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        全面簡單了解3d建模軟件

        來源:奧蘭電子科技 時間:2018-04-13 10:18:15 瀏覽量:
        常常有同學問,3D建模軟件有哪些,答案比較復雜,建模軟件的種類比較多,如果展開,可以寫一本書。在這里,做一個簡單的總結,主要從對定性的角度來綜述一下3D建模軟件,不涉及深入的討論和教學,給對3D建模還沒有還沒有什么了解,馬上要選3D建模軟件來學習的朋友們一點點的啟迪,好了,廢話不多說,接下來,還是滿滿的干貨:


        一. 專業3D建模軟件 Professional Software
        專業3D建模軟件一般是指應用到某個專業領域,一般也都是收費的,當然功能也是比較強大的。


        1.       3DS Max
        美國Autodesk公司的3D Studio Max(前身是Discreet公司的,后被Autodesk收購)是基于PC系統的三維建模、動畫、渲染的制作軟件,為用戶群最為廣泛的3D建模軟件之一。常用于建筑模型、工業模型、室內設計等行業。因為其廣泛性,它的插件也很多,有些很強大,基本上都能滿足一般的3D建模的需求。在魔猴網,我們也需要經常用到3DS Max來構建模型。網上關于3DS Max的教程和學習視頻非常多,使用者眾多。
        3Ds max 3D打印

        2.       Maya
        Maya也是Autodesk公司出品的世界頂級的3D軟件,它集成了早年的兩個3D軟件Alias和Wavefront。相比于3DS Max,Maya的專業性更強,功能非常強大,渲染真實感極強,是電影級別的高端制作軟件。在工業界,應用Maya的多是從事影視廣告,角色動畫,電影特技等行業。
        maya 3D打印
        3.       Softimage
        Softimage曾經是加拿大Avid公司旗下的專業的3D動畫設計軟件,后被Autodesk收購。它在影視動畫方面,特別是角色功能非常強大。許多電影,比如《泰坦尼克號》、《失落的世界》、《第五元素》等,都曾使用Softimage來制作大量的驚人的視覺效果
        softimage 3d打印

        4.       LightWave
        LightWave是美國NewTek公司開發的一款3D動畫制作軟件,也是3D領域的資深軟件。它的功能非常強大,特別是在生物建模和角色動畫方面功能異常強大,廣泛應用在電影、電視、游戲、網頁、廣告、印刷、動畫等各領域。在電影《泰坦尼克號》中細致逼真的船體模型及其他眾多游戲的場景和動畫都曾使用LightWave來制作的。
         light wave 3D打印
        5.       Rhino(犀牛)
        Rhino是美國Robert McNeel公司開發的專業3D造型軟件,它對機器配置要求很低,安裝文件才幾十兆,但“麻雀雖小,五臟俱全”,其設計和創建3D模型的能力是非常強大的,特別是在創建NURBS曲線曲面方面功能強大,也得到很多建模專業人士的喜愛,成為現在最流行的建模軟件之一,特別是 對于3D打印參數化建模,與Grasshopper聯用。
        犀牛3D軟件

         
        6.       Cinema 4D
        Cinema 4D (C4D)是德國Maxon公司的3D創作軟件,在蘋果機上用得比較多,特別是在歐美日為最受歡迎的三維動畫制作工具。2009-2010年我在美國哈佛大學訪問期間,經??吹綄W生用C4D在進行3D建模和動畫的設計。
         cinema 4d 3d打印


        從上述介紹可知,美國Autodesk公司當之無愧是當今3D建模和動畫的“老大”,擁有3DS Max、Maya和Softimage等3D建模和動畫專業軟件。3DS Max和Maya在3D建模方面各有特色,前者更為大眾化些,相對容易掌握些,后者在專業級的行業應用更為廣泛,特別在制作動畫和高質量渲染方面強于前者,包括建模,渲染和動畫制作。Softimage和LightWave在3D動畫方面表現強大。Rhino對NURBS曲面的支持更好。



        二、   CAD等工業建模軟件
         
        1.       AutoCAD
        AutoCAD (Auto Computer-Aided Design)是美國Autodesk公司出品的自動計算機輔助設計(CAD)軟件,用于二維繪圖、文檔規劃和三維設計。適用于制作平面布置圖、地材圖、水電圖、節點圖及大樣圖等。廣泛應用于土木建筑、裝飾裝潢、城市規劃、園林設計、電子電路、機械設計、航空航天、輕工化工等諸多領域。大家租房時看的房型圖大部分都是用AutoCAD來做的。


         autocad 3d打印
        2.       CATIA
        Catia由法國Dassault Systems公司開發的CAD/CAE/CAM一體化的三維軟件,支持產品開發的整個過程,從概念(CAID),到設計(CAD),到分析(CAE),到制造(CAM)的完整流程??蓭椭圃鞆S商設計未來的產品,并支持從項目前階段、具體的設計、分析、模擬、組裝到維護在內的全部工業設計流程,在機械行業,航空航天、汽車工業、造船工業等應用廣泛。其實體造型和曲面設計的功能非常強大。我讀博期間曾接觸過Catia,在它上面寫過一個NURBS曲面轉換的插件程序。
         catia 3D打印
        3.       SolidWorks
        SolidWorks是世界上第一個基于Windows開發的三維CAD系統,后被法國Dassault Systems公司(開發Catia的公司)所收購。相對于其他同類產品,SolidWorks操作簡單方便、易學易用,國內外的很多教育機構(大學)都把SolidWorks列為制造專業的必修課。
        Solidworks 3D打印

        4.       UG NX
        UG NX由美國Unigraphics Solutions (UGS)公司開發的CAD/CAE/CAM一體化的三維軟件,后被德國西門子公司收購。廣泛用于通用機械,航空航天、汽車工業、醫療器械等領域。
        UG NX 3D打印



        5.       Pro-E
        Pro/Engineer是美國PTC公司(Parametric Technology Corporation)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。在參數化設計,基于特征的建模方法具有獨特的功能,在模具設計與制造方面功能強大,機械行業用的比較多。
        proe 3D打印

         
        除了上述所介紹的CAD/CAE /CAM系統軟件(它們各有特色,在市場中都占有一定的份額)外,還有其他一些同類產品,比如法國Missler公司的Topsolid和以色列Cimatron公司的Cimatron。一般在機械設計與產品研發相關的行業中才會接觸到這些軟件,專業性比較強,在網上很容易能找到它們的相關資料。
        常見工程3D建模軟件


        三、 3D雕刻建模軟件:筆刷式高精度建模軟件
         
        3D雕刻建模軟件(Sculpturing modeling),也稱為筆刷式高精度建模軟件,顧名思義,就是像藝術家那樣用不同的“筆刷”工具在模型表面上進行“雕刻”的自由創作。建模過程就像玩橡皮泥一樣,利用拉,捏,推,扭等操作來對幾何進行編輯,生成任意的高度復雜和豐富的幾何細節(如怪獸的復雜表面細節)。這些工具的出現顛覆了過去傳統三維設計工具的工作模式,解放了藝術家們的雙手和思維,告別過去那種依靠鼠標和參數來笨拙創作的模式,完全尊重設計師的創作靈感和傳統工作習慣。這些軟件也往往需要用戶有一定的美術、雕刻功底;
         
        1.       ZBrush
        美國Pixologic公司開發的ZBrush軟件是世界上第一個讓藝術家感到無約束自由創作的3D設計工具。 ZBrush 能夠雕刻高達 10 億多邊形的模型,所以說限制只取決于的藝術家自身的想象力。
        zbrush 3D打印

         
        2.       MudBox
        MudBox是Autodesk公司的3D雕刻建模軟件,它和ZBrush相比各有千秋。在某些人看來,MudBox的功能甚至超過了ZBrush,可謂ZBrush的超級殺手。
         mudbox 3D打印
        3.       MeshMixer
        最近,Autodesk公司又開發出一款筆刷式3D建模工具MeshMixer,它能讓用戶通過筆刷式的交互來融合現有的模型來創建3D模型(似乎是類似與Poisson融合或Laplacian融合的技術),比如類似“牛頭馬面”的混合3D模型。值得注意的是,最新版本的MeshMixer還添加3D打印支撐優化新算法。
        meshmixer 3D打印

        4.       其他
        其他還有一些同類的3D雕刻建模軟件,比如3DCoat,Sculptris,Modo等。這里就不再詳細介紹了。
         
        在工業界,人們更偏向于使用四邊形網格(quad mesh),而不是三角網格,一個很重要的原因就是這些雕刻建模工具善于在四邊形網格上進行細節的生成和編輯,因為四邊形網格的邊更能反應物體表面的流線方向(edge flow)。
         
        雖然這些筆刷式建模工具上手容易,給了用戶便利的方式進行3D細節建模,但是,要想真正構建一個細節復雜和逼真的3D模型還是不容易的,除了用戶需要熟練掌握軟件的各種工具及雕刻技巧外,還需要用戶具有較好的藝術和繪畫功底。


        四、基于草圖的3D建模軟件
         
        Google的SketchUp(在國內我們也稱為“草圖大師”)。SketchUp是一套面向普通用戶的易于使用的3D建模軟件,主要用于建筑、家具。使用SketchUp,創建3D模型就像我們使用鉛筆在圖紙上作圖一般,軟件能自動識別你畫的這些線條,加以自動捕捉。它的建模流程簡單明了,就是畫線成面,而后拉伸成體,這也是建筑或室內場景建模最常用的方法。SketchUp還可以將你自己的制作成果發布到Google Earth上和其他人共享,或者是提交到Google的3D Warehouse(Google的3D模型庫)。當然你也能從Warehouse那兒得到想要的素材,以此作為創作的基礎。很有趣的是,在2012年Google公司的SketchUp被美國Trimble公司收購了。去年出了個Trimble SketchUp 2013,網評似乎不太好。不知其是否能繼續免費。
        sketchup 3D打印

        基于筆劃或草圖的交互方式由于其符合人類原有日常生活中的思考習慣,交互方式直觀簡單(就像在圖紙上畫畫一樣來構建3D模型),是最近十多年來計算機圖形學中研究的熱點建模方法之一?;诓輬D的交互方式與現在正在興起的Web3D建模相結合,會有新的廣闊空間。也請大家持續關注魔猴網,魔猴也將為大家帶來新的簡單易用的在線3D建模工具。


        五、基于照片的3D建模軟件
         
        從物體的照片來進行3D模型的構建,是計算機圖形學和計算機視覺的一大研究方向,稱為基于圖像的幾何建模(Image based modeling)。這種技術已逐漸成熟且走向實用階段,目前,市場上有軟件能夠讓用戶拿著普通相機或者手機對著要建模的實物從不同視角拍攝若干照片,然后軟件就能根據這些照片自動地生成相應的3D模型。這種基于圖片的建模技術提供給了非專業建模人士來構建3D模型的工具。
         
        1.       Autodesk 123D
        Autodesk公司最近發布了一套平民級的建模軟件Autodesk 123D,用戶不需復雜的專業知識,只要為物體從不同的視角拍攝幾張照片,該軟件就能自動地為其生成3D模型,而且軟件是完全免費的。
        autodesk 123D 3D打印

        (1)    Autodesk 123D Design 是一款免費的3D CAD 工具,用戶可以使用一些簡單的圖形來設計、創建、編輯三維模型,或者在一個已有的模型上進行修改。


        (2)    Autodesk 123D Catch是建模軟件的重點,用戶使用相機或手機來從不同角度拍攝物體、人物或場景,然后上傳到云,然后該軟件利用云計算的強大計算能力,可將數碼照片中幾分鐘的時間內轉換為3D模型,而且還自動帶上紋理信息。我們試用過幾次,感覺它的使用還是很方便的。但是其生成的3D幾何的細節不多,主要是通過紋理信息來表現真實感的。有時軟件也會失敗,生成的幾何是不正確的。
        123D catch 3D打印

        (3)    Autodesk 123D Make是將3D模型轉換為2D的切割圖案,用戶可利用硬紙板、木料、金屬或塑料等低成本材料將這些圖案迅速拼裝成實物,從而再現原來的數字化模型。這讓用戶能夠“制造”出所造的3D模型,有點像3D打印的雛形。
        (4)    Autodesk 123D Sculpt是一款運行在iPad上的3D雕刻軟件,通過繪畫的方式在模型上雕刻幾何細節。
         
        2.       3DSOM Pro
        3DSOM Pro是一款從高質量的照片來生成3D建模的軟件,它可以通過一個真實物體的照片來進行3D建模,并且制作的模型可以在網絡上以交互的方式呈現。
         
        3.       PhotoSynth
        微軟開發了一款產品PhotoSynth,可將大量的照片做3D處理,但是它不是真正創建3D模型,而是根據照片之間的相機參數及空間對應關系,建構一個虛擬的3D場景,使得用戶能夠在從不同角度和位置來查看該場景,而顯示的場景圖像是由給定的照片所合成的。而就在幾天前,2017年2月6日,微軟宣布關閉PhotoSynth服務。
        從多幅不同角度拍攝的照片來重建3D物體,從技術原理上來講是可行的,但是由于算法的一些步驟,比如圖像中物體特征點的檢測和匹配,相機參數的估計等,還會出現不太正確的結果,使得重建結果有時不夠穩定,甚至不正確。隨著技術和計算能力的不斷發展,相信這些會逐步得到解決。到時,從照片來重建3D模型的技術可能是最為方便的3D建模技術了,因為人人都有手機,隨時都可以拍照上傳到云端來構建3D模型。如果有了大數據庫的支持,從單張照片來構建3D模型也是可能的。


        六、 基于掃描(逆向設計)的3D建模軟件
         
        3D掃描也是3D數據和3D建模的重要來源,特別是隨著深度相機的普及及掃描儀的價格迅速下降,人們采集三維數據變得容易,從采集到的三維點云來重建三維模型的軟件也越來越多。
         
        1.       Geomagic
        Geomagic (俗稱“杰魔”) 包括系列軟件Geomagic Studio、Geomagic Qualify和Geomagic Piano。其中Geomagic Studio是被廣泛使用的逆向工程軟件,具有下述所有特點:確保完美無缺的多邊形和 NURBS 模型處理復雜形狀或自由曲面形狀時,生產效率比傳統 CAD軟件提高數倍;可與主要的三維掃描設備和CAD/CAM軟件進行集成;能夠作為一個獨立的應用程序運用于快速制造,或者作為對CAD軟件的補充。
         geomagic 杰魔 3D打印
        2.       RapidForm
        RapidForm是韓國INUS公司出品的逆向工程軟件,提供了新一代運算模式,可實時將點云數據運算出無接縫的多邊形曲面,使它成為 3D掃描數據的最佳化的接口,是很多3D掃描儀的OEM軟件。
         
        3.       ReconstructMe
        ProFactor公司開發的ReconstructMe是一個功能強大且易于使用的三維重建軟件,能夠使用微軟的Kinect或華碩的Xtion進行實時3D場景掃描(核心算法是Kinect Fusion),幾分鐘就可以完成一張全彩3D場景。ReconstructMeQt提供了一個實時三維重建利用ReconstructMe SDK(開源)的圖形用戶界面。
        另外,法國ManCTL公司開發的Skanect為Mac平臺的第一款3D 掃描軟件,也支持者華碩的Xtion或者微軟的Kinect進行實時3D 掃描。
         
        4.       Artec Studio
        Artec公司出品的Artec Eva, Artec Spider等手持式的結構光3D掃描儀,重量輕且易于使用,成為許多3D體驗館掃描物體的首選產品。同時,Artec公司還開發了一款軟件Artec Studio,可以和微軟的Kinect或華碩的 Xtion以及其他廠商的體感周邊外設配合使用,使其成為三維掃描儀。Kinect通過Artec Studio可以完成模型掃描,然后進行后期處理,填補漏洞、清理數據、進行測量、導出數據等。
         
        5.       PolyWorks
        PolyWorks是加拿大InnovMetric公司開發的點云處理軟件,提供工程和制造業3D測量解決方案,包含點云掃描、尺寸分析與比較、CAD和逆向工程等功能。
         
        注:全球四大逆向工程軟件除了Geomagic Studio和RapidForm外,還包括ImageWare和CopyCAD,有興趣的讀者可以到網上去找相關資料了解。
         
         
        七、 其他3D建模軟件
         
        1.       人體建模軟件
        關于構建人體模型及動畫,首推Metacreations公司的Poser軟件(俗稱“人物造型大師”)和開源的MakeHuman軟件。這兩款軟件都是基于大量人類學形態特征數據,可以快速形成不同年齡段的男女臉部及肢體模型,并對局部體形進行調整??梢暂p松快捷地設計人體造型、動作和動畫。我讀博期間用過Poser構建人體模型來做morphing,還是蠻方便的。
         
        2.       城市建模軟件
        加拿大Esri公司的CityEngine是三維城市建模的首選軟件,可以利用二維數據快速創建三維場景,并能高效的進行規劃設計。應用于數字城市、城市規劃、軌道交通、管線、建筑、游戲開發和電影制作等領域。另外,CityEngine對ArcGIS的完美支持,使很多已有的基礎GIS數據不需轉換即可迅速實現三維建模,縮短了三維GIS系統的建設周期。
         
        3.       其他小巧的3D建模軟件
        下面的這個網頁還介紹了一些其他3D建模相關的軟件或程序:
        http://tech.sina.com.cn/s/2008-10-20/08192519895.shtml
        這些軟件大部分都非常小巧,而且是開源且完全免費的。有很多媒體工作者和藝術家用這些小軟件來制作3D作品,其中Blender, K-3D, Art of Illusion, Seamless3d, Wings3D等軟件的使用面稍微廣泛些。有興趣的讀者可以到網上找到相關資料去了解和學習,這里不作詳細介紹。
         
        4.       網頁3D (Web3D)建模工具
        基于網頁(web)開發的3D模型設計軟件,即基于WebGL,可以在瀏覽器中完成3D建模的工具。 國內有魔猴網在線建模工具,國外有3DTin,TinkerCAD(去年被Autodesk收購)等,它們的界面簡單直觀,有Chrome等瀏覽器插件插件,可以在線生成3D模型,直接存在云端,并在社區分享模型。在互聯網的時代,Web3D技術將被越來越被廣泛使用,建議大家多關注魔猴網。


        5. 3D模型渲染軟件
        本文介紹的各種3D建模軟件一般都能渲染3D模型,但要得到更為逼真的真實感渲染效果,還可以使用專門的3D模型渲染軟件,比如Pixar Renderman、POV-Ray、 V-Ray、 Mental Ray、Final-Render等,這里就不詳細介紹。一般使用Maya進行渲染,已經足夠漂亮了。


        此外還有廣泛應用游戲、VR等領域的Unity3D、Quest3D和 Vega等,現在還不能直接和3d打印對接,這里就不再介紹,有興趣的同學可以去網上搜一下。


        3D打印提供給了平民零技能制造的技術,會朝著“私人定制”(個性化需求)的方向發展;隨著大量草根參與到3D的設計和制造,3D打印將逐步顛覆人們創造東西的能力。正因人們對3D模型有了巨大的需求,3D打印技術才使得計算機圖形學“落地”。隨著人們對3D技術有了越來越多的需求,本文所介紹的3D建模工具將會發揮出更為巨大的價值。隨著科學和技術的發展,云計算與物聯網的進一步發展,將會出現越來越便利的3D建模工具,比如Autodesk 123D正在將3D技術從專業變成非專業,人們接觸3D技術的門檻將越來越低,創造的3D模型越來越豐富。我堅信,日后3D技術將“飛入尋常百姓家”,會越來越平民化,且成為人們生活中重要的一部分。
         
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