قسمت دوم و پایانی:رندر کامپیوتری چیست؟

دوستان و همراهان سخت افزار،در قسمت اول رندرهای کامپیوتری به تعریف آن،و زیر مجموعه های اصلی به همراه رندر 2D پرداخته شد.در حال حاضر نیز در خدمت شما هستیم به همراه قسمت دوم این مطلب.با توجه به استقبال عزیزان،منتظر مقاله های بیشتر نیز باشید.

 پویانمایی سه‌بعدی و انواع آن

امروزه بیشتر پویانمایی‌های ساخته شده به کمک کامپیوتر از این دسته‌اند. این دسته از پویانمایی‌ها می‌توانند با تقریب مناسبی بسیار واقعی و طبیعی به نظر برسند. پویانمایی‌های سه‌بعدی را می‌توان به دو دستهٔ واقع‌گرایانه و خیالی تقسیم کرد. پویانمایی‌های واقع‌گرایانه سعی دارند که مدل‌های موجود در جهان را در دنیای مجازی شبیه‌سازی کنند. پویانمایی‌های واقع‌گرایانه خود به دو دسته تقسیم می‌شوند؛ یک دسته شامل پویانمایی‌هایی است که سعی شده در آنها مثل فیلم‌های واقعی شخصیت‌های انسانی مجازی بازی کنند، در واقع در این پویانمایی‌ها شخصیت‌های اصلی انسان‌ها هستند و زندگی آنها به تصویر کشیده شده‌است. در مقابل دستهٔ دیگر مربوط به پویانمایی‌سازی دنیای اطراف انسان‌هاست که می‌تواند شامل حیوانات و اشیا باشد. پویانمایی‌های خیالی دنیایی را تولید می‌کنند که در ذهن نویسنده بوده و مثال خارجی ندارد. این پویانمایی‌ها مملو از شخصیت‌های خیالی مثل هیولاها، پری، ارواح و … است. کارخانهٔ هیولاها ساخت مشترک والت‌دیزنی و پیکسار نمونهٔ خوبی برای این دسته‌اند. مراحل ساخت پویانمایی‌های سه بعدی بسیار به پویانمایی دوبعدی نزدیک است. در بسیاری از فیلم‌های پویانمایی بعد از پرورش شخصیت‌ها و تهیهٔ صفحات داستانی ابتدا تمام اجزای اصلی را به صورت دوبعدی طراحی می‌کنند و پس از اتمام طراحی شخصیت دوبعدی به کمک آن مدل سه‌بعدی را به وجود می‌آورند.

نکته:برخی از زبان های برنامه نویسی نیز از این الگوریتم پیروی کرده و دارای تصاویری تعریف شده هستند که در دو دسته واقعی و غیر واقعی قرار می گیرد.

تولید مدل های 3D

فرایند ایجاد مدلی برای ارائه هر شیء سه بعدی (زنده یا غیرزنده) به وسیلهٔ صفت‌های هندسی و فرمول‌های ریاضی و تهیهٔ قالبی قابل تحویل برای کامپیوتر را مدل‌سازی سه بعدی گویند که به وسیلهٔ نرم‌افزارهای خاص سه‌بعدی‌سازی صورت می‌گیرد مثلاً مایا یا تری‌دی‌مکس . خروجی فرایند مدلینگ چیزی شبیه به یک مجسمهٔ دیجیتالی است که از دسته‌ای از چند وجهی‌ها و اشکال ابتدایی به وجودآمده‌است. در این مرحله باید اسکلت‌بندی‌های لازم را برای مدل ایجاد کنیم و مفصل‌ها و اهرم‌ها، نقاط وزین و سنگین، بازه‌های حرکتی و محورهای دوران را مشخص کنیم. به اسکلت‌بندی و سایر کارهایی که جهت کنترل حرکت شخصیت‌ها در ساخت پویانمایی سه بعدی انجام می‌شود در اصطلاح طناب‌کشی می‌گویند. به متغیرهایی که برای کنترل اجزای مختلف هر کاراکتر استفاده می‌شوند و مکان آنها را نشان می‌دهند آوار می‌گویند. شخصیت “وودی ” در پویانمایی داستان اسباب‌بازی به تنهایی ۷۰۰ متغیر داشت که ۱۰۰ تای آنها مربوط به عضلات صورت بودند. دو روش برای ایجاد مدل اولیه وجود دارد. در روش دستی یا سنتی انیماتور مدل را روی کامپیوتر ایجاد می‌کند که بسیار شبیه هنر مجسمه سازی است. روش خودکار با استفاده از دستگاه‌های ورودی سه‌بعدی مثل اسکن فیزیکی سه بعدی انجام می‌شود. بعد از تهیهٔ فرمت هندسی و فیزیکی باید سطوح را مشخص کنیم و برای آنها رنگ، جنس و بافت مناسب را انتخاب کنیم. اعمال بافت و جنس بر روی مدل در مرحلهٔ رندرینگ انجام می‌شود که از مراحل مهم در جهت واقعی سازی تصاویر پویانمایی است.

نحوه حرکت و نمایش

پس از مشخص شدن طرح کلی اجزای پویانمایی باید به طراحی حرکات و وقایع پویانمایی و اجزای آن بپردازیم. ابتدا باید نحوه-ی قرار گرفتن اجزا نسبت به یکدیگر را مشخص کنیم و صحنه‌ها را طراحی کنیم. طراحی صحنه‌ها شامل محل قرارگرفتن دوربین و منبع نور هم هستند، که هر دو در مرحلهٔ بعد، رندرینگ بسیار تأثیر گذارند. در مرحلهٔ بعد باید حرکات مربوط به اجزا شامل ایست و حرکت، چرخش، تغییر جهت، تغییر ویژگی‌های فیزیکی مثل اندازه و رنگ را طراحی کنیم. بسیاری از نکات حرکتی که در این مرحله باید اجرا شوند با مراجعه به صفحات داستان قابل استخراج هستند. این مرحله هم مثل مرحله قبل دو نحوه پیاده‌سازی دستی و خودکار دارد. روش دستی بسیار به کاری که در پویانمایی دوبعدی انجام می-دادیم شبیه‌است با این تفاوت که ما اینجا ابتدا با استفاده از اسکلت-بندی‌ها و اجزای کنترلی شخصیت‌ها حرکات آنها را در فریم‌های کلیدی پیاده‌سازی می‌کنیم و رایانه فریم‌های میانی را محاسبه می‌کند و تمام فریم‌ها برای مرحله رندرینگ آماده می‌شوند. به طور کلی در پویانمایی سه بعدی کنترل بر روی نحوه و چگونگی حرکت اجزا بسیار راحت‌تر و بیشتر است. در روش خودکار حسگرها و علامت‌هایی را به روی بدن یک انسان واقعی متصل می‌کنیم و او مثل یک بازیگر حرکت می‌کند و حرکات او را به وسیله کامپیوتر از حسگرها استخراج و ثبت می‌کنیم. به این روش در اصطلاح استخراج حرکت می‌گویند. استفاده از این روش تحت شرایطی مناسب است که حرکات انسانی مورد نظر ما باشد و انجام آن حرکت‌ها برای انسان امکان‌پذیر باشد که معمولاً این شرایط به وجود نمی‌آید. مثلاً در داستان اسباب‌بازی که شخصیت‌ها اسباب بازی بودند، حرکات معقول انسانی خیلی به کار نمی‌آمد بنابراین حرکات به صورت دستی پیاده‌سازی شدند.

نکته:استفاده از سنسورها،سرعت تولید محتوا را به شدت افزایش می دهد.هر چند که سخت افزارهای بسیار توانمند و گران قیمت برای تولید و رندر آن نیاز است،اما سرعت تولید کار بالا رفته و به طبع دقت آن نیز از هوش نرم افزار بیشتر است.بافت های کششی بیشتری قادر به تعریف شدن است.

رندرهای 3D و سایه زدن ها

به طور کلی به فرایند تولید تصویر از یک صحنه مجازی به منظور نمایش بر روی صفحه نمایشگر، رندرینگ می‌گویند که توسط نرم‌افزار رندرینگ (موتور رندرینگ) انجام می‌شود و آخرین مرحله در تولید پویانمایی کامپیوتری است. در واقع این مرحله شامل تبدیل صحنه سه بعدی برداری به یک تصویر پیکسلی قابل مشاهده است.

(تفاوت رنگ)

یکی از روش‌های القای سه‌بعدی بودن تصاویر است که محاسبه می‌کند با تغییر میزان نور رنگ‌ها و روشنایی سطوح چگونه باید تغییر کنند. فرض کنید می‌خواهیم به بیننده القا کنیم که شکل زیر یک مکعب مستطیل سه‌بعدی است. همان‌طور که می‌بینید این شکل که شامل سطوح یک‌رنگ است به هیچ وجه نمی‌تواند تداعی‌گر یک جسم سه بعدی باشد.

(رندر ناموفق)

در شکل بعدی سعی می‌کنیم با پررنگ کردن لبه‌ها و متمایز کردن سطوح به این وسیله حالت سه‌بعدی را به وجود آوریم. این کار را معمولاً در طراحی اشکال سه بعدی بر روی کاغذ انجام می-دهیم. به این روش در اصطلاح علمی سایه‌زدن کارتونی یا سلولی می‌گویند.همان‌طور که مشاهده کردید روش سایه زدن سلولی تا حدی موفق بود ولی این روش به واقعیت نزدیک نیست. روش بهتر روش سایه زدن به وسیلهٔ تفاوت رنگ‌ها و سایه هاست که در ادامه می‌بینید که بسیار به واقعیت نزدیک است.

(رندر سلولی)

تولید بافتی

شامل اضافه کردن جزئیات به سطوح که القا کننده جنس سطوح می‌باشد. در واقع بافت یک تصویر است که به سطح مدل نسبت داده می شود. این تصویر می تواند عیناً دیده شود یا تاثیرات آن قابل مشاهده باشد.مثلاً باعث ایجاد برجستگی روی سطح گردد یا ایجاد حس انعکاس و یا شفافیت موضعی.تصویری که به عنوان بافت استفاده می شود می تواند پیکسلی باشد و یا برداری. این مرحله بسیار مهم است زیرا استفاده درست از بافت‌ها باعث کاهش قابل ملاحظه‌ای در تعداد اشکال ابتدایی برای نشان دادن اجزای دنیای واقعی با تقریبی مناسب، می‌شود. از آنجایی که زمان رندرینگ عموماً متناسب با تعداد چندوجهی‌هایی است که باید ترسیم شوند، بنابراین کاهش تعداد این چندوجهی‌ها به افزایش کیفیت پویانمایی از طریق درجه‌فریم بالاتر کمک می‌کند. برای مثال ترسیم یک دیوار آجری را در نظر بگیرید، ما می‌توانیم هر آجر را به عنوان یک مستطیل در نظر بگیریم و هر کدام را به طور جداگانه رسم کنیم ولی از آنجایی که ممکن است هزاران آجر در دیوار باشد، فرایند رندرینگ ما به طور قابل‌توجهی کند خواهد شد؛ راه دیگر این است که کل دیوار را به صورت یک مستطیل بزرگ نمایش دهیم و بر روی آن مستطیل بافت آجر بزنیم که این عمل فرایند رندرینگ را بسیار سریع خواهد کرد.

تولید برجسته سازی و محو

روشی برای اضافه کردن برجستگی‌های جزئی سطوح که مربوط به القای جنس اجسام می‌شود. برای مثال فرض کنید ما می‌خواهیم یک پرتقال را مدل کنیم. در ابتدا ما یک شکل کروی با سطح صاف خواهیم داشت که تنها شباهتی که با پرتقال دارد همان شکل کروی و رنگ نارنجی آن است ولی جزئیات در پویانمایی سه بعدی بسیار اهمیت دارد.  مشاهده کردید که اضافه کردن جزئیات مربوط به برجستگی تا چه حد به واقعی جلوه دادن مدل سه بعدی کمک می‌کند. محوشدگی نیز روشی است برای مشخص کردن بهتر مفهوم فاصله، به طوری که هرچه فاصله اجسام از دوربین بیشتر باشد به خاطر وجود رسانه میانی مثل هوا و مه و دود و… اجسام محوتر به نظر می-رسند. محاسبه میزان این محو شدگی با توجه به فاصله و واسط میانی از کارهایی است که در مرحلهٔ رندرینگ باید انجام شود.

شیوه روشن سازی

روشن سازی غیرمستقیم نام دسته‌ای از الگوریتم‌هاست که با محاسبه نورهایی که به طور غیرمستقیم از منبع نور یعنی از بازتاب آن بر اجسام دیگر صحنه به یکدیگر می‌رسد، باعث می‌شود که نورهای صحنه بسیار واقعی‌تر به نظر برسند. گاهی به این روش روشن سازی عمومی هم می‌گویند. در تئوری بازتاب‌ها، تجزیه و شکست نور و سایه‌ها و به خصوص نیم‌سایه‌ها مسایلی هستند که در روشن‌سازی عمومی محاسبه می‌شوند. تصاویری که با روشن‌سازی عمومی محاسبه می‌شوند بسیار واقعی به نظر می‌رسند. در این روش تغییر نور و روشنایی هر جسم و شیء روی محاسبه نور و روشنایی اجسام مجاورش تأثیر می‌گذارد.

قسمت اول این مقاله