شبیه سازی سه بعدی (3D)

مدل سازی سه بعدی به معنای شبیه سازی یا بازسازی مدل کامپیوتری و دیجیتالی پروژه (کالا، محصول، خدمات) به وسیله کامپیوتر براساس یک نسبت مشخص و شبیه به پروژه واقعی (از نظر شکلی، فنی و عملکردی) است.به زبان روزمره، مدلسازی سه بعدی یعنی ساخت مدلی سه‌بعدی از اشیاء زنده یا بی‌جان در محیط گرافیک رایانه‌ای. شاید تا به حال چندان به این مساله توجه نکرده باشیم، اما بسیاری از ما در زندگی روزمرهٔ‌مان زیاد با مدل‌های سه‌بعدی سروکار داریم. انیمیشن‌های سه‌بعدی، جلوه‌های ویژهٔ فیلم‌ها و سریال‌ها و بازی‌های رایانه‌ای سه‌بعدی بخشی از زندگی روزمرهٔ بسیاری از ما هستند که از مدل‌های سه‌بعدی بسیاری تشکیل شده‌اند. اما سرگرمی تنها کاربرد مدل‌های سه‌بعدی نیست. در ادامهٔ این متن به این مساله می‌پردازیم که مدلسازی سه بعدی چه کاربردهایی در صنایع مختلف دارد و چگونه به بهبود و پیشرفت این صنایع کمک کرده است.به عبارت دیگر مدل سازی سه بعدی به کاربر اجازه می‎دهد پروژه‎های گوناگون خود را قبل از ساخت و تولید و در دنیای واقعی، توسط کامپیوتر ایجاد و به صورت مجازی بررسی کند تا بتواند آن را از زوایای مختلف مورد تجزیه و تحلیل قرار دهد و اصلاحات لازم را انجام دهد.انجام این کار به خودی خود یک امتیاز عالی و ارزشمند برای کلیه طراحان صنعتی، معماری، گرافیک و همچنین هنرمندان، صنعتگران و تمامی مدیران پروژه و مهندسی است.در مدل سازی سه بعدی از پروژه مورد نظر یک نمونه کامپیوتری ساخته می‎شود و در آن تمامی خصوصیات و جزئیات مطلوب پروژه برای مشاهده، بررسی، آموزش و نمایش نشان داده می‎شود.از نظر زمان شبیه‎سازی می‎توان مدل سازی سه بعدی یک پروژه را در سه دسته مختلف قرار دارد:مدل سازی سه بعدی قبل از تولید: این گروه از مدل‎های سه بعدی دیجیتال، قبل از تولید یا ساخت پروژه آماده می‎شوند. به عنوان مثال به منظور بررسی بهتر یک بنای ساختمانی، تجهیزات صنعتی یا طلا و جواهر.مدل سازی سه بعدی همراه با انجام پروژه: گروه دیگری از مدل‎های سه بعدی که موازی با عملکرد، استفاده و کاربرد پروژه به کار گرفته می‎شوند. مانند مدل سه بعدی از یک پالایشگاه که برای تسلط بهتر روی جزئیات آن ایجاد شده است و در سیستم دیسپچینگ و نظارت استفاده می‎شود.مدل سازی سه بعدی بعد از انجام پروژه: گروهی از مدل‎های دیجیتال که بعد از به اتمام رسیدن عمر پروژه (تعطیلی یا تخریب) کاربرد دارند. مانند مدل سازی سه بعدی که از بناهای تاریخی و اشیاء باستانی (اهرام ثلاثه مصر، تخت جمشید و غیره) تهیه می‎شود.طراحان، مهندسان و مدیران پروژه با کمک مدل های سه بعدی می‎توانند ویژگی و خصوصیات مختلف پروژه را که در دنیای واقعی امکان بررسی آن‎ها نیست را تحلیل کنند.علاوه بر این آن‎ها می‎توانند توسط مدل سازی سه بعدی کامپیوتری قبل از اقدام به عمل برای انجام پروژه تجسم دقیقی از ماهیت پروژه در اختیار داشته باشند و جنبه‎های مختلف آن را بررسی کنند.امروزه طراحان مدل سازی سه بعدی می‎توانند توسط نرم‎افزارهای پیشرفته کامپیوتری قابلیت‎های مختلف یک طرح را به خوبی نشان دهند که در ادامه مطلب به تعدادی از این نرم‎افزارها اشاره می‎کنیم.مدل‎های سه بعدی را می‎توان جدا از نمایشگر کامپیوتر به وسیله ویدئو پروژکتور روی صفحات بزرگ به نمایش گذاشت و در جلسات، کنفرانس‎ها و سمینارهای آموزشی آن‎ها را توضیح داد.علاوه بر این پرینترهای بزرگی در بازار وجود دارند که می‎توانند مدل سه بعدی را با کیفیت بالا و در ابعاد بزرگ چاپ کنند تا از آن برای تبلیغات در فضای باز به شکل پوستر، بنر، بیلبورد و تابلوهای بزرگ در پروژ‎های مختلف صنعتی و ساختمانی استفاده کرد.کاربردهای مدل‌سازی سه‌بعدیهمان‌طور که از عنوان این متن می‌توان حدس زد، تمرکز ما در این‌جا بیش‌تر روی کاربردهای صنعتی مدلسازی سه بعدی است. با این حال، مدل‌های سه‌بعدی کاربردهای بسیار متنوعی دارند که بد نیست اشارهٔ کوتاهی به برخی از آن‌ها داشته باشیم.صنعت سرگرمی: همان‌طور که در مقدمه به آن اشاره شد، شاید شناخته‌شده‌ترین کاربرد مدلسازی سه بعدی استفاده از آن در فیلم‌ها، انیمیشن‌ها و بازی‌های رایانه‌ای باشد. دایناسورهایی که در فیلم‌های «دنیای ژوراسیک» می‌بینید، شخصیت‌های بامزهٔ مجموعهٔ «عصر یخبندان» و اتومبیل‌های زیبایی که در بازی‌های «فورتزا» به تصویر کشیده شده‌اند، همه مدل‌های سه‌بعدی رایانه‌ای هستند. با این حال، این مدل‌ها به سطحی از فوتورئالیسم رسیده‌اند که گاهی اوقات تشخیص دادن آن‌ها از مدل‌های واقعی کار دشواری است.هنرهای تجسمی: وقتی از هنر صحبت می‌کنیم، معمولاً ابزارها و روش‌های سنتی و دستی در ذهن تداعی می‌شوند. اما حقیقت این است که هنر هم همگام با فناوری‌های روز به سمت جلو حرکت می‌کند. در حال حاضر، بسیاری از هنرمندان از نرم‌افزارهای مختلف، مانند نرم‌افزارهای مدلسازی سه بعدی، برای خلق آثار خود بهره می‌برند. این نرم‌افزارها، در کنار فناوری‌هایی مانند پرینت سه‌بعدی، رفته‌رفته در حال پیدا کردن جای خود در میان هنرمندان مدرن هستند.صنعت مد: شاید طراحان مد هنوز هم کاغذها و مدادهای طراحی‌شان را به ابزارهای دیجیتال ترجیح دهند، اما حقیقت این است که نرم‌افزارهای مخصوص مدلسازی سه بعدی پوشاک می‌توانند زندگی را برای طراحان مد راحت‌تر کنند. مانکن‌ها و مدل‌ها به این زودی قرار نیست شغل‌شان را از دست بدهند، اما با استفاده از این نرم‌افزارها می‌توان با زمان و هزینهٔ بسیار کم‌تری ایده‌ها و طرح‌های طراحان را آزمایش کرد. همچنین مدلسازی سه بعدی می‌تواند از طریق پرو مجازی زندگی را برای خریداران پوشاک هم راحت‌تر کند.کاربردهای علمی و نظامی: یکی از کاربردهای اصلی مدل‌های سه‌بعدی استفاده از آن‌ها برای شبیه‌سازی واقعیت است. شبیه‌سازی واقعیت یکی از ابزارهای پرکاربرد در حوزه‌های مختلف است، به‌خصوص حوزه‌هایی که با جان انسان‌ها سروکار دارند. دیگر نیازی به انجام دادن آزمایش‌های خطرناک نیست. با استفاده از شبیه‌سازی می‌توانید در محیطی امن انواع و اقسام آزمایش‌های مختلف را انجام دهید. علوم پایه، علوم زیستی و آموزش نظامی از جمله حوزه‌هایی هستند که می‌توانند از این شبیه‌سازی‌ها بیش‌ترین بهره را ببرند.ساخت‌وساز: نرم‌افزارهای مدلسازی سه بعدی هم به معماران کمک می‌کنند و هم به مهندسان ساخت‌وساز. دیگر نیازی به ساخت ماکت نیست. معماران می‌توانند با صرف زمان و هزینهٔ بسیار کم‌تر طرح‌ها و ایده‌های خود را به صورت مدل‌های سه‌بعدی پیاده‌سازی کنند و سپس آن مدل‌ها را با دیگران، از جمله مهندسان ساخت‌وساز، به اشتراک بگذارند. مهندسان هم می‌توانند از ابزارهای شبیه‌سازی برای انجام دادن آزمایش‌های مختلف پیش از شروع کردن مراحل ساخت استفاده کنند. حتی طراحان دکوراسیون داخلی هم از مزایای فناوری‌های جدید بی‌نصیب نمانده‌اند و می‌توانند از نرم‌افزارهای مختلف برای پیاده‌سازی و اشتراک‌گذاری ایده‌های خود بهره ببرند.طراحی صنعتی: صنعت یکی از آن حوزه‌هایی است که فناوری‌های جدید را با آغوش باز می‌پذیرد. نرم‌افزارهای طراحی و مدل‌سازی جای خود را در صنایع مختلف پیدا کرده‌اند و می‌توان گفت که تقریباً به طور کامل جایگزین روش‌های سنتی شده‌اند. از صنایع هوایی و خودروسازی گرفته تا طراحی و تولید مبلمان، بسیاری از صنایع در حال حاضر از نرم‌افزارهای مدلسازی سه بعدی برای طراحی محصولات‌شان بهره می‌برند و نرم‌افزارهای بسیاری هم وجود دارند که به طور تخصصی برای طراحی و شبیه‌سازی محصولاتی خاص تعبیه شده‌اند.نرم‌افزارهای مدل‌سازی مهندسینرم‌افزارهای مدلسازی سه بعدی رایانه‌ای شاخه‌ای از نرم‌افزارهای CAD (مخفف computer-aided design به معنی طراحی به کمک رایانه) محسوب می‌شوند. این مساله را می‌توان در نام بسیاری از این‌گونه نرم‌افزارها (که نام CAD را به دوش می‌کشند) مشاهده کرد.در حال حاضر، نرم‌افزارهای مدلسازی سه بعدی بسیار زیادی وجود دارند که هر کدام مزایا و معایب خود را دارند و برای اهداف خاصی طراحی شده‌اند.به عنوان مثال، Blender نرم‌افزاری رایگان و قدرتمند است که بیش‌تر برای ساخت انیمیشن و بازی‌های رایانه‌ای به کار می‌رود، ۳ds Max و Maya بیش‌تر برای ساخت انیمیشن و جلوه‌های ویژهٔ فیلم‌ها به کار گرفته می‌شوند یا مثلاً نرم‌افزار Marvelous Designer به طور خاص برای طراحی و شبیه‌سازی پوشاک طراحی شده است.همان‌طور که در بالا اشاره شد، تمرکز ما در این متن بیش‌تر روی کاربردهای صنعتی و مهندسی مدلسازی سه بعدی است. نرم‌افزارهای بسیار زیادی وجود دارند که به طور تخصصی برای این کاربردها طراحی شده‌اند، اما در زیر به معرفی کوتاه دو نمونه از این نرم‌افزارها بسنده می‌کنیم.نرم‌افزار AutoCAD: اگر سری به وب‌سایت این نرم‌افزار بزنید، می‌بینید که از آن برای طراحی گیتار و خلق تابلوهای پاپ آرت هم استفاده شده است، اما کاربرد اصلی نرم‌افزار AutoCAD در حوزه‌های معماری، مهندسی ساخت‌وساز و شهرسازی است. این نرم‌افزار ابزارهای مختلفی را در اختیار کاربرانش قرار می‌دهد و از هر دو نوع مدل‌سازی دوبعدی و سه‌بعدی پشتیبانی می‌کند. از نرم‌افزارهای مشابه می‌توان به نرم‌افزار SketchUp اشاره کرد.نرم‌افزار CATIA: اگر در حوزهٔ طراحی صنعتی فعالیت می‌کنید، CATIA یکی از گزینه‌هایی است که می‌تواند تقریباً تمام نیازهای‌تان را برآورده کند. از این نرم‌افزار برای طراحی و ساخت محصولات بسیار متنوعی استفاده شده است: از هواپیما و کشتی گرفته تا قطعات الکترونیکی و بسته‌بندی محصولات. ابزارهای بسیار زیادی در این نرم‌افزار گنجانده شده‌اند تا CATIA بتواند از مراحل طراحی اولیه تا ساخت محصولات نهایی همراه شما باشد. از نرم‌افزارهای مشابه می‌توان به Pro Engineerو NX اشاره کرد.مزایای استفاده از نرم‌افزارهای مدل‌سازی مهندسیهدف تمام فناوری‌ها بهتر یا ساده‌تر کردن زندگی برای تمام انسان‌ها یا گروهی از آن‌ها است. بدون شک نرم‌افزارهای مدلسازی سه بعدی زندگی را برای کاربران‌شان راحت‌تر کرده‌اند. در زیر به برخی از مزیت‌هایی می‌پردازیم که نرم‌افزارهایی مانند AutoCAD و CATIA برای طراحان، معماران و مهندسان به همراه داشته‌اند.زمان و هزینهٔ کم‌تر: سال‌ها پیش اگر می‌خواستید محصولی را طراحی کنید، باید ابتدا طرح‌تان را روی کاغذ می‌آوردید و سپس ماکتی را از روی آن می‌ساختید. اما امروزه می‌توانید نرم‌افزار مدلسازی سه بعدی مورد علاقهٔ‌تان را باز کنید و در زمانی بسیار کم‌تر و بدون صرف کم‌ترین هزینه‌ای برای ساخت ماکت، مدل‌هایی کاملاً سه‌بعدی را از ایده‌های درون ذهن‌تان بسازید.شبیه‌سازی و آزمایش: یکی از مزایای اصلی مدل‌های سه‌بعدی نسبت به طرح‌های روی کاغذ این است که می‌توانید مدل‌های سه‌بعدی را وارد برنامه‌های شبیه‌ساز کنید و سپس انواع و اقسام آزمایش‌های مختلف را روی آن‌ها انجام دهید. به این ترتیب، دیگر لازم نیست برای انجام دادن آزمایش‌های مختلف نمونه‌ای کامل از محصول‌تان را بسازید و آن را از آزمایشگاهی به آزمایشگاه دیگر ببرید. فقط کافی است مدل سه‌بعدی آن را وارد نرم‌افزار شبیه‌ساز مورد نظر کنید و در زمانی کم نتایج آزمایش‌های شبیه‌سازی‌شده را ببینید. به این ترتیب، می‌توانید حتی قبل از این که اولین نمونهٔ آزمایشی محصول‌تان را بسازید به بسیاری از مشکلات آن پی ببرید و آن‌ها را اصلاح کنید. علاوه بر این، محیط امن برنامه‌های مدل‌سازی و شبیه‌ساز باعث می‌شود تا دست‌تان برای خلاقیت به خرج دادن هم بازتر باشد. شما می‌توانید ایده‌های غیرمتعارف خود را به راحتی و بدون هیچ ترسی پیاده‌سازی کنید و در صورت دریافت نکردن جواب مناسب می‌توانید به سراغ ایدهٔ بعدی بروید. تنها محدودیتی که در این‌جا خواهید داشت قوهٔ تخیل خودتان است.اصلاح و ویرایش سریع‌تر: سال‌ها پیش اگر مشکلی را در نمونهٔ آزمایشی‌تان پیدا می‌کردید، باید طراحی‌ها را دوباره از اول انجام می‌دادید و سپس نمونهٔ آزمایشی بعدی را می‌ساختید و مجدداً آن را آزمایش می‌کردید. دیگر نیازی به این کارها نیست. اگر مشکلی را در مدل سه‌بعدی‌تان پیدا کنید، می‌توانید به راحتی و تنها با چند کلیک آن را حل کنید.ساخت نمونه‌های آزمایشی: ساخت نمونه‌های آزمایشی از طرح‌های‌تان تا به حال این‌قدر راحت نبوده است. با استفاده از فناوری پرینت سه‌بعدی، می‌توانید به سادگی و در زمانی بسیار کم‌تر نمونه‌های آزمایشی محصولات‌تان را بسازید.اشتراک‌گذاری آسانتر: سال‌ها پیش اگر می‌خواستید طرح‌تان را با افراد دیگر به اشتراک بگذارید، باید آن‌ها را دعوت می‌کردید تا به محل کارتان بیایند و ماکت طرح‌های‌تان را از نزدیک ببینند. یا این که باید یک ماکت دیگر برای آن‌ها می‌ساختید و آن را برای‌شان می‌فرستادید. اما اکنون تنها کاری که باید انجام دهید این است که فایل خروجی مدل سه‌بعدی‌تان را از طریق ایمیل برای تمام افراد مورد نظر بفرستید و تنها کاری که آن‌ها باید انجام دهند این است که آن فایل را در همان برنامهٔ مدل‌سازی باز کنند. به همین سادگی! همچنین بسیاری از نرم‌افزارهای مدل‌سازی امروزی از طریق فناوری ابر به چند کاربر اجازه می‌دهند تا به طور همزمان روی یک پروژه کار کنند.دانیال کفائی نژاد طهرانیکلاس درس شبیه سازی کامپیوتر استاد احمد ابریشمی دانشکده فنی و حرفه ای شمسی پور