關(guān)于3D打印多邊形建模相關(guān)

魔猴君  知識堂   14天前

多邊形在3D建模中起著至關(guān)重要的作用，因為它們可以非常精確地設(shè)計復雜的物體。通過組裝簡單的幾何形狀，可以創(chuàng)建各種三維模型，特別適合3D打印。但多邊形實際上是如何工作的呢？它們在3D建模中如何使用？它們對3D打印過程有何影響？本指南為您提供這些問題的明確答案。

多邊形是用于構(gòu)建3D網(wǎng)格（即晶格結(jié)構(gòu)）的二維平面。它們由位于三維空間中的點（稱為頂點）定義，并通過邊相互連接以創(chuàng)建所需的形狀。三個頂點連接起來就形成三角形，這是最簡單、最常用的多邊形。也可以使用其他形狀，例如四邊形，只要它們至少有三個頂點即可。通過組裝多個這樣的表面，我們得到了一個三維物體，由于頂點和邊的交織，其外觀讓人聯(lián)想到網(wǎng)格。因此，每個多邊形形成由至少三個頂點組成的封閉曲面。具有四條以上邊的多邊形（稱為n邊形）通常在3D建模中避免使用，因為它們會帶來兼容性和渲染問題。

照片來源：CGI家具。

多邊形的各個部分

多邊形的每個部分在其結(jié)構(gòu)中都有特定的作用。例如，頂點是兩條邊相交的點。當移動頂點時，與其相連的邊也會移動，從而改變多邊形的形狀。另一方面，邊是3D建模軟件中連接兩個頂點的線。它們充當頂點之間的連接并有助于定義多邊形的整體幾何形狀。因此，任何邊緣的修改都會影響整個結(jié)構(gòu)。

當多個邊相交形成一個平坦、封閉的區(qū)域時，就會產(chǎn)生表面或面。如果面被移動或變形，這也會導致組成它的頂點和邊發(fā)生變化，因為這些元素決定了它的形狀。總之，在多邊形中，所有部分都是相互依賴的：修改單個元素（頂點、邊或面）會直接影響3D模型的完整幾何形狀。

照片來源：科洛尼亞大學。

多邊形建模技術(shù)

主要的多邊形建模技術(shù)包括擠壓、細分和斜切。擠壓涉及選擇網(wǎng)格的一部分（通常是一個面或邊），然后將其向外或向內(nèi)拉伸。此操作允許擴展初始形狀，同時保持與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的連接。這是增加體積和構(gòu)建復雜形狀的基本方法。另一方面，細分用于通過將模型面劃分為更小的部分來細化模型。這涉及添加新的頂點、邊和面，從而增加網(wǎng)格密度并產(chǎn)生更平滑、更詳細的表面。該技術(shù)通常用于提高3D模型的真實感。

最后，使用斜面來軟化物體的鋒利邊緣。3D模型通常具有非常尖銳的角度，看起來很不自然；斜面使這些邊緣圓潤，從而產(chǎn)生更平滑、更自然的過渡。然而，這種技術(shù)必須謹慎使用，因為管理不善的斜面可能會改變拓撲結(jié)構(gòu)并導致網(wǎng)格結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題。

多邊形密度的差異

在3D建模中，我們一般區(qū)分兩種類型的模型：高多邊形模型和低多邊形模型。高多邊形模型的特點是細節(jié)水平非常高，并且包含大量多邊形。這些模型并不總是通過經(jīng)典的多邊形建模創(chuàng)建的；它們通常使用基于體素的技術(shù)生成。體素是二維像素的三維等價物，是存儲有關(guān)形狀和物質(zhì)的基本信息的體積單位。體素技術(shù)允許實時創(chuàng)建3D對象，然后可以使用自動算法將其轉(zhuǎn)換為多邊形網(wǎng)格。該過程允許極其詳細的模型，但由于其復雜性，這些模型通常需要大量的存儲容量。

相反，低多邊形模型的特點是多邊形數(shù)量減少。它們廣泛應(yīng)用于計算機圖形、視頻游戲和動畫，這些領(lǐng)域性能和顯示速度至關(guān)重要。這些模型旨在保留物體的一般形狀和結(jié)構(gòu)，同時最大限度地降低其幾何復雜性。在這種背景下，重新拓撲的概念尤為重要。它是使用專門的工具將高多邊形模型轉(zhuǎn)換為低多邊形模型的過程。目標是簡化網(wǎng)格拓撲，同時保留對象的視覺外觀。然后，復雜的細節(jié)不是通過幾何體來渲染，而是通過使用紋理和浮雕圖來渲染，這樣可以實現(xiàn)逼真的渲染而不會占用過多的資源。

照片來源：3DCoat。

多邊形的優(yōu)點和缺點

了解多邊形的工作原理可以使3D建模變得更加容易。它們的結(jié)構(gòu)簡單，易于操作和組裝，從而加快了創(chuàng)作過程。多邊形的主要優(yōu)點之一是它們與紋理映射的兼容性，這使得您可以修改表面的外觀而不改變其幾何形狀。此外，它們通?？梢詥为殹⒚鎸γ娴亟?，從而簡化了建模者的工作。從技術(shù)上講，由于多邊形由直線段組成，因此您可以設(shè)計各種尺寸的表面并創(chuàng)建靈活而復雜的形狀。

但這種方法也存在一些局限性。創(chuàng)建高度詳細的模型通常需要數(shù)千甚至數(shù)百萬個多邊形，這大大增加了文件大小和計算要求。此外，某些特定技術(shù)（例如Paint FX）與多邊形不兼容，因為它們需要多邊形本身無法提供的細節(jié)級別。此外，建模非常有機的形狀可能很困難，因為多邊形的直邊限制了曲線的平滑度。要模擬曲線，您需要增加小直邊，這會增加精度，但也會增加文件的大小和復雜性。

這些球體顯示了細節(jié)級別如何影響模型：當多邊形數(shù)量為2048、512和128時，隨著多邊形數(shù)量的增加，模型會變得更加平滑和詳細，而多邊形數(shù)量較少則會導致模型精度降低。

（圖片來源：科隆大學）

多邊形建模在3D打印中的重要性

3D模型中多邊形的數(shù)量和排列直接影響打印質(zhì)量和處理時間。多邊形密度非常高的模型通常更難管理，并且需要更多的計算能力，這會顯著增加處理時間。相反，過于簡化的模型，多邊形數(shù)量不足，可能會缺乏細節(jié)，無法滿足美學或技術(shù)要求。因此，必須通過減少多邊形的數(shù)量同時保留模型的基本元素來優(yōu)化網(wǎng)格。這種優(yōu)化可以在視覺精度和處理效率之間實現(xiàn)公平的平衡。均衡的模型不僅可以保證打印質(zhì)量，還可以保證在合理的時間范圍內(nèi)進行處理。

除了多邊形的簡單數(shù)量之外，它們的方向也起著至關(guān)重要的作用。每個多邊形都有一個內(nèi)面和一個外面，錯位會導致3D打印過程中出現(xiàn)錯誤。為了避免這些問題，強烈建議在任何生產(chǎn)發(fā)布之前仔細檢查多邊形方向和模型數(shù)據(jù)的一致性。

可用程序

您可能已經(jīng)注意到，多邊形建模可能非常耗時。幸運的是，有許多軟件程序旨在簡化這一過程。其中，基于體素技術(shù)的Adobe Substance 3D Modeler因其強大功能和創(chuàng)建詳細3D模型的能力而脫穎而出，同時集成了面向多邊形建模的功能。另一個解決方案是Polygonica：這個專門處理多邊形網(wǎng)格的軟件工具箱擅長優(yōu)化和管理復雜的3D模型。另一方面，F(xiàn)iguro是用于建模和優(yōu)化3D打印網(wǎng)格的有效工具，有助于加快文件準備速度。更通用的軟件，如Maya、Blender或3ds Max也提供強大的多邊形建模功能。尤其是Maya，經(jīng)常被用作學習這種技術(shù)的切入點。

編譯整理：3dnatives