Einstieg in 3D Modeling: Die wichtigsten Begriffe

Vertices, Edges, Faces, Triangles, Quads, n-Gons und Polygone

Ein Vertex ist ein einzelner Eckpunkt eines 3D Objekts. Mehrere Vertices sind durch Edges verbunden. Füllt man den Raum zwischen Edges aus, erhält man Faces.

VerticesEdgesFaces.png

Der sichtbare Teil dieses Objekts besteht aus 11 Vertices, 16 Edges und 6 Faces. Es enthält drei Arten von Faces: Triangles (2 Stück, grün), Quads (3 Stück, blau) und ein n-Gon (rot). Triangles sind Faces mit 3 Vertices, Quads besitzen 4, als n-Gons werden Faces mit mehr als 4 Vertices bezeichnet. Der Begriff n-Gon leitet sich aus n (einer beliebigen Zahl) und Polygon, einem Vieleck, ab. Mathematisch gesehen sind alle Faces, auch Triangles und Quads, n-Gons, zur besseren Unterscheidung hat sich aber die Beschränkung auf Faces mit mehr als 4 Vertices etabliert. Polygon wird als Sammelbegriff für alle Arten von Faces benutzt. Fragt jemand nach dem Polycount eines Objekts, meint er damit jedoch in aller Regel die Anzahl der Triangles.

Achsen

Objekte im 3D Raum werden auf den drei Achsen x, y und z ausgerichtet. Je nach 3D Programm gibt es unterschiedliche Konventionen, welche Achse in welche Richtung zeigt. In Blender etwa zeigt die Y-Achse in die Tiefe, in Maya nach oben.

Gizmo

Gizmos.png

Im Bild zu sehen: Translate, Rotate und Scale Gizmo. Mit Hilfe eines Gizmos können Objekte verschoben, gedreht und skaliert, d.h. in ihrer Größe verändert werden.

Edge Loops

EdgeLoops.png

Ein Edge Loop ist eine fortlaufende Reihe von Edges, die eindeutig einer bestimmten Richtung folgen. Edge Loops entstehen immer dann, wenn eine Edge mit einem ihrer beiden Vertices an genau drei andere Edges angeschlossen ist. Der „Loop“ folgt dabei immer der mittleren der drei Edges. Im Bild ist zu sehen, dass der untere Edge Loop unterbrochen wird, weil die letzte Edge an mehr als drei, nämlich an fünf weitere Edges angeschlossen ist.

Edge Rings

EdgeRings.png

Ein Edge Ring ist eine fortlaufende Reihe von Edges, zwischen deren Vertices sich jeweils eine weitere Edge befindet, die nicht Teil des Rings ist.

Normals

Normals zeigen die Ausrichtung von Vertices und Faces an. Sie bestimmen auch, wie Licht auf Oberflächen dargestellt wird. Auf dem folgenden Bild sind Face Normals zu sehen. Face Normals zeigen immer senkrecht nach oben von einem Face weg.

FaceNormals.png

Auf dem nächsten Bild wurden die Faces im oberen Bereich einer Kugel geflippt. Ihre Normalen zeigen jetzt nach innen.

FaceNormalsSphere.png

Während Face Normals immer senkrecht auf einem Face stehen, können Vertex Normals ihre Ausrichtung ändern. Auf Bild 1 zeigen alle Normals senkrecht von den Faces weg. An den Edges gibt es harte Übergänge in der Beleuchtung. In Bild 2 nehmen die Vertexnormalen einen Mittelwert aus den beiden anliegenden Facenormalen ein. Je nach Programm wird diese Technik anders bezeichnet. In 3ds Max spricht man von einer Smoothing Group, in Maya sind es Soft Edges, in Blender unterscheidet man zwischen Edges und Sharp Edges. Das Ergebnis ist eine weichere Beleuchtung, die über das ganze Objekt läuft. In Bild 3 wurden zusätzlich zum weichen Übergang noch Support Edges (siehe unten) eingezogen. Das Ergebnis sieht man in Bild 4 ohne die Edges und Vertex Normals besser – noch immer weiche, aber klarer definierte Beleuchtung.

VertexNormals.png

Das Verhalten der Normals wirkt sich außerdem auf die Gesamtzahl der Vertices (den Vertex count) und somit auch auf den Ressourcenverbrauch eines einzelnen Objekts aus. Das Objekt auf Bild 2 besteht aus 5 Faces und 12 Vertices. Das Objekt auf Bild 1 besitzt zwar auch 5 Faces, hat aber 20 Vertices, auch wenn man im Programm nur 12 davon auswählen kann. An den harten Edges müssen die Vertices intern verdoppelt werden, da ein Vertex nur eine Ausrichtung haben kann. Es kommt zum so genannten „Vertex Split“, damit beide Faces hartkantig dargestellt werden können. Auf Bild 2 hingegen werden benachbarte Vertices verschmolzen, was zur weicheren Beleuchtung und weniger Vertices führt.

Backfaces und Backface Culling

Die Rückseite eines Faces wird als Backface bezeichnet. Bei aktiviertem Backface Culling werden die Rückseiten nicht dargestellt, sodass man durch sie hindurchsehen kann.

UV Layout und Unwrapping

Um ein Objekt texturieren zu können, müssen seine Faces auf einer Fläche ausgelegt werden. Das ist vergleichbar mit einer Orange, die man schält und die Schale danach flach ausbreitet. Der Vorgang wird Unwrapping genannt. Die fertig ausgebreiteten Teile bilden zusammen ein UV Layout. Das Zusammensetzen des Layouts aus den einzelnen Teilen bezeichnet man als Mapping.

Auf dem Bild ist links das UV Layout von einem Pilz zu sehen. Der Pilz wurde in drei Teile zerschnitten, den Stamm und die obere und untere Hälfte der Kappe. Jeder der drei von einander getrennten Bereiche wird als „Island“ bezeichnet.  Das UV Layout für diesen Pilz ist „unique“, da kein Island den Rand der quadratischen Textur verlässt. Die Textur ist genau auf das Objekt zugeschnitten.

UVLayout.jpg

UV Layouts für Objekte müssen nicht unique sein. Bei sich wiederholenden Texturen, den „Tileable Textures“, geht das UV Layout des Objekts über die Ränder der Textur hinaus. Das Layout wird dabei so ausgelegt, dass die sich wiederholende Textur möglichst gut auf das Objekt passt.

Lowpolys, Highpolys und Baking

Es gibt verschiedene Mittel und Wege, ein Objekt und dessen Texturen zu erstellen. Eine Methode ist, ein Objekt mit sehr hohem Detailgrad und Hunderttausenden oder Millionen von Polys zu erstellen. Dieses Objekt wird als Highpoly bezeichnet. Das Objekt, das tatsächlich im Spiel verwendet wird, hat wesentlich weniger Polygone – das Lowpoly. Die Details des Highpolys werden beim „Baking“ als Texturen auf das Lowpoly übertragen.

Der Pilz im folgenden Bild wurde gesculptet. Das Highpoly besteht aus 2,8mio Triangles. Daraus wurden eine Normal und Ambient Occlusion Map berechnet und auf das Lowpoly gelegt, das aus nur noch 528 Triangles besteht.

HighpolyLowpoly.jpgNormalAmbientOcclusion.jpg

Subdivision / Sub-D Modeling und Support Edges

Subdivision oder abgekürzt Sub-D Modeling beschreibt eine Technik des Modelns, die zum Erstellen von Highpolys verwendet wird. Man beginnt dabei mit einem Objekt mit relativ wenig Polygonen. Durch einen Modifier werden durch alle Edges des Objekts mittig neue Edges gezogen und die Edgewinkel geglättet. Das Bild zeigt ein Objekt ohne Subdivision, mit einfacher, zweifacher und zweifacher Subdivision ohne Wireframe (die sichtbaren Edges).

subd.jpg

Durch das Einfügen von „Support Edges“ parallel zu Edges, die scharf definiert bleiben sollen, lässt sich die Form des Objekts beeinflussen. Je näher Edges sich aneinander befinden, desto schärfer die Kante, die nach dem Subdivide entsteht.

subd2.jpg

Sculpting und Basemeshes

Beim Sculpting werden Highpolys nicht wie beim Sub-D Modeling durch gezieltes Setzen von Edges erstellt, sondern mit einer Arbeitsweise, die dem klassichen Arbeiten mit Ton ähnelt. Bekannte Sculptingprogramme sind zBrush, Mudbox und 3D Coat. Je nach Workflow macht es Sinn, mit einem Basemesh zu beginnen. Dieses Mesh ist so gleichmäßig wie möglich in Quads unterteilt, damit es im Scuptingprogramm einfacher weiter unterteilt und bearbeitet werden kann, da sich Quads beim Sculpten sehr viel besser handhaben lassen als Triangles. Da Sculptingprogramme inzwischen die Möglichkeit besitzen, dynamisch neue Geometrie zu generieren, werden Basemeshes nicht mehr für alle Aufgaben benötigt. Hier das Basemesh für den Pilz:

Basemesh.png

 

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