Kolmemõõtmeline modelleerimine

Kolmemõõtmeline modelleerimine (ka 3D-modelleerimine) on kolmemõõtmelise arvutigraafika üks osa, kus luuakse virtuaalne kolmemõõtmeline mudel, muutes hulknurkasid, servasid ja tippe. Tulemust nimetatakse 3D-mudeliks. 3D-modelleeritakse selleks ettenähtud arvutiprogrammidega (SolidWorks, AutoCAD, Blender). Üks tavalisem viis 3D-mudelite loomiseks on muuta lihtsat objekti (nt kera või kuupi), tehes sellest uus mudel. 3D-modelleerimist rakendatakse virtuaalses reaalsuses, arvutimängudes, 3D-printimises, turunduses, televisioonis ja kinos, teadus- ja meditsiiniuuringutes, kolmemõõtmelises raalprojekteerimises ja graafikaprogrammides.
Kolmemõõtmelist mudelit saab luua mitmel viisil, näiteks: ruumilistel hulknurkadel põhinevad kujundid (püramiid, kuup, kera, silinder, koonus), kõverad (Bezier' ja NURBS-kõverad) või skulpteerimine.

Ajalugu

Arvutigraafika sai alguse 1960. aastate alguses teaduse ja tehnika arendamise eesmärgil. Arvuti loodud kujundlikkus sai alguse 1960. aastate lõpus. Esimene müügil olev modelleerimisprogramm oli Syntha Vision, mis avalikustati 1969. aastal. 1988. aastal tekkisid NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) ja parameetriline modelleerimine, mida tehti tarkvaraga PRO/ENGINEER. 3D-modelleerimise populaarsus kasvas ja modelleerimist hakati kasutama nii filmitööstuses, arvutimängudes kui ka disainis ja tootmises. Esimene kaubanduslik 3D-printer tuli müügile 1986. aastal.

Mudel

Kolmemõõtmeline mudel on kujutis füüsilisest kehast. Selline mudel annab informatsiooni, et valmistada ja ehitada mingi objekt. Sellist informatsiooni annavad näiteks geomeetria ja mõõdud, profiilid ja ristlõiked, ühendused ning materjalid.
Mudeleid saab valmistada käsitsi, programmide abil, algoritmiliselt või skannides.
Enne kui arvuti abil sai 3D-mudeleid reaalajas renderdada, kasutati 3D-mudeleid paljudes arvutimängudes kahemõõtmeliste piltidena. Nüüdseks kasutatakse 3D-mudeleid kolmemõõtmelises arvutigraafikas väga palju.

Hulknurkne modelleerimine

Hulknurgad koosnevad tippudest, servadest ja tahkudest ning eri hulknurki kokku pannes saab luua kolmemõõtmelise mudeli. Hulknurgad on vajalikud paljude 3D-mudelite valmistamiseks ning seda meetodit kasutatakse laialdaselt animatsiooniefektide jaoks filmides ja arvutimängudes. Hulknurksel modelleerimisel pole nurkade arv piiratud, kuid tavaliselt kasutatakse kolmnurkseid või nelinurkseid kujundeid. Ühte iseseisvat hulknurka kutsutakse tavaliselt tahuks. Kui paljud tahud on omavahel ühenduses, tekib tahkude võrgustik ehk sõrestik. Hulknurkse modelleerimise mudeleid valmistatakse sõrestike abil.

Kõveratega modelleerimine

Kõver on kolmemõõtmelises ruumis defineeritud kahe punktiga. Kõveratega modelleerimine võib olla parameetriline või vabas vormis. Kõverad esitatakse matemaatiliste funktsioonide abil. Üks tuntuim meetod kõveratega modelleerimisel on NURBS-modelleerimine. NURBS-modelleerimist kasutatakse tavaliselt väga siledate pindade valmistamisel, sest see meetod ei nõua nii palju punkte nagu hulknurkne modelleerimine. Hulknurkade ühendamise asemel kasutatakse kõveraid. Kolmemõõtmelist pinda luuakse kõverate muutmisel. See on kõige täpsem viis modelleerimiseks. Kõveratega modelleerimist kasutatakse auto-, maja- või mööblimudeli valmistamiseks.

Digitaalne skulpteerimine

Digitaalne skulpteerimine on võrdlemisi uus kolmemõõtmelise modelleerimise meetod. Kasutaja töötleb digitaalset mudelit samamoodi nagu kunstnik skulpteeriks savist kujundit. Sellise viisiga saab kasutaja määratud osakesi lükata, tõmmata, kokku pigistada või keerata, mille lõpptulemusena valmib 3D-mudel. Digitaalses skulpteerimises on kasutajal suur vabadus muuta kujund mistahes vormiks. Tavaliselt alustatakse väga algelisest kujundist, näiteks kerast või kuubist, ning seejärel muudetakse objekt kasutajale vajalikuks mudeliks.

Rakendus

Disainerid kasutavad 3D-modelleerimist meditsiinis, tavaliselt detailsete elundimudelite valmistamiseks. See on vajalik diagnostiliste uuringute jaoks, sest arstid ei pea keha sisse nägemiseks opereerima. Nii saab kirurgilisi operatsioone vältida või edasi lükata. 3D-mudelitega on võimalik väga täpselt näha patsiendi siseelundeid. Neid programme kasutatakse ka tihti loote või rasedate naiste uurimiseks.
Filmitööstuses kasutatakse kolmemõõtmelisi mudeleid tegelaskujude või objektide animeerimiseks või ka motion capture'i jaoks. Paljud uued filmid ja seriaalid kasutavad kolmemõõtmelist modelleerimist mingil määral. Seda on eriti mõttekas kasutada eriefektide jaoks. Samuti valmistatakse keskkondi, mida ei oleks kaameraga filmides näha, või tehakse üleloomulikke eriefekte.
Samamoodi kasutatakse 3D-mudeleid ka arvutimängudes. Arvutimängud muutuvad järjest realistlikumaks. See on saavutatud tänu sellele, et arvutite tarkvara ja riistvara areng võimaldavad kasutada arvutimängudes tõsielulisi 3D-mudeleid. Mitmed ülikoolid pakuvad 3D-modelleerimise kursuseid arvutimängude jaoks.
Arhitektuuris on kolmemõõtmelised kujundid kasulikud vahendid enne ehitamist ehitiste või majade demonstreerimiseks. Neid mudeleid on võimalik vaadata mitme nurga alt ning samuti on võimalik paigutada mööbel ning muu maja sisustus. Seda kõike saab teha arvutiprogrammis enne, kui maja on reaalselt valmis ehitatud. Nii saavad kliendid täpselt aru, kuidas nende soovitud maja lõpuks välja näeb.
Raamatutes kasutatakse 3D-mudeleid üha enam. Nii saab kirjanduses kasutada pilte, mida muidu eri põhjustel näidata ei saa, näiteks autoriõiguste tõttu. Mõned pildid kujutavad ajaloolisi lahinguid või suursündmusi.
Veel kasutatakse 3D-mudeleid reklaamides, kus näidatakse enda toodet ideaalses seisukorras. See aitab firmadel klientidele müüa uusi tooteid enne, kui materjali ja tootmise peale on raha kulutatud. Mudelit võib alati muuta, seega kui klientidele miski ei meeldi, saab üsna lihtsalt muudatus sisse viia ning peale seda hakata füüsilist toodet valmistama.
Teaduses kasutatakse mudeleid väga detailsete keemiliste komponentide kuvamiseks. Veel kasutatakse 3D-modelleerimist uute autode, seadmete, masinate disaini kujutamiseks.

Kolmemõõtmeliste mudelite turg

3D-mudeleid vajavad paljud: arvutimängude arendajad, uudisteagentuurid, arhitektid, filmitööstus jne. Seetõttu on loodud firmad, kes valmistavad kolmemõõtmelisi mudeleid. Nõudlus ruumiliste mudelite järele kasvab, sest mitmed 3D-printimise patendid on nüüdseks aegunud ning 3D-printimine on muutunud odavamaks ja lihtsamini kättesaadavaks.

3D-printimine

3D-printimine on protsess, kus valmistatakse kolmemõõtmeline objekt digitaalsest mudelist. Tihti kasutatakse 3D-printimist mingi toote prototüübi testimiseks. Printimine töötab nii, et aluspinnale valatakse materjal ning kiht kihi haaval kasvatatakse sellest täielik objekt. Materjaliks võivad olla plastik (ABS, PLA või LayWood), metall (alumiiniumi või koobalti derivaadid, roostevaba teras, kuld, hõbe või titaan), keraamilised materjalid, paber või bioloogilised materjalid. 3D-mudeleid võib tellida või osta 3D-modelleerimisega tegelevalt firmalt ning seejärel 3D-printeriga objekt välja printida.