نظام الجسيمات

الموسوعة الحرة
نظام جسيمات يُستخدم لمحاكاة حريق، تم إنشاؤه في برنامج 3dengfx
نظام جسيمات مخصص يُستخدم لمحاكاة مجرة، تم إنشاؤه في برنامج 3DENGFX
نظام جسيمات يُستخدم لمحاكاة انفجار قنبلة، تم إنشاؤه في برنامج particleIllusion

نظام الجسيمات هو تقنية في فيزياء الألعاب ، والرسوم المتحركة ، ورسومات الكمبيوتر تستخدم العديد من الصور المصغرة ، أو النماذج ثلاثية الأبعاد ، أو الكائنات الرسومية الأخرى لمحاكاة أنواع معينة من الظواهر "الضبابية"، والتي يصعب إعادة إنتاجها باستخدام تقنيات العرض التقليدية - عادةً ما تكون أنظمة فوضوية للغاية ، أو ظواهر طبيعية، أو عمليات ناتجة عن تفاعلات كيميائية.

ظهرت هذه التقنية لأول مرة في فيلم "ستار تريك 2: غضب خان " عام 1982، ضمن ما يُعرف بـ"تأثير التكوين" الخيالي. [ 1 ] ومن الأمثلة الأخرى محاكاة ظواهر النار ، والانفجارات ، والدخان ، والمياه الجارية (كالشلالات)، والشرر ، وأوراق الشجر المتساقطة، وانهيارات الصخور، والغيوم ، والضباب ، والثلج ، والغبار ، وذيول النيازك ، والنجوم والمجرات، أو المؤثرات البصرية المجردة كالأذيال المتوهجة والتعاويذ السحرية ، وغيرها. وتعتمد هذه التقنية على جسيمات تتلاشى بسرعة ثم تُعاد إشعالها من مصدر التأثير. ويمكن استخدام تقنية أخرى للأشياء التي تحتوي على خيوط متعددة ، كالفراء والشعر والعشب، حيث يتم فيها عرض دورة حياة الجسيم كاملةً دفعة واحدة، ثم رسمها ومعالجتها كخيط واحد من المادة المعنية.

تُعرَّف أنظمة الجسيمات بأنها مجموعة من النقاط في الفضاء، تخضع لمجموعة من القواعد التي تحدد السلوك والمظهر. تُنمذج أنظمة الجسيمات الظواهر على أنها سحابة من الجسيمات، باستخدام العمليات العشوائية لتبسيط تعريف النظام الديناميكي وميكانيكا الموائع التي يصعب تمثيلها بالتحويلات الخطية . [ 2 ]

التنفيذ النموذجي

المحاكاة الديناميكية لجزيئات الهواء (Bifröst)

تتضمن أنظمة الجسيمات عادةً الوحدات النمطية التالية:

  • مرحلة انبعاث ، توفر موقعًا وتولد جسيمات جديدة.
  • مرحلة محاكاة تقوم بتحديث المعلمات ومحاكاة كيفية تطور الجسيمات.
  • مرحلة العرض ، التي تحدد كيفية عرض الجسيم.

مرحلة الانبعاث

يُحدد المُصدر معدل التوليد (عدد الجسيمات المُولدة في وحدة الزمن)، ومتجه السرعة الابتدائية للجسيمات (اتجاه انبعاثها عند التوليد). عند استخدام كائن شبكي كمصدر، غالبًا ما يُضبط متجه السرعة الابتدائية ليكون عموديًا على كل وجه من أوجه الكائن، مما يجعل الجسيمات تبدو وكأنها "تنتشر" مباشرةً من كل وجه، ولكن هذا ليس إلزاميًا.

مرحلة المحاكاة

خلال مرحلة المحاكاة ، يُحسب عدد الجسيمات الجديدة المطلوب إنشاؤها بناءً على معدلات التوليد والفاصل الزمني بين التحديثات، ويتم توليد كل جسيم في موقع محدد في الفضاء ثلاثي الأبعاد بناءً على موقع المُصدر ومنطقة التوليد المحددة. تُهيأ جميع معلمات الجسيم (مثل السرعة واللون، إلخ) وفقًا لمعلمات المُصدر. عند كل تحديث، تُفحص جميع الجسيمات الموجودة للتأكد من عدم تجاوزها عمرها الافتراضي، وفي هذه الحالة تُزال من المحاكاة. وإلا، يتم تعديل موقع الجسيمات وخصائصها الأخرى بناءً على محاكاة فيزيائية، قد تكون بسيطة كتحريك موقعها الحالي، أو معقدة كإجراء حسابات دقيقة للمسار تأخذ في الاعتبار القوى الخارجية (الجاذبية، الاحتكاك، الرياح، إلخ). من الشائع إجراء كشف التصادم بين الجسيمات والأجسام ثلاثية الأبعاد المحددة في المشهد لجعل الجسيمات ترتد عن العوائق في البيئة أو تتفاعل معها. نادرًا ما تُستخدم التصادمات بين الجسيمات، لأنها مكلفة حسابيًا وغير ذات صلة بصريًا بمعظم عمليات المحاكاة.

مرحلة العرض

بعد اكتمال التحديث، يتم عرض كل جسيم، عادةً على شكل رباعي الأضلاع مُزخرف (أي شكل رباعي الأضلاع يواجه المشاهد دائمًا). مع ذلك، قد لا يكون هذا ضروريًا في بعض الألعاب؛ إذ يُمكن عرض الجسيم كبكسل واحد في بيئات ذات دقة منخفضة/قدرة معالجة محدودة. في المقابل، في رسومات الحركة، تميل الجسيمات إلى أن تكون نماذج ثلاثية الأبعاد كاملة ولكنها صغيرة الحجم وسهلة العرض، لضمان الدقة حتى في الدقة العالية. يُمكن عرض الجسيمات على شكل كرات معدنية في العرض غير المتصل بالإنترنت؛ وتُنتج الأسطح المتساوية المحسوبة من كرات الجسيمات المعدنية سوائل واقعية للغاية. أخيرًا، يُمكن أن تحل كائنات الشبكة ثلاثية الأبعاد محل الجسيمات - فقد تتكون عاصفة ثلجية من شبكة ندفة ثلج ثلاثية الأبعاد واحدة يتم تكرارها وتدويرها لتتوافق مع مواقع آلاف أو ملايين الجسيمات. [ 3 ]

تصنيف نظام الجسيمات

في عام 1983، حدد ريفز النقاط المتحركة فقط، مما أدى إلى إنشاء محاكاة للجسيمات المتحركة - كالشرارات والمطر والنار، وما إلى ذلك. في هذه التطبيقات، يحتوي كل إطار من الرسوم المتحركة على كل جسيم في موضع محدد من دورة حياته، ويشغل كل جسيم موضعًا نقطيًا واحدًا في الفضاء. بالنسبة للتأثيرات التي تتلاشى، مثل النار أو الدخان، يُمنح كل جسيم وقتًا للتلاشي أو عمرًا ثابتًا؛ أما التأثيرات الأخرى، مثل العواصف الثلجية أو المطر، فعادةً ما ينتهي عمر الجسيم بمجرد خروجه من مجال رؤية معين . [ 1 ]

في عام ١٩٨٥، وسّع ريفز المفهوم ليشمل عرض دورة حياة كل جسيم بالكامل في آنٍ واحد، ما يُحوّل الجسيمات إلى خيوط ثابتة من المادة تُظهر مسارها العام، بدلاً من كونها نقاطًا. يمكن استخدام هذه الخيوط لمحاكاة الشعر والفراء والعشب ومواد مشابهة. ويمكن التحكم في هذه الخيوط باستخدام متجهات السرعة وحقول القوة ومعدلات التكاثر ومعاملات الانحراف نفسها التي تخضع لها الجسيمات المتحركة. إضافةً إلى ذلك، يمكن التحكم في سُمك الخيوط المعروضة، وفي بعض التطبيقات، يمكن تغييره على طول الخيط. ويمكن لمجموعات مختلفة من المعاملات أن تُضفي على الخيوط صلابةً أو ليونةً أو ثقلاً أو خشونة، أو أي عدد من الخصائص الأخرى. كما يمكن استخدام رسم الخرائط النسيجية لتغيير لون الخيوط أو طولها أو خصائص أخرى عبر سطح المُصدر. [ ٤ ]

في عام 1987، قدم رينولدز مفاهيم سلوكيات التجمع والقطيع والتجمع في أسراب . ويوسع نموذج البويدز محاكاة الجسيمات ليشمل تفاعلات الحالة الخارجية بما في ذلك البحث عن الهدف، وتجنب الاصطدام، وتمركز السرب، والإدراك المحدود. [ 5 ]

في عام 2003، قام مولر بتوسيع أنظمة الجسيمات لتشمل الموائع عن طريق محاكاة اللزوجة والضغط والتوتر السطحي ، ثم قام برسم الأسطح عن طريق استيفاء المواضع المنفصلة باستخدام ديناميكا الموائع الجزيئية الملساء . [ 6 ]

مكعب ينبعث منه 5000 جسيم متحرك، يخضع لقوة "جاذبية" في الاتجاه السالب للمحور Y
نفس مُصدر المكعب مُصوَّر باستخدام جسيمات ثابتة أو خيوط

أدوات نظام الجسيمات سهلة الاستخدام للمطورين

يمكن كتابة أكواد أنظمة الجسيمات، التي يمكن تضمينها في محركات الألعاب وأنظمة إنشاء المحتوى الرقمي وتطبيقات المؤثرات، من الصفر أو تحميلها. توفر Havok واجهات برمجة تطبيقات متعددة لأنظمة الجسيمات، وتركز واجهة Havok FX API الخاصة بها بشكل خاص على مؤثرات أنظمة الجسيمات. أما Ageia - وهي الآن شركة تابعة لـ Nvidia - فتُقدم نظام جسيمات وواجهة برمجة تطبيقات أخرى لفيزياء الألعاب، تُستخدم في العديد من الألعاب، بما في ذلك ألعاب Unreal Engine 3. يوفر كل من GameMaker Studio و Unity نظام جسيمات ثنائي الأبعاد، يُستخدم غالبًا من قِبل مطوري الألعاب المستقلين أو الهواة أو الطلاب، على الرغم من أنه لا يمكن استيراده إلى محركات أخرى. توجد أيضًا العديد من الحلول الأخرى، وكثيرًا ما تُكتب أنظمة الجسيمات من الصفر إذا رُغبت في الحصول على مؤثرات أو سلوكيات غير قياسية.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 ريفز، ويليام (1983). "أنظمة الجسيمات - تقنية لنمذجة فئة من الكائنات الضبابية" (ملف PDF) . معاملات ACM في الرسومات . 2 (2): 91-108 . CiteSeerX 10.1.1.517.4835 . doi : 10.1145/357318.357320 . S2CID 181508. تاريخ الاسترجاع: 13 يونيو 2018 .  
  2. ↑ هاستينغز إي جيه، غوها آر كيه، ستانلي كيه أو (9 ديسمبر 2008). "التطور التفاعلي لأنظمة الجسيمات لرسومات الحاسوب والرسوم المتحركة". معاملات IEEE في الحوسبة التطورية . 13 (2): 418-432 . CiteSeerX 10.1.1.365.5720 . doi : 10.1109/TEVC.2008.2004261 . S2CID 11390585 .  
  3. ↑ سيمز ك (1990-09-01). "تحريك الجسيمات وعرضها باستخدام الحوسبة المتوازية للبيانات" (ملف PDF) . وقائع المؤتمر السنوي السابع عشر حول رسومات الحاسوب والتقنيات التفاعلية . الصفحات 405-413 . doi : 10.1145/97879.97923 . ISBN  0897913442. S2CID 2791741 . تم الاسترجاع بتاريخ 17-01-2022 . 
  4. ↑ ريفز، ويليام ت.؛ بلاو، ريكي (يوليو 1985). "خوارزميات تقريبية واحتمالية لتظليل وعرض أنظمة الجسيمات المهيكلة". مجلة ACM SIGGRAPH لرسومات الحاسوب . 19 (3): 313-322 . doi : 10.1145/325165.325250 .
  5. ↑ رينولدز، كريغ (1987). "القطعان والأسراب والمدارس: نموذج سلوكي موزع". وقائع المؤتمر السنوي الرابع عشر حول رسومات الحاسوب والتقنيات التفاعلية . رابطة آلات الحوسبة . الصفحات 25-34 . CiteSeerX 10.1.1.103.7187 . doi : 10.1145/37401.37406 . ISBN   978-0-89791-227-3. S2CID 546350 . 
  6. ↑ مولر م، تشاريبار د، غروس م. "محاكاة السوائل القائمة على الجسيمات للتطبيقات التفاعلية" (ملف PDF) . ندوة SIGGRAPH حول الرسوم المتحركة الحاسوبية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 يناير 2022 .