3D Design یا طراحی سه‌بعدی چه تاریخچه‌ای دارد؟ طراحی سه بعدی چه مراحلی را پشت سر گذاشته است؟ چه پیشرفت‌ها و تکنولوژی‌هایی به تولد و توسعه‌ی طراحی سه بعدی کمک کرده است؟ انسان از چه زمانی می‌خواست تصاویر را سه بعدی ثبت کند؟ 

طراحی سه بعدی در طول زمان پیشرفت کرد. این‌طور نبوده است که یک نفر یک‌شبه پرینتر سه بعدی را اختراع کند. اغراق نیست اگر گفته شود که انسان همیشه به دنبال این بود که تصاویر دو بعدی را به سه بعدی تبدیل کند. بالاخره جهانی که ما در آن زندگی می‌کنیم، جهانی سه بعدی است. پس، تصویر سه بعدی به واقعیت نزدیک‌تر است تا تصویر دو بعدی. 

در این محتوا شما را با تاریخ طراحی سه بعدی آشنا می‌کنم و به سوالاتی که طرح شد، پاسخ می‌دهم. اگر 3D دیزاینر هستید یا علاقه دارید که طراحی سه بعدی را یاد بگیرید، بهتر است تا با تاریخچه 3D دیزاین آشنا شوید. چون وقتی گذشته را بدانید، می‌توانید آینده را پیش‌بینی کنید. درنتیجه، تبدیل به طراحی می‌شوید که به‌ خوبی می‌‌داند مدل‌سازی سه بعدی چرا و از کجا آمده و قرار است چه تحولاتی را در آینده ایجاد کند.

تاریخچه طراحی سه بعدی

برای آسان‌تر شدن کار، سیر تاریخی تحول و پیشرفت در مدل‌سازی و طراحی سه بعدی به دو دسته‌ی کلی تفسیم شده است: طراحی سه بعدی پیش از قرن ۲۱ و 3D دیزاین در قرن ۲۱. عنوان اول از تلاش‌های بشر برای پیدا‌کردن راهی برای به تصویر کشیدن اجسام سه بعدی شروع و به تولد نرم‌افزارهای طراحی و دیزاین ختم می‌شود. دومین عنوان تحولات طراحی سه بعدی را از دهه‌ی پایانی قرن ۲۰ به بعد تا حال حاضر دنبال می‌کند.

 شاید باور نکنید اما طراحی سه بعدی تاریخی طولانی دارد. تاریخی که با پیشرفت در علم ریاضی، مخصوصا علم هندسه، گره خورده است. تصویرسازی سه بعدی روی کاغذ و بعد در نرم‌افزارهای 3D دیزاین مانند بلندر را فرمول‌های ریاضی ممکن کردند. 

طراحی سه بعدی پیش از قرن ۲۱

 تلاش برای درک‌ کردن و به تصویر کشیدن فضای سه بعدی از قرن ششم پیش از میلاد، و شاید هم پیش از آن، آغاز شده بود. هندسه تلاشی بود برای مدل‌سازی جهان مادی و اشیا و اجسام آن. در قرن سوم پیش از میلاد بود که اقلیدس اصول اولیه‌ی هندسه را در کتابش تدوین کرد و به همین دلیل، به او لقب پدر هندسه یا بنیان‌گذار علم هندسه را دادند.

علم هندسه با ویژگی‌های فضا و نقاط (که خطوط و اشکال را تشکیل می‌دهند) سروکار دارد. اجسام بُعد دارند. پس، بعد نیز یکی از موضوعاتی است که در هندسه به آن پرداخته می‌شود. مطالعه‌ و بررسی ویژگی‌های صفر بعدی‌ها (ذرات بدون ابعاد)، یک بعدی‌ها (خط)، دو بعدی‌ها (صفحه)، سه بعدی‌ها (اشیا) و چهار بعدی‌ها (فضایی که از گسترش قانون سه بعدی به دست می‌آید) از جمله مباحث علم هندسه است.

اما این‌طور نیست که از اول تکلیف همه‌چیز در هندسه روشن بوده باشد. هندسه نیز مانند هر علمی با کوشش‌های دانشمندان و ریاضی‌دانان در قرون بعدی تکمیل شد. در هندسه‌ی اقلیدسی چیزی به نام محور مختصات وجود نداشت تا بشود اشکال سه بعدی را با داشتن طول و عرض و ارتفاع رسم کرد. 

قرن ۱۷ و دستگاه مختصات دکارتی 

 اجسام سه بعدی را روی محور مختصات و با ۳ نقطه (طول، عرض و ارتفاع) نشان می‌دهند. رنه دکارت، فیلسوف و ریاضی‌دان معروف فرانسوی، در قرن ۱۷ دستگاه مختصات را به هندسه افزود و راه را برای پیشرفت‌های بعدی باز کرد. درواقع، محور مختصات دکارتی پایه‌ی ریاضی مدل‌سازی سه بعدی است.

اگر با مدل‌سازی سه بعدی در نرم افزارهای طراحی سه بعدی، مثلا بلندر، آشنا باشید؛ می‌دانید که آنجا هم طراح با محور مختصات سروکار دارد. نرم‌افزارهای طراحی سه بعدی براساس محور مختصات طراحی و توسعه داده شده‌‌اند. چون برای ساختن مدل سه بعدی اشیای واقعی (یا حتی خیالی) در دنیای مجازی و در صفحه‌ی کامپیوتر به طول و عرض و ارتفاع آن‌ها و محاسبات دقیق نیاز است. 

این را هم بگویم که مدل سازی سه بعدی (3D Modeling) اولین مرحله از طراحی سه بعدی است که در آن دیزاینر طرح اولیه‌ی چیزی را که می‌خواهد در فضای سه بعدی بسازد، می‌کشد. بعد سطح شی را کامل، زاویه‌ی تابش نور و جزئیات را اضافه می‌کند و درنهایت از آن رندر (Render) می‌گیرد. 

اگر می‌‌خواهید بیشتر درباره‌ی 3D Rendering و اهمیت آن بدانید، مقاله‌ی «طراحی سه بعدی یا عکاسی از محصول، کدام انتخاب بهتری است؟» را بخوانید. 

قرن ۲۰ و تولد Computer-aided Design (CAD)

کامپیوتر چیست؟ ماشین‌حسابی بسیار سریع که می‌تواند محاسبات سخت و پیچیده را برای انسان در کم‌ترین زمان ممکن انجام دهد. کامپیوتر با همین ایده‌ اختراع شد. کسی از کامپیوتر برای طراحی (دیزاین) استفاده نمی‌کرد. چون کامپیوتر قرار بود محاسبات انجام دهد و به مهندسان کمک کند. کامپیوتر ابزاری برای آفرینش‌های هنری نبود. اما من و شما خوب می‌دانیم که به ابزار قدرتمندی برای خلق آثار هنری تبدیل شد.

وقتی کامپیوتر برای محاسبات پیچیده استفاده می‌شود، چرا نباید با آن موتور ماشین یا خانه طراحی کرد یا حتی نقاشی کشید؟ در سال ۱۹۶۳، Ivan Edvard Sutherland نرم‌افزاری به نام Sketchpad را ساخت که کامپیوتر را به وسیله‌ای برای دیزاین و طراحی گرافیک تبدیل کرد. اسکچ‌پد مثل یک دفتر نقاشی است، البته یک دفتر نقاشی سه بعدی. پس، از کامپیوتر برای طراحی و تولید هر نوع تصویری، یعنی گرافیک کامپیوتری (Computer Graphics)، هم می‌شود استفاده کرد.  

در سال ۱۹۶۴، شرکت General Motors و IBM اعلام کردند که با همکاری یکدیگر برنامه‌‌ی کامپیوتری یکپارچه‌ای برای طراحی ماشین ساخته‌اند. نام آن برنامه Design Augmented by Computer بود. پس از آن بود که نرم‌افزارهای CAD (دیزاین به‌ وسیله‌ی یا به کمک کامپیوتر) زیادی برای طراحی در حوزه‌ها و صنایع مختلف ساخته شد. 

خودروسازی، معماری، طراحی و ساخت موتورها و دستگاه‌های پیچیده و سنگین صنعتی، شهرسازی، صنعت سینما و تلویزیون، صنعت جواهرسازی، بازی‌های کامپیوتری و … از جمله صنایع و حوزه‌هایی است که نرم‌ افزارهای CAD در آن‌ها کاربرد پیدا کرد. بسیاری از آن نرم‌افزارها ابزار و امکان طراحی دو بعدی و سه بعدی را با هم به دیزاینر می‌دهند. 

Computational Geometry and Geometric Modeling 

با نرم‌افزاری ابتدایی مثل اسکچ‌پد نمی‌شد موتور هواپیما یا انیمیشن ساخت یا نقشه‌هایی از عمق اقیانوس‌ها تهیه کرد. نرم‌افزارهای طراحی به موازات پیشرفت در سخت‌افزار (کامپیوترها) پیشرفت کردند. باز هم هندسه و مدل‌سازی هندسی به کمک برنامه‌نویسان و سازندگان نرم‌افزارهای کَد (CAD) آمد و راه را برای توسعه نرم‌‌افزارهای طراحی سه بعدی قوی‌تر و با امکانات بیشتر هموار کرد. چون آن نرم‌افزارها هم محاسبات پیچیده‌ای را برای مدل‌سازی سه بعدی انجام می‌دهند.

چطور می‌شود با کامپیوتر و برنامه‌های کامپیوتری مسائل هندسی را سریع و بهینه حل کرد؟ هندسه محاسباتی یا کامپیوتری شاخه‌ای از علوم کامپیوتر و ریاضی است که تلاش می‌کند پاسخی برای آن سوال پیدا کند. هندسه محاسباتی دو زیرشاخه‌ی اصلی دارد: هندسه الگوریتمی و هندسه محاسباتی عددی یا طراحی هندسی یا مدل‌سازی هندسی. کار مدل‌سا‌زی هندسی این است که اشیای جهان واقعی را با زبان کامپیوتر ترسیم کند. پس، با مدل‌سازی هندسی طراحی و تولید هر نوع سیستم کَد ممکن است. 

3D دیزاین در قرن ۲۱

در این قسمت به پیشرفت‌هایی که از دهه‌ی ۹۰ میلادی به بعد سبب تحول طراحی سه بعدی و تکامل و پیچیده‌تر شدن سیستم‌ها یا نرم‌افزارهای CAD شد، پرداخته می‌شود. وقتی مهندسان و طراحان از نرم‌افزارهای دیزاین برای طراحی و تولید محصول استفاده می‌کردند، در هزینه و زمان تولید بسیار صرفه‌جویی می‌شد. همچنین فرآیند طراحی و تولید بهینه‌تر، هماهنگ‌تر و کم‌خطاتر پیش می‌رفت.

همین سبب شد تا نه فقط کاربردهای صنعتی مدل‌سازی سه بعدی هر روز بیشتر شود، بلکه 3D دیزاین کاربردهای جدیدتری پیدا کند. پس،‌ نیاز بود تا نرم‌افزارهای قدرتمندتری طراحی و ساخته شود تا مدل‌سازی‌های واقعی‌تر، تکامل‌یافته‌تر و پرجزئیات‌تری را ممکن سازد. البته، پیشرفت‌های دیگری نیز به گسترش کاربردهای طراحی سه بعدی کمک کرد.

مهم‌ترین آن‌ها این بود که کامپیوتر (PC) و لپ‌تاپ‌های قدرتمندی ساخته شد. هر روز بر تعداد کسانی که روی میز کارشان یا در خانه به کامپیوتر دسترسی داشتند، افزوده می‌شد. اینترنت هم هر روز بیشتر در دسترس قرار می‌گرفت و نیازها و شغل‌های جدیدی را ایجاد می‌کرد. در نتیجه، افراد و کاربران عادی، هنرمندان، تولیدکنندگان محتوا، طراحان سایت برای طراحی المان‌های بصری و رابط کاربری، طراحان لباس و نه فقط مهندسان و معماران امکان داشتند و نیاز پیدا کردند از نرم‌افزارهای طراحی استفاده کنند. 

کاربردهای جدید و متنوع طراحی سه بعدی 

 زمانی که کامپیوتر به ابزاری برای خیلی از مشاغل و حرفه‌ها تبدیل شد، همه‌چیز برای طراحی و تولید نرم‌افزارهای CAD ارزان، رایگان و نه چندان تخصصی آماده شد. به همین دلیل، سال‌های آغازین قرن ۲۱ مصادف بود با رشد چشمگیر در صنعت طراحی و تولید نرم‌افزارهای سه بعدی. بخشی از آن رشد، مدیون نیاز صنعت سینما و محبوبیت انیمیشن‌ها بود. نیاز بود نرم‌افزارهای طراحی سه بعدی هنری‌تر شوند و امکانات و فضای بیشتری را برای خلاقیت طراح فراهم کنند. 

در قرن ۲۱ طراحی سه بعدی هنری شد و دیگر فقط صنعتی نبود. 3D دیزاین تبدیل شد به یک شغل و حرفه‌ی مستقل. طراحی‌های سه بعدی و انیمیشن‌ها جایگاه ویژه‌ای در تبلیغات پیدا کرد و مخاطبان نیز آن‌ها را دوست داشتند و جذب دیزاین‌های سه بعدی می‌شدند. با نرم‌افزاری مانند بلندر، که رایگان و متن باز است، به راحتی می‌شود آثار هنری سه بعدی ساخت. پلتفرم‌‌ها و سایت‌هایی ساخته شدند که بستری بودند برای طراحان مبتدی و حرفه‌ای تا طراحی‌های سه بعدی خود را با دنیا به اشتراک بگذارند. در سال‌های اخیر، طراحی سه بعدی خودش به یک محصول تبدیل شده است که می‌شود آن را در قالب 3D NFT در اینترنت فروخت. 

(در dribbble.com نمونه‌های بیشتری از تبلیغات سه بعدی را ببینید.)

ساخته شدن اولین پرینتر سه بعدی (3D Printing)

وقتی طراحی سه بعدی فرصتی شد برای نشان‌ دادن خلاقیت دیزاینرها، دیگر لازم نبود چیزهایی که سه بعدی دیزاین می‌شود حتما مدلی از اشیای واقعی باشند. ممکن است طراح در بلندر دایناسور طراحی کند یا اژدها یا مینیون‌‌ها یا حتی قلب یک انسان را. خب، حالا که می‌شود همه‌چیز را سه بعدی طراحی کرد، چرا نشود از آن‌ها پرینت گرفت؟ متخصصان و صاحبان تکنولوژی چندین دهه (از ۱۹۸۰ به بعد) تلاش کردند تا با ساختن پرینتر سه بعدی به آن سوال پاسخ دهند. 

پرینترهای سه بعدی دستگاه‌هایی هستند که با تکنولوژی‌های مختلف و مواد مختلف کار می‌کنند. وجه مشترک همه‌ی آن‌ها این است که ورودی یعنی طرح سه بعدی کامپیوتری را می‌گیرند و شی فیزیکی (خروجی) را تحویل می‌دهند. پرینترهای سه بعدی با روی‌ هم قرار دادن لایه‌‌ به‌ لایه‌ی مواد (این مواد ممکن است هر چیزی باشد، از پلاستیک و فلز گرفته تا بافت زنده) خروجی را می‌سازند.

(طراح با ۲۷۰ دلار می‌تواند پرینتر سه بعدی نه چندان پیشرفته‌‌ی زیر را از آمازون بخرد.)

پرینت سه بعدی کاربردهای وسیع صنعتی، تجاری، علمی، آموزشی،‌ بهداشتی و درمانی، هنری و شخصی دارد. با پرینت سه بعدی می‌شود قطعات مختلف صنعتی و ساختمانی را ساخت. مزیت بسیار مهمی که سبب شده است تا پرینت سه بعدی در آینده‌ای بسیار نزدیک به تکنولوژی تولید و روشی بهینه برای تولید تبدیل شود این است که با استفاده از پرینت سه بعدی در مصرف مواد اولیه بسیار صرفه‌جویی می‌شود. چون دستگاه دقیقا می‌داند برای ساختن طرح سه بعدی به چه میزان مواد نیاز دارد. به همین دلیل، باید منتظر تحولات چشمگیری بود که پرینت سه بعدی در صنایع مختلف ایجاد خواهد کرد. 

3D Printing Pen 

ساختن انواع پرینتر‌های سه بعدی هم برای خودش صنعت است. پیش‌بینی شده است که بازار جهانی پرینترهای سه بعدی در سال ۲۰۲۶ به ارزشی معادل ۴۱ میلیارد دلار خواهد رسید. شرکت‌ها برای ساختن پرینترهای سه بعدی متنوع با یکدیگر رقابت می‌کنند. جدیدترین نوآوری در این صنعت ساختن قلم طراحی سه بعدی (3D Printing Pen) است.

3D دیزاین و واقعیت مجازی 

گمان نکنید تاریخچه 3D دیزاین تمام شد. اغراق نیست اگر گفته شود که قرن ۲۱ آغاز راه طراحی سه بعدی است. چون پیشرفت‌ها و تحولات همچنان ادامه دارد. صنعت بازی‌های کامپیوتری از صنایعی است که طراحی سه بعدی آن را متحول کرد و در آن کاربرد زیادی دارد. واقعیت افزوده (AR) و واقعیت مجازی (VR) تکنولوژی‌های جدیدی هستند که دنیای بازی‌ها را دگرگون کردند.

آن تکنولوژی‌ها هر دو واقعیت را شبیه‌سازی می‌کنند، یعنی جهان سه بعدی را و یعنی هر دو تکنولوژی را طراحی سه بعدی ممکن کرده است. البته، واقعیت افزوده و واقعیت مجازی کاربردهای دیگری هم یافتند. آن دو تکنولوژی قرار است جهان مجازی آینده را، متاورس (Metavesre)، بسازند. متاورس سه بعدی است. پس، همان‌طور که گفته شد، شاید 3D دیزاین در آغاز راه است و قرار است بیش از آنچه ما فکرش را بکنیم، زندگی و جهان را تغییر دهد. 

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

۱. پایه و اساس مدل‌سازی سه بعدی و نرم‌افزارهای طراحی سه بعدی علم هندسه است و علم هندسه پاسخی است به نیاز بشر برای شناختن هرچه بیشتر جهان مادی (سه بعدی) و کشف قوانین حاکم بر آن. 

۲. علم هندسه، هندسه کامپیوتری و پیشرفت‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری دست به دست یکدیگر دادند تا بستر مناسب برای تکامل 3D دیزاین را فراهم کنند. تاریخچه طراحی سه بعدی چیزی نیست جز مطالعه و بررسی مجموعه‌ی آن پیشرفت‌ها. 

۳. همان‌طور که معلوم است، سرعت رشد طراحی سه بعدی در قرن ۲۱ آن‌قدر زیاد است که فرصت‌های شغلی زیادی را ایجاد کرده و خواهد کرد. 

۴. 3D دیزاین و نرم‌افزارهای CAD فرصت‌های بی‌شماری را برای دیزاین، آفرینش آثار هنری و خلاقیت در حوزه‌های گوناگون در اختیار طراحان قرار می‌دهند.

۵. اگر شما هم علاقه‌مند هستید وارد دنیای هیجان‌انگیز و آینده‌‌دار طراحی سه بعدی شوید، فکر نکنید راه سختی پیش رو دارید و حتما باید هندسه یاد بگیرید. کافی است نرم‌افزار همه‌فن‌حریف بلندر را یاد بگیرید. 

۶. اگر هم 3D دیزاین را یاد گرفتید و می‌خواهید خود را برای آینده و ساختن متاورس آماده کنید، پایتون و ماشین لرنینگ یاد بگیرید.