3D建模與程式設計

如果有機會接觸3D建模，會發現它跟程式設計有很高的相似性，你得分而治之、擬出搭建模型的順序，雖然一開始手動繪製3D模型看似方便，然而沒多久就會開始覺得厭煩，這時身為程式設計者的優勢就派上用場了。

其實，接觸這不同的領域，同時也是訓練另一個思考方向的好機會。

分而治之的3D建模

我喜歡動手實現一些小物，正如先前專欄〈程式人與微控制器開發板〉中談過的，前陣子我玩上了Arduino等微控制板，也動手做了些東西，比較有趣的是〈廢材機器人〉，我對它賦予的製作概念在於，就算沒有3D列印機，在讓腦中想法化為現實世界具體事物時，也不至於構成障礙。當然，得發揮一下Maker不怕失敗的精神，付出較多的時間與耐心，跟竹筷、冰棒棍、飛機木等奮戰。

對Maker自造者來說，3D列印機確實是個神器，然而，事實就是，你不可能老是下載別人設計好的3D模型檔。

想讓3D列印機真正能實現腦中的想法，擁有自行建模能力是必要的，因此，在正式敗入3D列印機之前，我就開始學習一些簡單的3D建模了，雖然只是入門者，然而也馬上發現了，3D建模與程式設計，有著驚人的相似性。

正如架構軟體得先分而治之，將大任務分解為小任務，然後使用程式語言的基本元素、程式庫等，組合出流程、函式、物件等元件，然後讓這些元件再組合在一起，達到想要的功能；在實現3D建模時，對於心中的模型，也得先進行分解，然而使用建模軟體提供的基本元件，先完成分解出來的小模型，然後小模型之間進行交集、聯集等各種運算，組合出另一個較大的模型，接著這些模型再逐步搭配成為真正的成品。

說是這麼說，不過思考3D模型的分解時，牽涉到幾何圖形的問題，在分而治之的過程中，需要的會是另一個面向的觀摩與學習，不過，這樣的問題不算太大。

正如程式語言間多少都會有些不同的哲學，總得多看幾個實際程式碼，才能瞭解該語言的慣例與典範等；學習3D建模，也是要多看幾本3D建模的書，從中熟悉3D幾何的分解與組合邏輯，就程式設計的角度來看，這大概就跟閱讀程式碼一樣的重要吧！

從手繪到程式化

不過很快地，我就開始對3D建模軟體感到有些厭煩。手動繪製3D模型，在一開始看似直覺，然而，漸漸地就會發現，有許多重複性的動作出現；複製既有的小模型看似方便，然而組合時必須進行的微調還滿煩人的；使用滑鼠移動看似簡單，然而很難精準地對模型進行定位；對於一些比較複雜，例如涉及數學的幾何圖形，手繪根本就行不通；書本上使用一張張畫面擷圖，來解說實際上是連續操作的建模步驟，常常讓我困惑，這張圖與下張圖的效果，到底是怎麼做出來的？我常常懷疑圖與圖之間少了個步驟；更糟糕的是，要對一個已完成的模型進行修改，根本就是一場災難！

這也許可以歸因於我只是3D建模的入門者，對許多操作不熟而造成的，不過，自私一點的想法是，這是身為程式設計者的思維。我希望能做到的是，讓重複性動作元件化；對於可微調部份能參數化；能精確地指定相關座標，而不是苦命地使用滑鼠；能夠透過程式運算出相關數字，而不是手動計算；可以透過閱讀程式碼來瞭解建模過程，而不是看著分鏡般的圖片步驟；更重要的是，能夠輕易地透過修改原始碼，來達到修改3D模型的目的。

實際上，可以使用程式建模的選擇不少，像是SketchUp可以使用Ruby，Blender或Rhino可以使用Python，在經過一般搜尋之後，最後我決定使用OpenSCAD。

這有幾個理由：OpenSCA目前D完全使用了程式建模（沒有滑鼠介入的餘地），這表示它是完全採用程式設計的思維設計出來的工具；著名3D模型社交網站Thingiverse中，常常能看到使用OpenSCAD分享成果；官方網站文件很多，當然是必要考量；還有一點就是，它有一些熱門語言的Porting，像是SolidPython、RubyScad、JavaSCAD，以及使用JavaScript的OpenJSCAD等。

身為程式設計者，試著照著手上的範例，寫幾個OpenSCAD，應該馬上就能感受到程式建模的方便性，尤其是在滿足閱讀原始碼，以瞭解建模過程的需求這方面，更是打中了程式設計者的胃口，Thingiverse網站有幾個實用的OpenSCAD模型程式檔，下載回來，就能立即修改相關參數以符合需求，完全不會有手繪修改的痛苦！

事先規畫更顯重要

寫程式的人，都知道事先規畫的重要性，不過，相信更多的人，都是面對著電腦就直接開始打程式，我先前專欄〈紙上程式設計〉中談過的這類事先規畫，對許多人來說應該是陌生的；然而，在自行使用程式從無到進行3D建模時，這樣的想法可就不太能行得通了！

注意，我說的是從無到有建立3D模型，而不是下載別人的原始碼修改些參數。

對於後者，因為原作者已經規畫好相關幾何位置，在調整參數值時，相關幾何位置也會依作者的設計，而自動計算出來；然而，自行程式建模時，由於不再能使用滑鼠隨意地繪製或擺放模型，你得事先在紙上規畫好模型的相關幾何數據，像是座標、半徑、高度等，對於某些模型，你還得先找出它們的數學關係。

舉個例子來說，想要一個3D水滴模型嗎？手繪的話，可以在畫面中任何地方，產生一個圓球與一個圓錐（有一面半徑為零的圓柱體），然後用滑鼠慢慢移動，讓圓錐底部圓周剛好符合圓球某個剖面圓周（斜面正好相切於圓）；使用程式的話沒辦法用滑鼠，因此你得知道圓球的圓心座標、半徑，使用圓錐半徑與高計算出圓錐角度，然後，用三角函式計算出圓錐底面與圓心間的距離。

3D建模是程式設計結合數學的一個例子，面對更複雜的模型，沒有紙筆先做事前的規畫，就直接開始想寫程式的話，根本就是浪費時間。

解決了數學方面的問題之後，要使用程式碼實現前，也是可以事先做好規畫，例如，想好哪些地方重複？哪些地方可以參數化？哪些地方可以做成元件模組？

因為，使用程式進行3D建模所面臨的一個事實就是，若沒有良好的規畫，一堆交集、減集、移動、旋轉指令，馬上就會讓程式碼膨脹到難以閱讀。

訓練另一個思考方向

儘管與程式設計概念有許多類似的地方，也突顯了事前規畫的重要性，然而，透過程式設計進行3D建模，除了流程之外，腦袋中還得有另一套幾何思考方向。

對我來說，過去對這樣的思考方向幾乎是陌生的，因而感覺到新奇而有趣，有時稍微加點既有的程式設計知識（像是迴圈、遞迴等），就能創造出優美的模型，上一次體會到這種不同思考方向的樂趣，大概是學習函數式設計那時候了！

如果你很久沒感受過程式設計帶來的樂趣，甚至因此對程式設計感到一成不變而覺得厭倦，或許也可以像我一樣，換個口味。

如果你覺得寫程式不用數學，或許可以找個會用上數學的任務來解解看；若你不覺得事先規畫很重要，那麼找看看，有沒有什麼是在缺少事先規畫的情況下，幾乎就寸步難行的應用；試著從另一個方向來思考看看，對於程式設計，或許就會有許多不同的體驗與樂趣喔！