چند توضیح:

۱٫ این مقاله رو به عنوان یک معرفی برای یکی از دروس دانشگاه تهیه کرده بودم که در اینجا قرار میدم. اگر در زمینه انیمیشن رایانه ای سه بعدی اطلاعاتی ندارید ولی به این مقوله علاقه مند هستید میتوانید دانش خوبی را از این مقاله کسب کنید.

۲٫ در این مقاله نرم افزار آموزش نمیدهم. بلکه مفاهیمی و راه حل هایی را توضیح میدهم که در هر برنامه طراحی سه بعدی وجود دارد و استفاده میشود.

۲٫ ویدئو های این مقاله را در سایت vimeo آپلود کردم. میتوانید نسخه با کیفیت تر را از لینک زیر هر ویدئو نیز دانلود کنید.

نظری به مراحل ساخت یک انیمیشن رایانه ای سه بعدی

لیست مطالب:

تاریخچه

معرفی

مدل سازی

نقش دهی و طراحی نگاشت

مواد

نورپردازی

سیستمهای ذره ای

Rigging

متحرک سازی

خروجی

تاریخچه:

William Fetter در دهه ۱۹۶۰ برای کمپانی بوئینگ هواپیما طراحی میکرد. وی اولین کسی بود که از گرافیک سه بعدی رایانه ای استفاده نمود. و اصطلاح Computer Graphics را باب نمود. وی همچنین در سال ۱۹۶۴ اولین مدل سه بعدی انسان را طراحی کرد و نام آن را Boeing Man گذاشت.

عمده ابداعات و اکتشافات در حوزه گرافیک سه بعدی در خلال دهه های ۷۰ و ۸۰ اتفاق افتاد و بسیاری از تکنیک های مهم و معروف در این دهه ها پایه ریزی گردید. اما به دلیلی ضعیف بودن رایانه های در آن زمان در پردازش اطلاعات محصول این ابداعات در دو دهه اخیر عمدتا در صنایع سرگرمی به دست آمده است. دانشمندان رایانه ای بسیاری در پایه گذاری این روشها سهم عمده ای داشتند که نام برخی از آنها نیز بر روی تکنیکهای ابداعی شان گذاشته شده از جمله: Edwin Catmull، Jim Blinn، Bui Tuong Phong، Pierre Bezier و …. .

در سال ۱۹۷۶ Edwin Catmull و Fred Parke برای اولین بار از گرافیک سه بعدی در فیلم FutureWorld استفاده کردند و استفاده از رایانه را در فیلم سازی نشان دادند. در این فیلم صورت و دستی سه بعدی متحرک شده بود تا حسی آینده گرایانه را به فیلم بدهد.

اولین فیلم موفقی که از رایانه در سرتاسر آن استفاده شده بود فیلم Star Wars-Episode IV: A New Hope بود. جرج لوکاس با ساختن این فیلم در سال ۱۹۷۷ استفاده از رایانه را در فیم سازی رایج نمود.

در سال ۱۹۸۲، John Lasster به همراه انیماتوری به نام Glen Keane اولین تست های استفاده از انیمیشن رایانه ای و ترکیب آن با انیمیشن دستی را در کمپانی والت دیزنی زدند. نام این تست Where The Wild Things Are بود. به دلیل هزینه بر بودن تستها، این کار تعطیل شد.

داستان اسباب بازی های ۱ اولین فیلم انیمیشن بلند سه بعدی موفقی بود که باعث شد بعد از آن تکنولوژی سه بعدی رفته رفته جای تکنیک کلاسیک Cell Animation را اشغال کند.

معرفی:

در تمام کمپانی های تولید سرگرمی از سایز کوچک گرفته تا متوسط از نرم افزارهای معمول طراحی سه بعدی که در بازار یافت میشوند استفاده میشود. این نرم افزارها و پکیجها به سه دسته تقسیم میشوند:

• نرم افزارهای اصلی طراحی سه بعدی (که عموما ۳DsMAX و Maya میباشند).
• نرم افزارهای جانبی که برای یک یا چند وظیفه خاص طراحی شده اند (همچون نرم افزار Bodypaint 3D برای نقاشی بر روی مدل سه بعدی، رندرر VRay برای خروجی گرفتن ، نرم افزار Massive برای  Crowd Animation و برنامه VUE برای طراحی محیطهای باز طبیعی).
• اسکریپتها و پلاگینهایی که توسط زبان برنامه نویسی برنامه های ۳dsMAX و Maya ساخته شده اند.

دسته چهارمی از ابزارها وجود دارد که متعلق به کمپانی های بزرگ تولید انیمیشن است و عبارت است از برنامه ها و ابزارهای اختصاصی تولید شده توسط خود کمپانی که در اینجا مورد بحث نیستند.

تمام این کمپانی ها بسته به نوع خروجی شان خط تولید های متفاوتی دارند. ولی به طورکلی در ساخت یک انیمیشن استاندارد و معمول سه بعدی چند مرحله وجود  دارد که به ترتیب باید انجام شوند. این مراحل عبارتند از:

: Character animation

Modeling

Mapping And Texturing

Rigging And Animating

Materials and Lighting

Rendering

–

: Environment Animation

Modeling

Mapping And Texturing

Particle Systems

Materials And Lighting

Rendering

مراحل ساخت یک انیمیشن سه بعدی رایانه ای تقریبا به ترتیب زیر دنبال میشود:

۱٫ مدل سازی:

یک مدل سه بعدی تعریف کننده فضایی است که توسط اشیاء اشغال میشود.

از یک دیدگاه تمام مدل های سه بعدی در دو دسته جا میگیرند.

- مدلهای حجمی: در این روش حجم واقعی مدل توسط معادلات ریاضی تعریف میشود. این روش مصارف علمی، تحقیقاتی، نظامی و پزشکی دارد. ساده ترین این احجام از لحاظ بار پردازشی بسیار سنگین هستند و استفاده های خاص خود را دارند.

- مدلهای پوسته ای: در این روش تنها سطح و پوسته حجم توسط معادلات ریاضی تعریف میشود. از آنجایی که کارکردن با مدلهای پوسته ای بسیار راحت است و چون ما  در بازیهای رایانه ای و فیلم و انیمیشن و معماری و طراحی صنعتی تنها به یک سطح برای تعریف کردن فضا احتیاج داریم بنابراین از این روش استفاده میکنیم.

در ادامه تمام بحث در مورد مدلهای پوسته ای خواهد بود.

انواع روشهای مدل سازی:

• توسط طراح
• توسط اسکنر سه بعدی
• توسط شبیه سازی فیزیکی

همانطور که برنامه های دو بعدی گرافیکی تنها خط راست میتوانند رسم کنند و نرم ترین خطوط نیز در واقع ماحصل به هم پیوستن تعداد بسیار زیادی خط راست است در برنامه های سه بعدی نیز رایانه  تنها مثلث میتواند رسم کنند بنابراین پیچیده ترین و نرم ترین سطوح نیز در واقع تشکیل شده از تعداد زیادی مثلث های ریز هستند. علت این امر این است که از تنها از سه نقطه است که یک مثلث میتواند عبور کند.

به ترتیب از چپ به راست: نقطه، خط، مثلث، چند ضلعی، سطح

فیلم با کیفیت خوب را از اینجا دانلود کنید.

مدل سازی توسط طراح:

طراحی یک مدل توسط طراح معمول ترین روش مدل سازی میباشد. برای این کار در هر بسته نرم افزاری سه بعدی ابزارهایی وجود دارد ولی معمول ترین تکنیک که در تمام بسته های مدل سازی پشتیبانی میشود Sub-D Modeling نامیده میشود نامهای دیگر این روش Box Modeling و یا همان Low Poly Modeling است. در این روش طراح یک مدل را به صورت دستی با جزئیات کم میسازد و سپس توسط ابزارهایی که در برنامه وجود دارند مدل را به صورت اتوماتیک پیچیده تر و نرم تر میکند ( اصطلاحا گفته میشود مدل را ریز بخش یا subdivide میکند) و قسمتهایی که در آنها مشکلی به وجود می آید را به طور دستی ویرایش میکند و دوباره یک مرحله دیگر مدل را ریزبخش میکند و دوباره اشکالات را بر طرف مینماید و طی چند مرحله به مدلی نرمی و صیقلی که میخواهد میرسد.

فیلم با کیفیت خوب را از اینجا دانلود کنید.

فیلم با کیفیت خوب را از اینجا دانلود کنید

روشهای دیگری برای مدل سازی نیز وجود دارند که کاربردهایی خاص تر دارند و عبارتند از:

Patch modeling

Nurbse modeling

sculpting

مدل سازی توسط اسکنر سه بعدی:

توسط اسکنر سه بعدی اطلاعات فضایی / مکانی یک شی را استخراج میکنیم. بعضی از انواع اسکنرهای میتوانند اطلاعات بیشتری همچون جنسیت و ماده جسم را نیز ثبت کنند.

توسط اسکنر سه بعدی اطلاعات توده ای از نقاط را به دست می آوریم که بعدا طی پروسه “بازسازی” با وصل کردن این نقاط به هم مدل تشکیل میشود. اگر رنگ هر کدام از این نقاط را نیز هنگام نمونه برداری ثبت کنیم میتوانیم یک بافت از مدل نیز داشته باشیم.

معمولا با یک بار اسکن کردن به یک مدل کامل نمیرسیم و باید پروسه اسکن را چند بار از زوایای مختلف انجام داد و توسط یک سیستم تشخیص وضعیت مرجع اسکن های مختلف را با هم ترکیب کرد تا الگوی کاملی از شئ به دست آید.

انواع روشها :

• روش تماسی
• روش غیر تماسی: به دو دسته تقسیم میشود: Active Scanners – Passive Scanners

روش تماسی: در این روش یک بازوی ربات داریم که حسگرهایی بر سر آن نصب است. ربات سعی میکند با کشیدن سنسورها بر روی مدل  آن را اسکن کند. این روش میتواند بسیار دقیق باشد اما ممکن است به مدل صدمه بزند بنابراین برای اسکن اشیاء تاریخی و یا ارزشمند از آن استفاده نمیشود.

در صنعت انیمیشن مدلهای دستی از این وسیله نیز وجود دارد که توسط آنها مجسمه های ساخته شده کاراکترها اسکن میشوند.

Active Scanners:

روشهای زیادی در این دسته جای می گیرند. ولی ویژگی مشترک تمام این روشها در این است که با پرتاب لیزر، امواج صوتی و یا اشعه x به روی سطح مدل و سپس بررسی کردن الگوی پرتو و یا صدای باز تاب شده اطلاعات مکانی سطح مدل به دست می آید. در اینجا پرکاربردترین ترین روش از این دسته را توضیح میدهم:

Triangulation 3D Laser Scanner:

در این روش نواری از نور لیزر بر روی مدل تابیده میشود ودوربینی که در سمت دیگر قرار دارد با عقب و جلو رفتن لیزر بر روی سطح مدل شکل مدل را ثبت میکند. علت نامگذاری این روش این است که دوربین، دستگاه پرتاب کننده لیزر و نقاط لیزر روی سطح مدل مثلثی را تشکیل میدهند. فاصله بین دوربین و پرتاب کننده را میدانیم زوایای پرتاب کننده و دوربین را نیز میدانیم در این حالت میتوانیم مشخصات دقیق مثلث و اندازه اضلاعش را پیدا کنیم و بنابراین میتوانیم مکان نقطه لیزر را نیز رد یابی کنیم.

مزایا: دقت بالا

معایب: مدلهای کوچک را اسکن میکند و باید در فاصله چند متری دستگاه باشند.

Triangulation Scanner

مدل سازی توسط شبیه سازی فیزیکی:

در این روش با کمک سیستمهای ذره ای پدیده هایی را میسازیم که به علت وضعیت خاصشان امکان ساختن آنها با روشهای معمول مدل سازی وجود ندارد و یا بسیار مشکل است. همچون آب و یا آتش. در قسمت مربوط به سیستمهای ذره ای در این باره به طور کامل صحبت کرده ام.

نقش دهی و طراحی نگاشت:

نقش دهی یعنی تعریف کردن نحوه افتادن نقش (نگاشت) بر روی مدل. روشهایی که در این رابطه استفاده میشود تحت نام کلی UVW Mapping شناخته میشوند. هنگامی که مدلی را ذخیره میکنیم علاوه بر اطلاعات مکانی ورتکسهای که در فضای xyz قرار دارند، اطلاعات مکانی ورتکسهای UV Map آ نیز که در فضای UVW (معادل XYZ ) قرار دارند ذخیره میشوند. مدل UVW یک مدل همانند مدل اصلی است که تنها قابل دسترسی و ویرایش در محیط نقش دهی میباشد. وظیفه این مدل توضیح دادن نحوه افتادن مدل بر روی شئ برای رایانه میباشد.

فیلم با کیفیت خوب را از اینجا دانلود کنید.

فیلم با کیفیت خوب را از اینجا دانلود کنید.

بعد از نقش دهی یک مدل میتوانیم برای آن نگاشت بسازیم. این کار توسط یک برنامه دو بعدی و یا یک برنامه سه بعدی که مستقیم بر روی مدل نقاشی میکند انجام میشود.

فیلم با کیفیت خوب را از اینجا دانلود کنید.

مواد:

در دنیای واقعی هر ماده ویژگی هایی دارد که شامل رنگ، بافت، خلل و فرج، انعکاسات، انکسارات، میزان نفوذ پذیری نور، قدرت جذب نور و قدرت انعکاس نور، خود روشنایی و … میباشد. برای شبیه سازی یک ماده در یک نرم افزار سه بعدی نیز باید این ویژگیها را تعریف کنیم.

در یک برنامه سه بعدی یک ماده حاوی کانالهایی برای تعریف کردن این ویژگیها میباشد. برای تعریف کردن هر کدام از این کانالها بسته به برنامه روشهای مختلفی وجود دارد اما یکی از روشهای کلی استفاده از نقوش خاکستری برای اعمال مقادیر مختلفی از یک پارامتر یا کانال به قسمتهای مختلف سطح شی است. به این صورت که پیکسلهای سیاه حداقل مقدار پارامتر را اعمال میکنند و پیکسلهای سفید حداکثر مقدار پارامتر را و پیکسلهای خاکستری بین این دو حرکت میکنند.

فیلم با کیفیت خوب را از اینجا دانلود کنید.

نور پردازی:

نورپردازی در تمام برنامه های سه بعدی به دو صورت انجام میشود:

• Non-Physical Based
• Physical Based

در نورپردازی غیر فیزیکی، پارامترهایی که رفتار نور را مشخص میکنند مبنای فیزیکی ندارند در حالیکه در نور پردازی فیزیکی پارامترهایی همچون نوع پخشی نور، شدت نور و دمای نور مطرح هستند. همچنین در نور پردازی فیزیکی، افت انرژی نوری برابر با مجذور مربع میباشد که مطابق با رفتار واقعی نور در طبیعت است.

از نور پردازی فیزیکی در روشنسازی صحنه های معماری و فیلم ها و انیمیشنهای فوتو رئال استفاده میشود. در حالیکه در انیمیشنهای فانتزی گونه از ترکیب این نورها با نورهای غیر فیزیکی استفاده میگردد.

تکنیک HDR lighting: در این تکنیک نور محیط توسط عکسهای hdri شبیه سازی میشود. عکسهای hdri عکسهایی هستند که دامنه وسیعتری از انرژی نورانی در در خود ذخیره میکنند. بر خلاف عکسهای عادی که سفید ترین رنگ RGB 255 255 255 است و تیره ترین رنگ RGB 0 0 0 میباشد. در این عکسها دامنه تیرگی و روشنی گسترده تر میباشد و بنابراین از این عکسها میتوان به عنوان یک منبع برای روشن سازی صحنه استفاده کرد. علاوه بر این به علت اینکه دامنه گسترده ای از تیرگی و روشنی در این عکسها ثبت میشود بنابراین میتوان با کم و زیاد کردن نور حالتهای متفاوتی از نوردهی را ایجاد نمود.

سیستمهای ذره ای:

سیستمهای ذره ای در گرافیک رایانه ای عنوانی است که به پدیده هایی خاص طبیعی اطلاق میشود که درآنها تعداد زیادی اشیاء ریز مواد با تبعیت از قوانین فیزک همچون جاذبه، اینرسی (لختی / تمایل به حفظ موقعیت )، کشش سطحی، وزن، چگالی و … تحت تاثیر یک عامل حرکت دهنده الگوهای حرکت جمعی را پدید می آورند که توسط تکنیکهای معمول مدل سازی و متحرک سازی قابل بار تولید نیست. این پدیده ها عبارتند از: آتش، انفجار، دود، سیالات، اخگر، برگهای ریزان، ابر، مه، برف، غبار، پشم، مو، چمن و یا افکتهای بصری انتزاعی همچون دنباله های درخشان و وردهای جادویی و …. .

چند مفهوم در سیستمهای ذره ای وجود دارد:

ساطع کننده (Emitter)

نیروها (Forces)

موانع (Deflectors)

ساطع کننده: سیستمهای ذره ای در محیط سه بعدی توسط ابزارهایی به نام ساطع کننده (emitter) خلق میشوند. یک ساطع کننده را در هر جایی از محیط سه بعدی میتوان قرار داد. یک ساطع کننده ویژگی های ذره ها را همچون تعداد، جهت پرتاب شدن، طول عمر، رنگ و بسیاری ویژگیهای دیگر را تعیین میکند. یک ویزگی مهم در سیستمهای ذره ای تصادفی بودن شکل و حرکت ذره ها است.

نیروها: نیروها عوامل محرکه ذره ها هستند و باعث حرکت داده شدن ذره ها میشوند. نیروها میتوانند عوامل طبیعی باشند همچون باد و یا جاذبه و یا صرفا یک نیرو برای ایجاد حرکتی خاص مثلا نیروی پیچشی که تولید حرکات مارپیچ میکند و یا نیروی موجی که بر روی سطوح ایجاد موج مینماید.

موانع: از موانع برای محدود کردن و یا هدایت حرکات ذره ها استفاده میشود. به عنوان مثال برای اینکه آب موجود در ظرفی از آن نریزد باید یک محدود کننده به سکل ظرف تعریف کنیم و آن را داخل ظرف قرار دهیم.

سیستمهای ذره ای به صورت اتوماتیک و توسط موتورهای فیزیک متحرک میشوند و تنها ممکن است ویرایش هایی به صورت دستی در قسمتهایی اعمال شود.

یک موتور فیزیک شرایط فیزیکی واقعی را شبیه سازی میکند تا ذره ها با قرار گرفتن در آن شرایط حرکت جمعی داشته باشند.

Rigging:

یکی از تکنیکهای عمده برای آماده سازی یک کاراکتر برای پذیرفتن انیمیشن میباشد. این تکنیک قابل مقایسه با ساختن اسکلتهای فلزی برای عروسکهای استاپ موشن است.

در این روش مدل مش کاراکتر که تاکنون با آن کار میکردیم، پوسته (skin)، نامیده می‌شود و اسکلتی که در درون آن برپا میکنیم Rig نامیده میشود.

اسکلتی که میسازیم یک نسخه ساده سازی شده از اسکلت انسان و یا جانور است.

در این اسکلت هر استخوان فرزند استخوان (های) قبلی خود و پدر استخوان (های) بعدی خود میباشد (parent/child relationship). بین دو استخوان مفصل نامیده می‌شود و درجه آزادی آن (degree of freedom) برای چرخش قابل تنظیم است.

رابطه والد و فرزندی در نر م افزارهای متحرک سازی دو بعدی و سه بعدی وجود دارد و مفهوم آن این است که با حرکت دادن یک استخوان پدر تمام استخوان‌های فرزند نیز از آن حرکت تبعیت میکنند. مثلاً اگر بازو را حرکت دهیم، استخوانهای ساعد، دست و انگشتان دست نیز حرکت میکنند.

حرکت دادن استخوان‌های یک کاراکتر توسط دو تکنیک عمده امکان‌پذیر است:

• Forward Kinematics
• Inverse Kinematics

هر دو این روشها در علم روباتیک توسعه داده شده اند.

در روش حرکت رو به جلو مساله این است که اگر زاویه تمام مفاصل یک درست را از شانه تا خود دست داشته باشیم مکان دست در چه موقعیتی خواهد بود.

روش «حرکت رو به جلو» اولین و ساده‌ترین روشی بود که برای حرکت دادن یک دست روباتیک پیاده‌سازی شده. در این روش ربات با آزمون و خطا تلاش میکند تا با تغییر دادن زوایای تک تک مفاصل دست را به نقطه xyz برساند.

اما بعدها با مطالعه الگو های حرکتی استخوانهای بدن انسان تکنیک «حرکت معکوس» توسعه داده شد.

در این روش مساله این است که اگر موقعیت دقیق xyz یک دست را داشته باشیم، زوایای مفاصل برای رسیدن به آن نقطه چه خواهند بود.

طراحی و توسعه این روش پیچیده‌تر از روش قبلی است. برای عمل کردن این روش باید درجات آزادی حرکت (degree of freedom) و محدوده چرخشی تمام مفاصل را بدانیم و همچنین الگویی پیدا کنیم تا بتوانیم توضیح بدهیم که برای هر حرکت هر مفصل تا چه اندازه و در کدام زوایا باید بچرخد.

در زمینه انیمیشن سه بعدی IK بسیار موفق تر از FK عمل میکند. زیرا انیماتور تنها باید دست کاراکتر جنگجو را به سوی قبضه سلاح ببرد و خود برنامه چرخش تما مفاصل را محاسبه میکند. در حالیکه در نسخه های اولیه انیماتور مجبور بود تک تک مفاصل را متحرک کند تا حرکت به دست کاراکتر برسد.

با این حال حرکات و مفاصلی وجود دارند که از سیستم FK بهره میبرند. همچون استخوان بندی بدن یک مار و یا موی دم اسبی یک کاراکتر زن.

ساختن یک rig تنها به معنای ساختن اسکلتی متشکل از روابط IK و FK نیست. بلکه تعبیه و بر پا کردن تمام روابط، قیود و کنترلر هایی است که هنگام متحرک سازی حرکت اصلی توسط انیماتور به طور اتوماتیک تمام حرکات ثانویه و فرعی را خلق میکنند. این امر شامل موارد زیر باشد:

• برجسته شدن ماهیجه ها هنگام چرخش مفاصل.
• چین و چروک خوردن پوست اطراف یک مفصل هنگام چرخش آن.
• لرزش قسمتهای چاق و چربی دار بدن هنگام حرکت.
• حرکت موها، پشم و کرک ها

از دیدی سطح بالاتر و توسعه یافته تر تعریف یک rig شامل موارد بسیار بیشتری می‌شود از جمله:

تمام انیمیشن های ثانویه ای که هنگام حرکت بدن کاراکتر توسط لباس ها، لوازم تزیینی و ادوات و تجهیزات او تولید می‌شوند. همچون حرکت شمشیری که از کمر آویزان است، گوشواره ها و گردنبند و چین و چروک لباس.

تمام تعاملاتی که یک کاراکتر با محیط اطرافش و محیط اطرافش با او دارد و موجب خلق انیمیشنهای ثانویه میشود.

بنابراین یک انیماتور تنها بدن کاراکتر را متحرک میکند و تمام انیمیشنهای ثانویه هچون برجسته شدن ماهیچه ها، حرکت موها، چین خوردن لباس و برخورد برگهای ریزان با بدن او به طور اتوماتیک و توسط رایانه هدایت میشوند.

متحرک سازی :

هر انیمیشن سه بعدی توسط یکی از روشهای زیر و یا ترکیبی از روشهای زیر ساخته میشود:

• Key Framing
• Motion Capture
• Physique Based Animation

Key Framing :

در روش Key Framing، برای وضعیت های کلیدی شئ کلید تعریف میکنیم و رایانه به طور اتوماتیک فریمهای میانی را رسم میکند.  این روش تنها برای اشیاء سه بعدی و کاراکترها قابل تعمیم نیست بلکه برای هر چیزی که قابلیت تغییر در طول زمان داشته باشد میتوان از این روش استفاده کرد.

مثلا میتوانیم پوست کاراکتری را وقتی عصبانی میشود تغییر رنگ دهیم و یا منبع نوری را در طول زمان روشن و یا خاموش کنیم و یا کاری کنیم که یک لامپ فلورسنت چشمک بزند و یا یک دوربین را در فضای سه بعدی متحرک کنیم.

در تمام برنامه های متحرک سازی سه بعدی قسمتی وجود دارد که در آن میتوانیم بر این کلیدها مدیریت کنیم و شماره فریم و ارزش آنها را تغییر دهیم. انیمیشن در این پنجره ها به صورت منحنی هایی نمایش داده میشود که بردار X آن معرف شماره فریم و بردار Y معرف ارزش پارامتر مربوطه است.

Physique Based Animation :

این دسته شامل انیمیشنهایی میشوند که انیمیاتور حداقل دخالت ممکن را در ساخت آنها دارد و عموما توسط موتورهای فیزیک که در داخل برنامه ها سه بعدی قرار دارند محاسبه و پیاده سازی میشوند. انیماتور تنها ممکن است قسمتهایی که احتیاج به ویرایش دستی دارند را مورد بازبینی قرار دهد و در آنها تغییراتی اعمال کند.

این دسته از انیمیشن بیشتر از فیلم و انیمیشن در بازیهای رایانه ای کاربرد دارند. جاییکه بازیکن در یک محیط اینتراکتیو سه بعدی قرار دارد و تمام دنیا باید به حرکات و اعمال بازیر واکنش نشان دهد. این واکنش ها میتوانند از افتاد اشیائ و اجسام تا موج برداشتن آب هنگامی که بازیکن در یک رودخانه راه میرود باشد.

تعدادی از موارد استفاده این نوع انیمیشن در بازیهای رایانه ای به قرا زیر است: باد که تولید حرکت میکند، شاخ و برگ درختان را تکان میدهد، چمنها را به خرکت در می آورد و باعث تاب خوردن سیمهای برق میشود.

افتادن اشیائ سلب و جامد و تغییر وضعیت فیزیکی آنها هنگام بخورد با اشیاء دیگر مثلا قر شدن و یا شکستن.

حرکات سیالاتی همچون آب و تمام خواص فیزیکی مربوط به آن همچون موج برداشتن و با پاشیده شدن.

جاذبه

خروجی :

مفهوم رندر کردن در گرافیک سه بعدی یعنی خروجی گرفتن از نرم افزار به صورت عکس و یا فیلم و یا جریانی زنده و پیوسته از تصاویر.

برنامه های رندرر از یک دیدگاه به دو دسته برنامه های رندر بلادرنگ (آنلاین) و غیر بلادرنگ (آفلاین) تقسیم بندی میشوند.

برنامه های رندرر بلادرنگ عموما در بازیهای ویدویی استفاده میشوند. یک رندر بلادرنگ به رندری گفته میشود که بتواند تعداد کافی از فریمها را در کسری از ثانیه تولید کند به طوریکه بازیکن بتواند با محیط به راحتی تعامل داشته باشد.

ویژگی ها: سرعت بالا در ارائه تصاویر / کیفیت پایین تصاویر

از برنامه های رندرر آفلاین عموما در ساخت انیمیشن و جلوه های ویژه فیلمها استفاده میشود. در این برنامه ها ارائه تصویری با کیفیت حرف اول را میزند. ویژگی این برنامه های رندرر در سرعت پایین رندر و کیفیت بالای تصاویر خروجی است.

یک برنامه رندر بلادرنگ برای اینکه به چنین سرعتی در محاسبه تصاویر برسد احتیاج به سخت افزاری اختصاصی دارد که به آن کارت گرافیک میگویند و قسمت اصلی آن که مسئول این پردازش ها است GPU نام دارد. اما برنامه های رندر آفلاین از همان CPU برای انجام محاسبات استفاده میکنند.

به علت اینکه در این دو روش رندر اهداف تفاوت دارد بنابراین روشهای رسیدن به این اهداف هم با هم تفاوت دارد. در رندر بلادرنگ ار تکنیک عمومی Rasteriztion برای رندر تصاویر استفاده میشود. در این روش از تکنیکهای زیادی برای سرعت بخشیدن به پردازش تصویر استفاده میشود. این تکنیکها باعث میشوند که پردازش تصویر از لحاظ واقعگرایی فیزیکی صحیح نباشد. برخی از این تکنیک ها عبارتند از LOD، Clipping، Back Face Culling، Environmet Mapping، Texture Filtering و …. . تکنیک رندر Rasterization به این صورت عمل میکند که صفحه رایانه همچون پرده ای انگاشته میشود که اشیائ صحنه به روی آن تابیده و پروجکت میشوند و طی مرحله ای به نام Rasterization اطلاعات موجود بر روی این پرده به پیکسل تبدیل شده و بر روی صفحه نمایش نمایش داده میشود.

یک برنامه رندر آفلاین هنگام رندر تمام مناسبات و روابط تنظیم شده در صحنه را که به علت محدودیت پردازشی نمیتوانیم به صورت بلادرنگ ببینیم در محاسباتش وارد کرده و خروجی نهایی را به صورت فیلم یا عکس ارائه میکند. این روابط شامل تنظیمات و کیفیت مواد، نورها و سایه ها، تنظیمات دوربین ها و سیستمهای ذره ای میباشد.

چند ویژگی فیزیکی بسیار مهم در رابطه با رفتار نور و ماده وجود دارند که یک برنامه رندر پیشرفته و خوب باید بتواند در محاسباتش آنها را دخیل کند.

Indirect Illumination: ساده ترین برخورد با نوردهی یک صحنه آن است که نور را دسته ای پرتو در نظر بگیریم که از منبع نور گسیل شده و پس ازبرخورد با چند شی و ایجاد سایه نهایتا به شئ بزرگتر که در پشت تمام اشیاء قرار دارد بخورد میکند و از بین میرود. به این نوع نوردهی Local Illumination (روشن سازی محلی) میگویند. اما رفتار واقعی نور چنان است که پس از برخورد با سطحی بسته به جنسیت و رنگ آن دسته ای از پرتوها جذب میشوند و دسته ای انعکاس میایند (و یا اگر جسم شفاف باشد دسته ای هم انکسار میابند). این انعکاسات و انکسارات در دنیای واقعی دائما در بین اشیاء در حال اتفاق افتادن هستند.

در نور دهی مستقیم محاسبات نوری پس از تولید سایه و برخورد به سطح متوقف میشود. اما در نور دهی غیر مستقیم اشعه های نور در فضا بین سطوح بازتاب میشوند تا تمام صحنه را روشن سازند.

Color Bleeding: در دنیای واقعی انعکاسات Diffuse اشیائ رنگی در کنار یکدیگر باعث ادغام رنگ های آنها در نزدیکی یکدیگر میشود که به این پدیده color bleeding میگویند.

Color Bleeding

Caustics: به اشعه های نوری همگرایی میگویند که از اشیاء براق و یا شفاف انعکاس و یا انکسار میابند.

Reflective and Refractive Caustics

SSS Material: بعضی از مواد خاص وجود دارند که نور به درون آنها نفوذ میکند اما قبل از خارج شدن چندین بار در داخل ماده منعکس میشود و باعث روشن شدن داخل ماده میشود. به این پدیده subsurface scattering میگویند و میتوان آن را در موادی همچون واکس و پارافین، پوست بدن انسان، مرمر و شیر دید.

Sub-Surface Scattering Material