رسم الخرائط النسيجية

يمكن الحصول على خرائط النسيج عن طريق المسح الضوئي أو التصوير الرقمي ، أو تصميمها في برامج معالجة الصور مثل GIMP أو Photoshop ، أو رسمها على الأسطح ثلاثية الأبعاد مباشرة في أداة الرسم ثلاثية الأبعاد مثل Mudbox أو ZBrush .

تُشبه هذه العملية تطبيق ورق مُنقوش على صندوق أبيض عادي. يُخصص لكل رأس في المضلع إحداثية نسيجية (تُعرف في الحالة ثنائية الأبعاد بإحداثيات UV ). ^{[ 8 ]} يُمكن تحقيق ذلك من خلال التعيين الصريح لخصائص الرؤوس ، وتعديلها يدويًا في برنامج نمذجة ثلاثية الأبعاد باستخدام أدوات فك UV . كما يُمكن ربط تحويل إجرائي من الفضاء ثلاثي الأبعاد إلى فضاء النسيج بالمادة . يُمكن إنجاز ذلك عبر الإسقاط المستوي ، أو بديلًا عنه، عبر التعيين الأسطواني أو الكروي . قد تأخذ عمليات التعيين الأكثر تعقيدًا في الاعتبار المسافة على طول السطح لتقليل التشوه. تُستكمل هذه الإحداثيات عبر وجوه المضلعات لأخذ عينات من خريطة النسيج أثناء العرض. يُمكن تكرار النسيج أو عكسه لتوسيع صورة نقطية مستطيلة محدودة على مساحة أكبر، أو قد يكون لها تعيين "حقني " فريد من نوعه من كل جزء من السطح (وهو أمر مهم لتعيين العرض وتعيين الإضاءة ، المعروف أيضًا باسم الخبز ).

تُعرف تقنية تعدد النسيج باستخدام أكثر من نسيج واحد في الوقت نفسه على مضلع. ^{[ 9 ]} على سبيل المثال، يمكن استخدام نسيج خريطة الإضاءة لإضاءة سطح ما كبديل لإعادة حساب الإضاءة في كل مرة يتم فيها عرض السطح. تُستخدم النسيجات الدقيقة أو نسيجات التفاصيل لإضافة تفاصيل ذات تردد أعلى، بينما تُضيف خرائط الأوساخ تأثيرات التجوية والتنوع؛ مما يُقلل بشكل كبير من التكرار الواضح للنسيجات المتكررة. قد تستخدم الرسومات الحديثة أكثر من 10 طبقات، يتم دمجها باستخدام مُظللات ، للحصول على دقة أعلى. من تقنيات تعدد النسيج الأخرى رسم الخرائط النتوئية ، والتي تسمح للنسيج بالتحكم المباشر في اتجاه مواجهة السطح لأغراض حسابات الإضاءة؛ حيث يُمكنها إعطاء مظهر جيد جدًا لسطح معقد (مثل لحاء الشجر أو الخرسانة الخشنة) الذي يكتسب تفاصيل الإضاءة بالإضافة إلى التلوين التفصيلي المعتاد. وقد شاع استخدام رسم الخرائط النتوئية في ألعاب الفيديو، نظرًا لأن أجهزة الرسومات أصبحت قوية بما يكفي لاستيعابها في الوقت الفعلي. ^{[ 10 ]}

تُحدد عملية حساب العينات (عند عرضها كبكسلات على الشاشة) من وحدات البكسل النسيجية ( texels ) من خلال ترشيح النسيج . تُعدّ طريقة الاستيفاء الأقرب للجوار هي الأقل تكلفة ، ولكن الاستيفاء الثنائي الخطي أو الاستيفاء الثلاثي الخطي بين خرائط MIP هما بديلان شائعان يقللان من التعرجات أو الحواف المسننة . في حال وجود إحداثية نسيجية خارج النسيج، يتم تثبيتها أو لفّها . يُحسّن الترشيح غير المتناحي من إزالة التشوهات الاتجاهية عند عرض الأنسجة من زوايا رؤية مائلة.

يُعدّ تدفق البيانات النسيجية وسيلةً لاستخدام تدفقات البيانات الخاصة بالنسيج، حيث يتوفر كل نسيج بدقة عرض مختلفة، لتحديد النسيج الذي يجب تحميله في الذاكرة واستخدامه بناءً على مسافة العرض من المشاهد ومقدار الذاكرة المتاحة للنسيج. يسمح تدفق البيانات النسيجية لمحرك العرض باستخدام نسيج منخفض الدقة للأجسام البعيدة عن كاميرا المشاهد، ثم تحويلها إلى نسيج أكثر تفصيلاً، يُقرأ من مصدر بيانات، كلما اقتربت زاوية الرؤية من الأجسام.

كتحسينٍ للأداء، يُمكن دمج تفاصيل نموذج معقد عالي الدقة أو عملية مكلفة (مثل الإضاءة الشاملة ) في نسيج سطحي (ربما على نموذج منخفض الدقة). تُسمى هذه التقنية "الخبز" (أو "رسم الخرائط ")، وتُستخدم عادةً لخرائط الإضاءة ، ولكن يُمكن استخدامها أيضًا لإنشاء خرائط عادية وخرائط إزاحة . وقد استخدمت بعض ألعاب الكمبيوتر (مثل Messiah ) هذه التقنية. استخدم محرك برنامج Quake الأصلي تقنية الخبز الفوري لدمج خرائط الإضاءة وخرائط الألوان في عملية تُسمى " تخزين السطح المؤقت" .

يمكن استخدام تقنية الخبز كشكل من أشكال توليد مستويات التفاصيل ، حيث يمكن تقريب مشهد معقد يحتوي على العديد من العناصر والمواد المختلفة بعنصر واحد ذي نسيج واحد، ثم يتم تقليله خوارزميًا لخفض تكلفة العرض وتقليل عدد استدعاءات الرسم . كما تُستخدم هذه التقنية لأخذ نماذج عالية التفاصيل من برامج النحت ثلاثي الأبعاد ومسح السحابة النقطية وتقريبها بشبكات أكثر ملاءمة للعرض في الوقت الفعلي.

تُعدّ تقنية رسم الخرائط النسيجية الأفينية أسرع أنواع رسم الخرائط النسيجية، حيث تقوم باستيفاء إحداثيات النسيج خطيًا عبر السطح.تقومجهاز بلاي ستيشن)الرؤوس في الفضاء ثلاثي الأبعاد على الشاشة أثناء عملية العرض، ثمتستوفيإحداثيات النسيجفي مساحة الشاشةبينها. يمكن تحقيق ذلك إما بزيادةإحداثيات UVذات النقطة الثابتة،أو باستخدامخوارزمية خطأ متزايدةمشابهةلخوارزمية بريسنهام الخطية.

على عكس المضلعات المتعامدة، يؤدي هذا إلى تشوه ملحوظ مع تحويلات المنظور (كما هو موضح في الشكل: تبدو نقشة المربعات منحنية)، خاصةً بالنسبة للأشكال الأولية القريبة من الكاميرا . يمكن تقليل هذا التشوه بتقسيم المضلعات إلى مضلعات أصغر.

قد يبدو استخدام الأشكال الرباعية للأجسام المستطيلة أقل خطأً من تقسيم هذه المستطيلات إلى مثلثات. مع ذلك، ولأن استيفاء أربع نقاط يزيد من تعقيد عملية التحويل إلى صورة نقطية، فقد فضّلت معظم التطبيقات المبكرة استخدام المثلثات فقط. بعض الأجهزة، مثل تقنية رسم الخرائط النسيجية الأمامية المستخدمة في بطاقة Nvidia NV1 ، وفّرت أشكالًا رباعية فعّالة. مع تصحيح المنظور، تصبح المثلثات مكافئة للأشكال الرباعية، وتختفي هذه الميزة.

بالنسبة للأجسام المستطيلة التي تقع بزاوية قائمة مع المشاهد (مثل الأرضيات والجدران)، يكفي تصحيح المنظور في اتجاه واحد فقط عبر الشاشة بدلاً من كلا الاتجاهين. يمكن حساب خريطة المنظور الصحيحة عند الحافتين اليمنى واليسرى للأرضية. سيبدو الاستيفاء الخطي الأفيني عبر هذا الامتداد الأفقي صحيحًا لأن كل بكسل على طول هذا الخط يبعد نفس المسافة عن المشاهد.

تُراعي تقنية التكسية المصححة للمنظور مواقع الرؤوس في الفضاء ثلاثي الأبعاد بدلاً من مجرد استيفاء الإحداثيات في فضاء الشاشة ثنائي الأبعاد. ^{[ 11 ]} ورغم أنها تحقق التأثير البصري الصحيح، إلا أن حساب التكسية المصححة للمنظور أكثر تكلفة. ^{[ 11 ]}

لإجراء تصحيح منظور إحداثيات النسيج${\displaystyle u}$و${\displaystyle v}$، مع${\displaystyle z}$باعتبارها عنصر العمق من وجهة نظر المشاهد، فمن الممكن الاستفادة من حقيقة أن القيم${\displaystyle {\frac {1}{z}}}$،${\displaystyle {\frac {u}{z}}}$، و${\displaystyle {\frac {v}{z}}}$تكون هذه الخطوط خطية في مساحة الشاشة عبر السطح المراد تشكيله. على النقيض من ذلك، فإن الأصل${\displaystyle z}$،${\displaystyle u}$، و${\displaystyle v}$قبل عملية التقسيم، لا تكون القيم خطية عبر السطح في مساحة الشاشة. لذلك، من الممكن إجراء استيفاء خطي لهذه القيم المقلوبة عبر السطح، وحساب القيم المصححة عند كل بكسل، لإنتاج خريطة نسيجية صحيحة المنظور.

وللقيام بذلك، يتم حساب مقلوبات كل رأس من رؤوس الشكل الهندسي (ثلاث نقاط للمثلث). الرأس${\displaystyle n}$له متبادلات${\displaystyle {\frac {u_{n}}{z_{n}}}}$،${\displaystyle {\frac {v_{n}}{z_{n}}}}$، و${\displaystyle {\frac {1}{z_{n}}}}$بعد ذلك، يمكن إجراء الاستيفاء الخطي على هذه المقلوبات بين${\displaystyle n}$يتم تحديد الرؤوس (على سبيل المثال، باستخدام الإحداثيات الباريسنترية )، مما ينتج عنه قيم مُستكملة عبر السطح. عند نقطة معينة، ينتج عن ذلك القيمة المُستكملة${\displaystyle u_{i},v_{i}}$و${\displaystyle {\frac {1}{z_{i}}}}$(متبادل)${\displaystyle z_{i}}$ومع ذلك، فإن قسمتنا${\displaystyle z}$قاموا بتغيير نظام إحداثياتهم، وهذا${\displaystyle u_{i},v_{i}}$لا يمكن استخدامها كإحداثيات نسيج. للتصحيح إلى${\displaystyle u,v}$المساحة، المصححة${\displaystyle z}$يتم حسابها بأخذ المقلوب مرة أخرى:${\displaystyle z_{صحيح}={\frac {1}{\frac {1}{z_{i}}}}}$ثم يُستخدم هذا لتصحيح${\displaystyle u_{i},v_{i}}$الإحداثيات:${\displaystyle u_{correct}=u_{i}\cdot z_{i}}$و${\displaystyle v_{correct}=v_{i}\cdot z_{i}}$[ ^{12 ]​}

يؤدي هذا التصحيح إلى جعل الفرق بين إحداثيات النسيج من بكسل إلى بكسل أصغر في أجزاء المضلع الأقرب إلى المشاهد (مما يؤدي إلى تمديد النسيج بشكل أوسع) وأكبر في الأجزاء الأبعد (مما يؤدي إلى ضغط النسيج).

تقوم عملية رسم الخرائط النسيجية الأفينية باستيفاء إحداثيات النسيج بشكل مباشر${\displaystyle u_{\alpha }}$بين نقطتي نهاية${\displaystyle u_{0}}$و${\displaystyle u_{1}}$: $${\displaystyle u_{\alpha }=(1-\alpha )u_{0}+\alpha u_{1}}$$ أين${\displaystyle 0\leq \alpha \leq 1}$.

تُجري عملية تصحيح المنظور عملية استيفاء بعد القسمة على العمق${\displaystyle z}$ثم يستخدم مقلوبه المُستكمل لاستعادة الإحداثي الصحيح: $${\displaystyle u_{\alpha }={\frac {(1-\alpha ){\frac {u_{0}}{z_{0}}}+\alpha {\frac {u_{1}}{z_{1}}}}{(1-\alpha ){\frac {1}{z_{0}}}+\alpha {\frac {1}{z_{1}}}}}}$$تدعم أجهزة الرسومات ثلاثية الأبعاد عادةً تقنية التكسية الصحيحة من حيث المنظور.

لقد تطورت تقنيات متنوعة لعرض الهندسة ذات الخرائط النسيجية في صور ذات جودة ودقة مختلفة، والتي يمكن تطبيقها على كل من البرامج والأجهزة.

كانت برامج رسم الخرائط النسيجية الكلاسيكية تقوم عمومًا برسم الخرائط النسيجية البسيطة مع تأثير إضاءة واحد على الأكثر (يتم تطبيقه عادةً من خلال جدول بحث )، وكانت دقة المنظور أكثر تكلفة بحوالي 16 مرة.

قيّد محرك لعبة Doom العالم بجدران عمودية وأرضيات وأسقف أفقية، مع كاميرا تدور حول المحور العمودي فقط. هذا يعني أن الجدران تتمتع بعمق ثابت على طول خط عمودي، بينما تتمتع الأرضيات والأسقف بعمق ثابت على طول خط أفقي. بعد إجراء عملية تصحيح منظور واحدة للعمق، يمكن استخدام تقنية التعيين الأفيني السريع لبقية الخط. قامت بعض برامج العرض اللاحقة في تلك الحقبة بمحاكاة ميل الكاميرا بشكل طفيف باستخدام القص، مما أتاح مظهرًا أكثر حرية مع استخدام نفس تقنية العرض.

تمكنت بعض المحركات من عرض خرائط الارتفاع ذات النسيج (مثل محرك Voxel Space من Nova Logic ، ومحرك لعبة Outcast ) عبر خوارزميات تزايدية شبيهة بخوارزمية Bresenham ، مما ينتج عنه مظهر منظر طبيعي ذي نسيج دون استخدام الأشكال الهندسية التقليدية. ^{[ 13 ]}

يمكن تقسيم كل مثلث إلى مجموعات من حوالي 16 بكسل لتحقيق هدفين: إبقاء آلة الحساب مشغولة في جميع الأوقات وإنتاج نتائج حسابية أسرع.

تقسيم مساحة الشاشة

تُفضّل برامج عرض الرسومات عمومًا تقسيم الشاشة نظرًا لانخفاض الحمل الزائد. إضافةً إلى ذلك، تُحاول هذه البرامج استخدام الاستيفاء الخطي على طول خط من البكسلات لتبسيط الإعداد (مقارنةً بالاستيفاء الأفيني ثنائي الأبعاد)، مما يُقلّل الحمل الزائد بشكلٍ أكبر. سببٌ آخر هو أن رسم الخرائط النسيجية الأفيني لا يتناسب مع العدد المحدود من سجلات وحدة المعالجة المركزية x86 ؛ بينما تُعدّ معالجات 68000 و RISC أكثر ملاءمةً لهذا الأسلوب.

اتُّبع نهجٌ مختلفٌ في لعبة Quake ، حيثُ تُحسب إحداثيات المنظور الصحيحة مرةً واحدةً فقط كل 16 بكسلًا من خط المسح، ثم تُجرى عملية استيفاء خطي بينها، ما يُؤدي فعليًا إلى العمل بسرعة الاستيفاء الخطي نظرًا لأن حساب المنظور الصحيح يُنفَّذ بالتوازي على المعالج المساعد. ^{[ 14 ]} وبما أن المضلعات تُرسَم بشكلٍ مستقل، فقد يكون من الممكن التبديل بين الامتدادات والأعمدة أو الاتجاهات القطرية اعتمادًا على اتجاه متجه المضلع العمودي لتحقيق قيمة z أكثر ثباتًا، ولكن يبدو أن هذا الجهد غير مُجدٍ.

طُوِّرت أجهزة رسم الخرائط النسيجية في الأصل لأغراض المحاكاة (كما هو مُطبَّق في مولدات الصور الرقمية Evans and Sutherland ESIG و Singer-Link DIG) ومحطات العمل الرسومية الاحترافية (مثل Silicon Graphics ) وأجهزة المؤثرات الرقمية للبث التلفزيوني مثل Ampex ADO . ثم ظهرت أجهزة رسم الخرائط النسيجية لاحقًا في أجهزة ألعاب الصالات ، وأجهزة ألعاب الفيديو المنزلية ، وبطاقات الفيديو الخاصة بالحواسيب الشخصية في منتصف التسعينيات.

في محاكاة الطيران ، وفرت تقنية رسم الخرائط النسيجية إشارات مهمة للحركة والارتفاع ضرورية لتدريب الطيارين، وهي غير متوفرة على الأسطح غير المزخرفة. بالإضافة إلى ذلك، تم تطبيق تقنية رسم الخرائط النسيجية بحيث يمكن لمعالج الفيديو الوصول إلى المعالجة الآنية لأنماط النسيج المُفلترة مسبقًا والمخزنة في الذاكرة. ^{[ 16 ]}

تُوفّر وحدات معالجة الرسومات الحديثة (GPUs) وحدات وظيفية ثابتة متخصصة تُسمى وحدات أخذ عينات النسيج ، أو وحدات رسم خرائط النسيج ، لتنفيذ عملية رسم خرائط النسيج، عادةً باستخدام الترشيح ثلاثي الخطوط أو الترشيح المتباين متعدد النقاط الأفضل، بالإضافة إلى أجهزة لفك تشفير تنسيقات محددة مثل DXTn . وبحلول عام 2016، أصبحت أجهزة رسم خرائط النسيج منتشرة على نطاق واسع، حيث تحتوي معظم أنظمة SoC على وحدة معالجة رسومات مناسبة.

تجمع بعض تطبيقات الأجهزة بين رسم الخرائط النسيجية وتحديد الأسطح المخفية في العرض المؤجل القائم على البلاطات أو العرض الخطي ؛ وتقتصر هذه الأنظمة على جلب وحدات البكسل المرئية فقط على حساب استخدام مساحة عمل أكبر للرؤوس المحولة. وقد استقرت معظم الأنظمة على أسلوب التخزين المؤقت للعمق (z-buffering )، الذي لا يزال بإمكانه تقليل عبء عمل رسم الخرائط النسيجية من خلال الفرز من الأمام إلى الخلف .

في أجهزة الرسومات القديمة، كان هناك نموذجان متنافسان لكيفية عرض نسيج على الشاشة:

1. تقوم عملية رسم الخرائط النسيجية الأمامية بالتكرار عبر كل عنصر نسيجي على النسيج وتحدد مكان وضعه على الشاشة.
2. أما عملية رسم الخرائط النسيجية العكسية فتتكرر عبر وحدات البكسل على الشاشة وتحدد أي بكسل نسيجي سيتم استخدامه لكل منها.

من بين هذه الطرق، أصبح رسم الخرائط النسيجية العكسية معيارًا في الأجهزة الحديثة.

من الممكن استخدام أجهزة رسم الخرائط النسيجية لتسريع كل من إعادة بناء مجموعات بيانات الفوكسل من عمليات المسح المقطعي ، ولتصور النتائج . ^{[ 17 ]}

تستخدم العديد من واجهات المستخدم تقنية رسم الخرائط النسيجية لتسريع الانتقالات المتحركة لعناصر الشاشة، على سبيل المثال Exposé في نظام التشغيل Mac OS X.