تصویرسازی کامپیوتری

CGI چیست؟

در ابتدایی ترین سطح، تصویرسازی تولید شده توسط کامپیوتر (CGI) (Computer-Generated Imagery) ایجاد محتوای بصری ساکن یا متحرک با نرم افزار رایانه است. CGI بیشتر به گرافیک کامپیوتری سه بعدی اشاره دارد که برای خلق شخصیت ها، صحنه ها و جلوه های ویژه در فیلم ها، تلویزیون و بازی ها استفاده می شود. این فناوری همچنین در همه چیز از جمله تبلیغات، معماری، مهندسی، واقعیت مجازی و حتی هنر استفاده می شود.
 
CGI  این روزها بسیار مورد استفاده قرار می گیرد زیرا اغلب ارزان تر از روش های فیزیکی است که متکی به ایجاد مینیاتورهای پیچیده، استخدام موارد اضافی برای صحنه های شلوغ و بیشتر در مواردی است که ایجاد تصاویر بصری به طور ایمن یا انسانی امکان پذیر نیست.
 
CGI  با استفاده از طیف وسیعی از روش های مختلف ایجاد می شود. استفاده از الگوریتم ها می تواند الگوهای فراکتال پیچیده ای را ایجاد کند. ویرایشگرهای تصویر مبتنی بر پیکسل دو بعدی می توانند اشکال بردار ایجاد کنند. نرم افزارهای گرافیکی سه بعدی می توانند همه چیز را از اشکال ابتدایی ساده گرفته تا اشکال پیچیده ساخته شده از مثلث و چهارضلعی ایجاد کنند. نرم افزارهای سه بعدی حتی می توانند نحوه واکنش نور به یک سطح را شبیه سازی کرده و اثرات ذرات را ایجاد کنند.
 
جایی که CGI شروع به هیجان انگیز شدن می کند زمانی است که تصاویر کامپیوتری با استفاده از تکنیکی به نام ترکیب بندی در فیلم های دیجیتال لایه بندی می شوند. این تکنیک برای افرادی که اغلب به عنوان صفحه سبز از آن یاد می کنند، بیشتر آشناست.
 

تصاویر و مناظر استاتیک

 
تصویر: چشم انداز فراکتال.
 
نه تنها تصاویر متحرک بخشی از تصاویر تولید شده توسط کامپیوتر را تشکیل می دهند، بکه مناظر طبیعی (مانند مناظر فراکتال) نیز از طریق الگوریتم های رایانه ایجاد می شوند. یک روش ساده برای ایجاد سطوح فراکتال استفاده از فرمت روش مِش مثلثی، با اتکا به ساختن یک مورد خاص از یک منحنی دو رام (de Rham نوع خاصی از منحنی فراکتالی است)، به عنوان مثال جابجایی نقطه میانی، است. به عنوان مثال، الگوریتم ممکن است با یک مثلث بزرگ شروع شود، سپس با تقسیم آن به چهار مثلث کوچکتر سیرپینسکی، بزرگنمایی بازگشتی را انجام دهد، سپس ارتفاع هر نقطه را از نزدیکترین همسایگان خود درون یابی کند. ایجاد یک سطح براونی ممکن است نه تنها با افزودن نویز در هنگام ایجاد گره های جدید بلکه با افزودن نویز اضافی در سطوح مختلف مش به دست آید. بنابراین می توان با استفاده از الگوریتم های فراکتال نسبتاً ساده ، نقشه توپوگرافی با سطوح مختلف ارتفاع ایجاد کرد. برخی از فراکتال های معمولی و آسان برای برنامه ریزی که در CGI استفاده می شوند عبارتند از فراکتال پلاسما و فراکتال گسله چشمگیرتر.
 
بسیاری از تکنیک های خاص برای تولید اثرات بسیار متمرکز رایانه ای مورد تحقیق و توسعه قرار گرفته اند - به عنوان مثال، استفاده از مدل های خاص برای نشان دادن هوازدگی شیمیایی سنگ ها برای مدل سازی فرسایش و ایجاد "ظاهر پیری" برای یک سطح بر اساس سنگ.
 

صحنه های معماری

   
تصویر: عکسی که توسط کامپیوتر ایحاد شده و یک خانه در هنگام غروب آفتاب را برجسته سازی می کند. این عکس در بلندر (Blender) ساخته شده است.
 
معماران مدرن از خدمات شرکت های گرافیکی کامپیوتری برای ایجاد مدل های سه بعدی برای مشتریان و سازندگان استفاده می کنند. این مدل های تولید شده توسط کامپیوتر می توانند دقیق تر از نقاشی های سنتی باشند. از انیمیشن معماری (که فیلم های متحرک ساختمان ها را به جای تصاویر تعاملی ارائه می دهند) نیز می توان برای مشاهده رابطه احتمالی یک ساختمان با محیط و ساختمان های اطراف آن استفاده کرد. پردازش فضاهای معماری بدون استفاده از ابزارهای کاغذ و مداد در حال حاضر با تعدادی از سیستم های طراحی معماری به کمک رایانه، به طور گسترده پذیرفته شده است.
 
ابزارهای مدل سازی معماری به معمار اجازه می دهد تا فضایی را تجسم کرده و "راهیابی به درون" آن را به شیوه ای تعاملی انجام دهد، بنابراین "محیط های تعاملی" را هم در سطح شهر و هم در سطح ساختمان فراهم می کند. برنامه های کاربردی خاص در معماری نه تنها شامل مشخصات سازه های ساختمان (مانند دیوارها و پنجره ها) و راهروها، بلکه تأثیرات نور و چگونگی تأثیر نور خورشید بر طراحی خاص در زمان های مختلف روز است.
 
ابزارهای مدل سازی معماری اکنون به طور فزاینده ای مبتنی بر اینترنت شده اند. با این حال، کیفیت سیستم های مبتنی بر اینترنت هنوز از سیستم های مدل سازی پیچیده داخلی عقب تر است.
 
در برخی از برنامه ها، از تصاویر رایانه ای برای "مهندسی معکوس" ساختمان های تاریخی استفاده می شود. به عنوان مثال، بازسازی صومعه در جورجنتال در آلمان از طریق رایانه از ویرانه های صومعه نشأت گرفت، با این حال "ظاهر و احساس" را در مورد آن چه که ساختمان در زمان خود به نظر می رسید ارائه می دهد.
در کاربردهای پزشکی مدرن، مدل های خاص بیمار در "جراحی به کمک رایانه" ساخته می شوند.

مدل های تشریحی

   
تصویر: یک عکس آنژیوگرافی ریوی CT که توسط یک کامپیوتر از مجموعه ای از اشعه های ایکس تولید می شود.
 
مدل های تولید شده توسط رایانه در انیمیشن های اسکلتی همیشه از نظر آناتومیکی صحیح نیستند. با این حال، سازمان هایی مانند مؤسسه محاسبات علمی و تصویر سازی، مدل های درست مبتنی بر رایانه را از نظر آناتومیکی توسعه داده اند. مدل های تشریحی تولید شده توسط کامپیوتر را می توان برای اهداف آموزشی و عملیاتی استفاده کرد. تا به امروز، تعداد زیادی از تصاویر پزشکی تولید شده توسط هنرمندان، توسط دانشجویان پزشکی مورد استفاده قرار می گیرد، مانند تصاویر تولید شده توسطFrank H. Netter ، به عنوان مثال تصاویر قلبی او. به هر حال، تعدادی از مدل های تشریحی آنلاین در دسترس هستند.
 
یک اشعه ایکس از یک بیمار، حتی اگر دیجیتالی باشد، تصویری از کامپیوتر نیست. با این حال، در برنامه هایی که شامل سی تی اسکن هستند، یک مدل سه بعدی به طور خودکار از بسیاری از اشعه های ایکس تک تکه تولید می شود و "تصویر تولید شده توسط کامپیوتر" را تولید می کند. برنامه های مربوط به تصویر برداری رزونانس مغناطیسی نیز تعدادی "عکس فوری" (در این مورد از طریق پالس های مغناطیسی) برای ایجاد یک تصویر ترکیبی و داخلی جمع آوری می کنند.
 
در کاربردهای پزشکی مدرن، مدل های خاص بیمار در "جراحی به کمک رایانه" ساخته می شوند. به عنوان مثال، در تعویض کامل زانو، می توان از یک مدل دقیق مختص بیمار برای برنامه ریزی دقیق جراحی استفاده کرد. این مدل های سه بعدی معمولاً از سی تی اسکن های متعدد قسمتهای مناسب آناتومی خود بیمار استخراج می شوند. چنین مدل هایی همچنین می توانند برای برنامه ریزی کاشت دریچه آئورت، یکی از روش های متداول برای درمان بیماری های قلبی استفاده شوند. با توجه به این که شکل، قطر و موقعیت دهانه های کرونر از بیماری به بیمار دیگر می تواند بسیار متفاوت باشد، استخراج (از سی تی اسکن) مدلی که بسیار شبیه آناتومی دریچه بیمار است می تواند در برنامه ریزی این روش بسیار مفید باشد.
 

تصاویر پارچه و پوست

   
تصویر: خز مرطوب تولید شده توسط کامپیوتری
 
مدل های پارچه به طور کلی به سه گروه تقسیم می شوند:
 
* ساختار هندسی - مکانیکی در عبور الیاف
* مکانیک ورق های الاستیک پیوسته
* ویژگی های ماکروسکوپی هندسی پارچه.
 
تا به امروز، پوشاندن لباس های یک شخصیت دیجیتالی به صورت خودکار به صورت طبیعی همچنان برای بسیاری از انیماتورها یک چالش است.
 
علاوه بر استفاده از آنها در فیلم، تبلیغات و دیگر شیوه های نمایش عمومی، تصاویر تولید شده توسط کامپیوتر از لباس ها امروزه به طور معمول توسط شرکت های برتر طراحی مد استفاده می شود.
 
چالش در ارائه تصاویر پوست انسان شامل سه سطح واقع گرایی است:
 
* واقع گرایی عکس در شبیه بودن به پوست واقعی در سطح ایستا
* واقع گرایی فیزیکی در شباهت به حرکات آن
* واقع گرایی عملکردی در شباهت به پاسخ های آن به کنش ها
 
بهترین ویژگی های قابل مشاهده چیزهایی مانند چین و چروک های ریز و منافذ پوست با اندازه حدود 100 میکرومتر یا 0.1 میلی متر است. پوست را می توان به عنوان یک تابع بافتی 7 بعدی دو طرفه (BTF) (7-dimensional bidirectional texture function) یا مجموعه ای از تابع توزیع پراکندگی دو طرفه (BSDF) (bidirectional scattering distribution function) بر روی سطوح هدف مدل کرد.
 

شبیه سازی تعاملی و تجسم

تجسم تعاملی ارائه داده هایی است که ممکن است به صورت پویا متفاوت باشند و این به کاربر اجازه می دهد داده ها را از دیدگاه های مختلف مشاهده کند. مناطق برنامه های کاربردی ممکن است به طور قابل توجهی متفاوت باشد، از تجسم الگوهای جریان در دینامیک سیالات گرفته تا برنامه های کاربردی طراحی خاص به کمک کامپیوتر. داده های ارائه شده ممکن است مربوط به صحنه های بصری خاصی باشد که با تعامل کاربر با سیستم تغییر می کند. به عنوان مثال. شبیه سازها، مانند شبیه سازهای پرواز، از تکنیک های CGI برای نمایندگی کردن از جهان، استفاده گسترده ای می کنند.
 
در سطح انتزاعی، یک فرایند تجسم تعاملی شامل "خط لوله داده" است که در آن داده های خام مدیریت شده و به شکلی فیلتر می شوند که آنها را برای ارائه مناسب می سازد. این اغلب "داده های تجسم" نامیده می شود. داده های تجسم سپس به "نمایش تجسم" که می تواند به یک سیستم ارائه ارائه شود نگاشته می شود. این معمولاً "بازنمایی قابل ارائه" نامیده می شود. سپس این بازنمایی به عنوان یک تصویر قابل نمایش ارائه می شود. همان طور که کاربر با سیستم تعامل دارد (به عنوان مثال با استفاده از کنترل های جوی استیک برای تغییر موقعیت خود در دنیای مجازی) داده های خام از طریق خط لوله برای ایجاد یک تصویر ارائه شده جدید تغذیه می شود، که اغلب کارایی محاسباتی در لحظه را در برنامه های کاربردی مورد توجه قرار می دهد.
 

اشاره های تاریخی  CGI

تاریخچه CGI به دهه 1950 برمی گردد، زمانی که رایانه های مکانیکی برای ایجاد الگوهایی بر روی سلول های انیمیشن که بعداً در یک فیلم بلند گنجانده شد، مورد استفاده قرار گرفتند. اولین فیلمی که از CGI استفاده کرد سرگیجه آلفرد هیچکاک (1958) بود.
 
سال ها طول کشید تا کامپیوترها بتوانند از قدرت CGI به طور کامل استفاده کنند و به کارگردانان اجازه دهند تا بینش های خود را زنده کنند. در اواخر دهه 70، تصاویر رایانه ای در چند فیلم علمی تخیلی ظاهر شد.
 
در دهه 90، رایانه ها به استادان CGI این امکان را دادند تا با ایده های خود و تکنیک های جدید یافته شده واقعا پیشرفت کنند. در طول این دهه، بی شمار فیلم های پیشگام مانند Terminator II منتشر شد. روز قضاوت (1991) ، مرد چمن زن (1992) ، داستان اسباب بازی (1995) ، نسخه های ویژه جنگ ستارگان و البته The Matrix (1999).
 
فراتر از سال 2000، CGI  با سرعت نمایی شتاب گرفت. نیاز به قدرت بیشتر کامپیوتر، نرم افزار بهتر و ایده های جدید به ما کمک کرد تا فیلم های CGI فراوانی را به نمایش بگذاریم.
 
CGI  در حال حاضر بخشی جدایی ناپذیر از تمام فیلم های بلند است - حتی فیلم هایی که فکر نمی کنید آنها را داشته باشید. به سادگی هیچ پیکسلی وجود ندارد که این روزها توسط CGI لمس نشود. برای مثال پارک ژوراسیک را دوباره در نظر بگیرید، کارگردان استیون اسپیلبرگ و شرکت او بیشتر از 63 عکس جلوه های بصری برای این فیلم تهیه نکرده اند. در مقایسه امروز، یکی از موفق ترین فیلم های تاریخ ، The Avengers ، دارای بیش از 2200 جلوه تصویری با CGI است. علاوه بر این، 90 دقیقه زمان بازی Transformers: Age of Extinction دارای اثرات CGI است. حتی محافظین کهکشان که مورد استقبال گسترده قرار گرفته است برای 2750 عکس از CGI استفاده کرده است.
 

نقش ها و بخش های کلیدی CGI

روند ایجاد CGI طولانی، چالش برانگیز و بسیار فنی است. تیم ها بزرگ و بسیار متنوع هستند، به این معنی که فرصت هایی برای همه نوع افراد وجود دارد، از برنامه نویسان سخت کار گرفته تا تصویرگران و غیر هنرمندان که دوست دارند تیم ها را مدیریت کنند. همه نقش مهمی در تولید جلوه های بصری نهایی ایفا می کنند و ما برخی از رایج ترین نقش های خلاقانه و فنی را در زیر لیست کرده ایم.
 

دپارتمان هنر

گروه هنری مسئول ترجمه یک دیدگاه کارگردان و یک فیلمنامه به تصاویری است که می تواند با کل تیم به اشتراک گذاشته شود تا چالش های خلاقانه و فنی پیش رو را درک کند. این هنرمندان مفهومی و تصویرگران همه چیز را از تابلوی داستان گرفته تا آثار هنری عکاسی واقعی ایجاد می کنند که نشان می دهد تصویر نهایی چگونه خواهد بود.
 
تصویر: نمونه ای از هنر مفهومی توسط دانش آموز Ng Jian Zhi
 

Pre-viz

هنرمندان پیش از تجسم، مسئول ایجاد اولین نمای سه بعدی از جلوه های بصری نهایی هستند. آنها از آثار هنری و مدل های سه بعدی اولیه برای ایجاد نسخه های معمولی با کیفیت پایین از سکانس های اکشن استفاده می کنند تا مدیر بتواند برنامه ریزی برای قرار دادن دوربین و الزامات خلاقانه / فنی را آغاز کند.
 

بخش دارایی

به دارایی های مجازی در جلوه های بصری برای مطابقت با اشیاء دنیای واقعی یا ایجاد اشیاء جدیدی که وجود ندارند یا ساخت آنها در جهان واقعی بسیار گران است، نیاز است. این ها عمدتا توسط هنرمندان مدل سازی، نقاشان بافت، توسعه دهندگان سایه زن و کارگران صحنه ایجاد می شوند.
   
تصویر: عکس بالا، نمایش یک قاب سه بعدی از یک مدل سه بعدی را نشان می دهد. عکس پایین با استفاده از سایه اندازها، نوردهی و جلوه های ترکیبی، تصویری از مدل را نشان می دهد.
 

تحقیق و توسعه

هنرمندان RnD که یک بخش فنی محسوب می شوند، مسئول ساختن نرم افزارها و ابزارهای جدید برای انجام وظایفی هستند که خودشان نمی توانند انجام دهند، یا صرفاً برای هنرمندان بسیار وقت گیر است که بتوانند بارها و بارها آنها را به صورت دستی انجام دهند. این نقش مستلزم داشتن زمینه ای بسیار قوی در علوم کامپیوتر و علاقه به حل مسائل است.
 

انیمیشن

این یکی کاملاً آشکار است. اساساً هر چیزی که روی فیلم حرکت می کند باید متحرک شود. فرقی نمی کند که یک تکیه گاه کوچک مانند صندلی، یک کشتی فضایی بزرگ یا حتی یک شخصیت یا موجود قهرمان باشد. اگر حرکت کند و عملکرد داشته باشد، به احتمال زیاد یک انیماتور پشت کنترل ها خواهد بود..
 

حرکت تطابق (Matchmove)

این امر همچنین به عنوان ردیابی حرکت نیز شناخته می شود و بدون آن راهی برای قرار دادن داده های سه بعدی در فیلم های زنده وجود نخواهد داشت. برای این که دارایی های دیجیتالی کاملاً واقعی به نظر برسند، به یک دوربین مجازی احتیاج دارید که دقیقاً مانند دوربین موجود در فیلم اکشن زنده حرکت کند. این جاست که هنرمندان matchmove به کمک می آیند. وظیفه آنها استفاده از فیلم های زنده و ایجاد یک دوربین مجازی برای کار با همه بخش ها است.  

شبیه سازی  FX

یک هنرمندFX ، انیمیشنFX ، شبیه سازی رویّه ای، شبیه سازی پویا، و سیستم های ذرات و سیال را طراحی و ایجاد می کند. آنها مسئول بازسازی رفتار عناصر دنیای واقعی مانند آتش، آب، انفجار، پارچه، مو و موارد دیگر هستند که اکثر مردم حتی نمی دانند. نقشی بسیار فنی، در عین حال خلاق است.
 
نقش های خلاقانه و فنی دیگری نیز وجود دارد از جمله در رابطه با روشنایی، رنگ مات، روتوسکوپی، ترکیب بندی یا کامپوزیت، و تولید. با توانایی ویرایش هر پیکسل یک فیلم، فیلمسازان می توانند ریشه های ظریف تری برای تقویت فیلم های خود به روش هایی که قبلاً غیرقابل دستیابی بودند، داشته باشند. زیبایی این است که از CGI می توان برای حذف زمینه های ناخواسته، تغییر حال و هوای یک صحنه، رفع خطاها، تغییر مکان و حتی افزودن اشک برای کمک به بهبود عملکرد بازیگران استفاده کرد.
 
منبع: اندرو مک دونالد، discover.therookies