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Modelado 3D

En gráficos por computadora 3D , el modelado 3D es el proceso de desarrollar una representación matemática basada en coordenadas de la superficie de un objeto (inanimado o vivo)...

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En gráficos por computadora 3D , el modelado 3D es el proceso de desarrollar una representación matemática basada en coordenadas de la superficie de un objeto (inanimado o vivo) en tres dimensiones mediante software especializado , manipulando aristas, vértices y polígonos en un espacio 3D simulado . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

Los modelos tridimensionales (3D) representan un cuerpo físico mediante una colección de puntos en el espacio 3D, conectados por varias entidades geométricas como triángulos, líneas, superficies curvas, etc. [ 4 ] Al ser una colección de datos ( puntos y otra información), los modelos 3D se pueden crear manualmente, algorítmicamente ( modelado procedimental ) o mediante escaneo . [ 5 ] [ 6 ] Sus superficies se pueden definir aún más con mapeo de texturas .

Describir

El producto se denomina modelo 3D, mientras que a quien trabaja con modelos 3D se le puede llamar artista 3D o modelador 3D.

Un modelo 3D también puede visualizarse como una imagen bidimensional mediante un proceso denominado renderizado 3D o utilizarse en una simulación informática de fenómenos físicos.

Los modelos 3D pueden crearse de forma automática o manual. El proceso manual de modelado, que consiste en preparar datos geométricos para gráficos 3D por ordenador, es similar al de las artes plásticas , como la escultura . El modelo 3D puede crearse físicamente mediante impresoras 3D , que forman capas bidimensionales del modelo con material tridimensional, una a una. Sin un modelo 3D, no es posible realizar una impresión 3D.

El software de modelado 3D es una clase de software de gráficos por computadora 3D que se utiliza para producir modelos 3D. Los programas individuales de esta clase se denominan aplicaciones de modelado. [ 7 ]

Historia

Modelo tridimensional de un espectrógrafo [ 8 ]
Modelo de videojuego 3D giratorio
Los modelos de selfies en 3D se generan a partir de fotografías en 2D tomadas en la cabina fotográfica 3D Fantasitron en Madurodam .

Actualmente, los modelos 3D se utilizan ampliamente en cualquier ámbito de los gráficos 3D y el diseño asistido por ordenador (CAD) , pero su historia es anterior al uso generalizado de los gráficos 3D en los ordenadores personales .    

En el pasado, muchos videojuegos utilizaban imágenes prerrenderizadas de modelos 3D como sprites antes de que los ordenadores pudieran renderizarlos en tiempo real. El diseñador podía entonces ver el modelo desde varias direcciones y perspectivas, lo que le ayudaba a comprobar si el objeto se había creado según lo previsto en comparación con su visión original. Ver el diseño de esta manera podía ayudar al diseñador o a la empresa a determinar los cambios o mejoras necesarios en el producto. [ 9 ] Los primeros modelos 3D se basaron en simples wireframes, que se utilizaban principalmente para visualizar planos de construcción y piezas mecánicas. Un mejor hardware y software gráfico permitió la creación de modelos sólidos y de superficie en las décadas de 1970 y 1980, lo que proporcionó a los diseñadores una representación más realista y clara de los objetos físicos. En la década de 1990, el modelado paramétrico se popularizó, permitiendo a los diseñadores modificar un modelo cambiando sus parámetros básicos en lugar de redibujarlo desde cero. Gracias a la realidad virtual, la inteligencia artificial y las herramientas de diseño generativo, el modelado 3D actual va más allá de la ingeniería e influye en campos como la animación, los videojuegos, el diseño de productos y el cine. [ 10 ] [ 11 ]    

Representación

Una representación moderna del icónico modelo de tetera de Utah , desarrollado por Martin Newell (1975). La tetera de Utah es uno de los modelos más comunes utilizados en la enseñanza de gráficos 3D.

Casi todos los modelos 3D se pueden dividir en dos categorías:

  • Sólido : Estos modelos definen el volumen del objeto que representan (como una roca). Los modelos sólidos se utilizan principalmente en simulaciones de ingeniería y medicina, y generalmente se construyen con geometría sólida constructiva .
  • Modelos de superficie o contorno : estos modelos representan la superficie, es decir, el contorno del objeto, no su volumen (como una cáscara de huevo infinitesimalmente delgada). Casi todos los modelos visuales utilizados en videojuegos y películas son modelos de superficie.

El modelado de sólidos y de láminas permite crear objetos funcionalmente idénticos. Las diferencias entre ellos radican principalmente en las variaciones en su creación y edición, las convenciones de uso en diversos campos y los tipos de aproximaciones entre el modelo y la realidad.

Los modelos de cáscara deben ser multiformes (sin agujeros ni grietas) para que tengan sentido como objeto real. Por ejemplo, en un modelo de cáscara de un cubo, los seis lados deben estar conectados sin huecos en las aristas ni en las esquinas. Las mallas poligonales (y, en menor medida, las superficies de subdivisión ) son, con mucho, la representación más común. Los conjuntos de nivel son una representación útil para deformar superficies que experimentan muchos cambios topológicos, como los fluidos .

El proceso de transformar representaciones de objetos, como la coordenada del punto medio de una esfera y un punto en su circunferencia , en una representación poligonal de una esfera se llama teselación . Este paso se utiliza en la renderización basada en polígonos, donde los objetos se descomponen desde representaciones abstractas (" primitivas ") como esferas, conos, etc., hasta las llamadas mallas , que son redes de triángulos interconectados. Las mallas de triángulos (en lugar de, por ejemplo, cuadrados ) son populares porque han demostrado ser fáciles de rasterizar (la superficie descrita por cada triángulo es plana, por lo que la proyección siempre es convexa). [ 12 ] Las representaciones poligonales no se utilizan en todas las técnicas de renderización, y en estos casos el paso de teselación no se incluye en la transición de la representación abstracta a la escena renderizada.

Proceso

Existen cuatro formas populares de representar un modelo:

  • Modelado paramétrico : una estructura de modelado paramétrico basada en características, que se basa en relaciones padre-hijo entre características, lo que permite varios métodos para construir modelos específicos en el contexto de los sistemas CAD mecánicos. [ 13 ]
  • Modelado poligonal : Los puntos en el espacio 3D, llamados vértices , se conectan mediante segmentos de línea para formar una malla poligonal . La gran mayoría de los modelos 3D actuales se construyen como modelos poligonales texturizados debido a su flexibilidad y a la rapidez con la que los ordenadores pueden renderizarlos. Sin embargo, los polígonos son planos y solo pueden aproximar superficies curvas utilizando muchos polígonos.
  • Modelado de curvas : Las superficies se definen mediante curvas, las cuales están influenciadas por puntos de control ponderados. La curva sigue (pero no necesariamente interpola) los puntos. Al aumentar la ponderación de un punto, la curva se acerca a ese punto. Los tipos de curvas incluyen NURBS ( splines racionales no uniformes ), splines, parches y primitivas geométricas .
  • Escultura digital : existen tres tipos de escultura digital: Desplazamiento , que es el más utilizado en aplicaciones actualmente, utiliza un modelo denso (a menudo generado por superficies de subdivisión de una malla de control poligonal) y almacena nuevas ubicaciones para las posiciones de los vértices mediante un mapa de imagen que almacena las ubicaciones ajustadas. Volumétrico , basado libremente en vóxeles , tiene capacidades similares al desplazamiento, pero no sufre de estiramiento de polígonos cuando no hay suficientes polígonos en una región para lograr una deformación. Teselación dinámica , que es similar a vóxel, divide la superficie mediante triangulación para mantener una superficie suave y permitir detalles más finos. Estos métodos permiten la exploración artística, ya que se crea una nueva topología sobre el modelo una vez que se ha esculpido su forma y posiblemente los detalles. La nueva malla generalmente tiene la información de la malla original de alta resolución transferida a datos de desplazamiento o datos de mapa normal si es para un motor de juego.
Un pez fantástico en 3D compuesto por superficies orgánicas generadas con LAI4D.

La etapa de modelado consiste en dar forma a los objetos individuales que posteriormente se utilizarán en la escena. Existen diversas técnicas de modelado, entre las que se incluyen:

El modelado puede realizarse mediante un programa específico (por ejemplo, software de modelado 3D como Adobe Substance , Blender , Cinema 4D , LightWave , Maya , Modo , 3ds Max , SketchUp , Rhinoceros 3D , entre otros), un componente de la aplicación (Shaper, Lofter en 3ds Max) o algún lenguaje de descripción de escenas (como en POV-Ray ). En algunos casos, no existe una distinción estricta entre estas fases; en tales casos, el modelado es simplemente parte del proceso de creación de la escena (este es el caso, por ejemplo, con Caligari trueSpace y Realsoft 3D ).

También se pueden crear modelos 3D mediante la técnica de fotogrametría con programas especializados como RealityCapture , Metashape y 3DF Zephyr . La limpieza y el procesamiento posterior se pueden realizar con aplicaciones como MeshLab , el marco de software GigaMesh , netfabb o MeshMixer. La fotogrametría crea modelos utilizando algoritmos para interpretar la forma y la textura de objetos y entornos del mundo real a partir de fotografías tomadas desde múltiples ángulos del sujeto.

Los materiales complejos, como la arena en suspensión, las nubes y los rocíos líquidos, se modelan con sistemas de partículas y son una masa de coordenadas 3D a las que se les han asignado puntos , polígonos , salpicaduras de textura o sprites .

Software de modelado 3D

Existen diversos programas de modelado 3D que se pueden utilizar en industrias como la ingeniería, el diseño de interiores, el cine y otras. Cada software de modelado 3D posee capacidades específicas y puede utilizarse para satisfacer las necesidades de la industria.

Código G

Muchos programas incluyen opciones de exportación para generar código G , aplicable a maquinaria de fabricación aditiva o sustractiva. El código G (control numérico computarizado) funciona con tecnología automatizada para crear una representación física de modelos 3D. Este código es un conjunto específico de instrucciones para llevar a cabo los pasos de la fabricación de un producto. [ 14 ]

modelos humanos

La primera aplicación comercial de modelos virtuales humanos de amplia difusión apareció en 1998 en el sitio web de Lands' End . Estos modelos, creados por la empresa My Virtual Mode Inc., permitían a los usuarios crear un modelo de sí mismos y probarse ropa en 3D. Actualmente existen varios programas que permiten la creación de modelos virtuales humanos ( Poser es un ejemplo).

Ropa 3D

Modelo de ropa 3D dinámico creado en Marvelous Designer.

El desarrollo de software de simulación de telas como Marvelous Designer, CLO3D y Optitex, ha permitido a artistas y diseñadores de moda modelar ropa 3D dinámica en la computadora. [ 15 ] La ropa 3D dinámica se utiliza para catálogos de moda virtuales, así como para vestir personajes 3D para videojuegos, películas de animación 3D, para dobles digitales en películas, [ 16 ] como herramienta de creación para marcas de moda digitales , así como para hacer ropa para avatares en mundos virtuales como SecondLife .

Comparación con métodos 2D

Los efectos fotorrealistas en 3D a menudo se logran sin modelado alámbrico y, en ocasiones, resultan indistinguibles en el resultado final. Algunos programas de diseño gráfico incluyen filtros que se pueden aplicar a gráficos vectoriales 2D o gráficos rasterizados 2D en capas transparentes.

Las ventajas del modelado 3D de estructura alámbrica sobre los métodos exclusivamente 2D incluyen:

  • Flexibilidad, capacidad para cambiar ángulos o animar imágenes con una representación más rápida de los cambios;
  • Facilidad de renderizado, cálculo automático y renderizado de efectos fotorrealistas en lugar de visualización o estimación mental;
  • Fotorrealismo preciso, menor probabilidad de error humano al colocar mal, exagerar u olvidar incluir un efecto visual.

Las desventajas en comparación con el renderizado fotorrealista en 2D pueden incluir una curva de aprendizaje del software y la dificultad para lograr ciertos efectos fotorrealistas. Algunos efectos fotorrealistas se pueden lograr con filtros de renderizado especiales incluidos en el software de modelado 3D. Para obtener lo mejor de ambos mundos, algunos artistas utilizan una combinación de modelado 3D seguido de la edición de las imágenes renderizadas en 2D a partir del modelo 3D.

mercado de modelos 3D

Existe un amplio mercado para modelos 3D (así como para contenido relacionado, como texturas, scripts, etc.), ya sea para modelos individuales o grandes colecciones. Varias plataformas online de contenido 3D permiten a artistas individuales vender sus creaciones, como TurboSquid , MyMiniFactory , Patreon , Sketchfab , CGTrader y Cults . A menudo, el objetivo de los artistas es obtener un mayor valor de los recursos que han creado previamente para proyectos. De esta forma, los artistas pueden ganar más dinero con su contenido antiguo y las empresas pueden ahorrar comprando modelos prefabricados en lugar de contratar a un empleado para crearlos desde cero. Estas plataformas suelen repartir las ganancias entre la plataforma y el artista, quien recibe entre el 40 % y el 95 % de las ventas, según la plataforma. En la mayoría de los casos, el artista conserva la propiedad del modelo 3D, mientras que el cliente solo adquiere el derecho a usarlo y presentarlo. Algunos artistas venden sus productos directamente en sus propias tiendas, ofreciéndolos a un precio más bajo al eliminar intermediarios.

La industria de la arquitectura, la ingeniería y la construcción (AEC) es el mayor mercado para el modelado 3D, con un valor estimado de 12.130 millones de dólares para 2028. [ 17 ] Esto se debe a la creciente adopción del modelado 3D en la industria AEC, que ayuda a mejorar la precisión del diseño, reducir errores y omisiones y facilitar la colaboración entre las partes interesadas del proyecto. [ 18 ] [ 19 ]

En los últimos años han surgido numerosas plataformas especializadas en renderizado e impresión 3D. Algunas de estas plataformas combinan sitios para compartir modelos, con o sin funcionalidad de comercio electrónico integrada. Otras ofrecen servicios de impresión 3D bajo demanda, software para renderizado de modelos y visualización dinámica de los objetos.

Impresión 3D

El término impresión 3D o impresión tridimensional se refiere a una forma de tecnología de fabricación aditiva en la que se crea un objeto tridimensional a partir de capas sucesivas de material. [ 20 ] Los objetos se pueden crear sin necesidad de moldes complejos y costosos ni del ensamblaje de múltiples piezas. La impresión 3D permite prototipar y probar ideas sin tener que pasar por un proceso de producción más laborioso. [ 20 ] [ 21 ]

Los modelos 3D se pueden comprar en mercados en línea y ser impresos por particulares o empresas utilizando impresoras 3D disponibles comercialmente, lo que permite la producción doméstica de objetos como piezas de repuesto e incluso equipos médicos. [ 22 ] [ 23 ]

Usos

Pasos de la reconstrucción facial forense de una momia realizada en Blender por el diseñador 3D brasileño Cícero Moraes.

El modelado 3D se utiliza en muchas industrias. [ 24 ]

  • La industria médica utiliza modelos detallados de órganos creados a partir de múltiples cortes de imágenes bidimensionales de una resonancia magnética o una tomografía computarizada . [ 25 ] Otros campos científicos pueden utilizar modelos 3D para visualizar y comunicar información, como modelos de compuestos químicos. [ 26 ] También se utiliza para crear modelos específicos para cada paciente. Estos modelos se utilizan para la planificación preoperatoria, el diseño de implantes y las guías quirúrgicas. A menudo se utiliza junto con la impresión 3D para producir modelos anatómicos y plantillas de corte. [ 27 ] [ 28 ]
  • La industria cinematográfica utiliza modelos 3D para personajes y objetos generados por computadora en películas animadas y de acción real . De manera similar, la industria de los videojuegos utiliza modelos 3D como recursos para juegos de computadora y videojuegos . La fuente de la geometría para la forma de un objeto puede ser un diseñador, ingeniero industrial o artista que utiliza un sistema CAD 3D; un objeto existente que ha sido sometido a ingeniería inversa o copiado utilizando un digitalizador o escáner de formas 3D; o datos matemáticos basados ​​en una descripción numérica o cálculo del objeto. [ 20 ]
  • La industria de la arquitectura utiliza modelos 3D para mostrar los edificios y paisajes propuestos en lugar de los modelos arquitectónicos físicos tradicionales . Además, el uso del Nivel de Detalle (LOD) en los modelos 3D está adquiriendo cada vez más importancia en la arquitectura, la ingeniería y la construcción (AEC). El modelado 3D también se utiliza en la volumetría, los flujos de trabajo BIM, la detección de colisiones y la visualización. Esto puede brindar una idea de la intención del diseño a las partes interesadas y se conecta con la fabricación posterior mediante CNC y fabricación aditiva. [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]
  • Los arqueólogos crean modelos 3D de objetos del patrimonio cultural para su investigación y visualización. [ 32 ] [ 33 ] Por ejemplo, el Instituto Internacional de MetaNumismática (INIMEN) estudia las aplicaciones del modelado 3D para la digitalización y preservación de artefactos numismáticos. Además, la fotogrametría y el escaneo láser apoyan la documentación de objetos. Se utilizan para conservar el patrimonio y facilitar el acceso del público. La reconstrucción virtual de objetos permite estudiar artefactos frágiles sin riesgo de dañarlos físicamente y exhibirlos en sitios interactivos o museos. [ 34 ] [ 35 ]
  • En las últimas décadas, la comunidad de ciencias de la tierra ha comenzado a construir modelos geológicos 3D como práctica habitual. El análisis de aguas subterráneas, riesgos y cambios en el uso del suelo se puede identificar mediante el uso de modelos 3D del terreno y del subsuelo para integrar datos de teledetección y de campo. Las herramientas de modelado 3D crean estos modelos con fines de planificación y educativos. [ 36 ]
  • Los modelos 3D también se utilizan para construir representaciones digitales de piezas mecánicas antes de su fabricación. Mediante software CAD/CAM , un ingeniero puede probar la funcionalidad de los conjuntos de piezas y luego usar esos mismos datos para crear trayectorias de herramientas para el mecanizado CNC o la impresión 3D . Esto permite la creación de prototipos digitales y la simulación en líneas de producción, lo que mejora la eficiencia y reduce el desperdicio del proceso. Introduce una mayor integración con gemelos digitales y la definición basada en modelos (MBD), así como con flujos de trabajo aditivos. [ 37 ]
  • El modelado 3D se utiliza en el diseño industrial , donde los productos se modelan en 3D [ 38 ] antes de presentarlos a los clientes.
  • En las industrias de medios y eventos, el modelado 3D se utiliza en el diseño de escenarios y decorados . [ 39 ]
  • En educación, la comprensión conceptual de los estudiantes ha mejorado con la introducción de modelos y animaciones 3D, especialmente en las aulas de STEM. La exposición estructurada al campo del modelado 3D también puede fomentar la creatividad y el razonamiento espacial. [ 40 ] [ 41 ]
  • En el mundo de la moda y la confección, los diseñadores pueden probar las prendas mediante escaneo corporal y simulación para comprobar incluso la caída y el movimiento. Esto reduce el desperdicio y acelera las iteraciones y la creación de prototipos.
  • Los modelos humanoides 3D pueden utilizarse en VTubing . [ 42 ]

Debido a que los ecosistemas de software varían según los dominios, es común diferenciar entre herramientas de creación de contenido digital (DCC) (que consisten en modelado poligonal/de subdivisión, esculpido y rigging), CAD, CAM (que es el modelado paramétrico y sólido para el diseño y la fabricación mecánica), BIM (que es el modelado de información de construcción para AEC) y plataformas específicas de dominio (por ejemplo, médicas o geoespaciales). Las herramientas de código abierto (por ejemplo Blender, FreeCAD, MeshLab, OpenSCAD) coexisten con paquetes comerciales (algunos ejemplos son: Autodesk Maya/3ds Max/Fusion 360, SolidWorks, CATIA, Cinema 4D, ZBrush, Rhino, Houdini, SketchUp, CLO 3D/Marvelous Designer, Revit, Archicad). [ 43 ]

La traducción OWL 2 del vocabulario de X3D se puede utilizar para proporcionar descripciones semánticas para modelos 3D , lo que resulta adecuado para la indexación y recuperación de modelos 3D por características como geometría, dimensiones, material, textura, reflexión difusa, espectros de transmisión, transparencia, reflectividad, opalescencia, vidriados, barnices y esmaltes (a diferencia de las descripciones textuales no estructuradas o los museos y exposiciones virtuales 2.5D que utilizan Google Street View en Google Arts & Culture , por ejemplo). [ 44 ] La representación RDF de modelos 3D se puede utilizar en el razonamiento , lo que permite aplicaciones 3D inteligentes que, por ejemplo, pueden comparar automáticamente dos modelos 3D por volumen. [ 45 ]

En definitiva, estos ejemplos ilustran cómo el modelado 3D es una herramienta de representación de propósito general que crea un puente entre la detección, el análisis, el diseño, la comunicación y la fabricación.

Desafíos y limitaciones

A pesar de la amplia adopción del modelado 3D en diversos ámbitos, existen varias limitaciones que condicionan su utilización. El acceso y el coste siguen siendo un problema en muchas regiones del mundo. En algunas zonas, puede resultar difícil encontrar licencias comerciales, formación y hardware adecuado. Además, puede ser inaccesible para estudiantes y pequeños estudios que no pueden permitírselo. Los ecosistemas de código abierto y los programas escolares pueden contribuir a mitigar este problema, pero la disponibilidad y el soporte son desiguales, lo que genera una brecha de equidad en el acceso al aprendizaje y la aplicación del modelado 3D. [ 46 ] [ 47 ]

La complejidad del flujo de trabajo es otra limitación. Para practicar el modelado 3D de manera efectiva, se requiere conocimiento de muchos aspectos diferentes. Un especialista en modelado 3D necesita comprender la topología, el mapeo UV, el rigging, la simulación y el renderizado para DCC. Para el modelado CAD/CAM, el desarrollador debe conocer las restricciones paramétricas, las tolerancias y las restricciones de fabricación. El esquema de información y la coordinación son necesarios para BIM. Mover activos entre herramientas puede introducir problemas de incompatibilidad (mallas frente a NURBS/sólidos/características paramétricas; escalado de unidades; normales; definiciones de materiales), y las conversiones de formato pueden causar pérdida de datos si no se gestionan cuidadosamente. [ 48 ] [ 49 ]

A gran escala, el consumo de energía puede ser elevado (debido a las simulaciones y renderizados de alta resolución y a los escaneos 3D densos), lo que lleva a los equipos a intentar optimizar la complejidad del diseño y a adoptar procesos más eficientes. En la investigación y el trabajo sobre patrimonio cultural, existe otra limitación en la que las cuestiones éticas y políticas incluyen la procedencia, las licencias y la representación (cuán "autoritativa" debe ser una reconstrucción), especialmente cuando estas reconstrucciones se utilizan para la comunicación pública y con fines educativos. [ 31 ] [ 50 ]

Finalmente, las implementaciones en el aula y en programas de extensión deben tener en cuenta el apoyo pedagógico: los estudiantes necesitan orientación paso a paso, ejemplos claros y modelos a seguir. Sin esto, la complejidad de la herramienta se convertirá en una barrera que ralentizará el aprendizaje de los estudiantes en lugar de permitirles comprender y ser creativos. [ 51 ] [ 52 ]

Sostenibilidad mediante modelado 3D

  • Minimizar la necesidad de prototipos reales : los diseñadores pueden realizar pruebas de usabilidad en etapas tempranas sin crear un prototipo físico utilizando modelos CAD 3D como réplicas virtuales , lo que reduce el desperdicio y el consumo de materiales. [ 53 ]
  • Detección temprana de fallos de diseño : Las pruebas con modelos virtuales pueden ayudar a los diseñadores a detectar problemas ergonómicos o de usabilidad en una fase temprana y reducir la probabilidad de fabricar artículos defectuosos. De este modo, se reduce el desperdicio derivado de prototipos físicos desechados. [ 53 ]
  • Iteración rápida con mínimo impacto ambiental : las modificaciones digitales a los modelos CAD son casi instantáneas en comparación con el reequipamiento o la reconstrucción de prototipos físicos. Esto acelera el ciclo de diseño sin requerir más materiales. [ 53 ]

Simulaciones

En el modelado 3D, las simulaciones son procesos digitales que reproducen el comportamiento de los objetos en el mundo real, en un espacio virtual. Sin necesidad de crear prototipos reales, permiten a diseñadores y animadores probar cómo se mueven, interactúan o reaccionan los objetos ante las fuerzas. Al recrear procesos como colisiones, movimiento de fluidos, drapeado de telas o movimiento de partículas, las simulaciones contribuyen a aumentar la precisión del diseño, mejorar los efectos visuales y ahorrar tiempo y materiales. [ 54 ]

Véase también

Referencias

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