النمذجة ثلاثية الأبعاد

رسومات الحاسوب ثلاثية الأبعاد (3D)
الأساسيات
النمذجة مسح تقديم الطباعة
الاستخدامات الأساسية
نماذج ثلاثية الأبعاد التصميم بمساعدة الحاسوب التصميم الجرافيكي ألعاب الفيديو المؤثرات البصرية التصور الهندسة الافتراضية الواقع الافتراضي التصوير السينمائي الافتراضي
مواضيع ذات صلة
الصور المولدة بواسطة الكمبيوتر (CGI) الرسوم المتحركة حاسوب هيكلي شاشة ثلاثية الأبعاد Wire-frame model Texture mapping Motion capture Crowd simulation Global illumination Volume rendering
v t e

في رسومات الكمبيوتر ثلاثية الأبعاد ، النمذجة ثلاثية الأبعاد هي عملية تطوير تمثيل رياضي قائم على الإحداثيات لسطح جسم (غير حي أو غير حي) في ثلاثة أبعاد عبر برنامج متخصص عن طريق التلاعب بالحواف والرؤوس والمضلعات في مساحة محاكاة ثلاثية الأبعاد . ^{[1] [2] [3]}

تمثل النماذج ثلاثية الأبعاد (3D) جسمًا ماديًا باستخدام مجموعة من النقاط في الفضاء ثلاثي الأبعاد، متصلة بكيانات هندسية مختلفة مثل المثلثات والخطوط والأسطح المنحنية وما إلى ذلك. ^[4] كونها مجموعة من البيانات ( نقاط ومعلومات أخرى)، يمكن إنشاء النماذج ثلاثية الأبعاد يدويًا أو خوارزميًا ( النمذجة الإجرائية ) أو عن طريق المسح الضوئي . ^{[5] [6]} يمكن تعريف أسطحها بشكل أكبر باستخدام تعيين الملمس .

يُطلق على المنتج اسم نموذج ثلاثي الأبعاد، بينما قد يُشار إلى الشخص الذي يعمل مع النماذج ثلاثية الأبعاد باسم فنان ثلاثي الأبعاد أو مصمم ثلاثي الأبعاد.

يمكن أيضًا عرض النموذج ثلاثي الأبعاد كصورة ثنائية الأبعاد من خلال عملية تسمى العرض ثلاثي الأبعاد أو استخدامه في محاكاة الكمبيوتر للظواهر الفيزيائية.

يمكن إنشاء النماذج ثلاثية الأبعاد تلقائيًا أو يدويًا. تشبه عملية النمذجة اليدوية لإعداد البيانات الهندسية للرسومات الحاسوبية ثلاثية الأبعاد الفنون البلاستيكية مثل النحت . يمكن إنشاء النموذج ثلاثي الأبعاد فعليًا باستخدام أجهزة الطباعة ثلاثية الأبعاد التي تشكل طبقات ثنائية الأبعاد من النموذج باستخدام مادة ثلاثية الأبعاد، طبقة واحدة في كل مرة. بدون نموذج ثلاثي الأبعاد، لا يمكن إجراء طباعة ثلاثية الأبعاد.

برامج النمذجة ثلاثية الأبعاد هي فئة من برامج الرسوميات الحاسوبية ثلاثية الأبعاد المستخدمة لإنتاج نماذج ثلاثية الأبعاد. تسمى البرامج الفردية لهذه الفئة تطبيقات النمذجة. ^[7]

تُستخدم النماذج ثلاثية الأبعاد الآن على نطاق واسع في أي مكان في  الرسومات ثلاثية الأبعاد  والتصميم  بمساعدة الكمبيوتر ، ولكن تاريخها يسبق الاستخدام الواسع النطاق للرسومات ثلاثية الأبعاد على  أجهزة الكمبيوتر الشخصية . ^[9]

في الماضي، استخدمت العديد  من ألعاب الكمبيوتر  صورًا معدة مسبقًا لنماذج ثلاثية الأبعاد  كرسوم متحركة  قبل أن تتمكن أجهزة الكمبيوتر من عرضها في الوقت الفعلي. يمكن للمصمم بعد ذلك رؤية النموذج في اتجاهات ومناظير مختلفة، وهذا يمكن أن يساعد المصمم على معرفة ما إذا كان الكائن قد تم إنشاؤه على النحو المقصود مقارنة برؤيته الأصلية. إن رؤية التصميم بهذه الطريقة يمكن أن تساعد المصمم أو الشركة على معرفة التغييرات أو التحسينات اللازمة للمنتج. ^[10]

يمكن تقسيم جميع النماذج ثلاثية الأبعاد تقريبًا إلى فئتين:

• المواد الصلبة – تحدد هذه النماذج حجم الجسم الذي تمثله (مثل الصخرة). تُستخدم النماذج الصلبة في الغالب في المحاكاة الهندسية والطبية، وعادةً ما يتم بناؤها باستخدام هندسة المواد الصلبة البناءة
• القشرة أو الحدود – تمثل هذه النماذج السطح، أي حدود الكائن، وليس حجمه (مثل قشرة البيضة الرقيقة للغاية). تقريبًا كل النماذج المرئية المستخدمة في الألعاب والأفلام هي نماذج قشرة.

يمكن للنمذجة الصلبة والقشرية إنشاء أشياء متطابقة وظيفيًا. والاختلافات بينهما هي في الغالب اختلافات في طريقة إنشائها وتحريرها واتفاقيات الاستخدام في مجالات مختلفة والاختلافات في أنواع التقريبات بين النموذج والواقع.

يجب أن تكون نماذج القشرة متعددة الأشكال (لا تحتوي على ثقوب أو شقوق في القشرة) لتكون ذات معنى ككائن حقيقي. في نموذج قشرة المكعب، يجب أن يكون للسطح السفلي والعلوي للمكعب سمك موحد بدون ثقوب أو شقوق في الطبقة الأولى والأخيرة المطبوعة. الشبكات المتعددة الأضلاع (وبدرجة أقل الأسطح الفرعية ) هي التمثيل الأكثر شيوعًا. مجموعات المستويات هي تمثيل مفيد لتشويه الأسطح التي تخضع للعديد من التغييرات الطوبولوجية مثل السوائل .

تسمى عملية تحويل تمثيلات الأشياء، مثل إحداثيات النقطة الوسطى للكرة ونقطة على محيطها إلى تمثيل متعدد الأضلاع للكرة، بالتبليط . تُستخدم هذه الخطوة في العرض القائم على المضلع، حيث يتم تقسيم الأشياء من تمثيلات مجردة (" بدائية ") مثل الكرات والمخاريط وما إلى ذلك، إلى ما يسمى بالشبكات ، وهي شبكات من المثلثات المترابطة. تعد شبكات المثلثات (بدلاً من المربعات على سبيل المثال ) شائعة لأنها أثبتت سهولة تحويلها إلى صورة نقطية (السطح الموصوف بواسطة كل مثلث مستوٍ، لذا فإن الإسقاط يكون محدبًا دائمًا). ^[11] لا تُستخدم التمثيلات متعددة الأضلاع في جميع تقنيات العرض، وفي هذه الحالات لا يتم تضمين خطوة التبليط في الانتقال من التمثيل المجرد إلى المشهد المرسوم.

هناك ثلاث طرق شائعة لتمثيل النموذج:

• النمذجة متعددة الأضلاع – النقاط في الفضاء ثلاثي الأبعاد، والتي تسمى الرؤوس ، متصلة بأجزاء خطية لتشكيل شبكة متعددة الأضلاع . يتم بناء الغالبية العظمى من النماذج ثلاثية الأبعاد اليوم كنماذج متعددة الأضلاع محكمة النسج، لأنها مرنة، لأن أجهزة الكمبيوتر يمكنها تقديمها بسرعة كبيرة. ومع ذلك، فإن المضلعات مستوية ولا يمكنها تقريب الأسطح المنحنية إلا باستخدام العديد من المضلعات.
• نمذجة المنحنيات – يتم تحديد الأسطح من خلال المنحنيات، والتي تتأثر بنقاط التحكم المرجحة. يتبع المنحنى النقاط (ولكن لا يستوفيها بالضرورة). يؤدي زيادة الوزن لنقطة ما إلى تقريب المنحنى من تلك النقطة. تتضمن أنواع المنحنيات المنحنيات غير المنتظمة ذات المنحنيات المنحنية ...
• النحت الرقمي - هناك ثلاثة أنواع من النحت الرقمي: الإزاحة ، وهي الأكثر استخدامًا على نطاق واسع بين التطبيقات في هذه اللحظة، تستخدم نموذجًا كثيفًا (غالبًا ما يتم إنشاؤه بواسطة أسطح التقسيم لشبكة التحكم متعددة الأضلاع) وتخزن مواقع جديدة لمواضع الرؤوس من خلال استخدام خريطة صور تخزن المواقع المعدلة. الحجمي ، الذي يعتمد بشكل فضفاض على وحدات البكسل ، لديه قدرات مماثلة للإزاحة ولكنه لا يعاني من تمدد المضلع عندما لا يكون هناك عدد كافٍ من المضلع في منطقة لتحقيق تشوه. التبليط الديناميكي ، وهو مشابه للفوكسل، يقسم السطح باستخدام التثليث للحفاظ على سطح أملس والسماح بتفاصيل أدق. تسمح هذه الأساليب بالاستكشاف الفني حيث يتم إنشاء طوبولوجيا جديدة للنموذج فوقه بمجرد تشكيل النماذج وربما يتم نحت التفاصيل. عادةً ما تحتوي الشبكة الجديدة على معلومات الشبكة الأصلية عالية الدقة المنقولة إلى بيانات الإزاحة أو بيانات الخريطة العادية إذا كانت لمحرك لعبة.

تتكون مرحلة النمذجة من تشكيل كائنات فردية يتم استخدامها لاحقًا في المشهد. هناك عدد من تقنيات النمذجة، بما في ذلك:

• هندسة صلبة بناءة
• الأسطح الضمنية
• تقسيم الأسطح

يمكن إجراء النمذجة عن طريق برنامج مخصص (على سبيل المثال، برنامج النمذجة ثلاثية الأبعاد من Adobe Substance، Blender ، Cinema 4D ، LightWave ، Maya ، Modo ، 3ds Max ) أو أحد مكونات التطبيق (Shaper، Lofter في 3ds Max)، أو بعض لغات وصف المشهد (كما في POV-Ray ). في بعض الحالات، لا يوجد تمييز صارم بين هذه المراحل؛ في مثل هذه الحالات تكون النمذجة مجرد جزء من عملية إنشاء المشهد (هذه هي الحال، على سبيل المثال، مع Caligari trueSpace و Realsoft 3D ).

يمكن أيضًا إنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد باستخدام تقنية التصوير الضوئي باستخدام برامج مخصصة مثل RealityCapture و Metashape و 3DF Zephyr . يمكن إجراء التنظيف والمعالجة الإضافية باستخدام تطبيقات مثل MeshLab و GigaMesh Software Framework و netfabb أو MeshMixer. ينشئ التصوير الضوئي نماذج باستخدام خوارزميات لتفسير شكل وملمس الأشياء والبيئات في العالم الحقيقي بناءً على الصور الملتقطة من العديد من زوايا الموضوع.

يتم نمذجة المواد المعقدة مثل الرمال المتطايرة والسحب ورذاذ السوائل باستخدام أنظمة الجسيمات ، وهي عبارة عن كتلة من الإحداثيات ثلاثية الأبعاد التي تحتوي على نقاط أو مضلعات أو بقع نسيجية أو صور متحركة مخصصة لها.

هناك مجموعة متنوعة من برامج النمذجة ثلاثية الأبعاد التي يمكن استخدامها في صناعات الهندسة والتصميم الداخلي والأفلام وغيرها. يتمتع كل برنامج نمذجة ثلاثية الأبعاد بإمكانيات محددة ويمكن استخدامه لتلبية متطلبات الصناعة.

تتضمن العديد من البرامج خيارات التصدير لتشكيل رمز G ، والذي ينطبق على آلات التصنيع الإضافية أو الطرحية. يعمل رمز G (التحكم العددي بالحاسوب) باستخدام التكنولوجيا الآلية لتشكيل عرض واقعي للنماذج ثلاثية الأبعاد. هذا الرمز عبارة عن مجموعة محددة من التعليمات لتنفيذ خطوات تصنيع المنتج. ^[12]

ظهر أول تطبيق تجاري متاح على نطاق واسع للنماذج البشرية الافتراضية في عام 1998 على موقع Lands' End على الويب. تم إنشاء النماذج البشرية الافتراضية بواسطة شركة My Virtual Mode Inc. ومكّنت المستخدمين من إنشاء نموذج لأنفسهم وتجربة الملابس ثلاثية الأبعاد. هناك العديد من البرامج الحديثة التي تسمح بإنشاء نماذج بشرية افتراضية ( Poser هو أحد الأمثلة).

لقد مكّن تطوير برامج محاكاة القماش مثل Marvelous Designer وCLO3D وOptitex الفنانين ومصممي الأزياء من تصميم ملابس ثلاثية الأبعاد ديناميكية على الكمبيوتر. ^[13] تُستخدم الملابس ثلاثية الأبعاد الديناميكية في كتالوجات الأزياء الافتراضية، وكذلك في تلبيس الشخصيات ثلاثية الأبعاد لألعاب الفيديو وأفلام الرسوم المتحركة ثلاثية الأبعاد، وللنسخ الرقمية في الأفلام، ^[14] كأداة إنشاء للعلامات التجارية للأزياء الرقمية ، وكذلك لصنع ملابس للصور الرمزية في العوالم الافتراضية مثل SecondLife .

غالبًا ما يتم تحقيق التأثيرات الواقعية ثلاثية الأبعاد دون استخدام نماذج إطارية سلكية، وأحيانًا لا يمكن تمييزها في الشكل النهائي. تتضمن بعض برامج الفنون الرسومية مرشحات يمكن تطبيقها على رسومات متجهية ثنائية الأبعاد أو رسومات نقطية ثنائية الأبعاد على طبقات شفافة.

تتضمن مزايا النمذجة السلكية ثلاثية الأبعاد مقارنة بالطرق ثنائية الأبعاد فقط ما يلي:

• المرونة، والقدرة على تغيير الزوايا أو تحريك الصور مع تقديم أسرع للتغييرات؛
• سهولة العرض والحساب التلقائي وتقديم التأثيرات التصويرية الواقعية بدلاً من التصور أو التقدير ذهنيًا؛
• واقعية الصورة دقيقة، واحتمال أقل للخطأ البشري في سوء الوضع، أو المبالغة، أو نسيان تضمين تأثير بصري.

قد تشمل العيوب مقارنة بالرسم ثلاثي الأبعاد الواقعي منحنى تعلم البرنامج وصعوبة تحقيق تأثيرات واقعية معينة. يمكن تحقيق بعض التأثيرات الواقعية باستخدام مرشحات رسم خاصة مضمنة في برنامج النمذجة ثلاثية الأبعاد. للحصول على أفضل ما في العالمين، يستخدم بعض الفنانين مزيجًا من النمذجة ثلاثية الأبعاد متبوعًا بتحرير الصور ثنائية الأبعاد التي تم رسمها بواسطة الكمبيوتر من النموذج ثلاثي الأبعاد.

يوجد سوق كبير للنماذج ثلاثية الأبعاد (بالإضافة إلى المحتوى المرتبط بالثلاثية الأبعاد، مثل القوام والنصوص وما إلى ذلك) - إما للنماذج الفردية أو المجموعات الكبيرة. تسمح العديد من الأسواق عبر الإنترنت للمحتوى ثلاثي الأبعاد للفنانين الأفراد ببيع المحتوى الذي أنشأوه، بما في ذلك TurboSquid و MyMiniFactory و Sketchfab و CGTrader و Cults . غالبًا ما يكون هدف الفنانين هو الحصول على قيمة إضافية من الأصول التي أنشأوها سابقًا للمشاريع. من خلال القيام بذلك، يمكن للفنانين كسب المزيد من المال من محتواهم القديم ويمكن للشركات توفير المال عن طريق شراء نماذج جاهزة بدلاً من دفع موظف لإنشاء نموذج من الصفر. تقسم هذه الأسواق عادةً البيع بينها وبين الفنان الذي أنشأ الأصل، ويحصل الفنانون على 40٪ إلى 95٪ من المبيعات وفقًا للسوق. في معظم الحالات، يحتفظ الفنان بملكية النموذج ثلاثي الأبعاد بينما يشتري العميل فقط الحق في استخدام النموذج وتقديمه. يبيع بعض الفنانين منتجاتهم مباشرة في متاجرهم الخاصة ويعرضون منتجاتهم بسعر أقل من خلال عدم استخدام الوسطاء.

تُعد صناعة الهندسة المعمارية والهندسة والبناء (AEC) أكبر سوق للنمذجة ثلاثية الأبعاد، بقيمة تقديرية تبلغ 12.13 مليار دولار بحلول عام 2028. ^[15] ويرجع هذا إلى التبني المتزايد للنمذجة ثلاثية الأبعاد في صناعة الهندسة المعمارية والهندسة والبناء، مما يساعد على تحسين دقة التصميم وتقليل الأخطاء والإغفالات وتسهيل التعاون بين أصحاب المصلحة في المشروع. ^{[16] [17]}

على مدار السنوات العديدة الماضية، ظهرت العديد من الأسواق المتخصصة في عرض النماذج وطباعتها ثلاثية الأبعاد. بعض أسواق الطباعة ثلاثية الأبعاد عبارة عن مزيج من مواقع مشاركة النماذج، مع أو بدون إمكانية التجارة الإلكترونية المدمجة. تقدم بعض هذه المنصات أيضًا خدمات الطباعة ثلاثية الأبعاد عند الطلب، وبرامج لعرض النماذج والعرض الديناميكي للعناصر.

مصطلح الطباعة ثلاثية الأبعاد أو الطباعة ثلاثية الأبعاد هو شكل من أشكال تكنولوجيا التصنيع الإضافي حيث يتم إنشاء كائن ثلاثي الأبعاد من طبقات متتالية من المواد. ^[18] يمكن إنشاء الكائنات دون الحاجة إلى قوالب معقدة باهظة الثمن أو تجميع بأجزاء متعددة. تسمح الطباعة ثلاثية الأبعاد بإنشاء نماذج أولية للأفكار واختبارها دون الحاجة إلى المرور بعملية إنتاج. ^{[18] [19]}

يمكن شراء النماذج ثلاثية الأبعاد من الأسواق عبر الإنترنت وطباعتها بواسطة الأفراد أو الشركات باستخدام الطابعات ثلاثية الأبعاد المتوفرة تجاريًا، مما يتيح الإنتاج المنزلي للأشياء مثل قطع الغيار وحتى المعدات الطبية. ^{[20] [21]}

اليوم، يتم استخدام النمذجة ثلاثية الأبعاد في العديد من الصناعات مثل الأفلام والرسوم المتحركة والألعاب والتصميم الداخلي والهندسة المعمارية . ^[22] كما يتم استخدامها في الصناعة الطبية لإنشاء تمثيلات تفاعلية للتشريح. ^[23]

تستخدم الصناعة الطبية نماذج مفصلة للأعضاء؛ وقد يتم إنشاؤها باستخدام شرائح صور ثنائية الأبعاد متعددة من التصوير بالرنين المغناطيسي أو التصوير المقطعي المحوسب . وتستخدمها صناعة الأفلام كشخصيات وأشياء للأفلام المتحركة والواقعية . وتستخدمها صناعة ألعاب الفيديو كأصول لألعاب الكمبيوتر والفيديو .

يستخدمها قطاع العلوم كنماذج مفصلة للغاية للمركبات الكيميائية. ^[24]

تستخدم صناعة العمارة نماذج ثلاثية الأبعاد لإظهار المباني والمناظر الطبيعية المقترحة بدلاً من النماذج المعمارية المادية التقليدية . بالإضافة إلى ذلك، أصبح استخدام مستوى التفاصيل (LOD) في النماذج ثلاثية الأبعاد مهمًا بشكل متزايد في صناعة AEC. LOD هو مقياس لمستوى التفاصيل والدقة المضمنة في نموذج ثلاثي الأبعاد. تتراوح مستويات LOD من 100 إلى 500، حيث يمثل LOD 100 نموذجًا مفاهيميًا يوضح الكتلة الأساسية وموقع الأشياء، ويمثل LOD 500 نموذجًا مفصلاً للغاية يتضمن معلومات حول كل جانب من جوانب المبنى، بما في ذلك أنظمة MEP والتشطيبات الداخلية. باستخدام LOD، يمكن للمهندسين المعماريين والمهندسين والمقاول العام التواصل بشكل أكثر فعالية بشأن نية التصميم واتخاذ قرارات أكثر استنارة طوال عملية البناء. ^{[25] [26]}

يقوم مجتمع الآثار الآن بإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد للتراث الثقافي لأغراض البحث والتصور. ^{[27] [28]}

ويستخدمها مجتمع الهندسة في تصميم الأجهزة والمركبات والهياكل الجديدة بالإضافة إلى مجموعة من الاستخدامات الأخرى.

في العقود الأخيرة، بدأ مجتمع علوم الأرض في إنشاء نماذج جيولوجية ثلاثية الأبعاد كممارسة قياسية.

يمكن أن تكون النماذج ثلاثية الأبعاد بمثابة الأساس للأجهزة المادية التي يتم بناؤها باستخدام الطابعات ثلاثية الأبعاد أو آلات CNC .

في تطوير ألعاب الفيديو، يعد النمذجة ثلاثية الأبعاد مرحلة واحدة في عملية تطوير أطول. يمكن أن يكون مصدر الهندسة لشكل الكائن:

1. مصمم أو مهندس صناعي أو فنان يستخدم نظام 3D-CAD
2. كائن موجود، تم هندسته عكسيًا أو نسخه باستخدام محول رقمي ثلاثي الأبعاد أو ماسح ضوئي
3. البيانات الرياضية المخزنة في الذاكرة بناءً على الوصف العددي أو حساب الكائن. ^[18]

كما يتم استخدام عدد كبير من برامج التصميم ثلاثي الأبعاد في إنشاء تمثيل رقمي للنماذج أو الأجزاء الميكانيكية قبل تصنيعها فعليًا. وباستخدام برامج التصميم بمساعدة الكمبيوتر والتصنيع بمساعدة الكمبيوتر ، يمكن للمشغل اختبار وظائف مجموعات الأجزاء.

تُستخدم النمذجة ثلاثية الأبعاد في مجال التصميم الصناعي ، حيث يتم تصميم المنتجات ثلاثية الأبعاد ^[29] قبل تقديمها للعملاء. في صناعات الإعلام والفعاليات، تُستخدم النمذجة ثلاثية الأبعاد في تصميم المسرح والديكور . ^[30]

يمكن استخدام ترجمة OWL 2 لمفردات X3D لتوفير أوصاف دلالية للنماذج ثلاثية الأبعاد، وهي مناسبة لفهرسة واسترجاع النماذج ثلاثية الأبعاد من خلال ميزات مثل الهندسة والأبعاد والمواد والملمس والانعكاس المنتشر وأطياف النقل والشفافية والانعكاسية واللمعان والتزجيج والورنيش والمينا (على عكس الأوصاف النصية غير المنظمة أو المتاحف والمعارض الافتراضية ثنائية الأبعاد باستخدام Google Street View على Google Arts & Culture ، على سبيل المثال). ^[31] يمكن استخدام تمثيل RDF للنماذج ثلاثية الأبعاد في التفكير ، مما يمكّن التطبيقات ثلاثية الأبعاد الذكية التي يمكنها، على سبيل المثال، مقارنة نموذجين ثلاثيي الأبعاد تلقائيًا من حيث الحجم. ^[32]

الوسائط المتعلقة بالنمذجة ثلاثية الأبعاد في ويكيميديا ​​كومنز