تصميم وتنفيذ تأثيرات الإضاءة الافتراضية للمسرح

باستخدام بنية محرك OGRE، أصبح من الأسهل محاكاة بيئة إضاءة مسرحية ثلاثية الأبعاد واقعية. لا تقتصر إمكانيات التفاعل والتفاعل التي توفرها التقنية الافتراضية على تحويل التصميم والإبداع الثابتين إلى إعادة إنتاج ديناميكية فحسب، بل تُمكّن أيضًا من التنفيذ في الوقت المناسب. تُعد منصة نظام التصميم الافتراضي المتكاملة والناضجة، من خلال التقاط وتقديم تصورات المصمم وإبداعه وإلهامه، منصة مثالية لمصممي الإضاءة، ومديري العروض، ومشغلي التحكم في الإضاءة، ومعلمي فنون الإضاءة، وعروض تأثيرات الإضاءة، وغيرهم. إنها أداة تصميم احترافية وعملية للغاية، ومساعد شخصي. تجعل وظيفة التفاعل الفوري والمريحة النظام أكثر واقعية وقابلية للتشغيل. يوفر هذا النظام بيئة تشغيل تفاعلية فورية تلبي احتياجات المستخدمين.

سواءً كانت لعبة أو واقعًا افتراضيًا، فإن المشهد الافتراضي غالبًا ما يكون معقدًا لإظهار واقعيته، لذا يتم إنشاء المشهد الافتراضي غالبًا باستخدام أداة نمذجة ثلاثية الأبعاد، ثم يتم عرضه وإخراجه آنيًا. لتصميم إضاءة المسرح، يوفر برنامج 3DMAX ملفات مشهد أساسية، تُحلل من خلال واجهة DOM (نموذج كائن المستند)، ويتم استيراد الموارد وتنظيم المشاهد. وأخيرًا، يتم تحويل المشهد إلى نظام OGRE للعرض.

تتوفر نماذج إضاءة متنوعة، ويجب تحقيق تأثيراتها بشكل منفصل في المشهد. في الوقت نفسه، يجب أن يتمكن المستخدمون من إجراء عمليات متنوعة عبر واجهة المستخدم. يتطلب النظام تعقيدًا تشغيليًا كبيرًا، وحسابات كثيرة، وقابلية توسع عالية.

من الضروري تصميم وإنشاء بنية تنفيذ شاملة (كما هو موضح في الشكل 1) تتميز بكفاءة عالية في معالجة البيانات والحوسبة، وقابلية توسع عالية، وتكامل مرن، وترابط قوي بين الوحدات الوظيفية. ينقسم النظام إلى طبقة الموارد، وطبقة الواجهة، وطبقة العرض. طبقة الموارد: يتم تصديرها بواسطة مكون 3DMAX + Ofusion الإضافي لإنشاء ملفات الموارد اللازمة لتنظيم المشهد، والمواد، والكيانات، والقوام، والأنظمة الأخرى. طبقة الواجهة: مسؤولة عن استيراد ملفات الموارد هذه إلى المشهد.

طبقة العرض: تنفيذ عرض مشاهد المسرح وإضاءته، وإدارة موارد النظام، والاستجابة الفورية لتفاعل المستخدم، إلخ. 2. البحث في التقنيات الرئيسية لتنفيذ النظام. 1. يتم تصدير تنظيم المشاهد وملفات الموارد التي يحتاجها النظام بواسطة 3DMAX عبر مكون Ofusion الإضافي. ملف تنظيم المشهد المُصدَّر بصيغة XML، والذي يُسجل بعض المعلمات الأساسية للمسرح ومعلومات حول موقع واتجاه كل كيان فيه.

عُقد المشهد مُرتبة على شكل شجرة. لكل عُقدة عُقدة رئيسية مُقابلة، مما يُتيح تحريك وتدوير عُقد فرعية متعددة بسهولة في نفس الوقت من خلال تشغيل العُقدة الرئيسية. 2. تحويل الإحداثيات ثلاثية الأبعاد: لعرض نتائج العرض ثلاثي الأبعاد على شاشة ثنائية الأبعاد، يلزم تحويل الإحداثيات ثلاثية الأبعاد إلى إحداثيات مستوية. أولًا، يجب إنشاء نظام إحداثيات ثلاثي الأبعاد. نُنشئ نظام إحداثيات جانبي مائل ثلاثي الأبعاد ثنائي المحور، حيث يكون اتجاه المحور س أفقيًا إلى اليسار، واتجاه المحور ع رأسيًا إلى الأعلى، واتجاه المحور ص بزاوية 45 درجة بالنسبة للاتجاه الأفقي.

عند عرض الرسومات في نظام الإحداثيات هذا، فإن الأطوال في اتجاهي المحور السيني والمحور العازم تأخذ الطول الفعلي للرسومات، ويأخذ الطول في اتجاه المحور الصادي نصف الطول الفعلي. في الصيغة، ηx وηy وηz هي معاملات التشوه المحوري للمحاور السينية والي والزية. بإجراء تحويل الإسقاط المحوري، يمكن الحصول على المعادلة التالية: حيث f وd هما معاملات مصفوفة التحويل المحوري، ومن خلال حل هذه المعادلة، يمكن الحصول على: من أجل جعل التأثير ثلاثي الأبعاد أقوى، اضبط d = f = -0.354، ويمكن الحصول على التقنية المحورية مصفوفة تحويل الظل: بعد ذلك، من الضروري تحويل الإحداثيات ثلاثية الأبعاد للرسومات إلى إحداثيات الجهاز على الشاشة. في نافذة المنظور، يقع أصل الإحداثيات في الزاوية العلوية اليسرى من الشاشة، والاتجاه إلى اليمين هو الاتجاه الإيجابي لمحور x، والاتجاه إلى الأسفل هو الاتجاه الإيجابي لمحور y.

بافتراض أن إحداثيات نقطة (س، ص، ع) في الفضاء ثلاثي الأبعاد هي (س، ص) في إحداثيات الجهاز، وباستخدام مصفوفة تحويل الإسقاط المحوري، يمكن الحصول على صيغة التحويل التالية: xس، ص، ص في الصيغة هما الإحداثيات النسبية لأصل الإحداثيات ثلاثية الأبعاد في نظام إحداثيات الجهاز. باستبدال الصيغة (4) في (5)، يمكن الحصول على معادلة التحويل: 3. محاكاة تأثير نظام الجسيمات: تُمثَّل الجسيمات بأشكال رباعية الأضلاع. ولها سمات مثل الطول والعرض، والاتجاه، واللون، وعمرها الافتراضي، وكميتها، ومادتها، ووزنها، وسرعتها.

تُحدَّد خصائص الجسيمات بشكل مشترك بواسطة مُصدر الجسيمات ومؤثر الجسيمات. يُعنى مُصدر الجسيمات بانبعاث الجسيمات، مُعطيًا بعض خصائصها عند انبعاثها، بما في ذلك سرعة الحركة واللون ومدة الحياة، إلخ. أما مُؤثِّر التأثير الخاص للجسيمات، فهو مسؤول عن تغيير خصائص الجسيمات من لحظة انبعاثها إلى مرحلة ما قبل موتها، والذي يُمكن استخدامه لمحاكاة تأثيرات خاصة مثل الجاذبية والتوتر وتلاشي اللون، إلخ. يُمكن إنشاء تأثيرات مثل الدخان والنار والانفجارات عندما تُطلق مُصدرات الجسيمات أعدادًا كبيرة من الجسيمات باستمرار.

يوفر OGRE لغة برمجة نصية لنظام الجسيمات، تُمكّن من ضبط خصائص مختلفة للجسيمات في النص. في هذه المقالة، يتم وصف تأثيرات الألعاب النارية على المسرح، والأمطار، والسحب من خلال نظام الجسيمات. وبدمج تأثير الرسوم المتحركة في OGRE، يُمكن تحقيق تأثير جسيمات مشهد أكثر واقعية.

٤. محاكاة تأثير الإضاءة: تُعدّ الإضاءة العامل الأساسي لتأثير المسرح والتكنولوجيا الأساسية لهذا النظام التصميمي. يوفر محرك العرض عدة أنواع من الإضاءة شائعة الاستخدام، مثل الإضاءة النقطية، والإضاءة الاتجاهية، والإضاءة الكاشفة. ولكن لمحاكاة تأثير إضاءة المسرح الحقيقية، لا تكفي هذه الأنواع.

بالنسبة لبعض تأثيرات إضاءة المسرح الخاصة، مثل الإضاءة الحجمية، وغيرها، يجب تحقيقها من خلال تقنية خط أنابيب العرض القابل للبرمجة (التظليل). يوجد نوعان من التظليل: الأول على مستوى الرأس، ويُسمى تظليل الرأس (يُطلق عليه OpenGL اسم برنامج ve spit white)، والذي يحل محل أجزاء التحويل والإضاءة في خط أنابيب العرض الثابت، ويمكن للمبرمجين التحكم في تحويل الرأس والإضاءة وغيرها بأنفسهم. تُسمى الوحدات التي تعالج تظليل الرأس في الأجهزة بمعالجات تظليل الرأس (وحدات معالجة الرأس).

أحدها هو برنامج على مستوى البكسل، يُسمى مُظلل البكسل (يُسمى OpenGL برنامج التجزئة)، والذي يحل محل عملية التبخير في مسار العرض الثابت، ويمكن للمبرمجين التحكم في أخذ عينات لون وملمس البكسل بأنفسهم. تُسمى الوحدات التي تُعالج مُظللات البكسل في الأجهزة بمعالجات مُظللات البكسل (وحدات معالجة البكسل). لجعل محاكاة الإضاءة أكثر واقعية، من الضروري أيضًا استخدام معادلات الإضاءة ثلاثية الأبعاد للمحاكاة والحساب.

غالبًا ما تكون هذه خوارزمية تقريبية، ولكنها تُحقق تأثير محاكاة جيد وسرعة تشغيل عالية جدًا. هناك نموذجان شائعان للإضاءة: نموذج الإضاءة الشاملة ونموذج الإضاءة المباشرة. يستخدم هذا النظام نموذج الإضاءة الشاملة.

نموذج الإضاءة الشاملة هو نموذج إضاءة يُحاكي الواقعية ببراعة. فهو يُراعي انعكاس الضوء وانكساره ونفاذه وظله وتفاعله على سطح الجسم في آنٍ واحد. باستخدام نموذج الإضاءة الشاملة، من الضروري محاكاة عملية انتشار الضوء الفعلي وإشعاع تبادل الطاقة.

بالنسبة لتتبع الأشعة، من الضروري مراعاة نتيجة الإضاءة المباشرة لمصدر الضوء وتأثير إضاءة الضوء المنعكس على النقطة، والجمع بين الاثنين: بعد ذلك، لحساب الإشعاع، من الضروري حساب الإضاءة على كل سطح: حيث Ld هو الضوء المضاء من مصدر الضوء، وT هو عامل انتشار الضوء، وTLi هو الضوء المنعكس من الأسطح الأخرى، وL هي قيمة الضوء المطلوبة النهائية. واجهة النظام والملخص 3. واجهة النظام يمكن للنظام تحقيق تبديل المسرح، وتأثيرات المشهد المختلفة في المسرح، والتفاعل في الوقت الحقيقي مع مشاهد المسرح والأضواء المختلفة. الشكل 4 هو مخطط تأثير الألعاب النارية على المسرح، والشكل 5 هو مخطط تأثير الضوء الحجمي.

ملخص: أصبح تصميم إضاءة المسرح مشكلةً رئيسيةً لمصممي الإضاءة. فهم غالبًا ما يواجهون مشاكلَ تتعلق بالتكلفة الباهظة، واستهلاك الطاقة المرتفع، والوقت الطويل. ومع التطور السريع لصناعة المعلومات، دخل مجال إضاءة المسرح الاحترافية عصرًا رقميًا شاملًا.

يستخدم النظام محرك 0-GRE لإنشاء مسرح افتراضي، ويعرض تصميم إضاءة المسرح وتعديلها آنيًا. كما يوفر وظائف تفاعلية غنية لمصممي إضاءة المسرح، مما يُسهم في حل هذه المشكلة بكفاءة عالية. بعد ذلك، يحتاج النظام إلى إثراء نموذج إضاءة المسرح بشكل أكبر، بحيث يُمكنه محاكاة أنواع مختلفة من الإضاءة، مثل: الإضاءة الخافتة، والفلاش، وإضاءة التتبع، وغيرها. كما تحتاج واجهة المستخدم إلى مزيد من التحسين لتسهيل استخدامها.