رندرینگ (گرافیک رایانه‌ای)

هر ارائهٔ سطح بالا از تصاویر و اشکال نیازمند اجزایی با دامنه‌های متفاوت از پیکسل‌ها می‌باشد، به این اجزا اشکال اولیه یا اشکال ابتدایی می‌گوییم.

توصیفی از اجسام سه بعدی به زبانی کاملاً تعریف شده و ساخت‌یافته برای سیستم را مدل گویند. هر مدل از دسته‌ای از اشکال ابتدایی تشکیل شده و این اشکال به‌طوری در کنار هم قرار گرفته‌اند تا بتوانند حالت موجود مورد نظر را در ذهن بیننده القا کنند. هر چه تعداد چندوجهی‌های به کار رفته در یک مدل بیشتر باشد، جزئیات بیشتری را می‌توان به شکل مدل اضافه کرد که در اجسام پیچیده باعث می‌شود مدل به نمونهٔ واقعی بسیار شبیه شود. مدل ساز باید بداند با چه برنامه‌ای کار کند و از مدلی که می‌خواهد بسازد آگاه باشد مثلاً باید بلو پرینت و چند عکس و مدل داشته باشد.

هر صحنه متشکل از تعدادی مدل است که طرز قرار گرفتن آن‌ها نسبت به یکدیگر و چگونهٔ طرح‌بندی فضا را مشخص می‌کند و رابطهٔ فضایی بین اشیا شامل مکان و اندازه را تعریف می‌کند. غیر از مدل‌ها دوربین‌ها منابع نور، جلوه‌های ویژه و اشیاء کمکی را نیز می‌توان در یک صحنه قرار داد.

به فرایند تصویر برداری از یک صحنهٔ سه بعدی، تفسیر می‌گویند؛ در این فرایند با اضافه کردن جزئیات فضای سه بعدی مثل سایه‌ها و تفاوت در تاریکی و روشنایی رنگ‌ها، به تصویر حالت واقع-گرایانه‌ای را القا می‌کنیم.

وظیفهٔ تفسیر در گرافیک رایانه‌ای بر عهدهٔ نرم‌افزار رایانه‌ایست که به آن “مفسر” می‌گویند.

پویانمایی‌های دوبعدی دسته‌ای از تصاویر ساخته شده به وسیلهٔ رایانه هستند که شامل مدل‌های دوبعدی مثل اشکال هندسی دوبعدی، نوشته‌ها و متون، و تصاویر دیجیتالی می‌باشند. این نوع پویانمایی‌ها معمولاً در برنامه‌های کاربردی‌ای که بر مبنای فناوری‌های سنتی پویانمایی‌سازی تولیدشده‌اند، به صورت دیجیتالی و روی رایانه ایجاد می‌شوند. مراحل ایجاد یک پویانمایی دوبعدی را می‌توان به سه بخش عمده تقسیم کرد: مرحلهٔ ساخت و تصحیح اشکال، مرحلهٔ حرکت و ساخت فریم‌های کلیدی و مرحلهٔ مورفینگ یا تویینینگ می‌باشند.

در این مرحله ما اشکال، اجسام و موجودات مورد نیاز در پویانمایی را به وسیلهٔ برنامهٔ کاربردی مثل ادوبی فلش یا پاورپوینت طراحی می‌کنیم. در صورت نیاز می‌توانیم برای موجودات طراحی شده اسکلت و اهرم‌های مجازی تعریف کنیم تا حرکت دادن آن‌ها در مرحلهٔ بعد ساده‌تر شود ولی به‌طور کلی اسکلت‌بندی در طراحی مدل‌های دوبعدی بر خلاف مدل‌های سه‌بعدی ضرورتی ندارد. در طراحی مدل‌های دوبعدی می‌توان از گرافیک بیت‌مپ یا برداری استفاده کرد.

برای ایجاد حرکت‌های مورد نظر در پویانمایی از لایه‌ها استفاده می‌کنیم و در فریم‌های کلیدی تغییرات حرکتی را اعمال می‌کنیم که شامل حرکاتی مثل حرکات اعضای بدن، چشم، لباس و ... می‌باشند.

همان رندرینگ در پویانمایی سه بعدی است با این تفاوت که کاری که رایانه باید انجام بدهد تا حدودی متفاوت است. در این مرحله رایانه باید به ازای هر لایه فریم‌های موجود بین فریم‌های کلیدی را محاسبه کند و سپس تمام لایه‌ها را با هم دیگر ادغام کند تا پویانمایی نهایی به دست آید. در ضمن باید عمل رندریگ را برای فریم‌های کلیدی به‌طور جداگانه انجام دهد ولی به فریم‌های میانی کاری ندارد. به فرایند تولید فریم‌های میانی در اصطلاح مورفینگ یا تویینینگ می‌گویند. فریم‌های پویانمایی تفسیر شده را می‌توانیم به فرمت فیلم یا ویدئو ذخیره کنیم و در هنگام نیاز نمایش دهیم ولی یکی از برتری‌های پویانمایی دوبعدی پهنای باند کم و زمان کوتاه رندرینگ می‌باشد که به ما اجازه می‌دهد که فرایند رندرینگ را به صورت بی‌درنگ در زمان اجرای پویانمایی انجام دهیم. این خاصیت باعث شده که در اینترنت به جای فرایندهایی مثل به رشته درآوردن و از پیش بار کردن پویانمایی‌های طولانی را در رایانه مقصد تفسیرکنند.

امروزه بیشتر پویانمایی‌های ساخته شده به کمک رایانه 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 ... می‌باشند. 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.

فرایند ایجاد مدلی برای ارائهٔ هر شیء سه بعدی (زنده یا غیرزنده) به وسیلهٔ صفت‌های هندسی و فرمول‌های ریاضی و تهیهٔ قالبی قابل تحویل برای رایانه 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 رایانه 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 واقعی‌سازی تصاویر پویانمایی می‌باشد.

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 می‌باشد که هر دو در مرحلهٔ بعد، رندرینگ بسیار تأثیرگذارند. 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 مرحلهٔ قبل دو نحوهٔ 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 مرحلهٔ رندرینگ آماده می‌شوند. به‌طور 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 وسیلهٔ رایانه 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.

به‌طور کلی به فرایند تولید تصویر از یک صحنهٔ مجازی به منظور نمایش بر روی صفحهٔ نمایشگر، رندرینگ می‌گویند که توسط نرم‌افزار رندرینگ (موتور رندرینگ) انجام می‌شود و آخرین مرحله در تولید پویانمایی رایانه‌ای است. در واقع این مرحله شامل تبدیل صحنه سه بعدی برداری به یک تصویر پیکسلی قابل مشاهده می‌باشد.برخی از مباحثی که در رندرینگ تصاویر و فریم‌ها باید به آن‌ها بپردازیم شامل:

• سایه‌زدن

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.

نمایش ناموفق از یک شکل سه بعدی

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.

نمایش سایه زدن سلولی

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.

نمایش سایه‌زدن به وسیلهٔ تفاوت رنگی سطوح

• نگاشت بافت

شامل اضافه کردن جزئیات به سطوح که القاکنندهٔ جنس سطوح می‌باشد. در واقع بافت یک تصویر است که به سطح مدل نسبت داده می‌شود. این تصویر می‌تواند عیناً دیده شود یا تأثیرات آن قابل مشاهده باشد.مثلاً باعث ایجاد برجستگی روی سطح گردد یا ایجاد حس انعکاس یا شفافیت موضعی.تصویری که به عنوان بافت استفاده می‌شود می‌تواند پیکسلی باشد یا برداری. این مرحله بسیار مهم است زیرا استفادهٔ 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 به‌طور جداگانه رسم کنیم ولی از آنجایی که ممکن است هزاران آجر در دیوار باشد، فرایند رندرینگ ما به‌طور 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.

• نگاشت برجستگی

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

روشی است برای مشخص کردن بهتر مفهوم فاصله، به‌طوری‌که هرچه فاصلهٔ اجسام از دوربین بیشتر باشد به خاطر وجود رسانهٔ میانی مثل هوا و مه و دود و... اجسام محوتر به نظر می-رسند. محاسبهٔ میزان این محو شدگی با توجه به فاصله و واسط میانی از کارهایی است که در مرحلهٔ رندرینگ باید انجام شود.

• روشن‌سازی غیر مستقیم

روشن‌سازی غیرمستقیم نام دسته‌ای از الگوریتم‌هاست که با محاسبهٔ نورهایی که به‌طور 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 روشن‌سازی 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 محاسبهٔ نور و روشنایی اجسام مجاورش تأثیر می‌گذارد. از نکات منفی این روش باید به محاسبات حجیم و زمان‌بر و پرهزینهٔ آن اشاره کرد. رادیوسیتی از الگوریتم‌هایی است که روشن‌سازی عمومی را محاسبه می‌کند. دیگر مواردی که در رندرینگ به آن‌ها می‌پردازیم:

• • سایه‌ها و نیم‌سایه‌ها
  • بازتاب به خصوص در اجسام درخشان و آینه‌ها
  • نور در اجسام شفاف و نیمه شفاف و کدر
  • عمق تصاویر
  • شکست و تجزیهٔ نور
  • تیرگی و محوشدگی در حرکت