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-mudeleid tehakse selleks ette nähtud 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 filmitööstuses, 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. Arvutiga kujundlikkuse loomine sai alguse 1960. aastate lõpus. Esimene müügil olnud modelleerimisprogramm Syntha Vision 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.
Varem, kui arvuti abil sai 3D-mudeleid reaalajas renderdada, kasutati 3D-mudeleid paljudes arvutimängudes kahemõõtmeliste piltidena. Nüüd 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 vooliks seda savist. Nii 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. Paljudes uuemates filmides ja telesarjades kasutatakse 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 korraldavad 3D-modelleerimise kursuseid arvutimängude loojatele.
Arhitektuuris on kolmemõõtmelistest kujunditest palju abi enne ehitamist ehitiste või nende osade demonstreerimisel. Neid mudeleid on võimalik vaadata mitme nurga alt ning kasutada näiteks selleks, et mängida läbi mööbli ja muu sisustuse paigutust. Seda kõike saab teha arvutiprogrammis enne, kui maja on valmis ehitatud. Nii saavad kliendid täpselt aru, kuidas nende soovitud maja hakkab välja nägema..
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 oma 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 muudatusi teha ning alles siis 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 loojad, 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.