المقالات العلمية

هذه المقالة محمية ضمن الحقوق الفكرية لشركة In|Framez Technology Corp.، ومرخصة للعرض فقط ضمن الشبكة العربية لمطوري الألعاب مع الموافقة الصريحة من المؤلف وشركة In|Framez Technology Corp.. لا يسمح بإعادة نشر هذه المقالة أو تعديلها دون الرجوع للمؤلف. يمنع النسخ والاقتباس دون ذكر المصدر والموافقة من المؤلف.

مقدمة

ما زلنا نتحدث عن عالم الجرافيكس الذي لا ينتهي ، فحتى لو تطرقت في مقالة أو أخرى لمواضيع بعيدة قليلاً لكنها في النهاية تصب في هذا المحيط الكبير الذي يعج بالـ Polygons والـ Keyfraems والـ Pixels.

في هذه العدد سنتناول الـ Keyframes أو مفاتيح الحركة كما يمكننا ترجمتها اعتماداً على مفهومها الوظيفي ونتحدث عن أحد الوسائل المتقدمة في الحصول Animation أو حركات واقعية دون الحاجة للتوليدها من Keyframes بشكل يدوي.

ببساطة سنتحدث عن أنظمة التقاط الحركة (Motion Capture Systems).

أنظمة التقاط الحركة (Motion Capture Systems)

معظم من يعمل في مجال الجرافيكس يعلم ما يكفي عن هذه الأنظمة ولكن لا بأس في هذه المقالة بالحديث عنها أيضاً ولكن بشيء من التفصيل.

سأبدأ بالحديث بالتعرف عن مكونات هذه الأنظمة. تتألف هذه الأنظمة بشكل عام من قسمين رأيسيين أحدهما مادي (Hardware) والآخر برمجي (Software). حيث يقوم القسم المادي بنقل المعلومات الخام (Raw Data) من الممثل الحقيقي الى الكمبيوتر ليستلمها الجزء البرمجي ويقوم بمعالجتها و تحليلها لاستنباط معلومات يمكن الاستفادة منها في تحريك الشخصيات الافتراضية (CG Characters) ضمن برامج الـ 3D المختلفة. فمثلاً لتحريك شخصية ضمن أحد المشاهد تقوم ببعض الحركات القتالية المعقدة يمكنك استخدام مثل هذه الانظمة لالتقاط الحركة من ممثل بشري يجيد فنون القتال وتسجيلها واستخدامها فيما بعد لتحريك أي شخصية ضمن مشاهدك. يمكنك بالطبع القياس على ذلك ما تشاء من الأمثلة.

لماذا علينا أن نستخدم هذه الأنظمة؟

لأنه ببساطة لتنفيذ أي حركة مهما كانت بسيطة بشكل يدوي ومهما كان برنامج التحريك يقدم لك التسهيلات فإنك بحاجة الى الكثير من الوقت والمخيلة لتنفيذها بشكل واقعي. وحتى لو حاولت أن تضحي بوقتك من أجل جودة الحركة فأنا أضمن لك أنك ستسهى عن الكثير من التفاصيل الدقيقة التي تضيف واقعية كبيرة للحركة دون أن تشعر بذلك. لذلك نحن بحاجة لمثل هذه الحلول الجديدة لتسهل و تحسن جودة المشاهد التي نقوم بتحريكها وخاصة في مجال تحريك الشخصيات الحية حيث تشكل حركة الشخصيات أكثر من 80% من مجموع التحريك في مشاهد الـ 3D بشكل عام.

ولنفس السبب نجد أن جل اهتمام الشركات المصنعة لبرامج الـ 3D المختلفة هو توفير أدوات جديدة لتسهيل تحريك الشخصيات ضمن منتجاتها. وقد نجحت في الكثير من هذه الأدوات لدرجة أنني لا أتخيل كيف كان يتم تحريك الشخصيات دون الاستعانة بها. ولكن على الرغم من ذلك فإن كمية الوقت الموفر والجودة الأعلى التي يمكن الحصول عليها نتيجة استخدام أنظمة التقاط الحركة أو اختصاراً الـ (MoCap) يكون أكبر بكثير من السلبيات الخاصة بهذه الحلول والتي تترأسها التكاليف الباهظة لاستثمارها وخاصة في حال المشاريع الكبيرة التي تتطلب ساعات من التحريك. لذلك لا تحاول أن تستبعد هذا الخيار عند تختطيتك للقيام بمشروع 3D دسم.

التقنيات المستخدمة في هذه الأنظمة

تعتمد هذه الأنظمة في مبدأ عملها على مجموعة من الحلول لالتقاط معلومات الحركة من الممثلين الحقيقين ونقلها الى الكمبيوتر. تتفاوت هذه الحلول في معماريتها المادية والبرمجية (Hardware/Software Architecture). حيث أنه لكل نظام مساوءه وميزاته الخاصة به والتي تجعله مناسباً لحالات معينة دون الأخرى.

أعتقد أنه لا بأس من الاضطلاع عليها من خلال التصنيف التالي الذي يعتمد على الطبيعة المادية (Hardware Type) للنظام:

1- الأنظمة الميكانيكية (Mechanical Systems)

تعتبر هذه الأنظمة الأكثر بدائية ومحدودية لدرجة أنه لا يتم ذكرها في معظم المراجع الحديثة وذلك بسبب المساوئ والمحدوديات الكثيرة مقارنة بميزات الأنظمة الأخرى. الأمر الذي أدى فيما بعد الى توقف انتاجها بشكل تجاري.

تعتمد هذه الأنظمة على حساسات مرنة تتوضع على مفاصل الممثل والتي تكون مرتبطة بجهاز معالجة بواسطة كابلات لنقل معلومات الحركة والذي بدوره يكون مرتبط بجهاز كمبيوتر للتخزين والمعالجة النهائية للحركات الملتقطة. كما تلاحظ فإن وجود الأسلاك التي تربط الممثل بوحدة المعالجة يعتبر من أهم المساوئ لهذا النظام لأنه يعيق وبشكل كبير حركة الممثل أثناء تأديته للحركات المطلوبة منه والتي في الكثير من الحالات تؤدي الى فشل الممثل في تأدية الحركة وخاصة في حال الحركات البهلوانية أو القتالية التي يكون الممثل فيها بحاجة الى الكثير من الحرية لتأديتها بشكل فعال.

جرت فيما بعد الكثير من التحسينات والتطويرات على هذا النظام أهمها التخلص من الاسلاك التي تعيق الممثل واستبادلها بوحدة ارسال لاسلكية تتجمع فيها الاسلاك الخارجة من الحساسات الموجودة على أطراف الممثل لتعلق على جسمه، ووحدة استقبال مرتبطة بجهاز المعالجة. إن هذه التحسينات ساهمت قليلاً في اطالة فترة اسثمار هذا النظام قبل أن ينقرض تماماً أمام الأنظمة الأخرى.

2- الأنظمة المغناطيسية (Magnetic Systems)

تتألف هذه الأنظمة من وحدة معالجة ومولد حقول مغناطيسية وجموعة من الحساسات التي تعلق على جسم الممثل. يتم تحديد مواقع هذه الحساسات بشكل فوري ضمن حقل مغناطيسي قوي يتم توليده بواسطة وحدة توليد خاصة. حيث يتم نقل المعلومات الى وحدة المعالجة وتخزينها على الكمبيوتر بشكل فوري أثناء تنفيذ الممثل لحركاته. امكانية الاتقاط والمعالجة الفورية من أهم ميزات هذا النظام اضافة بالطبع الى حرية الممثل في تأدية حركاته بسبب عدم وجود أي أسلاك لنقل المعلومات من الحساسات.

ان اعتماد هذا النظام على حقول مغناطيسية لتحديد مواقع الحساسات يسبب مجموعة لا يستهان به من المشاكل أهمها التشويش وغياب الإشارة من الحساسات لأي سبب فيزيائي مثل وجود نوع معين من المعادن أو حقول مغناطيسية أخرى. الأمر الذي يجعل هذه الأنظمة غير فعالة لالتقاط الحركة لمسافة تزيد عن 5 أمتار فقط أو في الأماكن مفتوحة أو غير معزولة من الاشارات التي تسبب التشويش.

لذلك هي غير مناسبة لحركات بحاجة لمسافات كبيرة لتأديتها مثل الركض أو القفز أو التقاط حركات لحيوانات ذات أحجام كبيرة نسبياً كالخيول. على كل يبقى هذا النظام فعال واقتصادي في الكثير من الحالات التي لا تكون فيها بحاجة لأكثر من ممثل بشري يقوم بتأدية حركات ضمن مسافات ضيقة.

3- الأنظمة الضوئية (Optical Systems)

وهي أحدث الحلول المطروحة في مجال الـ (MoCap) حيث تتغلب هذه التقنية على معظم مشاكل الأنظمة السابقة ماعدى مشكلة الأسعار المرتفعة التي تصل أحياناً الى أربعة أضعاف تكاليف الأنظمة المعناطيسية المكافئة.

ولكنك بالمقابل تحصل على حرية كاملة في التقاط الحركة كما تشاء وبشكل فوري (Real-Time) دون التقييد بمسافة معينة أو مكان معين كما في الأنظمة المغناطيسية لدرجة أنه يمكنك التقاط حركات الممثلين ضمن الماء (لا أعرف مدى فائدة ذلك ولكنها موجودة على كل حال ضمن الحلول التي تطرحها شركة Vicon).

 
تتألف هذه الأنظمة من مجموعة كبيرة من الحساسات الضوئية التي تتوضع على جسد الممثل ومجموعة أكبر من اللواقط الضوئية الموصولة بوحدة معالجة مربوطة بدورها بجهاز كمبيوتر. تلعب دور اللواقط الضوئية دور الكاميرات لتسجيل مواقع الحساسات الضوئية من عدة جهات لمتطابقها واستنتاج المواقع النهائية لهذه الحساسات في الفراغ.

يتألف كل لاقط ضوئي من مجموعة هائلة من العدسات الضوئية شديدة الحساسية التي تسجل مواقع الحساسات المتوضعة على جسد الممثل لدقة كبيرة وتردد زمني مرتفع يصل الى 240 لقطة في الثانية الواحدة اضافة الى امكانية التقاط مواقع الحساسات على مسافات كبيرة تصل لـ 80 متر وفي أماكن مفتوحة.

 
بعد هذا الاستعراض السريع لأنظمة الـ (MoCap) من الناحية المادية بقي أن نتعرف قليلاً على الناحية البرمجية لها لنكون قد شملنا القسمين الرئيسيين لهذه الأنظمة.

ماذا عن البرامج؟

معظم هذه الأنظمة السابقة تأتي مع مجموعات برمجية متكاملة لتخزين ومعالجة المعلومات المنقولة من الجهاز. تتميز معظم هذه البرامج على امكانيتها لعرض التنائج بشكل فوري في حال كان النظام يدعم ذلك. أي يمكنك أن ترى الشخصية الافتراضية تتحرك بشكل متزامن مع الممثل الحقيقي الذي يؤدي الحركة وبالتالي يمكنك تدقيق الحركة بشكلها النهائي مباشرة حتى قبل تخزينها على جهاز الكمبيوتر.

عند النتهاء من تسجيل الحركات يتم حفظها بصيغ نظامية (Standard Formats) بحيث يمكن لجميع البرامج التجارية التعرف عليها واسثمارها ضمنها. أشهر هذه الصيغ هي (ACM/ASF) الخاصة بشركة Acclaim و (BVH) الخاصة بشركة Biovision. تختلف البرامج فيما بينها بآلية استقبال هذه الملفات فمثلاً في الـ ３Ds MAX يتم تحميل ملفات BVH فقط من خلال Character Studio. بينما الـ Importer الموجود في Softimage|XSI والذي شاركت في تطويره مع فريق البرمجة لدى In|Framez لحساب Avid/Softimage فيقوم باستقبال كل الصيغ السابقة (ACM/ASF/BVH) ومن ثم بناء هيكل خاص للحركة المسجلة وهو في هذا مشابه للـ Importer الموجود في الـ Maya.

 
حسناً بقي لدينا أن نختبر هذه الأنظمة بأنفسنا لتكتمل النتجربة النظرية مع العملية. ولكن بالطبع لن أطالبك باتقتناء جهاز يكلف مئات الآلاف من الدولارات لتستفيد من هذه المقالة. بل سنقوم ببناء نظام بداءي ويدوي وتجربته بأنفسنا ولكن هذا لن يتم في هذا العدد للأسف بل سأرجأه للعدد القادم انشاء الله لذلك لا تتخلص من هذا العدد الذي بين يديك الآن بل احتفظ به لأنك قد تحتاجه للاستمرار في العدد القادم... الى اللقاء اذن.