في منشور المدونة هذا، سوف ندرس دور وأهمية تقنيات النمذجة والتقديم في تعظيم الواقعية في الرسوم المتحركة ثلاثية الأبعاد وتحليل كيفية تعزيزها للكمال البصري.
تُعطي الرسوم المتحركة ثلاثية الأبعاد الحديثة انطباعًا بأنها تُصوَّر في الواقع بفضل صورها ثلاثية الأبعاد المُفصَّلة. تتجاوز هذه الواقعية مجرد التطورات التكنولوجية البسيطة، وتلعب دورًا رئيسيًا في توفير تجربة بصرية غامرة للمشاهدين. على سبيل المثال، يمكن التعبير حتى عن تعابير وجوه الشخصيات في الرسوم المتحركة بوضوح، مما يُوحي للمشاهدين بأنهم يرون أشخاصًا حقيقيين أمامهم، بدلًا من مجرد مشاهدة فيديو.
بخلاف عرض الصور الطبيعية الملتقطة من أجسام حقيقية على الشاشة، يتطلب إنشاء وإخراج صور مركبة ثلاثية الأبعاد عمليتين رئيسيتين: النمذجة والتقديم. النمذجة هي عملية تحديد أو تعديل قيم فريدة تتعلق بشكل الأجسام وحجمها وموقعها المكاني وخصائص سطحها في فضاء افتراضي ثلاثي الأبعاد. تشبه هذه العملية عمل النحات الرقمي بالطين، حيث يستخدم أدوات رقمية لضبط شكل الجسم وإعطائه خصائص مفصلة.
عند تحديد الشكل والحجم، تُستخدم المثلثات، التي تتكون عادةً من ثلاثة رؤوس. تُعبّر هذه الطريقة عن سطح الجسم كشبكة مكونة من مثلثات صغيرة. ويمكن استخدام هذه الطريقة للتعبير بدقة عن الأسطح المستوية ذات المنحنيات المعقدة. تُحدد رؤوس المثلثات شكل الجسم وحجمه. يبقى عدد الرؤوس ثابتًا حتى مع تحويل الجسم، وتظل المواضع النسبية للرؤوس ثابتة طالما بقي شكل الجسم ثابتًا. عندما يكبر الجسم أو يصغر، تتسع المسافة بين الرؤوس أو تضيق.
عندما يدور جسم أو يتحرك، تدور الرؤوس حول محور الدوران مع الحفاظ على نفس المسافة بين بعضها البعض، أو تتحرك في نفس الاتجاه بنفس المسافة. عملية النمذجة المتطورة هذه ضرورية ليس فقط لتحديد البنية الأساسية للجسم، ولكن أيضًا للعمليات اللاحقة مثل الملمس وتطبيق تأثيرات الإضاءة. يتم تعيين خاصية سطح لكل مثلث يشكل سطح الجسم تمثل لونه الفريد وملمسه وخصائص أخرى. تلعب خصائص السطح هذه دورًا مهمًا في التعبير بوضوح عن ملمس الأشياء. على سبيل المثال، يعد تحديد خصائص السطح التفصيلية هذه ضروريًا لتقديم لمعان سطح معدني أو ملمس الخشب بشكل واقعي. التقديم هو عملية إنشاء صورة ثنائية الأبعاد بناءً على نقطة المراقبة، والتي تشير إلى المكان الذي يُنظر منه الجسم، باستخدام هذه البيانات، وهي معلومات حول الأجسام ثلاثية الأبعاد في الفضاء.
تتجاوز عملية العرض مجرد إنشاء الصور، إذ تهدف إلى إنتاج مشاهد أكثر واقعية من خلال مراعاة تفاعل الضوء وموقع الظلال وتأثيرات مصادر الضوء المختلفة. تُقسّم الشاشة بأكملها إلى نقاط صغيرة تُسمى البكسلات، وتُعرض الشاشة بعدد ثابت من البكسلات، ولكل بكسل قيمة تُمثل سطوعه ولونه وخصائصه الأخرى. في مرحلة العرض، يُستخدم مبدأ أن الأشياء تبدو أصغر عندما تكون أبعد وأكبر عندما تكون أقرب لتحديد قيم الألوان، مما يُضفي إحساسًا بالمنظور. بناءً على القيم التي تُمثل خصائص السطح، تُحدد قيم الألوان من خلال مراعاة عوامل مثل الظلال والإضاءة التي تنشأ على سطح الأشياء بسبب حجبها بواسطة أشياء أخرى، مما يُضفي إحساسًا بالثلاثية الأبعاد.
من خلال عملية العرض المتطورة هذه، تمتزج جميع العناصر على الشاشة معًا بشكل طبيعي، مما يمنح المشاهدين انطباعًا بأنهم موجودون بالفعل في تلك المساحة. بمجرد تحديد قيم التظليل لجميع وحدات البكسل التي تشكل الشاشة، يتم إنشاء إطار واحد. عند عرض هذا على الشاشة عبر جهاز عرض، تكتمل الصورة الثابتة. يؤدي تكرار النمذجة والعرض لإنشاء إطارات وعرضها بالترتيب إلى إنشاء فيديو. يعبر الفيديو عن حركات حية حيث يتم تبديل الإطارات بسرعة كبيرة بحيث تكون غير مرئية للعين المجردة. في هذه العملية، يتم حساب موضع وحجم الكائنات والتغيرات في الإضاءة لكل إطار لتحقيق حركات أكثر طبيعية وانسيابية. عند إنشاء إطار، بعد إكمال الحسابات المتعلقة بالنمذجة، تُستخدم النتائج لإجراء حسابات للعرض. في هذه المرحلة، كلما زاد عدد الرؤوس، زادت الدقة، وكلما زاد عدد وحدات البكسل الناتجة، زادت الحسابات المطلوبة، مما يزيد من وقت الحساب. هذا يعني أنه كلما زادت جودة الصورة، زادت الحسابات المطلوبة، لذا، يُعدّ استخدام أجهزة حاسوبية عالية الأداء وخوارزميات حسابية فعّالة أمرًا أساسيًا لإنتاج رسوم متحركة عالية الجودة. تُجري وحدة المعالجة المركزية (CPU) في الحاسوب حسابات البيانات واحدة تلو الأخرى بالترتيب.
لذلك، عند تركيز كمية كبيرة من البيانات، يحدث اختناق، حيث تنتظر البيانات غير المعالجة في طابور، مما يؤدي إلى إطالة وقت إكمال الإطارات. لهذا السبب، تُستخدم تقنيات مختلفة في عملية إنتاج الرسوم المتحركة لتقليل الاختناقات. على سبيل المثال، يمكن معالجة العمليات الحسابية المعقدة مسبقًا، أو تقسيم عملية الحساب إلى عدة خطوات وتوزيعها للمعالجة.
وحدات معالجة الرسومات (GPUs)، المُطوّرة لتُكمّل قدرات معالجة الرسومات في وحدات المعالجة المركزية (CPUs)، هي أجهزة تُجري معالجة البيانات، بما في ذلك العمليات الحسابية، بشكلٍ مُستقل. تحتوي وحدات معالجة الرسومات على آلاف الأنوية، مما يُتيح معالجةً متوازيةً واسعة النطاق. لا يُمكن لكل نواة من وحدات معالجة الرسومات سوى إجراء عمليات حسابية مُخصصة للرسومات، وتحسب بسرعة أبطأ من أنوية وحدات المعالجة المركزية. ومع ذلك، عند إجراء العملية الحسابية نفسها عدة مرات، يُمكن لوحدات معالجة الرسومات (GPUs) توليد صور مُخرجة بسرعات عالية. ويرجع ذلك إلى أن وحدات معالجة الرسومات (GPUs) تنقل البيانات المُستخدمة في عملية حسابية واحدة إلى كل نواة بالتتابع، ثم تُرسل أمر حساب واحد إلى جميع الأنوية، مما يسمح لكل نواة بحساب جميع البيانات في وقت واحد، مما يُقلل من وقت الحساب. بفضل هذه المعالجة عالية السرعة، يُمكن تحقيق تأثيرات بصرية مُعقدة في الرسوم المتحركة ثلاثية الأبعاد في الوقت الفعلي، مما يُوفر صورًا أكثر سلاسة وحيوية للجمهور.
