Modelado 3D: Concepto y funcionamiento

El modelado 3D consiste en crear una representación matemática de cualquier objeto en tres dimensiones, ya sea un objeto inerte o un ser vivo, utilizando un software especializado. Esta representación, conocida como modelo 3D, puede ser visualizada como una imagen plana a través de un proceso llamado renderizado 3D o emplearse en simulaciones por computadora de fenómenos físicos. Además, el modelo puede materializarse físicamente mediante impresoras 3D.

Introducción

Con el avance continuo de la tecnología, el diseño tridimensional se ha transformado en una herramienta esencial que abre nuevas oportunidades para abordar los desafíos modernos en campos como la arquitectura, la ingeniería, la construcción, el diseño, la manufactura y el entretenimiento. El modelado 3D facilita la visualización precisa de productos antes de su fabricación.

Es especialmente útil para simular procesos mecánicos y procedimientos médicos, y se utiliza ampliamente en el cine, la televisión, los videojuegos y la publicidad. Estudiar modelado 3D te brinda la oportunidad de impulsar innovaciones tecnológicas y contribuir al progreso global.

El modelado tridimensional implica la creación de una imagen digital en 3D de un objeto utilizando un software CAD (Diseño Asistido por Computadora). Mediante los algoritmos del programa, se genera una representación matemática en tres dimensiones que se basa en vértices o puntos con coordenadas espaciales, conectados por aristas, ya sean rectas o curvadas.

Estas aristas forman superficies en forma de caras o polígonos. La colección de estos polígonos constituye una malla 3D que permite visualizar el modelo. Esta técnica es capaz de representar con exactitud cualquier forma, desde líneas sencillas hasta estructuras más complejas.

Modelos

Los modelos tridimensionales representan objetos en un espacio 3D mediante una colección de puntos conectados por diversas entidades geométricas como triángulos, líneas y superficies curvas. Estos modelos, que son conjuntos de datos (puntos y otras informaciones), pueden ser creados manualmente, a través de algoritmos o mediante escaneo.

Los modelos 3D son fundamentales en gráficos tridimensionales, y su uso se remonta a la era previa al renderizado en tiempo real por ordenador. Por ejemplo, algunos videojuegos antiguos empleaban imágenes pre-renderizadas de modelos 3D como sprites antes de que los sistemas pudieran renderizar en tiempo real. Actualmente, los modelos 3D se aplican en diversos campos.

En la medicina, se utilizan modelos detallados de órganos generados a partir de imágenes 2D de resonancias magnéticas o tomografías computarizadas. En el cine, se emplean para crear personajes y objetos animados o en películas en movimiento. La industria de los videojuegos utiliza estos modelos como recursos para el desarrollo de juegos. En el ámbito científico, se crean modelos precisos de componentes químicos. La arquitectura se beneficia de modelos 3D para presentar propuestas de edificios y paisajes mediante software especializado.

La ingeniería utiliza estos modelos para diseñar nuevos artefactos, vehículos y estructuras. En las ciencias de la tierra, los modelos geológicos 3D se han convertido en una práctica estándar. Además, los modelos 3D pueden servir como base para la fabricación de objetos físicos mediante impresoras 3D o máquinas CNC.

¿Cuál es el Proceso de modelado?

Existen tres métodos populares para representar un modelo:

1. Modelado Poligonal: En este método, los puntos en un espacio 3D, denominados vértices, se conectan para formar una malla de polígonos. La mayoría de los modelos 3D actuales se construyen utilizando este tipo de modelado debido a su flexibilidad y la rapidez con la que las computadoras pueden renderizarlos. Sin embargo, como los polígonos son planos, solo pueden aproximar superficies curvas mediante la combinación de múltiples polígonos.
2. Modelado de Curvas: En este enfoque, las superficies se definen mediante curvas que se ajustan según el peso de los puntos de control. Estas curvas pueden seguir (pero no necesariamente interpolar) los puntos definidos. Aumentar el peso de un punto hace que la curva se acerque más a dicho punto. Entre los tipos de curvas utilizadas se encuentran las B-splines no uniformes racionales (NURBS), chavetas, parches y primitivas geométricas.
3. Escultura Digital: Aunque es un método relativamente reciente, la escultura digital en 3D ha ganado popularidad rápidamente. Existen tres tipos principales de escultura digital:
   • Desplazamiento: Utiliza un modelo denso (a veces generado a partir de superficies subdivididas) y almacena las posiciones de los vértices en un mapa de 32 bits que guarda ajustes de ubicación.
   • Volumétrico: Basado en vóxeles, este método ofrece capacidades similares al desplazamiento, pero no se ve afectado por la falta de polígonos en una región específica para lograr deformaciones.
   • Teselación Dinámica: Este método es parecido al volumétrico, pero divide la superficie mediante triangulación para mantener una superficie lisa y permitir más detalles finos.

Estos métodos permiten una exploración más artística del modelado, ya que los modelos pueden tener una topología nueva creada varias veces, con detalles esculpidos de manera más refinada. La nueva malla generalmente transfiere la información original de alta resolución a datos de desplazamiento o mapas normales, especialmente si se utiliza en un motor de juego.

Ventajas del modelado 3D

El modelado 3D puede acelerar considerablemente el desarrollo de tus proyectos. Te permite crear un modelo a partir de un simple boceto en 2D y modificarlo sin necesidad de dibujar diferentes vistas. Los programas especializados facilitan la automatización de tareas, permitiéndote avanzar rápidamente con alta precisión. Además, puedes ajustar los modelos de forma ágil para integrar nuevas ideas y sugerencias.

Con el modelado 3D, puedes evitar la necesidad de prototipos físicos y realizar pruebas con un prototipo digital en diversas condiciones. Por ejemplo, puedes evaluar la resistencia de componentes mecánicos a factores como compresión, tracción, torsión y flexión. Esto no solo aumenta la seguridad del proyecto, sino que también ayuda a reducir los costos de producción al evitar ajustes y modificaciones innecesarios.

Gracias a los recursos disponibles, un solo especialista puede encargarse de múltiples aspectos del desarrollo, lo que contribuye a la reducción de gastos en personal.

Además, al crear un prototipo tridimensional, se genera documentación detallada que clarifica todos los aspectos del proyecto, facilitando la reproducción precisa del objeto si fuera necesario.

Tipos de modelado 3D

Dependiendo de las necesidades específicas de cada industria y del software utilizado, existen diversos métodos de modelado 3D. Aquí te presento algunos de los más comunes:

1. Modelado de Cajas: Este método utiliza las partes básicas de un objeto, como caras, aristas y vértices, para construir un modelo a partir de una forma primitiva. Es particularmente útil en el diseño arquitectónico y en la creación de objetos con superficies duras.
2. Modelado de Polígonos: Aquí, el proceso comienza con un solo vértice o una figura geométrica plana, y el modelo se desarrolla pieza por pieza. Aunque este enfoque puede resultar en modelos más detallados, también requiere un mayor trabajo con bordes y vértices. A diferencia del modelado de cajas, los modelos creados con esta técnica tienden a ser más orgánicos, aunque también se utilizan para superficies duras.
3. Modelado de Curvas: En este tipo de modelado, se utilizan curvas para crear superficies tridimensionales conocidas como NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines). Manipulando los puntos de control, se pueden generar superficies curvas suaves y formas complejas. Es un método muy versátil, empleado en el diseño de productos en diversas industrias.
4. Modelado Orgánico: Este enfoque se asemeja a la creación de una escultura digital. Comienza con una base y se le da forma utilizando una serie de herramientas de modelado que permiten esculpir el objeto de manera libre y añadir detalles específicos. Es ideal para el diseño de personajes y formas más detalladas y complejas.