Was ist 3D-Polygon-Modellierung?

Jedes Polygon besteht aus mindestens drei Eckpunkten, die durch Kanten miteinander verbunden werden und eine geschlossene Form bilden. Drei Eckpunkte (oder Punkte) ergeben ein Dreieck (auch Tri von engl. Triangle), vier ein Viereck (Quad). Standardmäßig werden in einem Mesh (Gitternetz) nur Dreiecke oder Vierecke in größtmöglicher Anzahl verwendet. Polygone mit mehr Kanten als Vierecke werden als n-Gons bezeichnet. Für die 3D-Modellierung sollten sie nicht verwendet werden, weil sie eher zu Artefakten in Texturen und Materialien führen.

Wenn du verstehst, wie ein Polygon aufgebaut ist, wird dir die Modellierung leichter fallen. Wir sehen uns nun die Bestandteile eines Polygons und deren Rolle im Mesh eines 3D-Modells genauer an.

Ein Eckpunkt ist der Punkt, an dem sich zwei Kanten treffen. Wenn du einen Eckpunkt verschiebst, verändert sich automatisch die Position der beiden Kanten.

Eine Kante wird in Modellierungsprogrammen als Linie dargestellt. Eine Kante hat zwei Eckpunkte, an jedem Ende einen. Wenn sich mindestens drei Kanten an ihren Eckpunkten treffen, entsteht ein Polygon (Vieleck), bei drei Kanten also ein Dreieck.

Eine Fläche ist die flache 2D-Form, die bei der Bildung eines Polygons entsteht. In vielen Programmen für Polygonmodellierung kannst du einzelne Flächen eines Meshs auswählen und verschieben, um auf diese Weise das Mesh zu bearbeiten. Indem du die Position der Fläche veränderst, verschiebst du gleichzeitig die Kanten und Eckpunkte, aus denen sich die Fläche zusammensetzt.

Um besser zu verstehen, wie aus einem einfachen Polygon ein 3D-Modell wird, denke an den Aufbau eines Würfels. Ein Würfel hat sechs Flächen, 12 Kanten und acht Eckpunkte, die miteinander verbunden ein Objekt bilden. Nach demselben Grundprinzip erstellen CG-Artists mithilfe von Polygonen jede beliebige Form.

Ein genauer Blick auf das Gitterdrahtmodell (Wireframe oder Mesh) eines 3D-Objekts zeigt, dass sich jede Form – ob menschliches Gesicht oder Fantasiewesen – aus vielen Polygonen zusammensetzt.

Im Zusammenhang mit der Polygonmodellierung werden oft die folgenden Fachbegriffe verwendet.

Ein High-Poly-Modell bezieht sich auf ein Mesh, das mit einem sehr hohen Detailgrad und ohne Rücksicht auf die finale Anzahl der Polygone erstellt wurde. Viele High-Poly-Modelle entstehen jedoch völlig ohne Polygone (oder Polygonmodellierung), sondern werden mithilfe Voxel-basierter 3D-Methoden geformt.

Ein Voxel ist das dreidimensionale Äquivalent eines Pixels in einem 2D-Bild. Jedes Pixel speichert Farbinformationen. Ein Voxel ist im Prinzip dasselbe. Es handelt sich um einen einzelnen Punkt, der relevante 3D-Informationen speichert und eine bestimmte Stelle in einem dreidimensionalen Raster darstellt.

Mit diesen Methoden können Artists in Echtzeit 3D-Objekte formen. Das fertige 3D-Modell kann als Mesh exportiert werden, wobei Computer-Algorithmen die polygonale Modellierung übernehmen. Die Ergebnisse sind oft beeindruckend, erfordern jedoch aufgrund der Vielzahl an Polygonen mehr Speicherplatz und Rechenleistung. Daher der Name „High Poly“.

In vielen Branchen werden 3D-Modelle mit einer niedrigen Anzahl an Polygonen bevorzugt. Der Begriff „Low Poly“ bezieht sich auf Modelle mit weniger Polygonen und einem Mesh, das neu erstellt oder optimiert wurde, um die Polygonanzahl zu reduzieren.

Dies führt uns zum Begriff „Retopologie“: Bei diesem Prozess wird ein High-Poly-Modell in ein Low-Poly-Modell umgewandelt. Das geht mit mehreren Methoden. Manche Programme enthalten sogar spezielle Werkzeuge, die Artists bei der Retopologie unterstützen. Für viele Artists ist sie ein unverzichtbarer Schritt in ihrem Workflow.

Es ist gängige Praxis, die Topologie zu vereinfachen, aber die komplexere High-Poly-Version auf die Oberflächentexturen des Objekts zu backen. Auf diese Weise gehen kaum Details verloren, die Performance des Modells wird jedoch deutlich optimiert.

Hier haben wir einige grundlegende Techniken zur Polygonerstellung für die 3D-Modellierung zusammengestellt.

Extrusion ist eine grundlegende Modellierungstechnik, bei der Artists einen Mesh-Bereich, normalerweise eine Fläche oder Kante, auswählen und nach innen oder außen extrudieren. Auf diese Weise wird die ursprüngliche Form erweitert oder (in Form eines Tunnels) nach innen gezogen.

Unterteilung ist eine nützliche Technik zur Erstellung harmonischer 3D-Modelle aus Polygonen. Denke an unser vorheriges Beispiel eines einfachen Würfels mit nur sechs Flächen. Man könnte jede Fläche des Würfels in kleinere Viertel unterteilen. Beispiel: Ein Würfel wird einmal vertikal und einmal horizontal unterteilt. Das heißt, jede Fläche wird in vier kleinere Flächen unterteilt.

Mit dieser Technik kannst du mit einer Grundform als Ausgangsbasis für die Modellierung die Anzahl der Polygone erhöhen. Es gibt zwei Arten der Unterteilung.

• Gleichmäßige Unterteilung. Das gesamte Objekt wird gleichmäßig unterteilt. Das wirkt sich auf das ganze Mesh aus.

• Selektive Unterteilung. Bei dieser Methode der Unterteilung wählt der Artist nur einen Quadranten, z. B. eine Fläche, aus und unterteilt diesen in kleinere Unterelemente. Die anderen Mesh-Bereiche bleiben unverändert.

Für sich allein sind die Kanten eines Modells immer gestochen scharf. Denke wieder an den Würfel, bei dem zwei Flächen eine gemeinsame Kante haben. Selbst wenn du den Winkel zwischen den beiden Flächen so veränderst, dass er stumpf oder spitz ist, bleibt die Kante an sich scharf.

Mit Tools für Abschrägungen können Artists eine Kante auswählen, eine beliebige Anzahl an Abschrägungen hinzufügen und die Kante so glätten oder abrunden. Die Technik ist nützlich, sollte aber vorsichtig angewendet werden; denn es kann schnell passieren, dass unerwünschte Polygone hinzugefügt werden oder Konflikte mit der Topologie entstehen (wenn eine abgeflachte Kante zu viele Details umfasst).