La modellazione 3D (per esteso modellazione tridimensionale), nella computer grafica 3D, è il processo atto a definire una forma tridimensionale in uno spazio virtuale generata su computer; questi oggetti, chiamati modelli 3D vengono realizzati utilizzando particolari programmi software, chiamati modellatori 3D, o più in generale software 3D.
Questo termine viene utilizzato in ambito informatico e si distingue da altri tipi di modellazione tridimensionale, come ad esempio la scultura tradizionale.
Storia
La storia della Computer grafica 3D è naturalmente molto recente, lo stesso termine di grafica computerizzata nasce solo nel 1960.
Una delle prime rappresentazioni tridimensionali su calcolatore è stata quella del famoso "primo uomo" o "Boeing Man" realizzata da William Fetter; un insieme di linee che descrivevano la sagoma virtuale di un pilota di aereo.
A partire dal 1959, la General Motors, in collaborazione con la IBM, sviluppa il sistema "DAC", uno dei primi sistemi CAD; attraverso una penna ottica e uno schermo sensibile, gli operatori disegnavano delle curve matematiche in uno spazio virtuale, con le quali delimitavano i profili, le sezioni e le superfici delle automobili. Della prima metà degli anni sessanta è anche il sistema chiamato "Adage", considerata da molti la prima workstation CAD indipendente.
La nascita della modellazione 3D è dunque avvenuta in ambito industriale, primariamente come supporto alla progettazione. Da allora i campi di utilizzo della modellazione 3D e della grafica tridimensionale si sono enormemente ampliati, uscendo in buona parte dall'ambito tecnico.
Modellazione nella pratica operativa dalla grafica 3D La modellazione 3D può anche essere fine a sé stessa, e in questo caso il modello generato non richiede ulteriori elaborazioni, ma generalmente la modellazione rappresenta il primo passo di una serie di operazioni successive che determineranno l'elaborato finale. Questa prima fase, nella specifica area della Computer grafica 3D, non può mai mancare, e ne rappresenta il presupposto di partenza. Si prenda ad esempio un caso particolare abbastanza complesso: la realizzazione di un"immagine statica fotorealistica di un personaggio 3D". Questa comporta i seguenti passaggi essenziali: Modellazione 3D primariaAnche se la modellazione viene considerata il primo passaggio della grafica 3D, essa presuppone generalmente uno studio preliminare e una serie di elaborati preparatori. Modellazione 3D secondariaLa modellazione secondaria è un tipo di intervento atto a dettagliare maggiormente il modello. Surfacing (definizione dei materiali di superficie) Mappatura (definizione delle coordinate di proiezione) Applicazione delle Texture Inserimento dello scheletro Skinning del modello Definizione della postura del modello Allestimento scenicoL'allestimento di una scenografia 3D, può richiedere anche molti passaggi, a seconda della complessità, alcuni passaggi sono gli stessi del soggetto principale; modellazione, texturing, etc. Illuminazione della scena Rendering della scena Salvataggio dell'immagine in un file grafico Output finale (ad es. stampa su carta) I passaggi 6-8 non sono strettamente necessari se il modello è statico, mentre sono necessari per una animazione.
O un caso relativamente più semplice: "Corpo in alluminio di un mulinello, realizzato con macchina utensile". Modellazione 3D della parte in un modellatore CAD Assemblaggio e verifica della parte nel modello di Assieme Esportazione del modello 3D in un formato macchina compatibile Lavorazione con macchina utensile a controllo numerico dell'oggetto Pulitura, rifinitura Anodizzazione e lucidatura dell'oggetto Assemblaggio nel prodotto finale
Come si nota la realizzazione del modello 3D è posta sempre all'inizio della catena operativa, ed è la base delle successive operazioni.
Campi di impiego della modellazione 3D I sistemi di modellazione vengono impiegati in tutti i campi della Computer grafica 3D, tanto che in taluni casi modellazione 3D e grafica 3D sono sinonimi.
Applicazioni a carattere scientifico o tecnico Scienze matematiche, fisiche e naturali (biologia, fisica, matematica, astronomia etc.) Studio del territorio (Geologia, Sismologia, meteorologia etc.) Scienze storiche (archeologia, paleontologia, paleoantropologia etc.) Scienze applicate Medicina (Forense, ricostruttiva, indagini diagnostiche etc.) Ingegneria civile Ingegneria industriale Architettura Disegno industriale Progettazione di parti meccaniche
Applicazioni artistiche Industria cinematografica e televisiva Videogiochi e applicazioni videoludiche Grafica pubblicitaria Pubblicazioni editoriali Web design Applicazioni multimediali Produzione artistica
Tipologie di modellazione Da un punto di vista tipologico, tutta la modellazione 3D, rientra in due grandi famiglie, ognuna riguardante un ben determinato genere di modelli:
La Modellazione organica - è la tipica modellazione utilizzata per realizzare gli esseri umani o le creature, animali o umanoidi. Viene usata per tutti i soggetti "naturali", come rocce, piante, alberi e per il territorio in generale, in questi casi i modelli sono tanto più riusciti quanto più sono ricchi di particolari. Anche molti oggetti di disegno industriale, che abbiano forme morbide e arrotondate, possono servirsi di una modellazione organica. La Modellazione geometricaA rigore di logica, tutta la modellazione 3D su Computer, è una modellazione geometrica, rispondendo ai medesimi criteri matematici, la suddivisione qui proposta analizza i modelli solo da un punto di vista morfologico, e per le diverse tecniche usate per realizzarli. - è il tipo di modellazione meno recente, viene utilizzata per realizzare oggetti tecnici o meccanici, o comunque per qualsiasi cosa che abbia una natura artificiale, e che non rientri nella categoria precedente. Generalmente la complessità dei modelli realizzati con questo genere di modellazione è molto inferiore, se si guarda all'aspetto esteriore delle singole forme, ma non se si considerano aspetti legati alla precisione e alla corrispondenza delle parti.
Naturalmente uno stesso oggetto può contenere sia modellazione organica che geometrica, oppure può essere formato da un insieme di parti contenenti sia modelli organici che geometrici.
Tecniche di modellazione 3D Si possono dividere in tre categorie principali: Modellazione Procedurale (automatica e semi-automatica) Modellazione Manuale Da dati provenienti da modelli reali (scansione tridimensionale) Che a loro volta possono venire suddivise in tre distinti generi di modellazione: Modellazione Solida - dove l'oggetto risultante è considerato come formato da un volume pieno. Modellazione Volumetrica - determina delle entità generanti una superficie implicita. Modellazione di superfici - l'oggetto in questo caso è determinato dalle sue superfici esterne. In alcuni modellatori un oggetto è considerato formato da superfici finché queste sono aperte, mentre viene riconosciuto come solido una volta che tutte le superfici siano saldate fra di loro e formino un corpo chiuso.
Il seguente elenco esamina le diverse tecniche di Modellazione Manuale. Alcune delle tecniche descritte (come ad es. le superfici patch), essendo abbastanza datate, risultano essere superate e obsolete rispetto a tecniche più recenti e avanzate. Malgrado questo taluni Modellatori 3D, mantengono al loro interno alcuni di questi strumenti come accessori o utilità. Costruzioni di base (solidi e superfici) Primitive - Generalmente ogni pacchetto 3D che non si occupi solo di rendering, contiene al suo interno un set più o meno nutrito di primitive, ossia di oggetti predefiniti (solidi o superfici), direttamente impiegabili; di solito le primitive standard, cioè sempre presenti, sono: il piano, il Cubo/Parallelepipedo, la Sfera, il Cilindro, il Cono/Piramide,La Piramide in questo caso viene considerata come un Cono avente 4 lati per base il Toro, e spesso un altro oggetto più complesso (teiera, scimmia ecc. a seconda del programma utilizzato) Potrà apparire assurdo ai meno informati che si possa inserire tra le primitive di base di un pacchetto 3D una Teiera, si tratta in realtà di un omaggio che spesso viene fatto dai programmatori, alla famosa teiera sviluppata nella università dello Utah da Martin Newell nel 1975..
costruzione per estrusione - è un semplice metodo per realizzare delle forme estruse partendo da un disegno 2d di base o da un poligono piano, e assegnandogli una certa altezza e una direzione di estrusione. costruzione per rivoluzione - più complessa della precedente costruzione, una rivoluzione si può considerare come una estrusione attorno a un asse, si parte sempre da un profilo o da un poligono di base, e invece della profondità viene assegnato un angolo di rivoluzione.
Superfici patch La modellazione per patch è uno dei sistemi meno recenti utilizzati in grafica 3D, e nel corso del tempo si è molto evoluta sviluppando una serie di nuove tecniche. Nella sua forma più semplice determina delle superfici parametriche generate da quattro o più curve adiacenti che formino un perimetro chiuso. Superficie di Coons - determina una patch interpolata tra solo quattro curve di bordo, aventi i vertici in comune, il primo algoritmo di questa classe di superfici fu sviluppata da Steven A. Coons nel 1967.CAD Tutor 3D. Corso interattivo di Autocad 3D. Di Claudio Gasparini, 2005, Gasparini Editore, ISBN 88-89740-00-0 pag. 52 Patch di Bézier - è una superficie parametrica controllabile localmente mediante una griglia di punti di controllo, congiungendo assieme più patch di Bézier si ottengono superfici più complesse chiamate superfici spline, in questo caso i punti di controllo si trovano all'intersezione tra le varie patch. Modellazione Spline (superfici) La modellazione spline utilizza la tecnica del patching, precedentemente descritta, e le curve spline. Fondamentalmente un modello realizzato mediante questo sistema è formato da una gabbia di curve spline, intersecanti e collegate tra loro. Gli spazi compresi fra tre o quattro curve spline unite nei loro punti di controllo, vengono poi riempiti da patch.LightWave 3D Guida completa, Dan Ablan, 1998 - APOGEO ISBN 88-7303-399-7 pag. 156-159 Tale sistema si presta soprattutto a realizzare modelli organici.
Costruzioni Avanzate (solidi e superfici) Le costruzioni avanzate utilizzano lo stesso concetto alla base dell'estrusione e della rivoluzione semplice, ma vi aggiungono dei controlli molto più sofisticati. Sweep Estrusione lungo un percorso. Viene sempre usato un profilo o un poligono di base, come nell'estrusione semplice, a cui viene associato un percorso che può essere una curva o delle linee spezzate. Loft La forma dell'oggetto è data dalla superficie di unione di una serie di profili disposti lungo un determinato percorso, con possibilità di controllo della superficie attraverso curve guida, in cui i profili costituiscono delle sezioni dell'oggetto risultante. Rivoluzione su binario Sistema ibrido tra una rivoluzione e una sweep, si parte sempre da un profilo e da un asse di rivoluzione, ma vi si aggiunge anche un percorso di base (chiamato anche binarioGuida in linea di Rhinoceros Versione 4.0 SR2, 17 ottobre 2007, Valutazione), che il profilo dovrà seguire durante la rivoluzione.
Questo genere di costruzioni, nel corso degli anni sono state dotate in realtà di molti tipi di controllo, si sono aggiunte linee guida supplementari, controlli del tipo di torsione, definizioni di tangenze etc. Questi sistemi di modellazione, per il loro alto grado di precisione, vengono impiegati per lo più per definire oggetti tecnici o di design industriale.
Modellazione poligonale Si tratta di tecniche basilari nell'ambito della grafica 3D.