Het ontwikkelen van een in full colour 3D geprint prototype aan de hand van 3D-modelling en UV-mapping

FASE 1: ONTWIKKELING VAN EEN VIRTUEEL PROTOTYPE

Alles start met het in drie dimensies opbouwen, modelleren genoemd, van het object in een 3D-software. 

3D-Software

Het in drie dimensies opbouwen van een prototype gebeurt met gespecialiseerde software. Er zijn heel wat computerprogramma’s waarin gemodelleerd kan worden met elk hun specifieke toepassingen. Globaal wordt een onderscheid gemaakt tussen software voor CAD-modelling (Computer-Aided Design) enerzijds en polygonaal modelleren anderzijds. Beide technieken worden gebruikt voor het creëren van 3D-modellen, maar ze verschillen in aanpak, toepassingen en kenmerken.

CAD-modelling richt zich op het nauwkeurig en exact definiëren van objecten met behulp van wiskundige curves en oppervlakken. Het legt de nadruk op precisie, metingen en real-world dimensies en wordt veel gebruikt in engineering, architectuur, industriële vormgeving, prototypes en mechanische onderdelen. Bekende software voor parametrisch modelleren zijn o.a. Fusion 360, FreeCAD, TinkerCAD en Inventor.

Polygonaal modelleren houdt in dat 3D-objecten worden opgebouwd uit polygonen, meestal vierhoeken. Polygonale modellering is meer intuïtief en artistiek gedreven. Het wordt veel gebruikt in animatie, gaming, visuele effecten en digitale kunst. Bekende software voor polygonaal  modelleren zijn o.a. Blender, Maya, 3DS Max en Cinema4D.

De kunst van het 3D-modelleren

Het vergt als 3D-artiest heel wat training om de vele tools en modelleertechnieken onder de knie te krijgen. De complexiteit van het modelleren ligt vooral in het feit dat er meerdere manieren van modelleren mogelijk zijn. Hier een keuze uit maken vereist de nodige expertise, een dosis passie én veel doorzettingsvermogen.

Goed observeren, het juiste referentiemateriaal verzamelen én probleemoplossend denken zijn essentieel om tot een goed 3D-model te komen.

• Observatie

Bij aanvang van een project is het essentieel om grondig te bestuderen hoe het te realiseren prototype er moet uitzien. Geen enkel detail mag over het hoofd worden gezien. Deze observatie gaat samen met het in drie dimensies denken.

Bij een grondige observatie blijft geen vraag onbeantwoord:

• Uit welk materiaal is het gemaakt (hout, metaal,…)?
• Hoe is het oppervlak (ruw, zacht, blinkend, …)?
• Bestaat het object uit één geheel of is het gemaakt uit verschillende onderdelen?
• Heeft het prototype een organische vorm of heeft het scherpe hoeken?
• Hoe sluiten de onderdelen bij elkaar aan?
• Is het symmetrisch?

Leren observeren leidt tot betere resultaten en professionalisme!

• Referentiemateriaal

Om een object zo nauwkeurig mogelijk te modelleren, is correct referentiemateriaal essentieel. In zijn meest eenvoudige vorm kan vertrokken worden van schetsen of foto’s. Meestal worden hiervoor een vooraanzicht, zijaanzicht en bovenaanzicht gebruikt. Deze aanzichten kunnen in de 3D-software in de 3D-ruimte geplaatst worden en vormen zo de referentie waarnaar gemodelleerd wordt.

Daarnaast is het ook mogelijk om vectoriele  tekeningen, bijvoorbeeld uit Adobe Illustrator, als SVG-bestand in een 3D-software te importeren. Deze 3D-tekeningen kunnen vrij eenvoudig omgezet worden naar 3D-vormen door o.a. een extrusion-tool.

• Probleemoplossend denken

Digitaal modelleren bestaat voor een groot deel uit het oplossen van visuele problemen en het bedenken van de juiste strategie om tot een mooi afgewerkt object te komen. Ervaren 3D-artiesten analyseren het modelleerproces heel gedetailleerd en denken zo verschillende stappen vooruit. Het uitvoeren van een bepaalde tool kan immers tot gevolg hebben dat daarna andere bewerkingen veel moeilijker of niet meer mogelijk zijn. Door een aantal stappen vooruit te denken en de juiste tools en technieken toe te passen, vermijd je vast te lopen.

Gelukkig is het in een software zoals Blender ondertussen mogelijk om deels op een non-destructieve manier te modelleren. Dit houdt in dat functies en tools kunnen toegepast worden, maar in een later stadium, of wanneer nodig, terug aangepast of uitgeschakeld kunnen worden.

• 3D-topologie

In dit modelleerproces is ook topologie belangrijk. 3D-topologie verwijst naar de manier waarop de geometrische structuur van een 3D-model is opgebouwd. Het is de organisatie en rangschikking van de punten, lijnen en vlakken (polygonen) die samen het oppervlak van een 3D-object vormen.

Een object met een correcte topologie bevat net voldoende polygonen om de vorm van het object accuraat weer te geven.

Een goede topologie bestaat uit vierhoekige polygonen die een structuur van horizontale en verticale lijnen vormen, ook polygonflow genoemd.

Objecten die tot stand komen via scanning of gemodelleerd zijn met de sculpting techniek, zijn meestal uit driehoeken opgebouwd. Voor verdere bewerking is het dan mogelijk om via een tool zoals retopology deze driehoeken om te zetten in vierhoeken.

Modelleertechnieken

Binnen een 3D-software zijn verschillende modelleertechnieken mogelijk. Elke modelleertechniek heeft zijn specifieke werkwijze en wordt meestal gekozen in functie van de aard van de te modelleren vorm.  Deze technieken kunnen ook onderling gecombineerd worden.

Enkele veel voorkomende technieken zijn:

• Box modelling

Box modelling is een modelleertechniek waarbij een model wordt opgebouwd vanuit een eenvoudige geometrische vorm, meestal een kubus, piramide of cilinder en vervolgens wordt verfijnd door het toevoegen van detail, vorm en complexiteit. Deze techniek biedt het voordeel dat je onmiddellijk driedimensionaal kan tewerk gaan.

• Polygon modelling 

Polygonaal modelleren is een methode voor het maken van 3D-modellen waarbij gebruik wordt gemaakt van polygonen , meestal vierhoeken, om de vorm van het object te definiëren. Deze polygonen vormen de basisstructuur van het model. De vertices (punten) van de polygonen fungeren als controlepunten die kunnen worden verplaatst, verbonden of toegevoegd om de vorm van het object aan te passen. Door deze punten te manipuleren, kan de 3D-artiest de structuur en vorm van het model wijzigen. De precisie en de controle die het biedt over de vorm en structuur van objecten, maken het een populaire keuze voor veel 3D-artiesten en ontwikkelaars.

• CAD modelling (parametrisch)

CAD (Computer-Aided Design) modelling, ofwel computergestuurd ontwerp, verwijst naar het proces van het creëren, visualiseren en modificeren van technische tekeningen en 3D-modellen.

Een belangrijk kenmerk van CAD is het parametrisch ontwerpen. Het model wordt gecreëerd op basis van exacte afmetingen. Cijfermatig kunnen parameters ingegeven worden die zo de vorm bepalen.

• Digital 3D sculpting

3D-sculpting is een methode voor het maken van 3D-modellen waarbij digitale sculptuurtechnieken worden toegepast om organische vormen en details te creëren, vergelijkbaar met het handmatig boetseren van klei of een ander materiaal in de echte wereld. Het stelt kunstenaars en 3D-ontwerpers in staat om rechtstreeks aan de oppervlakte van een 3D-model te werken om gedetailleerde en complexe vormen te maken. Populaire software voor 3D-sculpting zijn o.a. ZBrush, Mudbox  en Blender (met sculpting tools).

Voor het weergeven van een mooie houtstructuur kan bijvoorbeeld gebruik gemaakt worden van deze drie maps:

• Colour map (ook diffuse map genoemd)

De colour map fungeert als een 'huid' voor een 3D-model, waarbij de kleuren en details worden toegepast op het oppervlak van het object. Deze map kan informatie bevatten zoals basiskleuren, patronen, slijtage, stof, vuil en andere visuele kenmerken die nodig zijn om het object realistischer en gedetailleerder te maken.

• Displacement map

Een displacement map is een textuurmap die wordt gebruikt om details en reliëf toe te voegen aan een 3D-model. In tegenstelling tot een normale (colour) texture map, die alleen de oppervlaktekleuren en -details bevat, werkt een displacement map op een andere manier.

Een displacement map slaat hoogte- of diepte-informatie op in grijstinten, waarbij elke tint correspondeert met een specifieke hoogte of diepte van het oppervlak van een 3D-model. Deze map wordt gebruikt om het oppervlak van het model te vervormen, waarbij het reliëf wordt gegenereerd op basis van de grijswaardeninformatie. Lichtere tinten duwen het oppervlak omhoog, terwijl donkere tinten het oppervlak naar binnen trekken.

• Roughness map

Een roughness map is een type textuurmap die wordt gebruikt om de mate van ruwheid of gladheid van oppervlakken van 3D-modellen te definiëren.

In een roughness map worden verschillende grijstinten of kleurwaarden gebruikt om aan te geven hoe reflecterend of glad een oppervlak is. Lichtere tinten of waarden op de roughness map geven doorgaans een gladder oppervlak weer, terwijl donkerdere tinten of waarden duiden op ruwheid aanduiden.

Het materiaal, bestaande uit de verschillende maps, moet in een volgende fase op de correcte plaats op het object aangebracht worden. Dit brengt ons bij het UV-mappen.

UV-mapping

UV-mapping is een proces waarbij een tweedimensionale textuur wordt toegewezen aan het oppervlak van een driedimensionaal object.

Het 3D-model wordt ‘ontvouwd’ in twee dimensies, vergelijkbaar met het uit elkaar halen van een driedimensionaal object, zodat het plat op een oppervlak kan liggen. Dit proces wordt 'UV-unwrapping' genoemd. Tijdens dit proces worden de randen van het 3D-object gesneden en uitgestrekt om een platte 'UV-map' te creëren, die overeenkomt met het oppervlak van het object.

Tijdens het unwrappen van het 3D-model worden UV-coördinaten toegewezen aan de oppervlaktepunten van het model. Deze coördinaten corresponderen met de punten op de platte UV-map en geven aan waar elk deel van het model zich bevindt in de textuurruimte. Elk punt op het oppervlak van het 3D-model krijgt dus specifieke UV-coördinaten toegewezen, die corresponderen met punten op de UV-map.

Texture Painting

Texture painting is een directe en intuïtieve manier om textuurinformatie toe te voegen aan 3D-modellen zonder dat het nodig is om aparte texturen in een 2D-beeldbewerkingsprogramma te maken en toe te passen.

Het is een proces waarbij direct op een 3D-model geschilderd wordt om zo texturen, kleuren en details toe te voegen of te wijzigen.

Bij het texture painten kan gebruik gemaakt worden van specifieke penselen, kleuren en tools.  Zo kunnen details zoals kleur, patronen, verouderingseffecten, schaduwen, highlights en andere visuele elementen toegevoegd worden. Enkele voorbeelden van texture painting zijn:

Tot slot bestaat ook, naast het rechtstreeks tekenen op het object, de mogelijkheid om extra detail op de UV-map aan te brengen via een tekenprogramma zoals Adobe Photoshop en daarna gericht de plaats te definiëren. Hieronder enkele voorbeelden: