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Blender 3D:从新手到专业/3D 几何

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如果你之前没有学习过 3D 图形、技术制图或解析几何,那么你将学习一种新的可视化世界的方式,这种能力是使用 Blender 或任何 3D 建模工具的基础。

3D 建模基于几何,这是数学的一个分支,它关注空间关系,特别是解析几何,它用代数公式来表达这些关系。如果你学过几何,一些术语对你来说会很熟悉。

坐标和坐标系

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环顾你所在的房间。它很可能呈长方体形状,有四面垂直的墙壁,彼此成直角,一个水平的平面地板和一个水平的平面天花板。

现在想象有一只苍蝇在房间里嗡嗡地飞。苍蝇在三维空间中移动。用数学术语来说,这意味着它在任何时刻在房间内的位置可以用三个数字的唯一组合来表示。

我们可以用无限多种方式——坐标系——来制定定义和测量这些数字的约定,即坐标。即使苍蝇处于相同的位置,每个约定也会产生不同的值。坐标只有在特定坐标系中才有意义!为了缩小可能性范围(纯粹是任意选择),让我们用罗盘的方位标记房间的墙壁:按顺时针方向依次为北、东、南和西。(如果你知道哪边是真正的北,你可以随意用它来标记房间的墙壁。否则,选择你喜欢的任何一面作为北。)

考虑房间西南角的地板上的点。我们将这个(任意)点称为坐标系的原点,该点上的三个数字将是。三个数字中的第一个将是向东从西墙移动的距离(以某种合适的单位,例如米),第二个数字将是向北从南墙移动的距离,第三个数字将是高于地板的高度。

这些方向中的每一个都称为(复数:),并且它们通常按顺序标记为 X、Y 和 Z。仔细思考一下,你应该能够说服自己房间空间内的每个点都对应于一组唯一的值,并且每种可能的值组合,其中,以及(其中是房间东西方向的尺寸,是它的南北方向的尺寸,是天花板和地板之间的距离)对应于房间中的一个点。

下图说明了坐标是如何建立的,使用了 Blender 用来标记其轴的相同颜色代码:红色代表 X、绿色代表 Y、蓝色代表 Z(如果你熟悉 RGB,一个简单的方法是记住顺序——红 X、绿 Y、蓝 Z)。在第二张图片中,x值定义了一个平行于房间西墙的平面。在第三张图片中,y值定义了一个平行于房间南墙的平面,在第四张图片中,z值定义了一个平行于地板的平面。将这些平面放在第五张图片中,它们会在一个唯一的点相交。

另一种理解一个点的坐标(x,y,z)含义的简单方法是,如果一个人从原点开始,分别沿着 x 轴、y 轴和 z 轴移动 x、y 和 z 个单位距离,以任何顺序,他都会到达那个点。因此,例如,坐标 (3,4,5) 表示一个人从原点开始沿着 x 轴移动 3 个单位距离、沿着 y 轴移动 4 个单位距离、沿着 z 轴移动 5 个单位距离到达的点。

这种坐标系,其数字对应于垂直轴上的距离,称为笛卡尔坐标系,以 17 世纪首次提出这个概念的数学家勒内·笛卡尔命名。传说,他在观察一只苍蝇在他的卧室里嗡嗡地飞时就想出了这个主意!

还有其他方法来定义坐标系,例如用方向角代替一个或两个距离测量值。这些方法在某些情况下很有用,但在 Blender 中,通常所有坐标系都是笛卡尔坐标系。然而,在 Blender 中,在这些坐标系之间切换非常简单且易于操作。

负坐标

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坐标值可以为负数吗?根据情况,答案是肯定的。这里我们只考虑房间内的点。但假设我们没有将原点放在西南角的底部,而是把它放在房间的中间,在地板和天花板之间。 (毕竟,这是一个任意点,我们可以把它放在我们喜欢的任何地方,只要我们同意它的位置。)如果 X 坐标是向东从原点移动的距离,我们如何定义向西从原点移动的点?我们只需赋予它一个负的 X 坐标即可。类似地,原点以北的点具有正的 Y 坐标,原点以南的点具有负的 Y 坐标。原点上方的点具有正的 Z 坐标,原点下方的点具有负的 Z 坐标。

坐标系的左右手性

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对于大多数笛卡尔坐标系来说,惯例是右手系。要理解这一点,请将你右手的大拇指、食指和中指互相垂直握住

图 1:三个轴构成右手系

现在将你的手摆成拇指指向正方向的 X 轴(坐标数字增加的方向)、食指指向正方向的 Y 轴、中指指向正方向的 Z 轴。 另一种方法是,如果你将眼睛放在原点,并且可以看到指向正 X、正 Y 和正 Z 方向的三个箭头(如图 1 所示),那么 X、Y、Z 的顺序将是逆时针的。

图 2:右手系的另一个视图

另一种可视化方法是,用右手握拳,卷起的指尖朝向自己。将拇指直接伸向右边(X)。现在将食指指向正上方(Y)。最后,让中指指向自己(Z)。这是从原点正上方看到的视图。

旋转轴

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考虑一个旋转的球体。球体上的每个点都在移动,除了沿着轴线的点。这些点形成一条静止的线,球体围绕着这条线旋转。这条线被称为旋转轴

更准确地说,旋转轴是指一个点或一条连接不改变位置的点的线,当观察者假设自己相对于该物体的位置随时间推移不变时,绘制的这条线。

按照惯例,旋转轴的方向是指,如果你朝那个方向看,旋转看起来是顺时针的,如下所示,其中黄色箭头表示旋转运动,紫色箭头表示旋转轴。

为了记住这个惯例,用你的右手做出竖起大拇指的手势。

如果旋转方向与卷曲的指尖方向相同,则旋转轴的方向被认为与拇指指向的方向相同。

这个手势是右手定则的一种变体,有时被称为右手握持定则螺旋定则右手拇指定则。从现在开始,我们将称之为“右手握持定则”。

在描述旋转物体的方向时,不要说它从左到右/顺时针旋转,或者从右到左/逆时针旋转。这些说法本身都是没有意义的,因为它们是相对于观察者的。不要这样说,而是找到旋转轴的方向,并画一个箭头来表示它。那些了解右手握持定则的人能够通过在解释你的图纸时使用该定则来确定物体旋转的方向。

额外资源

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