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により、特殊なソフトウェアを介して3次元のオブジェクト（無生物または生物）の表面の数学的な座標ベースの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、曲面などのさまざまな幾何学的エンティティ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、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で表面をさらに定義することもできます。

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 グラフィックスのジオメトリ データを準備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 印刷デバイスを使用して物理的に作成できます。3D印刷デバイスは、3D 素材を使用してモデルの 2D レイヤーを 1 層ずつ形成します。3D モデルがなければ、3D 印刷は不可能です。

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]

3Dモデルは現在、  3Dグラフィックス や CADのあらゆる分野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の3Dグラフィックスの普及よりも古いものです 。^[9]

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できるようになる前に、  3Dモデルの事前レンダリングされた画像を スプライトとして使用して いました。デザイナーはモデルをさまざまな方向やビューで見ることができるため、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見ると、デザイナーや会社は製品に必要な変更や改善点を把握するのに役立ちます。^[10]

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、表現するオブジェクト（岩石など）の体積を定義します。ソリッドモデルは主にエンジニアリングや医療シミュレーションに使用され、通常は構造的な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 モデリングでは、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の違い、さまざまな分野での使用規則、およびモデルと現実の間の近似の種類の違いです。

シェル モデルは、実際のオブジェクト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。立方体のシェル モデルでは、立方体の底面と上面は均一な厚さでなければならず、印刷される最初の層と最後の層には穴や亀裂があってはなりません。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、最も一般的な表現です。レベル セットは、流体などの多くの位相変化を受ける変形サーフェスの表現に役立ちます。

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、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、投影は常に凸型になります)。^[11]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、このような場合、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。

モデルを表現する一般的な方法は 3 つあります。

• ポリゴン モデリング– 3D 空間内の点 (頂点) は線分で接続され、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、テクスチャ ポリゴン モデルとして構築されています。これは、柔軟性があり、コンピューターで非常に高速にレンダリングできるためです。ただし、ポリゴンは平面であり、多数のポリゴンを使用してのみ曲面を近似できます。
• 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。曲線は点をたどります (ただし、必ずしも補間するわけではありません)。点の重みを増やすと、曲線はその点に近づきます。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、およびジオメトリ プリミティブがあります。
• 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 (多くの場合、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) 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ムは、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。これらの方法では、モデルが形成されてディテールがスカルプティングされると、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 エンジンの場合) に転送されます。

モデリング ステージでは、後で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 テクニックには、次のようなものがあります。

• 構成的立体幾何学
• 暗黙のサーフェス
• サブディビジョンサーフェス

モデリングは、専用プログラム（Adobe Substance、Blender、Cinema 4D、LightWave、Maya、Modo、3ds Max、uMake、SketchUp、 Rhinoceros 3Dなどの3Dモデリングソフトウェアなど）またはアプリケーションコンポーネント（3ds MaxのShaper、Lofter）、または何らかのシーン記述言語（ 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）。

3D モデルは、 RealityCapture、Metashape、3DF Zephyrなどの専用プログラムを使用した写真測量の技術を使用して作成することもできます。クリーンアップとさらなる処理は、 MeshLab、GigaMesh Software Framework 、netfabb、MeshMixerなどのアプリケーションを使用して実行できます。写真測量では、被写体のさまざまな角度から撮影した写真に基づいて、現実世界のオブジェクトと環境の形状とテクスチャを解釈するアルゴリズムを使用し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 スプラット、またはスプライトが割り当てられた 3D座標の集合です。

エンジニアリング、インテリアデザイン、映画などの業界で使用できる 3D モデリング プログラムは多種多様です。各 3D モデリング ソフトウェアには特定の機能があり、業界の需要を満たすために活用できます。

多くのプログラムには、付加的または減算的な製造機械に適用可能な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、自動化技術を使用して、3Dモデルの現実世界の表現を形成します。このコードは、製品の製造手順を実行するための特定の命令セットです。^[12]

人間仮想モデルの最初の広く利用可能な商用アプリケーションは、1998 年にLands' End のWeb サイトで登場しました。人間仮想モデルは My Virtual Mode Inc. 社によって作成され、ユーザーは自分自身のモデルを作成し、3D の衣服を試着できるようになりました。仮想人間モデルの作成を可能にす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)。

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。 ^[13] 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、^[14]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。

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、自動計算、頭の中で視覚化したり推定したりするのではなく、フォトリアリスティックな効果を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場合の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。フォトリアリスティック効果の一部は、3D モデリング ソフトウェアに含まれる特殊なレンダリング フィルターを使用して実現できます。両方の長所を活かすために、一部のアーティストは 3D モデリングと、3D モデルからコンピューターでレンダリングした 2D イメージの編集を組み合わせて使用​​します。

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) の大規模な市場が存在します。これは、個々のモデル用または大規模なコレクション用です。TurboSquid、MyMiniFactory、Sketchfab、CGTrader、Cultsなど、3D コンテンツのオンライン 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、以前にプロジェクト用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では通常、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割し、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、顧客はモデルの使用および提示の権利のみを購入します。一部のアーティストは、仲介業者を介さずに製品を低価格で提供し、自社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121.3億ドルの価値があると推定されています。^[15]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。^{[16] [17]}

過去数年間、3D レンダリングとモデル印刷に特化したマーケットプレイスが数多く登場しました。3D印刷マーケットプレイスの中には、e コマース機能が組み込まれているものも組み込まれていないものも含め、モデル共有サイトを組み合わせたものもあります。これらのプラットフォームの中には、オンデマンドの 3D 印刷サービス、モデル レンダリング用ソフトウェア、アイテムの動的表示も提供するものがあります。

3Dプリンティングまたは3次元印刷という用語は、連続した材料の層から3次元の物体を作成する付加製造技術の一種です。^[18]複雑で高価な金型や複数の部品を組み立てることなく物体を作成できます。3Dプリンティングにより、生産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。^{[18] [19]}

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ができ、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る。^{[20] [21]}

今日、3Dモデリングは映画、アニメーション、ゲーム、インテリアデザイン、建築など様々な業界で使用されています。^[22]また、医療業界では解剖学のインタラクティブな表現を作成するためにも使用されています。^[23]

医療業界では臓器の詳細なモデルが使用されています。これらのモデルは、 MRIまたはCT スキャンからの複数の 2 次元画像スライスを使用して作成されることがあります。映画業界では、これらのモデルをアニメや実写映画のキャラクターやオブジェクトとして使用しています。ビデオ ゲーム業界では、これらのモデルをコンピューター ゲームやビデオ ゲームのアセットとして使用しています。

科学分野では、化合物の非常に詳細なモデルとしてそれらを使用しています。^[24]

建築業界では、従来の物理的な建築モデルの代わりに、3D モデルを使用して提案された建物や景観を示します。さらに、3D モデルの詳細レベル (LOD)の使用は、AEC 業界でますます重要になっています。LOD は、3D モデルに含まれる詳細度と精度の尺度です。LOD レベルは 100 から 500 までで、LOD 100 はオブジェクトの基本的なマスと位置を示す概念モデルを表し、LOD 500 はMEP システムや内装仕上げなど、建物のあらゆる側面に関する情報を含む非常に詳細なモデルを表します。LOD を使用することで、建築家、エンジニア、ゼネコンは、設計意図をより効果的に伝え、建設プロセス全体を通じてより多くの情報に基づいた決定を下すことができます。^{[25] [26]}

考古学界では現在、研究と視覚化のために文化遺産の3Dモデルを作成しています。^{[27] [28]}

エンジニアリング コミュニティでは、これらを新しいデバイス、車両、構造物の設計やその他さまざまな用途に活用しています。

ここ数十年、地球科学界は標準的な手法として 3D 地質モデルの構築を始めています。

3D モデルは、 3D プリンターやCNC マシンで構築される物理デバイスの基礎となります。

ビデオゲーム開発において、3D モデリングは長い開発プロセスの 1 つの段階です。オブジェクトの形状のジオメトリのソースには、次のようなものがあります。

1. 3D-CADシステムを使用するデザイナー、工業エンジニア、アーティスト
2. 3D形状デジタイザーまたは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
3. 物体の数値的記述や計算に基づいてメモリに保存される数学的データ。^[18]

機械モデルや部品を実際に製造する前に、それらのデジタル表現を構築するために、さまざまな 3D ソフトウェアも使用されています。CAD および CAM関連のソフトウェアを使用すると、オペレーターは部品のアセンブリの機能をテストできます。

3Dモデリングは工業デザインの分野で使用されており、製品を顧客に提示する前に3Dモデル化します^{[29] 。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ます。^[30]

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、乳白色、釉薬、ワニス、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などとは対照的です）。^[31] 3DモデルのRDF表現は推論に使用でき、たとえば2つの3Dモデルを体積で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。^[32]

無料辞書の Wiktionary で「modeler」を調べてください。

ウィキメディア・コモンズの 3D モデリングに関連するメディア