Alles, was Sie über die Polygonmodellierung im 3D-Druck wissen müssen

Polygone sind ein wichtiger Bestandteil der 3D-Modellierung und ermöglichen es uns, komplexe Objekte präzise zu erstellen. Durch die Verbindung einfacher Formen entstehen aus ihnen die vielseitigen sowie dreidimensionalen Modelle, die für den 3D-Druck verwendet werden können. Doch wie genau funktionieren Polygone, wie kommen sie in der 3D-Modellierung zum Einsatz und welche Rolle spielen Sie im 3D-Druck? Wir beantworten Ihnen diese Fragen in folgendem Leitfaden.

Polygone sind zweidimensionale Flächen, welche verwendet werden, um 3D-Meshes, also Gitternetzstrukturen, zu erschaffen. Sie bestehen aus Punkten im 3D-Koordinatensystem, die durch Kanten miteinander verbunden sind, um die gewünschte Form zu bilden. Drei verbundene Punkte bilden eine Fläche in Form eines Dreiecks, das als kleinste Art eines Polygons gilt. Jedoch können Polygone auch mehr als drei Ecken haben, wie zum Beispiel Vierecke oder Vielecke. Werden mehrere dieser Flächen miteinander verbunden, entsteht ein 3D-Objekt, das durch die Punkte und Kanten dann einem Drahtgitter ähnelt. Ein Polygon besteht also immer aus mindestens drei Eckpunkten, die durch Kanten verbunden sind, um eine geschlossene Fläche zu bilden. Außerdem werden Polygone mit mehr als vier Kanten als n-Gons bezeichnet, die jedoch für die 3D-Modellierung eher ungeeignet sind. 

(Bild: CGI Furniture)

Die verschiedenen Komponenten von Polygonen

Außerdem gibt es unterschiedliche Komponenten von Polygonen. Ein Beispiel ist der Eckpunkt, genauer gesagt der Treffpunkt von zwei Kanten. Wenn ein Eckpunkt verschoben wird, verändern sich auch die Positionen der beiden Kanten, die an diesem Punkt miteinander verbunden sind. Sie sind entscheidend, da sie die Basis für die Kanten eines Polygons bilden. Darüber hinaus gibt es Kanten, also Linien, die in einem Modellierungsprogramm zwei Eckpunkte miteinander verbinden. Sie sind die Verbindungsstücke, die die Form eines Polygons aufbauen. Wird eine Kante verschoben oder verändert, hat dies Auswirkungen auf das gesamte Polygon, da sie die Struktur zwischen den Eckpunkten bildet.

Nicht zu vergessen sind außerdem Flächen, welche dann entstehen, wenn Kanten miteinander verbunden werden und eine geschlossene 2D-Form bilden. Ändert sich die Position einer Fläche, wirkt sich dies auch auf die verbundenen Ecken und Kanten aus, da diese Elemente die Fläche definieren. Jede Veränderung der Fläche beeinflusst somit die gesamte Geometrie des 3D-Modells.

(Bild: Universität zu Köln)

Techniken der Polygonmodellierung

Die wichtigsten Techniken der Polygonmodellierung sind Extrusion, Unterteilung und Abschrägung. Bei der Extrusion wird ein bestimmter Bereich eines Meshes, sei es eine Fläche oder eine Kante, ausgewählt und anschließend nach innen oder außen gezogen. Dieser Prozess erweitert die ursprüngliche Form und erstellt eine neue Fläche, die in Größe und Form gleich bleibt und durch eine Fläche mit den vorhandenen Kanten verbunden wird. Zudem ist es eine grundlegende Methode, um Volumen hinzuzufügen und komplexe Formen zu erstellen. Die Unterteilung hingegen ist eine Technik, die verwendet wird, um harmonische 3D-Modelle zu erzeugen, indem jede Fläche eines Modells in kleinere Flächen unterteilt wird. Dabei fügt man neue Scheitelpunkte (Vertices) hinzu, um die Flächen und Kanten in kleinere Abschnitte zu zerlegen, wodurch die Anzahl der Polygone erhöht wird. Anschließend gibt es auch die Abschrägung, eine Technik, um scharfe Kanten eines Modells zu glätten oder abzurunden. In der Regel sind Kanten sehr scharf, was in vielen Fällen unnatürlich wirkt und Abschrägungstools erlauben es deshalb, diese Kanten abzurunden. Nützlich ist dies, um realistische und weiche Übergänge zu erzielen, muss jedoch vorsichtig angewendet werden, da Abschrägungen auch zu Konflikten mit der Topologie führen können.

Der Unterschied zwischen High-Poly und Low-Poly

In der 3D-Modellierung unterscheidet man grundsätzlich zwischen High-Poly und Low-Poly. Ein High-Poly-Modell zeichnet sich durch eine hohe Detailgenauigkeit aus und enthält eine große Anzahl von Polygonen. Viele High-Poly-Modelle entstehen nicht durch klassische Polygonmodellierung, sondern durch voxelbasierte 3D-Methoden. Voxel entsprechen dabei dem 3D-Gegenstück zu Pixeln in 2D-Bildern, das heißt sie bestehen aus Punkten, die wichtige Informationen speichern. (Mithilfe von Voxel-Technologien können in Echtzeit 3D-Objekte erstellt werden, die anschließend als Mesh exportiert werden, wobei die polygonale Modellierung durch Computer-Algorithmen übernommen wird.) Aufgrund der hohen Anzahl an Polygonen benötigen diese Modelle meist aber viel Speicherplatz. Im Gegensatz dazu stehen Low-Poly-Modelle, die eine geringe Anzahl an Polygonen enthalten. Sie sind besonders in Bereichen der Computergrafik und Animation üblich. Low-Poly-Modelle sind optimiert, um die Polygonanzahl zu reduzieren, während ihre Gesamtform und Struktur erhalten bleiben. Ein Begriff, der in diesem Zusammenhang oft verwendet wird, ist Retopologie. Hierbei handelt es sich um den Prozess, ein High-Poly-Modell in ein Low-Poly-Modell umzuwandeln, wobei spezielle Werkzeuge und Programme zum Einsatz kommen, um diesen Übergang zu erleichtern. Häufig wird dabei die Topologie des Modells vereinfacht, während die Details der Oberfläche durch Texturen erhalten bleiben, sodass kaum sichtbare Details verloren gehen.

Der Unterschied zwischen High-Poly und Low-Poly. (Bild: 3DCoat)

Vor- und Nachteile von Polygonen 

Grundsätzlich erleichtert das Verständnis von Polygonen die Modellierung in der 3D-Grafik. Darüber hinaus sind Polygone einfach zu handhaben und zu kombinieren, was den Prozess benutzerfreundlicher macht. Eine der größten Vorteile ist jedoch, dass Polygone durch Textur-Mapping unkompliziert bearbeitet werden können. Auch lassen sich Polygone häufig als einzelne Flächen modellieren, was die Arbeit vereinfacht. Technisch gesehen bestehen sie zudem aus verschiedenen Seiten, was es ermöglicht, Oberflächen in beliebiger Größe zu erstellen und flexible, komplexe Formen zu gestalten.

Jedoch gibt es auch einige Nachteile bei der Verwendung von Polygonen. Um sehr detaillierte Modelle zu erstellen, sind häufig Tausende von Polygonen erforderlich, was zu einer erheblichen Steigerung der Dateigröße und des Rechenaufwands führt. Außerdem können Polygone nicht immer für bestimmte Techniken wie Paint FX verwendet werden, da diese oft mit feineren Details arbeiten, die über die Kapazitäten eines einzelnen Polygons hinausgehen. Die Modellierung von sehr organischen oder komplexen Formen kann sich mit Polygonen als schwierig herausstellen, da diese durch ihre geraden Kanten Einschränkungen bei der Formgebung mit sich bringen. Da Polygone nur aus geraden Linien bestehen, müssen Kurven durch eine Vielzahl kleiner, gerader Linien approximiert werden und das bedeutet: Je mehr Polygone verwendet werden, desto genauer kann eine Kurve nachgebildet werden, allerdings führt dies zu einer höheren Dateigröße.

Diese Kugeln zeigen, wie sich die Detailstufe auf ein Modell auswirkt: Mit 2048, 512 und 128 Polygonen wird das Modell mit zunehmender Polygonanzahl glatter und detaillierter, während weniger Polygone zu einem weniger präzisen Modell führen. (Bild: Universität zu Köln)

Wichtigkeit der Polygonmodellierung im 3D-Druck

Die Anzahl und Anordnung der Polygone in einem 3D-Modell haben einen direkten Einfluss auf die Druckqualität und die Verarbeitungszeit, denn Modelle mit einer hohen Polygonanzahl sind oft schwerfällig und können lange Verarbeitungszeiten verursachen, da sie eine erhöhte Rechenleistung erfordern. Andererseits können Modelle mit zu wenigen Polygonen unzureichende Details aufweisen und möglicherweise das gewünschte Detailniveau nicht erreichen. Demnach ist die Optimierung der Polygonanzahl, durch Vereinfachung des Modells ohne dabei wichtige Details zu verlieren, eine entscheidende Maßnahme, um ein Gleichgewicht zwischen Detailgenauigkeit und Effizienz zu finden. Zudem sorgt eine angemessene Polygonzahl dafür, dass das Modell in einer akzeptablen Zeit verarbeitet werden kann. Zusätzlich zur Anzahl der Polygone ist auch die Ausrichtung der Polygone im 3D-Objekt von großer Bedeutung, denn jedes Polygon hat eine Innen- und eine Außenseite, und für den 3D-Druck muss die richtige Ausrichtung der Polygone berücksichtigt werden. Wird diese Ausrichtung nicht korrekt beachtet, so können Probleme beim Drucken entstehen. Eine gründliche Datenprüfung vor dem Druck ist aus diesem Grund sehr empfehlenswert.

Verfügbare Programme 

Wie vermutlich bereits deutlich geworden ist, kann die Polygonmodellierung oft zeitaufwendig sein, weshalb es viele, unterschiedliche Programme gibt, die den Prozess erleichtern. Eines der Programme ist Substance 3D Modeler (Voxel-basiert), ein leistungsfähiges Programm von Adobe, das auf die Modellierung von Polygonen und die Erstellung detaillierter 3D-Modelle ausgerichtet ist. Auch eignet sich Polygonica, ein 3D-Software-Toolkit zur Verarbeitung von Polygonnetzen, das vor allem bei der Bearbeitung und Optimierung von komplexen 3D-Modellen hilfreich ist. Aber auch Figuro kann als leistungsstarkes Werkzeug zur Modellierung und Optimierung von 3D-Polygonmodellen, die Effizienz bei der Vorbereitung von Modellen für den 3D-Druck verbessern. Auch viele 3D-Modellierungssoftwares verfügen über Funktionen zur 3D-Polygonmodellierung, wie beispielsweise Maya, Blender oder 3ds Max. Die Software Maya bietet beispielsweise eine Einleitung in die Polygonmodellierung. Mehr dazu in diesem Video:

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*Titelbildnachweis: Ebal Studios