العرض القائم على الفيزياء

الموسوعة الحرة
نسيج صفيحة ماسية مُصوَّر عن قرب باستخدام مبادئ العرض الفيزيائي. تغطي الخدوش الدقيقة السطح، مما يمنحه مظهرًا خشنًا وواقعيًا على الرغم من كونه معدنًا . تتميز الإضاءة الانعكاسية بكثافة عالية، وقد تم تصميمها بشكل واقعي عند الحافة المناسبة للسطح باستخدام خريطة عادية .

يُعدّ العرض القائم على الفيزياء ( PBR ) أسلوبًا في رسومات الحاسوب يهدف إلى عرض الصور بطريقة تحاكي الإضاءة والأسطح باستخدام البصريات في العالم الحقيقي. ويُشار إليه غالبًا باسم "الإضاءة القائمة على الفيزياء" أو "التظليل القائم على الفيزياء". تسعى العديد من مسارات عمل PBR إلى تحقيق واقعية فائقة . وتُعدّ التقريبات السريعة والفعّالة لدالة توزيع الانعكاس ثنائي الاتجاه ومعادلة العرض ذات أهمية رياضية بالغة في هذا المجال. ويمكن استخدام التصوير المساحي الضوئي للمساعدة في اكتشاف الخصائص البصرية الدقيقة للمواد وتشفيرها. ويمكن تطبيق مبادئ PBR في تطبيقات الوقت الفعلي باستخدام المُظلِّلات ، أو في تطبيقات غير متصلة بالإنترنت باستخدام تتبع الأشعة أو تتبع المسار .

تاريخ

ابتداءً من ثمانينيات القرن الماضي، عمل عدد من الباحثين في مجال العرض ثلاثي الأبعاد على وضع أساس نظري متين لهذا المجال، بما في ذلك الدقة الفيزيائية. وقد عُرض نظام مبكر، يُدعى " راديانس "، لتصميم الإضاءة والهندسة المعمارية، في ورقة بحثية لجريج وارد نُشرت عام ١٩٩٤ في مؤتمر سيغراف بعنوان "نظام محاكاة وعرض الإضاءة راديانس " [ ١ ] ، والتي ربما تكون قد أدخلت مصطلح "العرض ثلاثي الأبعاد القائم على الفيزياء". كما أُجريت أعمال أخرى في برنامج رسومات الحاسوب بجامعة كورنيل ؛ حيث تصف ورقة بحثية صادرة عن هذا المختبر عام ١٩٩٧ [ ٢ ] العمل الذي أُنجز في كورنيل في هذا المجال حتى ذلك الحين.

تم تقديم "التظليل القائم على الفيزياء" من قبل يوشيهارو جوتاندا خلال دورة نماذج التظليل القائمة على الفيزياء في إنتاج الأفلام والألعاب في مؤتمر SIGGRAPH 2010. وتلا ذلك دورة التظليل القائم على الفيزياء في النظرية والتطبيق التي نظمها ستيفن هيل وستيفن مكولي بين عامي 2012 و2020.

انتشر مصطلح "الرسم القائم على الفيزياء" على نطاق واسع بفضل كتاب مات فار ، وجريج همفريز، وبات هانراهان الذي يحمل نفس الاسم والصادر عام 2004، وهو عمل رائد في مجال رسومات الحاسوب الحديثة، والذي حاز مؤلفوه على جائزة الأوسكار للإنجاز التقني عن المؤثرات الخاصة . [ 3 ] ويصدر الكتاب الآن في طبعته الرابعة. [ 4 ]

يمكن إيجاد أول تطبيق ناجح، وإن كان جزئيًا، لتقنية العرض الفيزيائي في ألعاب الفيديو في لعبة Remember Me الصادرة عام 2013 ، والتي على الرغم من بنائها على محرك ألعاب لا يدعم هذه التقنية بشكل أصلي ( Unreal Engine 3 )، فقد تم تعديلها بشكل مناسب لاستيعاب هذه الميزة. [ 5 ] وعلى الرغم من كونها نهجًا متوسطًا لتقنية العرض الفيزيائي، فقد تم تحسين دقتها بشكل أكبر مع ألعاب لاحقة مثل Ryse: Son of Rome و Killzone Shadow Fall ، اللتين صدرتا في نفس العام، وصولًا إلى الوضع الحالي لتطورات تقنية العرض الفيزيائي في العقد الثالث من القرن الحادي والعشرين. [ 6 ] [ 7 ]

عملية

تم تصميم الطوب باستخدام تقنية PBR. على الرغم من أن هذا السطح خشن وغير شفاف ، إلا أن الضوء المنعكس من الجانب الأكثر سطوعًا للمادة لا يقتصر على الضوء المنتشر فقط، بل يخلق لمعات صغيرة، لأن "كل شيء لامع" في نموذج العرض الفيزيائي للعالم الحقيقي. تُستخدم تقنية التجزئة لإنشاء شبكة الكائن من خريطة الارتفاع وخريطة الأسطح ، مما يُضفي مزيدًا من التفاصيل.

كما يقول جو ويلسون، فإنّ تقنية PBR هي "مفهوم أكثر منها مجموعة قواعد صارمة" [ 5 ] ، إلا أن هذا المفهوم يتضمن عدة نقاط مميزة جديرة بالذكر. إحدى هذه النقاط هي أنه - على عكس العديد من النماذج السابقة التي سعت إلى التمييز بين الأسطح غير العاكسة والعاكسة - تُقرّ تقنية PBR بأن كل شيء في العالم الحقيقي، كما يقول جون هابل، "لامع" [ 8 ] . فحتى الأسطح "المسطحة" أو "غير اللامعة" في العالم الحقيقي، مثل الخرسانة، تعكس قدراً ضئيلاً من الضوء، بينما تعكس العديد من المعادن والسوائل كمية كبيرة منه. ومن الأمور الأخرى التي تسعى نماذج PBR إلى تحقيقها دمج القياسات الفوتوغرافية - وهي قياسات من صور فوتوغرافية لمواد من العالم الحقيقي - لدراسة ومحاكاة النطاقات الفيزيائية الحقيقية للقيم ، وذلك لمحاكاة البياض واللمعان والانعكاسية وغيرها من الخصائص الفيزيائية بدقة . وأخيرًا، يركز PBR بشكل كبير على الأسطح الدقيقة ، وغالبًا ما يحتوي على نسيجات ونماذج رياضية إضافية تهدف إلى نمذجة الإضاءات والتجاويف اللامعة صغيرة الحجم الناتجة عن النعومة أو الخشونة بالإضافة إلى خرائط الانعكاس أو الانعكاسية التقليدية.

الأسطح

تستخدم تقنية PBR غالبًا دوال توزيع التشتت ثنائي الاتجاه لحساب الضوء المرئي المنعكس عند نقطة معينة على الأسطح . وتستخدم التقنيات الشائعة تقريبات ونماذج مبسطة تحاول مطابقة النماذج التقريبية مع بيانات أكثر دقة من طرق أخرى تستغرق وقتًا أطول أو قياسات معملية (مثل تلك التي يتم الحصول عليها بواسطة مقياس الانعكاس الزاوي ).

كما وصف الباحث جيف راسل من مارموسيت، فإن خط أنابيب العرض القائم على الفيزياء والذي يركز على السطح قد يركز أيضًا على مجالات البحث التالية: [ 7 ]

المجلدات

كما يتم توسيع نطاق تقنية PBR لتشمل عمليات العرض الحجمي ، مع مجالات بحثية مثل:

طلب

بفضل الأداء العالي والتكلفة المنخفضة للأجهزة الحديثة [ 9 ] ، أصبح من الممكن استخدام تقنية العرض الفيزيائي الواقعي (PBR) ليس فقط في المجال الصناعي، بل أيضًا في مجال الترفيه حيثما تُطلب صور واقعية، مثل ألعاب الفيديو أو صناعة الأفلام. [ 3 ] تتميز الأجهزة المتوسطة والعالية الأداء اليوم بقدرتها على إنتاج وعرض محتوى PBR، كما يوجد سوق لبرامج سهلة الاستخدام تُمكّن المصممين من جميع مستويات الخبرة من الاستفادة من أساليب العرض الفيزيائي الواقعي، مثل:

يُوفر التطبيق النموذجي واجهة مستخدم رسومية سهلة الاستخدام تُمكّن الفنانين من تعريف المواد وتطبيقها على طبقات بخصائص مُختلفة، وتعيينها لكائن ثنائي أو ثلاثي الأبعاد لإعادة إنشاء مظهر أي مادة اصطناعية أو عضوية. يُمكن تعريف البيئات باستخدام مُظللات أو نسيج إجرائي، بالإضافة إلى هندسة أو شبكات أو سحب نقاط إجرائية . [ 6 ] تُعرض جميع التغييرات، إن أمكن، في الوقت الفعلي، مما يُتيح إجراء تعديلات سريعة. تُتيح التطبيقات المُتطورة للمستخدمين المُحترفين كتابة مُظللات مُخصصة بلغة تظليل مثل HLSL أو GLSL ، مع أن مُحررات المواد القائمة على العُقد، والتي تُتيح سير عمل قائم على الرسوم البيانية مع دعم أصلي لمفاهيم هامة مثل موضع الضوء، ومستويات الانعكاس والانبعاث، والمعدنية، ومجموعة واسعة من وظائف الرياضيات والبصريات الأخرى، تحل محل المُظللات المكتوبة يدويًا في جميع التطبيقات باستثناء التطبيقات الأكثر تعقيدًا.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ وارد، غريغوري ج. (24 يوليو 1994). "نظام محاكاة الإضاءة والعرض RADIANCE" . وقائع المؤتمر السنوي الحادي والعشرين حول رسومات الحاسوب والتقنيات التفاعلية - SIGGRAPH '94 . نيويورك، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية: رابطة آلات الحوسبة. الصفحات 459-472 . doi : 10.1145/192161.192286 . ISBN  978-0-89791-667-7.
  2. ↑ غرينبيرغ، دونالد ب. (1 أغسطس 1999). "إطار عمل لتوليف الصور الواقعية" (ملف PDF) . مجلة اتصالات رابطة مكائن ​​الحوسبة . 42 (8): 44-53 . doi : 10.1145/310930.310970 . مؤرشف (ملف PDF) من الأصل في 24 سبتمبر 2018. تم الاطلاع عليه في 27 نوفمبر 2017 .
  3. 1 2 فار، مات؛ همفريز، جريج؛ هانراهان، بات (2004). العرض القائم على الفيزياء: من النظرية إلى التطبيق (الطبعة الأولى ). مورغان كوفمان. ISBN  9780080538969.
  4. ↑ فار، مات؛ جاكوب، وينزل؛ همفريز، جريج (2023). العرض القائم على الفيزياء: من النظرية إلى التطبيق (الطبعة الرابعة ). كامبريدج، ماساتشوستس: مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ISBN  9780262048026.
  5. 1 2 ويلسون، جو. "الرسم القائم على الفيزياء - ويمكنك أنت أيضًا!" . مارموسيت . تم الاسترجاع في 12 يناير 2017 .
  6. 1 2 "سحب النقاط" . مركز مساعدة Sketchfab . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 مايو 2018 .
  7. 1 2 راسل، جيف. "النظرية الأساسية للرسم القائم على الفيزياء" . مارموسيت . تم الاسترجاع في 20 أغسطس 2019 .
  8. ↑ هابل، جون (7 نوفمبر 2010). "كل شيء لامع" . ألعاب سينمائية . مؤرشف من الأصل في 5 ديسمبر 2016. تم الاسترجاع في 14 نوفمبر 2016 .
  9. ↑ كام، كين (23 أبريل 2018). "كيف يُرجّح قانون مور كفة إنفيديا على إنتل الآن" . فوربس . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 مايو 2018 .
  10. ↑ "محرك بيفي" . bevy.org .