跳轉到內容

Blender 3D:從新手到專業/3D 幾何

來自華夏公益教科書,開放世界的開放書籍


如果你之前沒有學習過 3D 圖形、技術製圖或解析幾何,那麼你將學習一種新的視覺化世界的方式,這種能力是使用 Blender 或任何 3D 建模工具的基礎。

3D 建模基於幾何,這是數學的一個分支,它關注空間關係,特別是解析幾何,它用代數公式來表達這些關係。如果你學過幾何,一些術語對你來說會很熟悉。

座標和座標系

[編輯 | 編輯原始碼]

環顧你所在的房間。它很可能呈長方體形狀,有四面垂直的牆壁,彼此成直角,一個水平的平面地板和一個水平的平面天花板。

現在想象有一隻蒼蠅在房間裡嗡嗡地飛。蒼蠅在三維空間中移動。用數學術語來說,這意味著它在任何時刻在房間內的位置可以用三個數字的唯一組合來表示。

我們可以用無限多種方式——座標系——來制定定義和測量這些數字的約定,即座標。即使蒼蠅處於相同的位置,每個約定也會產生不同的值。座標只有在特定座標系中才有意義!為了縮小可能性範圍(純粹是任意選擇),讓我們用羅盤的方位標記房間的牆壁:按順時針方向依次為北、東、南和西。(如果你知道哪邊是真正的北,你可以隨意用它來標記房間的牆壁。否則,選擇你喜歡的任何一面作為北。)

考慮房間西南角的地板上的點。我們將這個(任意)點稱為座標系的原點,該點上的三個數字將是。三個數字中的第一個將是向東從西牆移動的距離(以某種合適的單位,例如米),第二個數字將是向北從南牆移動的距離,第三個數字將是高於地板的高度。

這些方向中的每一個都稱為(複數:),並且它們通常按順序標記為 X、Y 和 Z。仔細思考一下,你應該能夠說服自己房間空間內的每個點都對應於一組唯一的值,並且每種可能的值組合,其中,以及(其中是房間東西方向的尺寸,是它的南北方向的尺寸,是天花板和地板之間的距離)對應於房間中的一個點。

下圖說明了座標是如何建立的,使用了 Blender 用來標記其軸的相同顏色程式碼:紅色代表 X、綠色代表 Y、藍色代表 Z(如果你熟悉 RGB,一個簡單的方法是記住順序——紅 X、綠 Y、藍 Z)。在第二張圖片中,x值定義了一個平行於房間西牆的平面。在第三張圖片中,y值定義了一個平行於房間南牆的平面,在第四張圖片中,z值定義了一個平行於地板的平面。將這些平面放在第五張圖片中,它們會在一個唯一的點相交。

另一種理解一個點的座標(x,y,z)含義的簡單方法是,如果一個人從原點開始,分別沿著 x 軸、y 軸和 z 軸移動 x、y 和 z 個單位距離,以任何順序,他都會到達那個點。因此,例如,座標 (3,4,5) 表示一個人從原點開始沿著 x 軸移動 3 個單位距離、沿著 y 軸移動 4 個單位距離、沿著 z 軸移動 5 個單位距離到達的點。

這種座標系,其數字對應於垂直軸上的距離,稱為笛卡爾座標系,以 17 世紀首次提出這個概念的數學家勒內·笛卡爾命名。傳說,他在觀察一隻蒼蠅在他的臥室裡嗡嗡地飛時就想出了這個主意!

還有其他方法來定義座標系,例如用方向角代替一個或兩個距離測量值。這些方法在某些情況下很有用,但在 Blender 中,通常所有座標系都是笛卡爾座標系。然而,在 Blender 中,在這些座標系之間切換非常簡單且易於操作。

負座標

[編輯 | 編輯原始碼]

座標值可以為負數嗎?根據情況,答案是肯定的。這裡我們只考慮房間內的點。但假設我們沒有將原點放在西南角的底部,而是把它放在房間的中間,在地板和天花板之間。 (畢竟,這是一個任意點,我們可以把它放在我們喜歡的任何地方,只要我們同意它的位置。)如果 X 座標是向東從原點移動的距離,我們如何定義向西從原點移動的點?我們只需賦予它一個負的 X 座標即可。類似地,原點以北的點具有正的 Y 座標,原點以南的點具有負的 Y 座標。原點上方的點具有正的 Z 座標,原點下方的點具有負的 Z 座標。

座標系的左右手性

[編輯 | 編輯原始碼]

對於大多數笛卡爾座標系來說,慣例是右手系。要理解這一點,請將你右手的大拇指、食指和中指互相垂直握住

圖 1:三個軸構成右手系

現在將你的手擺成拇指指向正方向的 X 軸(座標數字增加的方向)、食指指向正方向的 Y 軸、中指指向正方向的 Z 軸。 另一種方法是,如果你將眼睛放在原點,並且可以看到指向正 X、正 Y 和正 Z 方向的三個箭頭(如圖 1 所示),那麼 X、Y、Z 的順序將是逆時針的。

圖 2:右手系的另一個檢視

另一種視覺化方法是,用右手握拳,捲起的指尖朝向自己。將拇指直接伸向右邊(X)。現在將食指指向正上方(Y)。最後,讓中指指向自己(Z)。這是從原點正上方看到的檢視。

旋轉軸

[編輯 | 編輯原始碼]

考慮一個旋轉的球體。球體上的每個點都在移動,除了沿著軸線的點。這些點形成一條靜止的線,球體圍繞著這條線旋轉。這條線被稱為旋轉軸

更準確地說,旋轉軸是指一個點或一條連線不改變位置的點的線,當觀察者假設自己相對於該物體的位置隨時間推移不變時,繪製的這條線。

按照慣例,旋轉軸的方向是指,如果你朝那個方向看,旋轉看起來是順時針的,如下所示,其中黃色箭頭表示旋轉運動,紫色箭頭表示旋轉軸。

為了記住這個慣例,用你的右手做出豎起大拇指的手勢。

如果旋轉方向與捲曲的指尖方向相同,則旋轉軸的方向被認為與拇指指向的方向相同。

這個手勢是右手定則的一種變體,有時被稱為右手握持定則螺旋定則右手拇指定則。從現在開始,我們將稱之為“右手握持定則”。

在描述旋轉物體的方向時,不要說它從左到右/順時針旋轉,或者從右到左/逆時針旋轉。這些說法本身都是沒有意義的,因為它們是相對於觀察者的。不要這樣說,而是找到旋轉軸的方向,並畫一個箭頭來表示它。那些瞭解右手握持定則的人能夠透過在解釋你的圖紙時使用該定則來確定物體旋轉的方向。

額外資源

[編輯 | 編輯原始碼]
華夏公益教科書