مستوى التفاصيل (الرسومات الحاسوبية)
في مجال رسومات الحاسوب ، يشير مستوى التفاصيل ( LOD ) إلى مدى تعقيد تمثيل النموذج ثلاثي الأبعاد . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] يمكن تقليل مستوى التفاصيل كلما ابتعد النموذج عن المشاهد، أو وفقًا لمعايير أخرى مثل أهمية الكائن، أو السرعة النسبية لنقطة الرؤية، أو الموقع. تزيد تقنيات مستوى التفاصيل من كفاءة العرض عن طريق تقليل عبء العمل على مراحل خط أنابيب الرسومات ، وخاصةً تحويلات الرؤوس . غالبًا ما لا يُلاحظ انخفاض الجودة البصرية للنموذج نظرًا لتأثيره الطفيف على مظهر الكائن عند بُعده أو حركته السريعة.
على الرغم من أن تقنية مستوى التفاصيل (LOD) تُطبق في أغلب الأحيان على تفاصيل الهندسة فقط، إلا أن المفهوم الأساسي قابل للتعميم. وقد شملت تقنيات مستوى التفاصيل مؤخرًا إدارة التظليل للتحكم في تعقيد البكسل. كما طُبق شكل من أشكال إدارة مستوى التفاصيل على خرائط النسيج لسنوات، تحت مسمى رسم الخرائط الميكروية (mipmapping )، مما يوفر جودة عرض أعلى.
من الشائع القول بأن "الكائن قد تم تحويله إلى نموذج LOD " عندما يتم تبسيط الكائن بواسطة خوارزمية LOD الأساسية بالإضافة إلى قيام مصمم النماذج ثلاثية الأبعاد بإنشاء نماذج LOD يدويًا.
مرجع تاريخي
الأصليمكن تتبع أصول جميع خوارزميات مستوى التفاصيل (LOD) لرسومات الحاسوب ثلاثية الأبعاد إلى مقال لجيمس هـ. كلارك نُشر في عدد أكتوبر 1976 من مجلة اتصالات رابطة مكائن الحوسبة (ACM) . في ذلك الوقت، كانت الحواسيب ضخمة ونادرة، وكان الباحثون هم المحرك الرئيسي لتطوير الرسومات. كان تصميم الأجهزة مختلفًا تمامًا، سواء من حيث البنية أو الأداء. ولذلك، يمكن ملاحظة العديد من الاختلافات فيما يتعلق بخوارزميات اليوم، ولكن أيضًا العديد من نقاط التشابه.
قدمت الخوارزمية الأصلية نهجًا أكثر عمومية لما سيتم مناقشته هنا. بعد استعراض بعض الخوارزميات المتاحة لإدارة الهندسة، ذُكر أن أهم المكاسب تحققت من خلال "...هيكلة البيئات التي يتم عرضها" ، مما يسمح باستغلال عمليات التحويل والقص بشكل أسرع .
يُقترح الآن استخدام نفس هيكلة البيئة كوسيلة للتحكم في التفاصيل المتغيرة، وبالتالي تجنب العمليات الحسابية غير الضرورية، مع تقديم جودة بصرية كافية:
على سبيل المثال، يبدو المجسم ذو الاثني عشر وجهًا ككرة من مسافة بعيدة كافية، وبالتالي يمكن استخدامه لنمذجته طالما يُنظر إليه من تلك المسافة أو مسافة أكبر. مع ذلك، إذا دعت الحاجة إلى رؤيته عن قرب، فسيبدو كمجسم ذي اثني عشر وجهًا. أحد الحلول لهذه المشكلة هو ببساطة تعريفه بأكبر قدر ممكن من التفاصيل. لكن في هذه الحالة، قد يحتوي على تفاصيل أكثر بكثير مما هو مطلوب لتمثيله من مسافات بعيدة، وفي بيئة معقدة تضم العديد من هذه الأجسام، سيكون هناك عدد كبير جدًا من المضلعات (أو الأشكال الهندسية الأساسية الأخرى) بحيث يصعب على خوارزميات السطح المرئي التعامل معها بكفاءة.
تتصور الخوارزمية المقترحة بنية بيانات شجرية تُشفّر في أقواسها كلاً من التحويلات والانتقالات إلى كائنات أكثر تفصيلاً. وبهذه الطريقة، يُشفّر كل عقد كائنًا، ووفقًا لأسلوب استدلالي سريع ، تنحدر الشجرة إلى الأوراق التي تُزوّد كل كائن بمزيد من التفاصيل. عند الوصول إلى ورقة، يمكن استخدام طرق أخرى عند الحاجة إلى تفاصيل أعلى، مثل التقسيم الفرعي المتكرر لكاتمول ..
لكن النقطة المهمة هي أنه في بيئة معقدة، تختلف كمية المعلومات المقدمة حول الأشياء المختلفة في البيئة وفقًا لنسبة مجال الرؤية التي تشغلها تلك الأشياء.
ثم تقدم الورقة البحثية مفهوم القص (لا ينبغي الخلط بينه وبين الحذف على الرغم من تشابههما في كثير من الأحيان)، والاعتبارات المختلفة المتعلقة بمجموعة العمل الرسومية وتأثيرها على الأداء، والتفاعلات بين الخوارزمية المقترحة وغيرها لتحسين سرعة العرض.
الأساليب المعروفة
على الرغم من أن الخوارزمية المذكورة أعلاه تغطي نطاقًا واسعًا من تقنيات إدارة مستوى التفاصيل، إلا أن التطبيقات العملية عادةً ما تستخدم أساليب متخصصة مصممة خصيصًا للمعلومات المعروضة. وتبعًا لمتطلبات الموقف، تُستخدم طريقتان رئيسيتان:
تعتمد الطريقة الأولى، وهي مستوى التفاصيل المنفصل ( DLOD )، على إنشاء نسخ متعددة ومنفصلة من الشكل الهندسي الأصلي بمستويات تفاصيل هندسية أقل. أثناء التشغيل، تُستبدل النماذج ذات التفاصيل الكاملة بالنماذج ذات التفاصيل المنخفضة حسب الحاجة. ونظرًا لطبيعة المستويات المنفصلة، قد يظهر تشويش بصري عند استبدال نموذج بآخر. ويمكن التخفيف من هذا التشويش عن طريق مزج ألفا أو التحويل التدريجي بين الحالات أثناء الانتقال.
تعتمد الطريقة الثانية، وهي مستوى التفاصيل المتواصل ( CLOD )، على بنية تحتوي على طيف متغير باستمرار من التفاصيل الهندسية. ويمكن بعد ذلك فحص هذه البنية لاختيار مستوى التفاصيل المناسب بسلاسة وفقًا للحالة. ومن أهم مزايا هذه التقنية القدرة على تغيير مستوى التفاصيل محليًا؛ فعلى سبيل المثال، يمكن عرض جانب جسم كبير أقرب إلى مجال الرؤية بتفاصيل عالية، مع تقليل التفاصيل في الوقت نفسه على جانبه البعيد.
في كلتا الحالتين، يتم اختيار مستويات التفاصيل (LODs) بناءً على معيار تقريبي يُستخدم لتقييم مقدار التفاصيل المفقودة نتيجةً لتقليل مستوى التفاصيل، وذلك من خلال تقييم الخطأ الهندسي لمستوى التفاصيل مقارنةً بالنموذج كامل التفاصيل. ثم تُعرض الكائنات بأقل قدر من التفاصيل اللازمة لتحقيق هذا المعيار، المصمم لتقليل التفاصيل الهندسية قدر الإمكان لزيادة الأداء إلى أقصى حد مع الحفاظ على مستوى مقبول من الجودة البصرية.
تفاصيل حول مستوى التفاصيل المنفصل
تتمثل الفكرة الأساسية لتقنية مستوى التفاصيل المنفصل (DLOD) في توفير نماذج متعددة لتمثيل نفس الكائن. ويتطلب الحصول على هذه النماذج خوارزمية خارجية، غالباً ما تكون معقدة وتخضع للعديد من تقنيات تقليل المضلعات. وتفترض خوارزميات مستوى التفاصيل المتتالية ببساطة أن هذه النماذج متوفرة.
تُستخدم خوارزميات DLOD غالبًا في التطبيقات التي تتطلب أداءً عاليًا مع مجموعات بيانات صغيرة يمكن تخزينها بسهولة في الذاكرة. على الرغم من إمكانية استخدام خوارزميات خارج الذاكرة ، إلا أن دقة المعلومات فيها لا تتناسب مع هذا النوع من التطبيقات. عادةً ما يكون هذا النوع من الخوارزميات أسهل في التشغيل، مما يوفر أداءً أسرع واستهلاكًا أقل لوحدة المعالجة المركزية نظرًا لقلة العمليات المطلوبة.
تُستخدم طرق DLOD غالبًا للأجسام المتحركة "المستقلة"، وقد تشمل طرقًا معقدة للرسوم المتحركة. ويُستخدم نهج مختلف لرسم الخرائط الجغرافية.تُعدّ خوارزمية عرض التضاريس شائعةً لأنها تُطبّق على شبكات التضاريس التي تختلف رسوميًا وطوبولوجيًا عن شبكات "الكائنات". فبدلًا من حساب الخطأ وتبسيط الشبكة بناءً عليه، تعتمد خوارزمية geomipmapping على طريقة تقليل ثابتة، وتقييم الخطأ الناتج، وحساب المسافة التي يكون عندها الخطأ مقبولًا. وعلى الرغم من بساطتها، تُقدّم الخوارزمية أداءً جيدًا.
مثال على مستوى التفاصيل المنفصل
كمثال بسيط، لنفترض كرة . يقوم أسلوب مستوى التفاصيل المنفصل بتخزين عدد معين من النماذج لاستخدامها على مسافات مختلفة. ولأن النموذج يُمكن توليده إجرائيًا بسهولة من خلال صياغته الرياضية، فإن استخدام عدد مختلف من نقاط العينة الموزعة على السطح يكفي لتوليد النماذج المختلفة المطلوبة. هذه العملية ليست خوارزمية لمستوى التفاصيل.
| صورة |  |  |  |  |  |
|---|---|---|---|---|---|
| الرؤوس | حوالي 5500 | حوالي 2880 | حوالي 1580 | حوالي 670 | 140 |
| ملحوظات | أقصى قدر من التفاصيل، للصور المقربة | تفاصيل قليلة، أجسام بعيدة جدًا |
لمحاكاة سيناريو واقعي لحدود التحويل، يمكن استخدام تطبيق مكتوب خصيصًا لهذا الغرض. يضمن استخدام خوارزميات بسيطة وعمليات تجزئة دنيا عدم حدوث قيود على وحدة المعالجة المركزية . في كل إطار، يحسب البرنامج مسافة كل كرة ويختار نموذجًا من مجموعة نماذج بناءً على هذه المعلومات. ولتوضيح المفهوم بسهولة، تُبرمج المسافة التي يُستخدم عندها كل نموذج في الكود المصدري. أما الطريقة الأكثر تعقيدًا فتعتمد على حساب النماذج المناسبة وفقًا لمسافة الاستخدام المختارة.
يُستخدم OpenGL في عملية العرض نظرًا لكفاءته العالية في إدارة الدفعات الصغيرة، حيث يخزن كل نموذج في قائمة عرض، مما يجنب تكاليف الاتصال الزائدة. ويتم توفير حمل إضافي على الرؤوس من خلال تطبيق مصدرين ضوئيين اتجاهيين، يُفضل أن يكونا على مسافة لا نهائية.
يقارن الجدول التالي أداء العرض المدرك لمستوى التفاصيل وطريقة التفاصيل الكاملة ( القوة الغاشمة ).
| بروت | DLOD | مقارنة | |
|---|---|---|---|
| الصور المُعالجة |  |  |  |
| وقت العرض | 27.27 مللي ثانية | 1.29 مللي ثانية | تخفيض بمقدار 21 ضعفًا |
| رؤوس المشهد | 2,328,480 | 109,440 | تخفيض بمقدار 21 ضعفًا |
مستوى التفاصيل الهرمي
نظرًا لأن الأجهزة مصممة للتعامل مع كميات كبيرة من التفاصيل، فقد لا يحقق عرض الكائنات ذات عدد المضلعات المنخفض الأداء الأمثل. تتجنب تقنية HLOD هذه المشكلة من خلال تجميع الكائنات المختلفة معًا.يُتيح ذلك كفاءةً أعلى، بالإضافة إلى الاستفادة من اعتبارات التقارب. تمثل مستويات التفاصيل العالية (HLODs) فروعًا كاملةً من مخطط المشهد، لذا فإن عرض أحدها يسمح للمُعالج بتجاوز فروع تلك العقدة وتبسيط أجزاء كاملة من مشهد كبير دفعةً واحدة.[ 4 ] [ 5 ]
التطبيقات العملية
ألعاب الفيديو
تُعدّ تقنية مستوى التفاصيل (LOD) مفيدةً للغاية في ألعاب الفيديو ثلاثية الأبعاد. يسعى مطورو ألعاب الفيديو إلى تزويد اللاعبين بعوالم واسعة، لكنهم يواجهون قيودًا تتعلق بالأجهزة ومعدل الإطارات وطبيعة رسومات ألعاب الفيديو التي تعمل في الوقت الفعلي . مع ظهور ألعاب ثلاثية الأبعاد في التسعينيات، لم تكن العديد من ألعاب الفيديو تُظهر الهياكل أو الأجسام البعيدة. كان يتم عرض الأجسام القريبة فقط، بينما تتلاشى الأجزاء البعيدة تدريجيًا، مما يُحاكي تأثير ضباب المسافة . تتجنب ألعاب الفيديو التي تستخدم تقنية مستوى التفاصيل هذا التأثير الضبابي، وتستطيع عرض مساحات أكبر. من الأمثلة المبكرة البارزة على استخدام تقنية مستوى التفاصيل في ألعاب الفيديو ثلاثية الأبعاد: The Killing Cloud ، وSpyro the Dragon ، و Crash Bandicoot: Warped ، و Unreal Tournament ، و Serious Sam: The First Encounter . تستخدم معظم ألعاب الفيديو ثلاثية الأبعاد الحديثة مزيجًا من تقنيات مستوى التفاصيل، حيث تستخدم نماذج مختلفة للهياكل الكبيرة، وتقنية إخفاء التفاصيل البعيدة لتفاصيل البيئة مثل العشب والأشجار. لا يزال هذا التأثير ملحوظًا في بعض الأحيان، على سبيل المثال عندما تحلق شخصية اللاعب فوق التضاريس الافتراضية أو تستخدم منظار قناص للرؤية عن بُعد. سيظهر العشب والنباتات بشكل بارز عند الاقتراب، وهو ما يُعرف أيضًا باسم إخفاء النباتات. [ 6 ] يمكن أيضًا استخدام مستوى التفاصيل (LOD) لعرض التضاريس الكسورية في الوقت الفعلي. [ 7 ] يُطبّق نظام Nanite في محرك Unreal Engine 5 مستوى التفاصيل داخل الشبكات بدلًا من الكائنات ككل.
في نظم المعلومات الجغرافية ونمذجة المدن ثلاثية الأبعاد
يُستخدم مستوى التفاصيل (LOD) في نظم المعلومات الجغرافية ونماذج المدن ثلاثية الأبعاد كمفهوم مشابه. فهو يُشير إلى مدى دقة تمثيل معالم العالم الحقيقي على الخريطة، ومدى تطابق النموذج مع نظيره الواقعي. إلى جانب التعقيد الهندسي، يمكن مراعاة معايير أخرى في تحديد مستوى التفاصيل، مثل التماسك المكاني الدلالي، ودقة النسيج، والخصائص. ويحتوي معيار CityGML على أحد أبرز تصنيفات مستوى التفاصيل.
يُشار إلى تشبيه "LOD-ing" في نظم المعلومات الجغرافية باسم التعميم .
برامج العرض والنمذجة
- MeshLab هي أداة مفتوحة المصدر لمعالجة الشبكات قادرة على تبسيط الشبكات المضلعة ثلاثية الأبعاد بدقة.
- Polygon Cruncher هو برنامج تجاري من Mootools يعمل على تقليل عدد المضلعات في الكائنات دون تغيير مظهرها.
- Simplygon هي حزمة معالجة شبكية تجارية لإعادة تشكيل الشبكات المدخلة العامة إلى شبكات قابلة للعرض في الوقت الفعلي .
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ "مستويات متعددة من التفاصيل" (ملف PDF) . clemson.edu . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2 يوليو 2023 .
- ↑ "مستويات التفاصيل LOD" (ملف PDF) . computer-graphics.se . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2 يوليو 2023 .
- ↑ "مستوى تفاصيل الهندسة الديناميكية القائم على وحدة معالجة الرسومات - RasterGrid" .
- ↑ "HLODs: مستويات التفاصيل الهرمية" (ملف PDF) . cs.unc.edu . قسم علوم الحاسوب، جامعة نورث كارولينا في تشابل هيل.
- ↑ "تقنيات HLOD لعرض أسرع للبيئات الثابتة والديناميكية الكبيرة" (ملف PDF) . gamma.cs.unc.edu . مجموعة UNC GAMMA / ندوة حول الرسومات ثلاثية الأبعاد التفاعلية، ورقة بحثية بصيغة PDF.
- ↑ "وضع أوراق الشجر" . docs.unrealengine.com . تم الاطلاع عليه في 2 يوليو 2023 .
- ↑ "موسغريف، إف. كينتون، كريغ إي. كولب، وروبرت إس. ميس. "توليف وعرض التضاريس الكسورية المتآكلة." مجلة ACM Siggraph لرسومات الحاسوب. المجلد 23. العدد 3. ACM، 1989" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل في 11 مايو 2024. تم الاطلاع عليه في 2 يوليو 2023 .
- ^ مجلة اتصالات رابطة مكائن الحوسبة، أكتوبر 1976، المجلد 19، العدد 10، الصفحات 547-554.نماذج هندسية هرمية لخوارزميات الأسطح المرئية،بقلمجيمس هـ. كلارك، جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز. النسخة الرقمية الممسوحة ضوئيًا متاحة مجانًا على الرابط:https://web.archive.org/web/20060910212907/http://accad.osu.edu/%7Ewaynec/history/PDFs/clark-vis-surface.pdf
- ^ كاتمول إي،خوارزمية تقسيم فرعي لعرض الأسطح المنحنية على الحاسوب. تقرير فني رقم UTEC-CSc-74-133، جامعة يوتا، سولت ليك سيتي، يوتا، 1 ديسمبر
- ^ ريبيلس، لوبيز، وبلمونتي، "نموذج محسّن لمستوى التفاصيل المنفصلة من خلال تمثيل تزايدي"، 2010، متاح علىالرابط التالي: http://www3.uji.es/~ribelles/papers/2010-TPCG/tpcg10.pdf
- ^ دي بوير، دبليو إتش،عرض سريع للتضاريس باستخدام رسم الخرائط الهندسية MipMapping، في مقالات flipCode المميزة، أكتوبر 2000. متاح علىflipcode - عرض سريع للتضاريس باستخدام رسم الخرائط الهندسية MipMapping.
- تقدم ورقة كارل إريكسون المنشورة على الرابطhttp://www.cs.unc.edu/Research/ProjectSummaries/hlods.pdfنظرة عامة سريعة وفعالة على آليات HLOD. ويلي ذلك وصف أكثر تفصيلاً في أطروحته المنشورة على الرابطhttps://wwwx.cs.unc.edu/~geom/papers/documents/dissertations/erikson00.pdf.
- عرض ثلاثي الأبعاد