于创建逼真的 3D 人体模型的开源工具

造人

• 描述：MakeHuman 是一款开源工具，用于创建逼真的 3D 人体模型。它对于游戏、电影和模拟中的角色建模非常有用。
• 主要特点：
  • 易于使用的界面用于生成人物角色
  • 身体、面部和服装的广泛定制选项
  • 导出为各种 3D 格式 (FBX、OBJ、Collada)
  • 与 Blender 集成以进行进一步编辑
• 平台：Windows、macOS、Linux

10. Houdini Apprentice 是功能强大的 3D

胡迪尼学徒

• 描述：Houdini Apprentice 是功能强大的 3D 动画和 VFX 软件 Houdini 的免费版本。虽然不是完全开源的，但它提供了付费版本的几乎所有功能，只有一些限制。
• 主要特点：
  • 视觉特效和程序建模的行业标准
  • 强大的粒子和模拟工具
  • 基于节点的工作流程
  • 仅限非商业使用，带水印
• 平台：Windows、macOS、Linux

这些工具可根据您的需求提供一系列选项，无论您专注于精确的 CAD 建模、角色创建还是成熟的 3D 动画和渲染。