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

[أحمد فرحات]

http://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-12.png
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 Kلكن 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 .




http://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-01.pnghttp://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-02.png

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.

http://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-03.png

يجب أن يقوم الحاسوب بدمج صورة السيارة مع صورة الصحراء ،

http://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-04.pnghttp://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-004.gif

[أحمد فرحات]

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

http://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-05.gif
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 .

http://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-06.jpg
هذا المكعب هو شكل ثلاثي الأبعاد، هل يجرؤ أحد علي الاعتراض ؟

http://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-07.pnghttp://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-07.pnghttp://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-07.pnghttp://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-07.pnghttp://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-07.pnghttp://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-07.png
يستخدم الحاسوب ستة أوجه لتكوين شكل المكعب .

http://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-08.jpg

[أحمد فرحات]

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 .

http://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-09.jpghttp://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-10.jpg
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،الحاسوب 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 .

http://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-11.jpg
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 .

[أحمد فرحات]

http://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-12.png
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 ..

http://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-13.gifhttp://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-14.png
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 .

http://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-15.jpg

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 .

http://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-16.gifhttp://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-17.gif

[أحمد فرحات]

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 ..

http://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-18.pnghttp://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-19.png
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 .

http://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-20.gifhttp://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-21.gifhttp://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-22.gif
(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 .

http://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-23.pnghttp://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-24.pnghttp://www.arabhardware.net/images/stories/Articles/November/shading-lighting/27112010-23.png
(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 هو 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 .