التَقنيات الرُسوميّة (جُزء 7) : الاضاءة والتظليل Shading & Lighting (مٌقدمة)

[Hameedo]

التَقنيات الرُسوميّة

في هذه السلسلة سوف نتناول كل التقنيات الرسومية التي تستخدمها الألعاب ، سوف نشرح طريقة عملها والهدف من استخدامها ، بالاضافة الي تأثير تفعيلها علي أداء اللعبة .

الحلقات السابقة :
التَقنيات الرُسوميّة (جُزء 1): دقّة العرض Resolution
التَقنيات الرُسوميّة (جُزء 2) : المُضلّعات Polygons
التَقنيات الرُسوميّة (جُزء 3) : مُمانع التعرّج Anti-Aliasing
التَقنيات الرُسوميّة (جُزء 4): الاكساءات Textures ‏
التَقنيات الرُسوميّة (جُزء 5) : ترشيح الاكساءات Anisotropic Filtering
التَقنيات الرُسوميّة (جُزء 6) : الاكساءات الشفّافة Transparent (Alpha) Textures

سابعا : الاضاءة والتظليل Shading & Lighting

تحذير : يرجي قراءة هذا الجزء علي مسئولية القارئ الشخصية ، فالكاتب غير مسئول عن أي احتقار أو ازدراء قد يصيب القارئ تجاه عالم الرسوم ثلاثية الأبعاد بسبب المقال .

في الجزء السابق ، تركنا عالم الاكساءات Textures المُخادع ، ومن قبله عالم المضلعات و نقاط الألوان ، وكلها أدوات رسوميّة تستخدم في رسم و تركيب تفاصيل الأجسام ثلاثية الأبعاد ، ووصفها بصريا .

لكن مجرد الرسم لا يكفي ، فنحن محكومون بمحدوديّة وسائل العرض ، فكلها شاشات مسطحة ، ثنائية البعد ، مما يعني أن الأجسام المرسومة عليها ستكون ثنائية البُعد بدورها ، وهذا يفرض علي الألعاب أن تظل مسجونة في البعد الثنائي (الطول والعرض فقط) والي الأبد .



تمتّع بمقابلة أبسط لعبة في التاريخ ، الصورة الصفراء ، هي صورة صحراء (بأبعاد/دقّة 10x10) ، والمستطيل الأزرق الصغير هو سيارة زرقاء (بأبعاد 2X1) ، والهدف من اللعبة : التجوّل بالسيارة في الصحراء !



يجب أن يقوم الحاسوب بدمج صورة السيارة مع صورة الصحراء ،



الدمج كما نعرف جميعا ، هو حذف واستبدال .. حذف نقاط صفراء من صورة الصحراء (اليمين) واستبدالها بنقاط زرقاء من صورة السيارة (اليسار ).



اختلاف مواضع الدمج يعطينا الايحاء أن السيارة تتحرك ..

و الألعاب ثنائية الأبعاد هي مجموعة من الصور العاديّة التي يتم دمجها مع بعضها ، ويتحكم في مواضع الدمج المستخدم عن طريق لوحة المفاتيح مثلا ، لكنها تظل مسجونة في بٌعدين فقط كما ذكرنا .

قد يبدو هذا السجن هينا ، لكنه ذا خطر كبير ، فهو يجثم علي صدر الابداع البصري والرسومي في الألعاب ، مقللا من قدرات المطورين علي انشاء مشاهد بصرية فائقة ، فلأنهم محكومون ببعدين فقط ، فمهما فعلوا .. لن يستطيعوا الهرب من النهاية المحتومة ، وهي إستنفاذ الأفكار البصرية ، والذي يعني تشابه رسوميات كل الألعاب مع بعضها ، مهما اختلفت اللعبة .

وقد حدث هذا بالفعل ، حيث أصبحت كل الألعاب ثنائية البعد ذا طابع رسومي واحد ، وكان الاختلاف بينها في طبيعة المشهد فقط ، فهنا صحراء ، وهنا غابة خضراء ، وهنا مدينة .. الخ ، وهذا يقتل عامل الانغماس البصري في الألعاب ، ويتركها مثيرة للضجر و مكررة .

وهنا اضطر المطورون الي الانتقال الي البعد الثالث ، وهو العمق ، لكن لا وجود للبعد الثالث في وسائل العرض ، فهي مسطحة تماما ، كيف يمكن عمل شئ من لا شئ ؟

يمكن عمل هذا عن طريق .. (لا ليس الألوان الوسطيّة ! ) الوهم بالطبع !

ولنعرف كيف يمكن عمل مثل هذا الوهم ، يجن أن نعرف عن الاتجاهات الستة في عالمنا الحقيقي .

ولحسن الحظ لن نحتاج الي عالم في النظم الهندسية لندرك أن الاتجاهات الستة هي الأمام والخلف ، واليمين واليسار ، والأعلي والأسفل .

هذا ما يجعل عالمنا ثلاثي الأبعاد .

ولكي نستطيع أن نطلق علي أي جسم أنه ثلاثي الأبعاد ، فيجب أن يمتلك هذا الجسم ستة مناظير للرؤية علي الأقل .



هذا المكعب هو شكل ثلاثي الأبعاد .. هل يجرؤ أحد علي الاعتراض ؟


يستخدم الحاسوب ستة أوجه لتكوين شكل المكعب .


صورة تجميعية للستة أوجه ، ونري فيها الوجه الأمامي ، وأعلاه الوجه الأعلي واسفله الوجه الأسفل ، علي جانبيه الوجهين الجانبيين ، أما الوجه الخلفي فهو في أقصي اليمين .



مقارنة بين الشكل النهائي للمكعب ، وأوجهه الستة منفصلين .

بالنظر الي المكعب ، والذي من المقترض أن يكون شكلا ثلاثي الأبعاد ، نكتشف أنه خدعة كبري ، فوجهه الأمامي (رقم 1) هو واحد من المربعات الستة ، تم استخدامه كما هو ، بينما تم استخدام وجهين آخرين ، العلوي والجانبي ، (رقم 2 و 3 ) ، لكن تم تشويههما واعادة تشكيلهما ليناسبان منظور الرؤية ، أما باقي الأوجه فتم حذفها تماما ، لأنها محجوبة من هذه الزاوية .

أي أن كل ما فعله الحاسوب هو اعادة تشكيل أوجه الشكل الأساسية ، وجعلها منحرفة ومائلة قليلا لتعطينا الايحاء بأن للجسم عمقا وامتدادا داخليا .

والعين تشتري هذه الخدعة في سهولة حمل ملعقة صغيرة .

والسبب في ذلك هو الفطرة التي فُطرت عليها العين البشرية (أو فلنقل المخ البشري ) ، والتي تجعلها تبحث عن الامتداد والعمق في الأجسام التي تراها ، وعندما تجد شيئا يشبه ما تبحث عنه (حتي لو كان بعيد الشبه) ، فانها تفترض أن الجسم الذي أماماها ثلاثي الأبعاد فورا .

والحاسوب يستغل هذه الحقيقة ، ويقوم بتشويه أوجه الأشكال لتعطي التأثير المٌناسب .

يطلق علي هذه العملية اسم الاسقاط ثلاثي الأبعاد 3D Projection ، ويستخدمها الحاسوب في عرض كل الأجسام ثلاثية الأبعاد بلا استثناء ، وكما رأينا في مثال المكعب ، فان الجسم ثلاثي الأبعاد (أي جسم) ما هو الا تجمع من الصور العادية التي تمثل أوجهه ، والتي يتم دمجها مع بعضها ، وتشويهها .


صورة سداسية الأوجه لرجل بدائي ، ويظهر فيها الوجه الأمامي (المنتصف) ، والوجه العلوي (منظور فوق الرأس) ، والسفلي( منظور أسفل الحذاء) ، بالاضافة الي الأوجه الجانبيّة ، والوجه الخلفي .. باختصار هذا هو شكل الرجل ثلاثي الأبعاد كما يظهر للحاسوب ، وذلك قبل أن يقوم بتشويه ودمجه في عمية الاسقاط .


عملية الاسقاط ثلاثي الأبعاد ، وتتم وفقا لحسابات دقيقة لتشويه أوجه الشكل تبعا لمنظور الرؤية ..

ومثلما كانت الألعاب ثنائية الأبعاد دمجا لمجموعة من الصور ، فان الألعاب ثلاثية الأبعاد هي دمج لصور الأشكال ثلاثية الأبعاد الوهمية ، مع اختلاف أن مجرد الدمج والتشويه لا يكفي للأسف ..


صدق او لا تصدق ، هذه الأشكال هي أشكال ثلاثية الأبعاد وليست بٌقعا زرقاء وحمراء .

الأشكال بالأعلي لا تظهر كأنها اشكال ثلاثية الأبعاد ، وذلك لأنها لا تعطي مظهر الامتداد أو العمق ، فهي تظهر كمضلعات عاديّة و مُسطحة .


تذكر : يعطي المكعب الايحاء بأنه شكل ثلاثي الأبعاد بسب طابع العمق والامتداد الذي يظهر به ، ويرجع الفضل في ذلك الي حواف المكعب السوداء ، والتي ترشد العين بدقة وتجبرها علي تتبعها لتعطيها الوهم بالعمق .

إذا نزعنا من المكعب حوافه السوداء ، واستبدلناها بحواف بيضاء ، فسيظهر مفلطحا ومُسطحا في الحال .. وعلي هذا يكون الحل هو اعطاء الأشكال السابقة حوافا ذات لون مميز .


باعطاء الشكل الأحمر حوافا بيضاء ، يصير الابحاء بوجود شكل ثلاثي الأبعاد ممكنا ، حيث يجبر هذا العين علي تتبع هذه الحواف ، والشعور بأن للشكل امتداد وعمقا .. الي اليسار الشكل دون الحواف للمقارنة ..


كذا الأمر مع الشكل الأزرق ..

لكن الأجسام في الحقيقة لا تحتوي دائما علي حواف ذات لون مميز ، بل هي نادرا ما تفعل ، وعلي هذا يتحّتم علينا ايجاد طريقة أخري اذا كنا سنلتزم بمحاكاة الواقع ..

ولن نبحث عن هذه الطريقة كثيرا ، فالطبيعة من حولنا توفرها لنا منذ البداية ..

فعلي الرغم من خلو معظم الأجسام الحقيقية حولنا من حواف ذات لون مميز ، الا أن العين تستطيع تمييز عمق هذه الأجسام بلا أي مُعوقات .

والسبب في ذلك هو الضوء ، والذي بدونه لن تري العين أي شئ أصلا ، والذي يسقط علي أسطح الأجسام ، ويجعلها تتوهج فتراها العين .

لكن الضوء لا يتوزع بالتساوي علي أسطح الأجسام ، حيث يعتمد هذا علي موقع مصدر الضوء ، وموقع سطح الجسم ، وزاوية الاضاءة ، وعوامل أخري كثيرة .

والنتيجة : بعض الأسطح تتوهج بطريقة أكثر من غيرها ، وتظهر للعين بصورة أوضح حتي علي مستوي الجسم الواحد .. هذه الأسطح تكتسب حوافا ذات لون مميز عن غيرها ، بسب توهجها الأكبر .

تلتقط العين الاختلاف في درجات التوهج ، والحواف الجديدة المتكونة ، وتستنتج معلومات عن العمق والامتداد .


(اليمين) .. تلوين أسطح الشكل الأحمر بدرجات لونية (وهج) مختلفة ، يعطي في الحال الايحاء بأنه شكل ثلاثي الأبعاد ، لاحظ حواف الشكل الجديدة .. فالسطح العلوي له حواف حمراء وبرتقالية باهتة .. الي اليسار الشكل بحواف بيضاء وبدون حواف اطلاقا للمقارنة .


(اليمين ) من جديد مع الشكل الأزرق ، وتلوين اسطحه بدرجات لونية مختلفة ، مما يكون حواف بلون مميز تتبعها العين ، وتكتسب الايحاء بأنه شكل ثلاثي الأبعاد ذو عمق وامتداد .. ومقارنة بالأشكال الأخري علي اليسار ، يمكنك أن تري أن الشكل اليميني هو أكثرها آقناعا ، وايحاءا بالبعد الثالث .

ولأنه لا يوجد أفضل من محاكاة الطبيعة ، فلقد تقرر تقليدها في اختلاف سقوط الضوء علي اسطح الشكل ، وبالتالي اختلاف لون هذه الأسطح فيما بينها علي مستوي الشكل الواحد ، وعلي مستوي الأشكال الأخري .

والهدف : الحصول علي أفضل وسيلة لاقناع الناظر أن ما يراه أمامه هو شكل ثلاثي الأبعاد ، علي الرغم من أنه مجرد وهم مُسطح .

يطلق علي عملية التلوين هذه اسم الاضاءة Lighting أو التظليل Shading (تظليل الأسطح بألوان مختلفة) .

في النهاية رأينا كيف تميزت الألعاب ثلاثية الأبعاد عن الألعاب ثنائية الأبعاد ، فكلاهما مجرد دمج لصور مختلفة ، لكن الحصول علي وهم البعد الثالث يُجبر الألعاب ثلاثية الأبعاد علي استخدام عدة صور لكل وجه من أوجه الشكل ، وعلي دمج هذه الصور مع بعضها وتشويهها في عملية الاسقاط ثلاثي الأبعاد ، وفي النهاية استخدام الاضاءة والتظليل في احكام الخدعة .. الخدعة ثلاثية الأبعاد .

في الحلقة القادمة باذن الله سنتعرف علي كيفية صياغة الاضاءة ، كيف تُغير من ألوان الأشكال ؟ وما معني الاضاءة الثابتة والمتغيرة Dynamic ؟ وما تأثير تفعيلها علي أداء اللعبة ؟

أسئلة الحلقة :

1-في رأيك هل ستحتاج أجهزة العرض ثلاثي الأبعاد 3D Holograms والتي تستخدم الضوء المُستحث Laser الي عملية الاسقاط ؟ و هل سنحتاج الي الاضاءة بطريقة الزامية مع أجهزة العرض تلك ؟

2-أذكر أمثلة لبعض الألعاب التي استمتعت باضاءتها ..

[abdomadeer]

يشرفنى أن أكون أول من يرد على موضوعك القيم دكتور حميدو

جزاك الله خيرا

[abdomadeer]

دكتور حميدو السؤال الأول لا أستطيع أن أفهمه !

السؤال الثانى أكثر الألعاب التى إستمتعت بإضائتها

1- crysis
2- just cause 2
3- metro 2033
4- محرك HEAVEN UNIGINE

[CR@N$H]

-في رأيك هل ستحتاج أجهزة العرض ثلاثي الأبعاد 3D Holograms والتي تستخدم الضوء المُستحث Laser الي عملية الاسقاط ؟ و هل سنحتاج الي الاضاءة بطريقة الزامية مع أجهزة العرض تلك ؟

على حد علمي لا
هل شاهدت الأمر على قناة CNN يا دكتور أم انك متابع لاخبار هذه التقنية

-أذكر أمثلة لبعض الألعاب التي استمتعت باضاءتها ..

معظم الألعاب التي ألعبها استراتيجية و في هذه الألعاب يصعب رفع دقة المكونات فيها لكثرتها لذلك استطيع أن اقول أن C&C 4 Twilight كانت الأفضل و يليها C&C RA3

[محمد أبوحجلة]

السلام عليكم

ماشاء الله ... معجم وموسوعة علمية.
أرحمنا قليلا :D.

أريد قراءة المقال عدة مرات ولكن بإضائة أقوى وتضليل أفضل :D

[S@M]

ممتاز يا دكتور محمد ....

المقال اكثر من رائع حقيقتا .....

من افضل الآلعاب ...التى تتميز بأضائة ممتعة

METRO 2033

BATELL FILED2 .. ..

[HuLkY]

1-في رأيك هل ستحتاج أجهزة العرض ثلاثي الأبعاد 3D Holograms والتي تستخدم الضوء المُستحث Laser الي عملية الاسقاط ؟ و هل سنحتاج الي الاضاءة بطريقة الزامية مع أجهزة العرض تلك ؟

اكيد , خاصة فى حالات تداخل الاجزاء لو كانت كثيرة سويا؟ "حاسس نفس شعور الطالب فى حصة اللغة حينما يسأله الاستاذ , لا يرد , ثم يقول له بالعربية , اسم الحمار ايه :D "

2-أذكر أمثلة لبعض الألعاب التي استمتعت باضاءتها ..

FEAR

Cryostasis

[Tempset]

شكرا على الشرح الرائع



بالنسبة للألعاب التي استمتعت بإضاءتها هي:

- BF2: Bad company 2


وألعاب اخرى لا تحضرني

لكن أكثر لعبة شاهدت فيها إضاءة مجنونة جدا هي لعبة الـ MMORPG

Age Of Conan

أردت أكثر من مرة أن أعمل لها تقرير أو مراجعة

[Hameedo]

دكتور حميدو السؤال الأول لا أستطيع أن أفهمه !

أجهزة العرض ثلاثية الأبعاد Holograms ، هي أجهزة تستخدم أشعة الليزر في تجسيم العروض والألعاب ، يحبث تشغل حيزا من الفراغ أمامك في الغرفة ، ويكون لها عرض وطول وعمق ، وتستطيع النظر لها من أي زاوية (360 درجة).

لا تزال التقنية في مهدها ، لكننا نخطو نحوها بسرعة .

شاهد هذه العروض كنبذة عنها :
https://www.youtube.com/watch?v=wrxUYzWASvE
https://www.youtube.com/watch?v=oLyg...eature=related

هل شاهدت الأمر على قناة CNN يا دكتور أم انك متابع لاخبار هذه التقنية

كلا لم اشاهدها علي CNN ، لكنها حلم للكثيرين منذ التسعينات .

على حد علمي لا

اكيد , خاصة فى حالات تداخل الاجزاء لو كانت كثيرة سويا؟

المفترض أن لا نحتاج الي الاسقاط علي الاطلاق ، فالأجسام ستظهر أمامنا مجسمة تماما وثلاثية الأبعاد، و دون الحاجة الي تشويهها .

[CR@N$H]

ما قصدته انه خلال الحملات الإنتخابية الأميركية تم نقل صورة إحدى المراسلات CNN باستخدام هذه التقنية

[Tempset]

تم استخدام هذه التقنية عام 2008 في الحفل الغنائي الضخم حول العالم المسمى بـ مهرجان أو ساعة الارض


وتم بث كلم للنائب الامريكي المنظّم للحفل آل جور الى استراليا واليابان ودول آخرى

[Hameedo]

ما قصدته انه خلال الحملات الإنتخابية الأميركية تم نقل صورة إحدى المراسلات CNN باستخدام هذه التقنية

تم استخدام هذه التقنية عام 2008 في الحفل الغنائي الضخم حول العالم المسمى بـ مهرجان أو ساعة الارض
وتم بث كلم للنائب الامريكي المنظّم للحفل آل جور الى استراليا واليابان ودول آخرى

هذه التقنية كانت الايحاء الذي دعي شركة AMD لابتكار تقنية Eyefinity ، والتي اعتبرتها كنوع من الخطوات المبدئية نحو انزال تقنية العرض ثلاثي الأبعاد Hologram من مستوي التقنيات النادرة ، والمحصورة فقط لعدد محدود من الناس ، الي مستوي التقنيات الشائعة Mainstream .

يمكننا أن نتخيل حجم القوة الحوسبية التي ستحتاجها البطاقات الرسومية عندما ترغب في تشغيل منصّة ثلاثية الأبعاد Holodeck ، فاذا كانت Eyefinity تتطلب ضعف القوة الحوسبية فقط لتشغيل دقة 5760x1200 (حوالي 7 مليون نقطة )، فمابالكما عندما يطلب من البطاقات الرسومية تشغيل دقات ثلاثية البُعد مثل هذه مثلا : 5760x5760x5760 ؟ والتي تُعادل 192 مليار نقطة تقريبا (ملايين الأضعاف) .

[CR@N$H]

أظن اننا ممكن ان نشاهدها في حدود عام 2020 و لكن لا اظن قبل ذلك
و أظن أن دقة 5670 لن تكون كافيه لمثل هذه التقنية إلا في حال كانت بأحجام صغيرة

[ibrahimfr]

رائع المقال كالعادة أخي حاميدو ,,

لكن كيف يتم ذلك بالليزر ؟ وأي ليزر يستخدم بالضبط ؟

جزاك الله خير أخي الكريم .

[PC - 17]

أذكر أمثلة لبعض الألعاب التي استمتعت باضاءتها

العاب سلسلة Half-life 2