概要
3D模型無處不在。我們見到的每個(gè)實(shí)物都有自己的3D模型，并廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。在本指南中，我們將介紹主流的3D建模方法，包括如何從頭開始設(shè)計(jì)模型，到如何用三維掃描儀完成數(shù)字化
方式
參數(shù)化建模、多邊形建模、數(shù)字雕塑、三維掃描、攝影測(cè)量
軟件
Blender, Autodesk Maya, ZBrush,
SOLIDWORKS, Artec Studio
模型平臺(tái)
Sketchfab, Turbosquid, CGTrader, Quixel
簡(jiǎn)介
你是否想過自己周圍有多少3D模型？現(xiàn)在開始，你將用一種全新的眼光看世界。電視、電影、動(dòng)畫片、商業(yè)廣告、視頻游戲、社交媒體、移動(dòng)應(yīng)用程序、VR等等，都有3D模型。那手里拿著的杯子、桌上的筆、駕駛的汽車、坐著的椅子呢？很多你能想象得到的物體，曾幾何時(shí)，也只是個(gè)3D模型。
那這些模型是怎么制成的呢？
本文將介紹3D建模的基礎(chǔ)知識(shí)，了解創(chuàng)建3D模型主流的方式，即從CAD和多邊形建模到三維掃描。我們還將討論常見的建模軟件，并就“何時(shí)從無到有設(shè)計(jì)模型，何時(shí)使用三維掃描儀”談?wù)勑牡皿w會(huì)。
我們開始吧！但開始之前，先解釋一個(gè)問題…
什么是3D模型？
建模軟件中機(jī)械部件的3D模型
在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，3D模型是在專用軟件中為某個(gè)表面或物體創(chuàng)建的數(shù)字形象。三維空間中的一系列點(diǎn)，由各種幾何體連接（如三角形、線、弧面等），以此來代表一個(gè)物理實(shí)體。有些情況下，3D模型可以體現(xiàn)物體的大小、形狀和紋理。而構(gòu)建這種形象的過程即為3D建模。
3D模型的用途和使用方式
3D模型是許多創(chuàng)意型職業(yè)的一部分。3D模型是工程師和設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)流程的一部分，用于新品研發(fā)或產(chǎn)品改造。建筑師將3D模型用于建筑物、景觀和室內(nèi)的視覺展示，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)建筑模型，也能作為有益補(bǔ)充。
游戲設(shè)計(jì)師廣泛采用3D建模法，為游戲機(jī)游戲、電腦游戲和移動(dòng)游戲制作3D資產(chǎn)和角色。
奧地利演員Peter Simonischek查看自己栩栩如生的半身像，三維掃描后制作而成
電影制作者將3D模型用于角色特效，也能為動(dòng)畫和真人動(dòng)畫制作各類物體。
醫(yī)療行業(yè)也借助3D模型完成身體解剖結(jié)構(gòu)數(shù)字化，定制醫(yī)療解決方案，如假體、矯形器、種植牙，展示整形手術(shù)效果等等。
使用三維掃描儀修復(fù)霸王龍足部
科教部門的應(yīng)用方式同樣多種多樣，包括遺跡與文物保護(hù)、化合物可視模型、地質(zhì)模型等等。
3D建模的兩種主要方式
雖然3D建模的方法有很多，但主要可以歸為兩種：在3D建模軟件中構(gòu)建模型，或?qū)F(xiàn)實(shí)世界中的某個(gè)物體，通過三維掃描儀制作成數(shù)字模型。下面，我們來分析一下兩種方式各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為你找到合適的方式。
方式一：3D建模
工業(yè)設(shè)計(jì)師正在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品原型
創(chuàng)建3D模型的第一種方法是使用專門的3D建模軟件從零開始。各行各業(yè)的專業(yè)人士都在廣泛使用這種方式，包括工程師、工業(yè)設(shè)計(jì)師、建筑師、CGI藝術(shù)家等等。
要點(diǎn):
如果你要設(shè)計(jì)全新產(chǎn)品，沒有實(shí)物參照，那么3D建模不僅可以讓你放飛想象力，還能把創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
這種方法的偉大之處在于，你可以設(shè)計(jì)一些還不存在的物體，絕對(duì)獨(dú)一無二，比如汽車新部件或者視頻游戲中的奇幻生物；當(dāng)然也適合已經(jīng)存在但無法掃描的東西。
例如，如果你需要一個(gè)世界著名建筑物的模型，但是它距離你的所在地非常遙遠(yuǎn)，那么借助照片和視頻資料，從零開始創(chuàng)建一個(gè)3D模型更劃算，你不用親自前往，再安排三維掃描了（而且如果是歷史建筑，掃描起來可不簡(jiǎn)單！），這可能會(huì)更容易，而且成本效益更高。又或者，你需要設(shè)計(jì)一些還沒有被創(chuàng)造出來的新物體，那么3D建模可以讓你放飛想象力，并將其變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
有多種不同的3D建模技術(shù)和建模軟件，支持從零開始設(shè)計(jì)模型。這取決于你想要?jiǎng)?chuàng)建何種對(duì)象，以及預(yù)期應(yīng)用是什么。
參數(shù)化建模
在 CAD軟件中設(shè)計(jì)3D模型
工程師和設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)全新零件和組件的真實(shí)計(jì)算機(jī)模型時(shí)，參數(shù)化3D建模或CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）是首選方法。我們?nèi)粘＝佑|的幾乎所有現(xiàn)代產(chǎn)品都是用三維CAD建模法設(shè)計(jì)的。
通過這種方法，設(shè)計(jì)師創(chuàng)建的3D模型所有參數(shù)，可以和實(shí)物完全相同：材料、重量、尺寸、光學(xué)參數(shù)、物理參數(shù)等等。這些模型隨后可以進(jìn)行3D打印或數(shù)控加工，也可以用來運(yùn)行復(fù)雜的模擬。例如，你可以設(shè)計(jì)組件，看它們是否相匹配，測(cè)試壓力下的反應(yīng)，監(jiān)測(cè)液體如何穿過它們，通過模擬評(píng)估制造方式等等。
多邊形建模
汽車的多邊形網(wǎng)格模型
你所見過或玩過的幾乎所有視頻游戲或科幻電影，都離不開這項(xiàng)技術(shù)。多邊形模型是由多邊形組成的：平面、二維幾何、三角形或四邊形，藝術(shù)家通過改變這些多邊形來構(gòu)建3D網(wǎng)格。與CAD建模不同，這種技術(shù)更多以概念為導(dǎo)向，而非測(cè)量。動(dòng)畫和視頻游戲工作室使用多邊形建模完成很多設(shè)計(jì)，從電影和游戲人物到各種三維資產(chǎn)，如武器、盔甲、車輛和整個(gè)虛擬世界。
數(shù)字雕塑
這種方法也被3D藝術(shù)家用于游戲和動(dòng)畫電影中，適合創(chuàng)建形狀自然且線條圓潤的超現(xiàn)實(shí)物體。該方法也被用于創(chuàng)建設(shè)計(jì)、草圖和3D打印的原型模型。這一過程和用粘土或石頭等真實(shí)材料進(jìn)行雕刻非常相似。使用類似刷子的雕刻工具，你可以處理物體的多邊形網(wǎng)格，推、拉、扭轉(zhuǎn)各幾何部分，也能增加額外的幾何來模仿自然結(jié)構(gòu)。與多邊形建模相比，數(shù)字雕塑需要更多的藝術(shù)技巧，而且需要格外仔細(xì)，也更耗時(shí)。所以在多數(shù)情況下，這些方法會(huì)同時(shí)使用：首先對(duì)物體進(jìn)行建模，然后發(fā)送給三維雕塑家進(jìn)行細(xì)節(jié)處理，完成形最終造型。
在數(shù)字雕塑軟件中設(shè)計(jì)電視節(jié)目形象
無論使用何種方法，選對(duì)合適的建模軟件都很重要，這些軟件必須包含所有必要的工具，才能讓你完成3D建模。
適合新手的3D建模軟件
如果你剛?cè)胄校趯ふ?D建模軟件，我們這里有幾款推薦。
首先嘗試一下Blender。這款軟件不僅免費(fèi)，而且還有很多教程以及一個(gè)強(qiáng)大的社區(qū)，是適合初學(xué)者的完美軟件。開源3D計(jì)算機(jī)圖形軟件適用范圍廣泛，包括視覺特效、3D模型打印、交互式應(yīng)用、視頻游戲等等。
對(duì)于專業(yè)人員和高階用戶來說，如果一款軟件能為每一步后期處理提供相應(yīng)操作工具，那就是一款優(yōu)秀軟件。不妨試試Autodesk Maya，也被稱為Maya。這款軟件支持用戶界面自定義設(shè)置，成為了視頻游戲開發(fā)、3D建模、3D動(dòng)畫行業(yè)的選擇。決定付費(fèi)使用前，可試用一個(gè)月。
Zbrush中的3D模型龍
另外，還可以嘗試3ds Max，同樣可以試用一個(gè)月。這款軟件專門用于角色建模、動(dòng)畫和物品超現(xiàn)實(shí)渲染，這款軟件速度快，操作方便。
如果你需要數(shù)字雕塑的軟件，可以嘗試ZBrush。ZBrush能處理大量多邊形構(gòu)成的高聚合模型，并因此著稱，配合Artec Studio使用時(shí)，效果佳。其他類似軟件包括3D-Coat或Autodesk Mudbox。
如果你需要CAD建模軟件，可以考慮SOLIDWORKS，這是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別的機(jī)械設(shè)計(jì)軟件。工程師和設(shè)計(jì)師將SOLIDWORKS用于零件和裝配建模，具有模擬功能和繪圖、裝配工具。其他推薦的CAD軟件有AutoCAD、Fusion 360或Rhinoceros。
許多工作室也在使用這些軟件，如你打算創(chuàng)建3D模型，那么一定會(huì)與其中至少一款打交道。
使用結(jié)構(gòu)光三維掃描儀為內(nèi)燃機(jī)曲軸進(jìn)行三維掃描
創(chuàng)建3D模型的第二種方法是掃描。CAD或多邊形建模支持從頭設(shè)計(jì)，但三維掃描有所不同，你可以為現(xiàn)實(shí)生活中的物體、人、環(huán)境制作精確的數(shù)字副本。這種方法可以獨(dú)立使用，但更多的時(shí)候可以作為已有建模工藝的補(bǔ)充，將掃描結(jié)果導(dǎo)出至CAD軟件，進(jìn)行改造設(shè)計(jì)或檢查，也可以導(dǎo)出至多邊形建模或雕塑軟件進(jìn)行進(jìn)一步潤色修改。
要點(diǎn):
多邊形建模支持從頭開始設(shè)計(jì)模型，但三維掃描不同，你可以根據(jù)真實(shí)物體、人、環(huán)境制作精確的副本。該方法可以獨(dú)立使用，也可以融入其他建模工藝。
三維掃描采用的技術(shù)不同，掃描過程也有有所不同。常見產(chǎn)品類型包括結(jié)構(gòu)光三維掃描儀、激光三角測(cè)量掃描儀、時(shí)差測(cè)距激光掃描儀等等。現(xiàn)在的一些智能手機(jī)和平板電腦也可以作為掃描儀使用，這要?dú)w功于內(nèi)置或附加的傳感器，設(shè)備才能感知三維世界。但無論使用何種技術(shù)，三維掃描儀的最終效果都是一樣的，即生成真實(shí)物體的三維模型，可用于從CAD到逆向工程、質(zhì)量檢測(cè)到遺產(chǎn)保護(hù)、CGI等多種場(chǎng)景。
下面我們介紹幾個(gè)三維掃描與傳統(tǒng)3D建模結(jié)合使用的案例。
三維掃描與CAD
精確采集物體幾何信息是三維掃描的用途之一，并用于分析、逆向工程，或檢查是否存在缺陷、是否與原始CAD模型或草圖存在偏差。如果找不到某個(gè)產(chǎn)品的三維或平面CAD文件，這一方法就特別有用。你無需花幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間，從頭開始建模，只要掃描一下，幾分鐘后，就會(huì)顯示在屏幕上。和傳統(tǒng)建模、接觸式測(cè)量法（如CMM）相比，這一方式不僅更快，而且更精準(zhǔn)。
三維掃描儀搭配旋轉(zhuǎn)臺(tái)，掃描機(jī)械部件用于逆向工程
除了三維復(fù)制能力，三維掃描儀還支持定制化解決方案，傳統(tǒng)建模是不可能實(shí)現(xiàn)的。例如，醫(yī)生和醫(yī)療專業(yè)人員使用三維掃描，為病人設(shè)計(jì)貼合身材的解決方案，如根據(jù)病人的脊柱掃描定制輪椅、定制鞋底或定制假肢。
三維掃描與多邊形建模與雕塑
如需追求高的逼真度，三維掃描儀也是一款常用工具，這點(diǎn)多邊形建模或雕塑法有時(shí)無法實(shí)現(xiàn)。許多體育游戲工作室使用三維掃描儀掃描知名運(yùn)動(dòng)員的臉部，使3D形象看起來更逼真。電影公司也會(huì)使用三維掃描儀，來設(shè)計(jì)超現(xiàn)實(shí)的3D資產(chǎn)（如武器或車輛）時(shí)，或根據(jù)真實(shí)演員的造型來新建角色與其花幾個(gè)小時(shí)從頭開始設(shè)計(jì)，不如用掃描儀掃描現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)物或人，然后上傳模型，在常用3D設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)一步編輯。
編輯三維掃描儀采集的第一人稱射擊游戲角色3D模型
攝影測(cè)量法
在某些情況下，除了三維掃描和3D建模外，一些專業(yè)人員也會(huì)采用另一種建模方法——攝影測(cè)量法。這種方法和三維掃描類似，通過用相機(jī)（或多個(gè)相機(jī)）為現(xiàn)實(shí)世界中存在的物體拍攝多張照片，拼接后創(chuàng)建3D模型。
然而，與三維掃描相比，這個(gè)過程要從各個(gè)角度捕獲物體，并拍攝數(shù)百張照片，因此更為耗時(shí)。此外，也不能像三維掃描儀那樣實(shí)時(shí)構(gòu)建模型，這樣就無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，也無法及時(shí)修復(fù)。
多機(jī)位攝影測(cè)量設(shè)備用于全身三維掃描
攝影測(cè)量法的主要優(yōu)點(diǎn)是物體再現(xiàn)的紋理質(zhì)量特別高，超過了大多數(shù)三維掃描儀。然而，這種方法的缺點(diǎn)是精確度欠佳。為了實(shí)現(xiàn)紋理和幾何效果，建議同時(shí)使用三維掃描儀和攝影測(cè)量法。
3D模型存儲(chǔ)和銷售平臺(tái)
三維模型完成后，使用和分享的途徑也有很多。如果模型僅供內(nèi)部使用，可以把它存儲(chǔ)在電腦上，或者上傳到文件共享平臺(tái)，如Dropbox。如果你想分享的人沒有兼容的3D軟件，或許可以上傳到某些網(wǎng)站，不僅支持模型存儲(chǔ)，也支持他人查看和下載。
許多網(wǎng)站支持3D模型的存儲(chǔ)和銷售。有些網(wǎng)站，如Sketchfab或Turbosquid的Kraken，支持創(chuàng)建自己的模型作品集，供私人和公眾查看。例如，在Sketchfab中，你不僅可以上傳模型，還能調(diào)整光線和其他參數(shù)，并獲得一個(gè)嵌入代碼，這樣就可以像發(fā)布優(yōu)酷視頻或微博一樣將其發(fā)布到網(wǎng)站上。
有些平臺(tái)，包括Sketchfab、Turbosquid、CGTrader和Quixel，不僅支持3D模型的存儲(chǔ)，還能將模型出售給感興趣的顧客。像Unity和Unreal Engine這樣的游戲引擎有自己的3D模型市場(chǎng)，游戲開發(fā)者可以在這里為他們的游戲購買3D資產(chǎn)。
受歡迎的3D建模和設(shè)計(jì)軟件開發(fā)者（如Autodesk），都有自己的3D模型瀏覽網(wǎng)站，可以直接從軟件中上傳3D模型。同樣，像Artec Studio這樣的3D掃描軟件也可以做到這點(diǎn)，支持將最終的3D模型導(dǎo)出到原生3D查看器ViewShape中。
結(jié)論
綜上所述，我們有各種方法來創(chuàng)建3D模型。如果需要為尚不存在或全新的物體建模，可以用3D建模軟件。如果需要對(duì)已經(jīng)存在的物體建模，則可以考慮三維掃描。不僅可以節(jié)省時(shí)間和精力，還能得到精準(zhǔn)的效果，這或許是傳統(tǒng)建模工具永遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)的。
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