في الرسومات الحاسوبية ثلاثية الأبعاد، لا تحتاج كل تفاصيل النموذج ثلاثي الأبعاد إلى تصميم نموذج لها أو نحتها أثناء هندسة العنصر، وذلك بفضل تصميم خريطة النواظم. يستخدم هذا الأسلوب في تصميم تفاصيل سطح وهمية لتعزيز واقعية العناصر الرقمية دون زيادة التعقيد الهندسي.
في تصميم نماذج ثلاثية الأبعاد، يتم تمثيل الأسطح بواسطة المضلعات. يتم إجراء حسابات الإضاءة بناءً على هندسة هذه المضلعات بنفس الطريقة التي يستخدم بها الفنان تقنيات التظليل لتقليد الأبعاد الثلاثة. هذا النهج يعمل بشكل جيد للغاية؛ ومع ذلك، يمكن أن يصبح عملية حسابية مكثفة، مما يحد من المستوى الإجمالي للتفاصيل الممكنة. يوفر تصميم خرائط النواظم (Normal maps) حلاً رائعًا وخفيف الوزن عن طريق تعديل طريقة تفاعل الضوء مع السطح دون تغيير الهندسة الأساسية.
تقوم خرائط النواظم (Normal maps) بتخزين معلومات حول السطح في شكل صورة ملمس. من خلال ترميز نواظم (Normals) السطح في ملمس، يمكن لخرائط النواظم محاكاة مظهر تفاصيل السطح، مثل النتوءات والخدوش والتجاعيد والمزيد، دون إضافة تعقيد إلى الشكل الهندسي أدناه.
يتم حساب خرائط النواظم (Normal maps) أثناء العرض باستخدام نواظم السطح المعدل من خريطة النواظم. نظرًا لأن هذه الحسابات أقل من الناحية الحسابية، يمكن تحقيق مستويات عالية من التفاصيل، حتى في الوقت الفعلي، مما يجعل خرائط النواظم (Normal maps) تقنية شائعة يستخدمها مطورو ألعاب الفيديو.
بشكل عام، يعد تصميم خرائط النواظم (Normal maps) تقنية متعددة الاستخدامات، ويجب أن يستخدمها أي فنان ومصمم ثلاثي الأبعاد لتسريع وتحسين سير العمل.
ستشاهد استخدام تصميم خرائط النواظم ليس فقط في السيناريوهات التي تكون فيها قيود الأجهزة في غاية الأهمية مثل ألعاب الفيديو، والتي تتطلب عرض المشاهد في الوقت الفعلي للاعب، ولكن أيضًا في أفلام الرسوم المتحركة بالكمبيوتر، والتصور المعماري، وتصميم المنتجات.
لا يؤثر تصميم خرائط النواظم (Normal mapping) على رسم العنصر، لذلك ستلاحظ استخدامه في أغلب الأحيان في الحالات التي لا يكون فيها سطح العنصر مسطحًا أو أملسًا تمامًا. لكي نكون منصفين، هذا يعني أن كل نموذج ثلاثي الأبعاد تقريبًا يمكنه الاستفادة من خريطة النواظم (Normal map) لزيادة واقعيته، سواء كان الجلد المتآكل، أو حبيبات الخشب الوعرة، أو بشرة الإنسان، أو الأقمشة، وغيرها.
هناك العديد من الأدوات والبرامج الأساسية التي تُستخدم عادةً لتصميم خرائط النواظم (Normal mapping). وهنا عدد قليل منهم:
1. برامج تصميم النماذج ثلاثية الأبعاد: تُستخدم أدوات مثل Blender وMaya وZBrush وSubstance 3D Modeler لتصميم النماذج التي سيتم استخدامها لتصميم خرائط النواظم (Normal mapping). هناك العديد من الحلول البرمجية الرائعة التي تقدم جميعها أساليبها الخاصة في تصميم النماذج والنحت.
2. برنامج رسم الملمس: يمكن استخدام برامج مثل Substance 3D Painter أو حتى Adobe Photoshop لتصميم خرائط الملمس وتحريرها، بما في ذلك خرائط النواظم (Normal maps).
3. مولدات خرائط النواظم: يساعد برنامج إنشاء خرائط النواظم في تصميم خرائط النواظم من معلومات هندسية أو معلومات ملمس عالية الدقة. يمكن لأدوات مثل xNormal أو CrazyBump أو Substance 3D Designer إنشاء خرائط نواظم (Normal maps) بناءً على مدخلات متنوعة.
4. محركات الألعاب: تتمتع محركات الألعاب مثل Unreal Engine وUnity بدعم مدمج لرسم خرائط النواظم (Normal maps). توفر هذه المحركات الأدوات اللازمة وإمكانيات العرض للاستفادة من خرائط النواظم (Normal maps). إنها رائعة بنفس القدر سواء في تصميم أدوات العرض أو في خلق تجارب الألعاب.
5. لغات برمجة التظليل: يمكن أن يكون فهم لغات برمجة التظليل مثل HLSL (لغة التظليل عالية المستوى) أو GLSL (لغة التظليل OpenGL) مفيدًا لتصميم تظليلات مخصصة تستفيد من تصميم خرائط النواظم (Normal mapping). تسمح هذه اللغات للمطورين بتحديد كيفية تفاعل الإضاءة مع خرائط نواظم (Normal maps) الملمس وخرائط الملمس الأخرى وغيرها لتحقيق تأثيرات بصرية مذهلة.
قد لا تكون هذه القائمة شاملة، ولكنها توفر للمبدعين مكانًا رائعًا للبدء في تكوين فهم أساسي لتصميم خرائط النواظم (Normal mapping) وكيفية تنفيذها في بيئات العرض في الوقت الفعلي.
تقوم خرائط النواظم (Normal maps) بتخزين معلومات نواظم السطح الواضحة باستخدام صور RGB حيث تمثل كل قناة لونية مكونات X وY وZ لرسم vector لنواظم السطح في كل تكسل. تلتقط خرائط النواظم (Normal maps) الكثير من المعلومات حول اتجاه السطح. لا تؤثر خرائط النواظم (Normal maps) على هندسة النموذج نفسه، ولكنها تعدل كيفية تفاعل الضوء حوله.
بالمقارنة مع خرائط النتوءات (Bump maps)، توفر خرائط النواظم (Normal maps) النتائج الأكثر دقة، حيث تلتقط تفاصيل السطح بما يتجاوز اختلافات الارتفاع فقط.
1. تفاصيل السطح الواقعية: يسمح تصميم خرائط النواظم (Normal mapping) بإضافة تفاصيل السطح المعقدة دون زيادة التعقيد الهندسي.
2. الكفاءة: يعد تصميم خرائط النواظم (Normal mapping) تقنية فعالة من الناحية الحسابية، خاصة عند مقارنتها بزيادة أعداد المضلعات في النماذج لتحقيق تفاصيل السطح.
3. تقليل متطلبات الذاكرة: تقوم خرائط النواظم (Normal maps) بتخزين المعلومات بتنسيق ملمس، والذي يستخدم عادةً ذاكرة أقل مقارنة بتخزين المعلومات الهندسية.
4. قابلية إعادة الاستخدام: يمكن تطبيق خرائط النواظم (Normal maps) بسهولة على نماذج مختلفة، مما يسمح للفنانين والمطورين بإعادة استخدامها عبر أصول متعددة. وهذا يوفر الوقت والجهد والحجم النهائي للمنتج.
5. تأثيرات الإضاءة التفاعلية: تصميم خرائط النواظم (Normal mapping) يعزز تفاعل الضوء مع النموذج، ويسمح بتأثيرات الإضاءة الديناميكية ثلاثية الأبعاد، مثل الإبرازات المرآوية، وتنوعات التظليل، والانعكاسات الأكثر دقة.
1. تغيير هندسي محدود: تؤثر خرائط النواظم (Normal maps) فقط على مظهر تفاصيل السطح ولا يمكنها تعديل الشكل الهندسي. غالبًا ما يكون الوهم الذي ينشئونه مفيدًا، على الرغم من أنه في بعض الأحيان قد تكون هناك حاجة إلى تقنيات أخرى عند الحاجة إلى تعديل فعلي للهندسة.
2. التصميم والتحرير: قد يكون تصميم خرائط نواظم (Normal maps) عالية الجودة أمرًا صعبًا ويتطلب معرفة وبرامج متخصصة. قد يكون تحرير خرائط النواظم (Normal maps) أمرًا صعبًا بسبب الطبيعة المعقدة للبيانات.
3. حدود مساحة الملمس: تتطلب خرائط النواظم (Normal maps) مساحة ملمس إضافية حيث يتم تخزينها عادةً كصور RGB. يمكن أن يؤثر هذا على الاستخدام الإجمالي للذاكرة وقد يتطلب تحسينًا دقيقًا في بعض الحالات.
4. حدود مساحة الظل: يتم تعريف خرائط النواظم (Normal maps) عادةً في مساحة الظل، مما يعني أنها تعتمد على اتجاه النموذج وإحداثيات النموذج ثنائي الأبعاد. يمكن أن يتسبب هذا في بعض الأحيان في حدوث خلل بصري عند تطبيق نفس خريطة النواظم (Normal map) على النماذج ذات تخطيطات أو اتجاهات مختلفة للنماذج ثنائية الأبعاد.
على الرغم من بعض القيود، تعد خرائط النواظم (Normal maps) هي التقنية الأكثر فعالية لتحسين الجودة المرئية والواقعية للنماذج ثلاثية الأبعاد في الوقت الفعلي. يوفر تصميم خرائط النواظم (Normal mapping) توازنًا صحيًا بين الأداء والدقة البصرية، مما يجعله أداة لا تقدر بثمن في تصميم ملمس ثلاثي الأبعاد والعرض.
يتم إنشاء النواظم (Normal) باستخدام صورة RGB (أحمر وأخضر وأزرق)، حيث تمثل كل قناة لون في الصورة مكون X وY وZ لنواظم السطح في كل تكسل من الخريطة. وهذا يعني أن خريطة النواظم (Normal map) تحتوي على ثلاث قنوات، تحتوي كل منها على قيم إيجابية أو سلبية.
يتم استخدام جميع القنوات الثلاث معًا لتوفير بيانات اتجاه واضحة لكل تكسل، والتي يتم استخدامها أثناء العرض لتحسين تأثيرات الإضاءة والتظليل على النموذج ثلاثي الأبعاد.
في رسومات الحاسوب، يشير مصطلح "نواظم" (Normal) إلى رسم vector متعامد (أو "نواظم") على سطح عند نقطة معينة. وبالتالي، فإننا نشير إلى خرائط النواظم باسم "خرائط النواظم" لأنها تخزن معلومات حول نواظم سطح النموذج ثلاثي الأبعاد.
من خلال تطبيق خريطة النواظم (Normal map) أثناء العرض، يتم تعديل نواظم الأسطح للنموذج ثلاثي الأبعاد بناءً على المعلومات المخزنة داخل الخريطة، مما يؤدي إلى تأثيرات الإضاءة والتظليل التي تخلق الوهم بتفاصيل السطح المعقدة.
صمم العناصر والمشاهد ثلاثية الأبعاد وأنشئ ملمسها ورتبها واعرضها.