3Dモデリング

3Dコンピュータグラフィックスにおいて、3Dモデリングとは、シミュレートされた3D空間内のエッジ、頂点、ポリゴンを操作することで、専用ソフトウェアを使用して物体（無生物または生物）の表面の3次元座標ベースの数学的表現を開発するプロセスです。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

3次元（3D）モデルは、三角形、線、曲面などの様々な幾何学的実体によって接続された3D空間内の点の集合を使用して物理的な物体を表します。 [ 4 ]データ（点やその他の情報）の集合である3Dモデルは、手動で、アルゴリズム（手続き型モデリング）、またはスキャンによって作成できます。[ 5 ] [ 6 ]テクスチャマッピングによってその表面をさらに定義することもできます。

概要

この製品は 3D モデルと呼ばれ、3D モデルを扱う人は 3D アーティストまたは 3D モデラーと呼ばれることがあります。

3D モデルは、 3D レンダリングと呼ばれるプロセスを通じて 2 次元画像として表示したり、物理現象の コンピューター シミュレーションに使用したりすることもできます。

3Dモデルは自動または手動で作成できます。3Dコンピュータグラフィックス用の幾何学的データを作成する手動モデリングプロセスは、彫刻などの造形芸術に似ています。3Dモデルは、3Dプリンターを使用して、3次元の材料でモデルの2Dレイヤーを1層ずつ形成することで物理的に作成できます。3Dモデルがなければ、3Dプリントは不可能です。

3Dモデリングソフトウェアは、3Dモデルを作成するために使用される3Dコンピュータグラフィックスソフトウェアの一種です。このクラスの個々のプログラムはモデリングアプリケーションと呼ばれます。[ 7 ]

歴史

分光器の3次元モデル[ 8 ]
回転する3Dビデオゲームモデル
3D セルフィーモデルは、マドローダムの Fantasitron 3D フォト ブースで撮影された 2D 写真から生成されます。

3D モデルは現在、  3D グラフィックス や CADのあらゆる場所で広く使用されていますが、その歴史はパーソナル コンピュータで 3D グラフィックスが広く使用されるようになるよりも古いものです 。

過去には、多くの コンピュータゲームでは、コンピュータがリアルタイムでレンダリングする前に 、3Dモデルのプリレンダリング画像を スプライトとして使用していました 。デザイナーはさまざまな方向やビューでモデルを確認できるため、オブジェクトが当初の構想と比較して意図したとおりに作成されているかどうかを確認できます。このようにデザインを確認することで、デザイナーや会社は製品に必要な変更や改良点を把握できます。[ 9 ]シンプルなワイヤーフレームは初期の3Dモデルの最初のバージョンであり、主に建築計画や機械部品の表示に使用されていました。1970年代と1980年代には、グラフィックスハードウェアとソフトウェアの向上により、ソリッドモデルとサーフェスモデルの作成が可能になり、デザイナーは物理オブジェクトをよりリアルで明確に表現できるようになりました。1990年代までには、パラメトリックモデリングが普及し、デザイナーはモデルを最初から描き直すのではなく、基本パラメータを変更するだけでモデルを変更できるようになりました。仮想現実、人工知能、生成設計ツールのおかげで、今日の3Dモデリングはエンジニアリングの域を超え、アニメーション、ゲーム、製品デザイン、映画などの分野に影響を与えています。[ 10 ] [ 11 ]

表現

マーティン・ニューウェル（1975年）が開発した象徴的なユタ・ティーポットモデルの現代的なレンダリング。ユタ・ティーポットは、3Dグラフィックス教育で最もよく使用されるモデルの一つです。

ほぼすべての 3D モデルは、次の 2 つのカテゴリに分けられます。

  • ソリッド– これらのモデルは、表現する物体（岩石など）の体積を定義します。ソリッドモデルは主に工学や医療のシミュレーションに使用され、通常は構成的ソリッドジオメトリで構築されます。
  • シェルまたは境界– これらのモデルは、オブジェクトの体積ではなく、表面、つまり境界を表します（極薄の卵の殻のように）。ゲームや映画で使用されるほぼすべてのビジュアルモデルはシェルモデルです。

ソリッドモデリングとシェルモデリングは、機能的に同一のオブジェクトを作成できます。両者の違いは、主に作成および編集方法、様々な分野における使用方法、そしてモデルと現実世界の近似方法の違いにあります。

シェルモデルが実在の物体として意味を持つためには、多様体（シェルに穴や亀裂がない）である必要があります。例えば、立方体のシェルモデルでは、6つの面すべてがエッジやコーナーに隙間なく接続されていなければなりません。ポリゴンメッシュ（および、それほど一般的ではありませんが、サブディビジョンサーフェス）は、圧倒的に最も一般的な表現です。レベルセットは、流体のように多くの位相変化を受ける変形面を表現するのに便利です。

球の中心座標や円周上の点などのオブジェクトの表現を、球のポリゴン表現に変換する処理は、テッセレーションと呼ばれます。このステップはポリゴンベースのレンダリングで使用され、オブジェクトは球や円錐などの抽象的な表現（「プリミティブ」）から、相互に接続された三角形の網である、いわゆるメッシュに分解されます。三角形のメッシュ（たとえば正方形ではなく）は、ラスタライズしやすいことが証明されているため人気があります（各三角形によって表される表面は平面であるため、投影は常に凸面になります）。[ 12 ]ポリゴン表現はすべてのレンダリング手法で使用されるわけではなく、この場合、抽象的な表現からレンダリングされたシーンへの移行にテッセレーションのステップは含まれません。

プロセス

モデルを表現する一般的な方法は 4 つあります。

  • パラメトリックモデリング– フィーチャ間の親子関係に依存するフィーチャベースのパラメトリックモデリング構造。機械CADシステムのコンテキストで特定のモデルを構築するためのさまざまな方法を可能にします。[ 13 ]
  • ポリゴンモデリング– 3D空間内の点（頂点）は線分で結ばれ、ポリゴンメッシュを形成します。今日の3Dモデルの大部分は、柔軟性とコンピュータによる高速レンダリングを可能にするため、テクスチャ付きのポリゴンモデルとして構築されています。しかし、ポリゴンは平面であり、多数のポリゴンを用いて曲面を近似することしかできません。
  • 曲線モデリング– サーフェスは曲線によって定義され、曲線は重み付けされた制御点の影響を受けます。曲線は制御点に追従しますが、必ずしも補間するわけではありません。制御点の重みを増やすと、曲線はその制御点に近づきます。曲線の種類には、非一様有理Bスプライン（NURBS）、スプライン、パッチ、ジオメトリプリミティブなどがあります。
  • デジタル スカルプティング– デジタル スカルプティングには 3 つのタイプがあります。現在アプリケーション間で最も広く使用されているディスプレイスメントは、高密度モデル (ポリゴン コントロール メッシュのサブディビジョン サーフェスによって生成されることが多い) を使用し、調整された位置を格納するイメージ マップを使用して頂点位置の新しい場所を格納します。ボクセルに大まかに基づくボリューメトリックは、ディスプレイスメントと同様の機能を備えていますが、変形を実現するのに十分なポリゴンが領域内にない場合でも、ポリゴンが引き伸ばされることはありません。ボクセルに似たダイナミック テッセレーションは、三角形分割を使用してサーフェスを分割し、滑らかなサーフェスを維持し、より細かいディテールを可能にします。これらの手法では、モデルが形成されてディテールがスカルプトされるとモデルの上に新しいトポロジが作成されるため、芸術的な探求が可能になります。新しいメッシュでは通常、元の高解像度のメッシュ情報がディスプレイスメント データまたは法線マップデータ (ゲーム エンジン用の場合) に転送されます。
LAI4Dを使用して生成された有機的な表面で構成された3Dファンタジー魚

モデリング段階では、シーン内で使用される個々のオブジェクトを形作ります。モデリングには、以下のような様々な手法があります。

モデリングは、専用プログラム（例：Adobe Substance、Blender、Cinema 4D、LightWave、Maya、Modo、3ds Max、SketchUp、 Rhinoceros 3Dなどの3Dモデリングソフトウェア）、アプリケーションコンポーネント（3ds MaxのShaper、Lofter）、またはシーン記述言語（ POV-Rayなど）を使用して実行できます。場合によっては、これらのフェーズに厳密な区別がなく、そのような場合、モデリングはシーン作成プロセスの一部にすぎません（Caligari trueSpaceやRealsoft 3Dなどがこれに該当します）。

RealityCapture、Metashape、3DF Zephyrなどの専用プログラムを用いたフォトグラメトリ（写真測量）技術を用いて3Dモデルを作成することもできます。MeshLab 、GigaMesh Software Framework 、netfabb、MeshMixerなどのアプリケーションを用いて、クリーンアップや更なる処理を行うことができます。フォトグラメトリは、被写体を様々な角度から撮影した写真に基づいて、現実世界の物体や環境の形状と質感を解釈するアルゴリズムを用いてモデルを作成します。

吹き付ける砂、雲、液体のしぶきなどの複雑なマテリアルはパーティクル システムでモデル化され、ポイント、ポリゴン、テクスチャ スプライト、またはスプライトが割り当てられた 3D座標の集合体です。

3Dモデリングソフトウェア

エンジニアリング、インテリアデザイン、映画などの業界では、様々な3Dモデリングプログラムが利用可能です。それぞれの3Dモデリングソフトウェアは独自の機能を備えており、業界のニーズを満たすために活用できます。

Gコード

多くのプログラムには、積層造形機や切削造形機に適用可能なGコードを作成するためのエクスポートオプションが含まれています。Gコード（コンピュータ数値制御）は、自動化技術と連携して、3Dモデルの現実世界の表現を作成します。このコードは、製品の製造工程を実行するための特定の命令セットです。[ 14 ]

人間モデル

人間バーチャルモデルの最初の商用アプリケーションは、1998年にLands' Endのウェブサイトで広く利用可能になりました。この人間バーチャルモデルはMy Virtual Mode Inc.によって開発され、ユーザーは自分のモデルを作成し、3Dの衣服を試着することができました。現在では、仮想人間モデルを作成できる最新のプログラムがいくつかあります（Poserはその一例です）。

3D衣類

Marvelous Designerで作成されたダイナミックな3D衣服モデル

Marvelous Designer、CLO3D、Optitexなどの布地シミュレーションソフトウェアの開発により、アーティストやファッションデザイナーはコンピュータ上で動的な3D衣服をモデル化できるようになりました。[ 15 ] 動的な3D衣服は、仮想ファッションカタログ、ビデオゲーム、3Dアニメーション映画、映画のデジタルダブルの3Dキャラクターの衣装、[ 16 ]デジタルファッションブランドの作成ツールとして、およびSecondLifeなどの仮想世界のアバターの服を作るために使用されています。

2D方式との比較

3Dフォトリアリスティック効果は、ワイヤーフレームモデリングなしで実現されることが多く、最終的な形では区別がつかないこともあります。一部のグラフィックアートソフトウェアには、透明レイヤー上の2Dベクターグラフィックまたは2Dラスターグラフィックに適用できるフィルターが含まれています。

ワイヤーフレーム 3D モデリングが 2D のみの方法に比べて優れている点は次のとおりです。

  • 柔軟性、角度を変更したり、変更をより速くレンダリングして画像をアニメーション化する機能。
  • レンダリングの容易さ、頭の中で視覚化したり推定するのではなく、フォトリアリスティックな効果を自動計算してレンダリングします。
  • 正確なフォトリアリズムにより、視覚効果の配置ミス、やり過ぎ、または忘れといった人為的エラーの可能性が低くなります。

2Dフォトリアリスティックレンダリングと比較したデメリットとしては、ソフトウェアの習得に時間がかかることや、特定のフォトリアリスティック効果を実現するのが難しいことが挙げられます。一部のフォトリアリスティック効果は、3Dモデリングソフトウェアに付属する特殊なレンダリングフィルタを使用することで実現できます。両方のメリットを最大限に活かすため、3Dモデリングと、その3Dモデルから2Dコンピュータレンダリング画像を編集する手法を組み合わせて使用​​するアーティストもいます。

3Dモデル市場

3D モデル (およびテクスチャ、スクリプトなどの 3D 関連コンテンツ) の大規模な市場が、個々のモデル用または大規模なコレクション用に存在します。TurboSquid、MyMiniFactory、Sketchfab、CGTrader、Cultsなど、3D コンテンツのいくつかのオンライン マーケットプレイスでは、個々のアーティストが作成したコンテンツを販売できます。多くの場合、アーティストの目標は、プロジェクト用に以前に作成したアセットから追加の価値を引き出すことです。そうすることで、アーティストは古いコンテンツからより多くの収益を得ることができ、企業は従業員にモデルをゼロから作成させる代わりに、既製のモデルを購入することでコストを節約できます。 これらのマーケットプレイスは通常、アセットを作成したアーティストとアーティストの間で売上を分配し、アーティストはマーケットプレイスに応じて売上の 40% ～ 95% を受け取ります。ほとんどの場合、アーティストは 3D モデルの所有権を保持し、顧客はモデルを使用および提示する権利のみを購入します。一部のアーティストは、仲介業者を使用せずに製品を低価格で提供し、自分のストアで直接製品を販売しています。

建築、エンジニアリング、建設（AEC）業界は3Dモデリングの最大の市場であり、2028年までにその価値は121.3億ドルに達すると推定されています。[ 17 ]これは、AEC業界で3Dモデリングの採用が増えているためであり、設計精度の向上、エラーや漏れの削減、プロジェクト関係者間のコラボレーションの促進に役立ちます。[ 18 ] [ 19 ]

ここ数年、3Dレンダリングと3Dモデルプリントに特化したマーケットプレイスが数多く登場しています。3Dプリントマーケットプレイスの中には、モデル共有サイトを組み合わせたものや、eコマース機能を搭載しているものもあります。また、オンデマンドの3Dプリントサービス、モデルレンダリング用ソフトウェア、アイテムのダイナミックビューイングなどを提供するプラットフォームもあります。

3Dプリント

3Dプリンティングまたは三次元印刷という用語は、材料の連続的な層から三次元の物体を作成する付加製造技術の一種です。[ 20 ]複雑で高価な金型や複数の部品の組み立てを必要とせずに物体を作成できます。3Dプリンティングにより、時間のかかる製造プロセスを経ることなく、アイデアを試作してテストすることができます。[ 20 ] [ 21 ]

3Dモデルはオンラインマーケットから購入でき、個人や企業が市販の3Dプリンターを使って印刷することで、スペアパーツや医療機器などの物品を自宅で生産​​することが可能になります。[ 22 ] [ 23 ]

用途

ブラジルの3Dデザイナー、シセロ・モラエス氏がBlenderで作成したミイラの法医学的顔面復元の手順

3Dモデリングは多くの業界で使用されています。[ 24 ]

  • 医療業界では、 MRIやCTスキャンから得られた複数の2次元画像スライスから作成された臓器の詳細なモデルが使用されています。[ 25 ]他の科学分野では、化合物モデルなどの情報を視覚化し、伝達するために3Dモデルが使用されています。[ 26 ]また、患者固有のモデルの作成にも活用されています。これらのモデルは、術前計画、インプラント設計、手術ガイドに使用されます。解剖学的モデルやカッティングテンプレートを作成するために、3Dプリントと併用されることもよくあります。[ 27 ] [ 28 ]
  • 映画業界では、アニメや実写映画に登場するコンピュータ生成のキャラクターやオブジェクトに3Dモデルを使用しています。同様に、ビデオゲーム業界では、コンピュータゲームやビデオゲームの素材として3Dモデルを使用しています。オブジェクトの形状のジオメトリのソースとしては、3D CADシステムを使用するデザイナー、産業エンジニア、アーティスト、3D形状デジタイザーやスキャナーを使用してリバースエンジニアリングまたはコピーされた既存のオブジェクト、あるいはオブジェクトの数値的記述や計算に基づく数学的データなどが挙げられます。[ 20 ]
  • 建築業界では、従来の物理的な建築模型の代わりに、3Dモデルを用いて提案された建物や景観をデモンストレーションしています。さらに、3Dモデルにおける詳細レベル（LOD）の活用は、建築・エンジニアリング・建設（AEC）分野でますます重要になっています。3Dモデリングは、マスキング、BIMワークフロー、衝突検出、可視化にも活用されています。これにより、関係者に設計意図を伝えることができ、CNCや積層造形による下流工程の製造につながります。[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]
  • 考古学者は、研究や視覚化のために文化遺産の3Dモデルを作成します。[ 32 ] [ 33 ]例えば、国際メタ貨幣学研究所（INIMEN）は、貨幣学上の遺物のデジタル化と保存における3Dモデリングの応用を研究しています。さらに、写真測量法とレーザースキャンは、物品の文書化を支援します。これらは、文化遺産の保全と一般公開に利用されています。物品の仮想的な再構築により、壊れやすい遺物を物理的に損傷するリスクなしに研究し、インタラクティブなサイトや博物館で展示することが可能になります。[ 34 ] [ 35 ]
  • 近年、地球科学界では3D地質モデルの構築が標準的な手法として定着しつつあります。3D地形・地下モデルを用いてリモートセンシングデータとフィールドデータを統合することで、地下水、災害、土地利用変化の分析が可能になります。3Dモデリングツールは、計画策定や教育目的でこれらのモデルを作成します。[ 36 ]
  • 3Dモデルは、機械部品の製造前にデジタル表現を構築する際にも使用されます。CADおよびCAM関連のソフトウェアを使用することで、エンジニアは部品アセンブリの機能をテストし、同じデータを使用してCNC加工や3Dプリント用のツールパスを作成できます。これにより、デジタルプロトタイピングとシミュレーションを製品ラインに組み込むことができ、効率性が向上し、プロセスの無駄が削減されます。また、デジタルツインやモデルベース定義（MBD）、そして付加的なワークフローとの緊密な統合も実現します。[ 37 ]
  • 3Dモデリングは工業デザインで使用され、製品は顧客に提示する前に3Dモデル化されます[ 38 ] 。
  • メディアやイベント業界では、3Dモデリングはステージやセットのデザインに使用されています。[ 39 ]
  • 教育分野では、特にSTEM教育において、3Dモデルやアニメーションの導入により、生徒の概念理解が向上しています。3Dモデリング分野への体系的な露出は、創造性と空間的推論能力を育むことにもつながります。[ 40 ] [ 41 ]
  • ファッションやアパレル業界では、デザイナーはボディスキャンとシミュレーションを通じて衣服のフィット感をテストし、ドレープや動きまで確認することができます。これにより無駄が削減され、反復作業や試作が加速されます。

ソフトウェアエコシステムは分野によって異なるため、デジタルコンテンツ作成（DCC）ツール（ポリゴン／サブディビジョンモデリング、スカルプティング、リギング）、CAD、CAM（機械設計・製造のためのパラメトリックおよびソリッドモデリング）、BIM（AECのためのビルディングインフォメーションモデリング）、分野固有のプラットフォーム（医療や地理空間など）を区別するのが一般的です。オープンソースツール（Blender、FreeCAD、MeshLab、OpenSCADなど）は商用パッケージ（Autodesk Maya/3ds Max/Fusion 360、SolidWorks、CATIA、Cinema 4D、ZBrush、Rhino、Houdini、SketchUp、CLO 3D/Marvelous Designer、Revit、Archicadなど）と共存しています。[ 42 ]

X3Dの語彙のOWL 2翻訳は、 3Dモデルの意味的記述を提供するために使用できます。これは、形状、寸法、材質、テクスチャ、拡散反射、透過スペクトル、透明度、反射率、乳光、釉薬、ニス、エナメルなどの特徴による3Dモデルの索引付けと検索に適しています（構造化されていないテキスト記述や、Google Arts & CultureのGoogleストリートビューを使用した2.5D仮想博物館や展示会とは対照的です）。[ 43 ] 3DモデルのRDF表現は推論に使用でき、たとえば2つの3Dモデルの体積を自動的に比較できるインテリジェントな3Dアプリケーションが可能になります。[ 44 ]

全体として、これらの例は、3D モデリングが、センシングと分析、設計、通信、製造の間に橋渡しをする汎用表現レイヤーのツールであることを示しています。

課題と限界

3Dモデリングは様々な分野で広く採用されているものの、その技術の活用方法にはいくつかの制約が存在します。世界の多くの地域では、アクセスとコストが依然として課題となっています。商用ライセンス、トレーニング、そして高性能なハードウェアは、特定の地域では入手が困難な場合があります。また、学生や小規模スタジオにとっては、費用を捻出できない場合もあります。オープンソースのエコシステムや学校向けプログラムは、この問題を軽減するのに役立ちますが、その入手性とサポートにはばらつきがあり、結果として3Dモデリングを学び、応用できる人の間に不公平が生じています。[ 45 ] [ 46 ]

ワークフローの複雑さももう一つの制約です。3Dモデリングを効果的に実践するには、様々な知識が必要です。3Dモデリングの専門家は、DCCのためのトポロジー、UVマッピング、リギング、シミュレーション、レンダリングを理解する必要があります。CAD/CAMモデリングでは、パラメトリック制約、許容差、製造制約を開発者が理解している必要があります。BIMでは情報スキーマと調整の両方が不可欠です。ツール間でアセットを移動すると、互換性の問題（メッシュとNURBS/ソリッド/パラメトリックフィーチャ、単位スケーリング、法線、マテリアル定義など）が発生する可能性があり、フォーマット変換は慎重に管理しないとデータ損失を引き起こす可能性があります。[ 47 ] [ 48 ]

大規模になると、エネルギー消費量が多くなる可能性があります（これは高解像度のシミュレーションとレンダリング、そして高密度の3Dスキャンによるものです）。そのため、チームは設計の複雑さを最適化し、より効率的なパイプラインを採用するよう努めています。研究や文化遺産の分野では、倫理的および政策的な問題として、来歴、ライセンス、そして復元図にどの程度「権威」があるかという表現方法（復元図にどの程度の「権威」があるか）といった制約が存在します。特に、これらの復元図は公共コミュニケーションや教育目的で利用されるため、この制約はさらに大きくなります。[ 31 ] [ 49 ]

最後に、教室やアウトリーチでの展開においては、教育的支援を考慮する必要があります。学習者は段階的なガイダンスと、明確な例やモデルに従う必要があります。これがなければ、ツールの複雑さは、生徒の理解と創造性を促すどころか、学習の妨げとなり、学習を遅らせる要因となってしまいます。[ 50 ] [ 51 ]

3Dモデリングによる持続可能性

  • 実際のプロトタイプの必要性を最小限に抑える– デザイナーは3D CADモデルを仮想レプリカとして使用することで、物理的なプロトタイプを作成せずに初期段階のユーザビリティテストを実施できるため、廃棄物と材料の消費を削減できます。[ 52 ]
  • 設計上の欠陥の早期発見– 仮想モデルを用いたテストは、設計者が人間工学的またはユーザビリティ上の問題を早期に発見し、不良品の発生率を低減するのに役立ちます。これにより、廃棄される物理的なプロトタイプの無駄を削減できます。[ 52 ]
  • 環境への影響を最小限に抑えた迅速な反復– CADモデルのデジタル修正は、物理的なプロトタイプの再設計や再構築に比べてほぼ瞬時に完了します。これにより、材料を追加することなく設計サイクルを加速できます。[ 52 ]

シミュレーション

3Dモデリングにおけるシミュレーションとは、現実世界における物体の挙動を仮想空間で再現するデジタルプロセスです。デザイナーやアニメーターは、実際のプロトタイプを作成することなく、物体がどのように動き、相互作用し、力に反応するかをテストできます。衝突、流体の動き、布のドレープ、粒子の動きといったプロセスを再現することで、シミュレーションはデザインの精度を高め、視覚効果を高め、時間と材料を節約するのに役立ちます。[ 53 ]

参照

参考文献

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