إضاءة لكل بكسل

في مجال رسومات الحاسوب ، يشير مصطلح "إضاءة البكسل" إلى أي تقنية لإضاءة صورة أو مشهد تحسب الإضاءة لكل بكسل في الصورة المُعالجة. وهذا يختلف عن طرق الإضاءة الشائعة الأخرى، مثل إضاءة الرؤوس ، التي تحسب الإضاءة عند كل رأس من رؤوس النموذج ثلاثي الأبعاد ، ثم تُجري استيفاءً للقيم الناتجة على أوجه النموذج لحساب قيم الألوان النهائية لكل بكسل.

تُستخدم الإضاءة لكل بكسل بشكل شائع مع تقنيات مثل المزج ، ومزج ألفا ، وتغطية ألفا ، ومكافحة التعرج ، وتصفية النسيج ، والقص ، وتحديد الأسطح المخفية ، وتخزين Z ، وتخزين الاستنسل ، والتظليل ، ورسم الخرائط متعددة المستويات ، ورسم الخرائط العادية ، ورسم خرائط النتوءات ، ورسم خرائط الإزاحة ، ورسم خرائط اختلاف المنظر ، ورسم خرائط الظلال ، ورسم خرائط الانعكاس ، وأحجام الظلال ، والعرض عالي النطاق الديناميكي ، والتظليل المحيطي ( التظليل المحيطي في مساحة الشاشة ، والتظليل الاتجاهي في مساحة الشاشة ، والتظليل المحيطي المُتتبع بالأشعة )، وتتبع الأشعة ، والإضاءة العالمية ، والتجزئة . توفر كل تقنية من هذه التقنيات بيانات إضافية حول السطح المُضاء أو المشهد ومصادر الإضاءة، مما يُساهم في الشكل النهائي للسطح.

تُطبّق معظم محركات ألعاب الفيديو الحديثة تقنيات الإضاءة على مستوى البكسل بدلاً من إضاءة الرؤوس لتحقيق مزيد من التفاصيل والواقعية. وكان محرك id Tech 4 ، المستخدم في تطوير ألعاب مثل Brink و Doom 3 ، من أوائل محركات الألعاب التي طبّقت نظام تظليل كامل على مستوى البكسل. كما تُطبّق جميع إصدارات محركات CryENGINE و Frostbite و Unreal Engine ، وغيرها، تقنيات التظليل على مستوى البكسل.

يُعدّ التظليل المؤجل تطورًا حديثًا في مجال إضاءة البكسل، ويُعرف باستخدامه في محرك Frostbite ولعبة Battlefield 3. تتميز تقنيات التظليل المؤجل بقدرتها على عرض أعداد كبيرة من مصادر الإضاءة الصغيرة بتكلفة منخفضة (بينما تتطلب طرق إضاءة البكسل الأخرى حسابات على كامل الشاشة لكل مصدر إضاءة في المشهد، بغض النظر عن حجمه). ^{[ 1 ]}

في حين أن أجهزة الكمبيوتر الشخصية وأجهزة الفيديو لم تصبح قوية بما يكفي لأداء التظليل الكامل لكل بكسل في التطبيقات في الوقت الحقيقي مثل الألعاب إلا مؤخرًا، فإن العديد من المفاهيم الأساسية المستخدمة في نماذج الإضاءة لكل بكسل موجودة منذ عقود.

نشر فرانك كرو ورقة بحثية تصف نظرية أحجام الظلال عام ١٩٧٧. ^{[ ٢ ]} تستخدم هذه التقنية مخزن الاستنسل لتحديد مناطق الشاشة التي تتوافق مع الأسطح الواقعة ضمن "حجم الظل"، أو شكل يمثل حجمًا من الفضاء محجوبًا عن مصدر ضوء بواسطة جسم ما. تُظلل هذه المناطق المظللة عادةً بعد عرض المشهد في المخازن المؤقتة عن طريق تخزينها في مخزن الاستنسل.

قدّم جيم بلين فكرة رسم الخرائط العادية لأول مرة في ورقة بحثية نُشرت في مؤتمر SIGGRAPH عام 1978. ^{[ 3 ]} وأشار بلين إلى أن فكرة رسم الخرائط النسيجية غير المضاءة التي اقترحها إدوين كاتمول سابقًا كانت غير واقعية لمحاكاة الأسطح الخشنة. فبدلًا من رسم نسيج على جسم ما لمحاكاة الخشونة، اقترح بلين طريقة لحساب درجة الإضاءة التي يجب أن تتلقاها نقطة على سطح ما بناءً على "اضطراب" مُحدد مسبقًا في المتجهات العمودية عبر السطح.

تستخدم التطبيقات التي تعمل في الوقت الفعلي، مثل ألعاب الفيديو ، عادةً تقنية تظليل البكسل لتطبيق الإضاءة على مستوى كل بكسل ، مما يسمح لوحدة معالجة الرسومات (GPU) بمعالجة التأثير. يتم أولاً تحويل المشهد المراد عرضه إلى صورة نقطية على عدد من المخازن المؤقتة التي تخزن أنواعًا مختلفة من البيانات المستخدمة في عرض المشهد، مثل العمق واتجاه السطح واللون المنتشر. بعد ذلك، تُمرر البيانات إلى برنامج التظليل وتُستخدم لحساب المظهر النهائي للمشهد، بكسلًا بكسلًا.

التظليل المؤجل هو تقنية تظليل على مستوى البكسل، وقد أصبحت مؤخرًا قابلة للتطبيق في الألعاب. ^{[ 4 ]} في هذه التقنية، يُستخدم "مخزن مؤقت هندسي" (g-buffer) لتخزين جميع البيانات اللازمة لتظليل المشهد النهائي على مستوى البكسل. يختلف تنسيق هذه البيانات من تطبيق لآخر حسب التأثير المطلوب، وقد يشمل بيانات الأسطح العادية، وبيانات الموضع، وبيانات الانعكاس، وبيانات الانتشار ، وخرائط الانبعاث ، وبيانات البياض ، وغيرها. باستخدام أهداف عرض متعددة، يمكن عرض جميع هذه البيانات في المخزن المؤقت الهندسي (g-buffer) بتمريرة واحدة، ويمكن للمظلل حساب اللون النهائي لكل بكسل بناءً على البيانات من المخزن المؤقت الهندسي (g-buffer) في "تمريرة مؤجلة" نهائية. ولأن التظليل المؤجل يفترض وجود جزء مرئي واحد فقط لكل عينة بكسل، تُعالج الكائنات الشفافة عادةً في تمريرة أمامية منفصلة. ^{[ 5 ]}

تقنية Forward+ (المعروفة أيضًا باسم التظليل الأمامي المُجزأ) هي تطويرٌ يُضيف مرحلةً لاستبعاد مصادر الضوء باستخدام مُظلِّلات الحوسبة إلى مسار العرض الأمامي. من خلال استبعاد مصادر الضوء إلى مربعات في مساحة الشاشة، يُمكنها دعم آلاف مصادر الضوء مع الحفاظ على دعم الشفافية ومضاد التعرج متعدد العينات (MSAA). ^{[ 6 ]} أما التظليل المُجمَّع فهو تحسينٌ إضافي يُقسِّم مخروط الرؤية إلى مجموعات ثلاثية الأبعاد للتعامل مع انقطاعات العمق بكفاءةٍ أكبر. ^{[ 7 ]}

تُجرى عملية الإضاءة لكل بكسل برمجياً في العديد من تطبيقات العرض المرئي التجارية المتطورة، والتي لا تُعرض عادةً بمعدلات إطارات تفاعلية. يُطلق على هذه العملية اسم العرض المرئي غير المتصل بالإنترنت أو العرض المرئي البرمجي . ويُعد برنامج العرض المرئي mental ray من NVidia ، المُدمج مع برامج مثل Softimage من Autodesk، مثالاً معروفاً على ذلك.

• تظليل فونغ
• أحجام الظل المستطيلة
• إضاءة وظلال موحدة
• بت بلي
• صورة نقطية
• أطلس النسيج
• عمق اللون
• الحجم المحيط
• خوارزميات تغيير حجم فن البكسل