إضاءة رسومات الحاسوب

تُصدر المصادر النقطية الضوء من نقطة واحدة في جميع الاتجاهات، وتتناقص شدة الضوء مع المسافة. ^{[ 3 ]} ومن أمثلة المصادر النقطية المصباح الكهربائي المستقل. ^{[ 4 ]}

يُضيء المصدر الموجه (أو المصدر البعيد) المشهد بشكل متجانس من اتجاه واحد. ^{[ 4 ]} على عكس المصدر النقطي، لا تتغير شدة الضوء الناتج عن المصدر الموجه مع المسافة على نطاق المشهد، حيث يُعامل المصدر الموجه كما لو كان بعيدًا للغاية. ^{[ 4 ]} ومن أمثلة المصادر الموجهة ضوء الشمس على الأرض. ^{[ 5 ]}

يُصدر الضوء الكاشف مخروطًا ضوئيًا مُوجَّهًا. ^{[ 6 ]} يزداد الضوء شدةً كلما اقترب المشاهد من مصدر الضوء الكاشف ومن مركز المخروط الضوئي. ^{[ 6 ]} ومن أمثلة الضوء الكاشف المصباح اليدوي. ^{[ 5 ]}

تُعدّ مصادر الإضاءة المساحية أجسامًا ثلاثية الأبعاد تُصدر الضوء. في حين تُعتبر مصادر الإضاءة النقطية والمركزة نقاطًا متناهية الصغر، تُعامل مصادر الإضاءة المساحية كأشكال مادية. ^{[ 7 ]} تُنتج مصادر الإضاءة المساحية ظلالًا أكثر نعومة وإضاءة أكثر واقعية من مصادر الإضاءة النقطية والمركزة. ^{[ 8 ]}

تُضيء مصادر الإضاءة المحيطة الأجسام حتى في غياب أي مصدر ضوء آخر. ^{[ 6 ]} وتكون شدة الإضاءة المحيطة مستقلة عن الاتجاه والمسافة والأجسام الأخرى، مما يعني أن التأثير يكون موحدًا تمامًا في جميع أنحاء المشهد. ^{[ 6 ]} ويضمن هذا المصدر رؤية الأجسام حتى في الظلام الدامس. ^{[ 5 ]}

تقنية تشويه الضوء هي أسلوبٌ يُستخدم فيه انكسار الضوء في الأجسام الهندسية بناءً على اتجاهه وشدته . ثم يُشوّه الضوء باستخدام نطاق من ألوان الطيف المحيط . بعد ذلك، قد يتشتت الضوء انعكاسيًا لإنتاج عمق مجال أكبر ، وقد ينكسر أيضًا . تُستخدم هذه التقنية لإنتاج أسلوب عرض فريد ، ويمكن استخدامها للحد من التعريض الزائد للأجسام. تستخدم ألعاب مثل Team Fortress 2 هذه التقنية لإنشاء مظهر كرتوني مُنمّق . ^{[ 9 ]}

يشير مصطلح HDRI إلى صورة ذات نطاق ديناميكي عالٍ، وهي صورة بزاوية 360 درجة تُحيط بنموذج ثلاثي الأبعاد في بيئة خارجية، وتستخدم الشمس عادةً كمصدر إضاءة في السماء. ويمكن لنسيج النموذج أن يعكس الضوء المباشر والمحيط والألوان من صورة HDRI. ^{[ 10 ]}

الإضاءة المنتشرة (أو الانعكاس المنتشر ) هي الإضاءة المباشرة لجسم ما بواسطة كمية متساوية من الضوء تتفاعل مع سطح مشتت للضوء . ^{[ 4 ] [ 12 ]} بعد أن يصطدم الضوء بجسم ما، ينعكس تبعًا لخصائص سطح الجسم وزاوية سقوط الضوء. ^{[ 12 ]} يُعد هذا التفاعل المساهم الرئيسي في سطوع الجسم، ويشكل أساس لونه. ^{[ 13 ]}

بما أن الضوء المحيط غير موجه، فإنه يتفاعل بشكل موحد عبر جميع الأسطح، وتتحدد شدته بقوة مصادر الضوء المحيط وخصائص مواد سطح الأجسام، وتحديداً معاملات انعكاسها المحيط . ^{[ 13 ] [ 12 ]}

يُضفي عنصر الإضاءة الانعكاسية لمعانًا وبريقًا على الأجسام. ^{[ 13 ]} ويختلف هذا عن تأثيرات المرآة لأن الأجسام الأخرى في البيئة لا تظهر في هذه الانعكاسات. ^{[ 12 ]} بدلًا من ذلك، تُنشئ الإضاءة الانعكاسية بقعًا ساطعة على الأجسام بناءً على شدة عنصر الإضاءة الانعكاسية ومعامل الانعكاس الانعكاسي للسطح. ^{[ 12 ]}

الإضاءة الموجهة نحو الكائنات، والمعروفة أيضًا بالإضاءة الموضعية، تُعرَّف بربط مصدر ضوئي واحد بكائن واحد. ^{[ 17 ]} هذه التقنية سريعة الحساب، ولكنها غالبًا ما تُقدِّم تقريبًا غير كامل لكيفية تصرف الضوء في المشهد في الواقع. ^{[ 17 ]} غالبًا ما يتم تقريبها بجمع مزيج من الضوء الانعكاسي والمنتشر والمحيط لكائن معين. ^{[ 14 ]} النموذجان الرئيسيان للإضاءة الموضعية هما نموذج فونغ ونموذج بلين-فونغ. ^{[ 18 ]}

يختلف الإضاءة الشاملة عن الإضاءة الموضعية لأنها تحسب الضوء كما لو كان سينتقل عبر المشهد بأكمله. ^{[ 16 ]} تعتمد هذه الإضاءة بشكل أكبر على الفيزياء والبصريات، حيث تتشتت أشعة الضوء وتنعكس وترتد بلا حدود في جميع أنحاء المشهد. ^{[ 21 ]} لا تزال الأبحاث جارية على الإضاءة الشاملة لأنها تتطلب قدرة حسابية أكبر من الإضاءة الموضعية. ^{[ 22 ]}

تتبع الأشعة

تُصدر مصادر الضوء أشعةً تتفاعل مع الأسطح المختلفة عبر الامتصاص أو الانعكاس أو الانكسار. ^{[ 3 ]} يرى مُشاهد المشهد أي مصدر ضوء يصل إلى عينيه، أما الشعاع الذي لا يصل إليه فيمر دون أن يلاحظه. ^{[ 23 ]} من الممكن محاكاة ذلك بجعل جميع مصادر الضوء تُصدر أشعةً، ثم حساب كيفية تفاعل كل منها مع جميع الأجسام في المشهد. ^{[ 24 ]} مع ذلك، تُعد هذه العملية غير فعّالة، إذ أن معظم أشعة الضوء لا تصل إلى المُشاهد، مما يُهدر وقت المعالجة. ^{[ 25 ]} يحلّ تتبع الأشعة هذه المشكلة بعكس العملية، حيث يُرسل أشعة الرؤية من المُشاهد، ثم يحسب كيفية تفاعلها حتى تصل إلى مصدر ضوء. ^{[ 24 ]} على الرغم من أن هذه الطريقة تستخدم وقت المعالجة بشكل أكثر فعالية، وتُنتج محاكاةً ضوئيةً تُحاكي الإضاءة الطبيعية بدقة، إلا أن تتبع الأشعة لا يزال يتطلب تكاليف حسابية عالية نظرًا لكميات الضوء الكبيرة التي تصل إلى عيون المُشاهد. ^{[ 26 ]}

التظليل المسطح هو نموذج تظليل بسيط يتميز بتطبيق موحد للإضاءة واللون على كل مضلع. ^{[ 32 ]} يُستخدم لون واتجاه أحد الرؤوس لحساب تظليل المضلع بأكمله. ^{[ 18 ]} يتميز التظليل المسطح بانخفاض تكلفته، حيث لا يلزم حساب إضاءة كل مضلع إلا مرة واحدة لكل عملية عرض. ^{[ 32 ]}

تظليل غورو هو نوع من التظليل المُستكمَل، حيث تكون القيم داخل كل مضلع مزيجًا من قيم رؤوسه. ^{[ 18 ]} يُعطى كل رأس متجهًا عموديًا خاصًا به، يتكون من متوسط ​​المتجهات العمودية لأسطح المضلعات المحيطة. ^{[ 32 ]} ثم تُحسب الإضاءة والتظليل عند ذلك الرأس باستخدام متوسط ​​المتجه العمودي ونموذج الإضاءة المُختار. ^{[ 32 ]} تُكرر هذه العملية لجميع رؤوس النموذج ثلاثي الأبعاد. ^{[ 2 ]} بعد ذلك، يُحسب تظليل الحواف بين الرؤوس عن طريق الاستيفاء بين قيم الرؤوس. ^{[ 2 ]} أخيرًا، يُحسب التظليل داخل المضلع كاستيفاء لقيم الحواف المحيطة. ^{[ 2 ]} يُولّد تظليل غورو تأثير إضاءة سلسًا عبر سطح النموذج ثلاثي الأبعاد. ^{[ 2 ]}

يُعدّ تظليل فونغ ، المشابه لتظليل غورو، نوعًا آخر من التظليل الاستيفائي الذي يمزج بين قيم الرؤوس لتظليل المضلعات. ^{[ 21 ]} ويكمن الفرق الرئيسي بينهما في أن تظليل فونغ يستوفي قيم المتجهات العمودية للرؤوس على كامل المضلع قبل حساب تظليله. ^{[ 32 ]} وهذا يختلف عن تظليل غورو الذي يستوفي قيم الرؤوس المظللة مسبقًا على كامل المضلع. ^{[ 21 ]} بمجرد أن يحسب تظليل فونغ متجهًا عموديًا لجزء (بكسل) داخل المضلع، يمكنه تطبيق نموذج إضاءة، لتظليل ذلك الجزء. ^{[ 32 ]} وتُكرر هذه العملية حتى يتم تظليل كل مضلع من مضلعات النموذج ثلاثي الأبعاد. ^{[ 21 ]}

تُعدّ الكاوستيكات ظاهرةً ناتجةً عن انعكاس الضوء وانكساره في وسط ذي أسطح منحنية أو انعكاسه عن سطح منحني. ^{[ 33 ]} تظهر هذه الكاوستيكات على شكل أشرطة من الضوء المركز، وغالبًا ما تُرى عند النظر إلى المسطحات المائية أو الزجاج. ^{[ 34 ]} يمكن تطبيق الكاوستيكات في الرسومات ثلاثية الأبعاد عن طريق دمج خريطة نسيج الكاوستيكات مع خريطة نسيج الأجسام المتأثرة. ^{[ 34 ]} يمكن أن يكون نسيج الكاوستيكات صورةً ثابتةً تُحرَّك لمحاكاة تأثيرات الكاوستيكات، أو حسابًا فوريًا للكاوستيكات على صورة فارغة. ^{[ 34 ]} يُعدّ الخيار الأخير أكثر تعقيدًا، ويتطلب تتبع الأشعة العكسي لمحاكاة حركة الفوتونات عبر بيئة العرض ثلاثي الأبعاد. ^{[ 33 ]} في نموذج إضاءة رسم خرائط الفوتونات، تُستخدم معاينة مونت كارلو بالتزامن مع تتبع الأشعة لحساب شدة الضوء الناتج عن الكاوستيكات. ^{[ 33 ]}

رسم خرائط الانعكاس (المعروف أيضًا برسم خرائط البيئة) هو أسلوب يستخدم خرائط بيئية ثنائية الأبعاد لإنشاء تأثير الانعكاس دون استخدام تتبع الأشعة. ^{[ 35 ]} نظرًا لأن مظهر الأجسام العاكسة يعتمد على المواضع النسبية للمشاهدين والأجسام والبيئات المحيطة، فإن خوارزميات الرسومات تُنتج متجهات انعكاس لتحديد كيفية تلوين الأجسام بناءً على هذه العناصر. ^{[ 36 ]} باستخدام خرائط بيئية ثنائية الأبعاد بدلاً من الأجسام ثلاثية الأبعاد كاملة العرض لتمثيل البيئة المحيطة، يمكن تحديد الانعكاسات على الأجسام باستخدام خوارزميات بسيطة وغير مكلفة حسابيًا. ^{[ 35 ]}

تستخدم أنظمة الجسيمات مجموعات من الجسيمات الصغيرة لمحاكاة الأحداث الفوضوية عالية التعقيد، مثل النار، والسوائل المتحركة، والانفجارات، والشعر المتحرك. ^{[ 37 ]} يتم توزيع الجسيمات التي تُشكل الرسوم المتحركة المعقدة بواسطة مُصدر، والذي يُعطي كل جسيم خصائصه، مثل السرعة، والعمر الافتراضي، واللون. ^{[ 37 ]} بمرور الوقت، قد تتحرك هذه الجسيمات، أو يتغير لونها، أو تتغير خصائص أخرى، اعتمادًا على التأثير. ^{[ 37 ]} عادةً ما تتضمن أنظمة الجسيمات عنصر العشوائية ، كما هو الحال في الخصائص الأولية التي يُعطيها المُصدر لكل جسيم، لجعل التأثير واقعيًا وغير منتظم. ^{[ 37 ] [ 38 ]}