أساسيات التصوير الثنائي الأبعاد في الحاسوب

مفهوم الـ Visualization

التصوير (Visualization) هو أحد فروع علم الحاسوب, ويهتم هذا الفرع بإنتاج صور ذات معنى عن طريق الخوارزميات, وسنقوم هنا بشرح بعض الأساسيات الّتي تؤهلك للبدء في تعلم مواضيع أكثر تفصيلاً مثل العمليات على الصور والتصوير ثلاثي الأبعاد والحركة.

يعتمد إظهار الصور في الحاسوب بالأساس على تقسيم الصورة إلى عدة نقاط Pixels ليتمكن من إظهارها على الشاشة, إذ تتكون شاشة الحاسوب من مجموعة من البكسلات التي تستطيع إطلاق أشعة من الضوء بالألوان الثلاثة الأساسية (أزرق, أخضر, أحمر), ويمكن عن طريق خلط الألوان الأساسية إنتاج أي لون, وهكذا يستطيع الحاسوب عرض جميع الألوان. تعتمد دقة الشاشة على عدد هذه النقاط في وحدة المساحة, ووحدتها PPI أو بكسل لكل بوصة Pixel Per Inch.

(المصدر: ويكيبيديا CC BY-SA 3.0)

تتكون الصورة في الحاسوب من مصفوفة ثنائية الأبعاد وفي كل عنصر منها ثلاثة أعداد عشريةٍ, وقيمة أي من الأعداد الثلاثة تتراوح من الصفر إلى الواحد, ويمثّل كل عدد منها قيمة أحد الألوان الأساسية, وعندما تكون قيم الأعداد الثلاثة صفر يكون اللون الناتج هو الأسود, وعندما تكون قيم الأعداد الثلاثة واحد يكون اللون الناتج هو الأبيض, ولعرض صورة معينة يقوم الحاسوب بقراءة كل عنصر من هذه المصفوفة وإعطائه لبكسل حتى يعرضه.

والآن وقد فهمنا طريقة عرض الحاسوب للصور سننتقل لطريقة تعامل طرق التصوير مع البيانات لإنتاج صور يستطيع الحاسوب عرضها.

مفهوم المستوى الإحداثي

في التصوير ثنائي الأبعاد يتم الرسم على مستوى إحداثي, إذ تملك أي نقطة مكان داخل هذا المستوى, وعن طريق وضع النقاط والأشكال الهندسية في أماكن مختلفة داخل هذا المستوى يمكننا إنتاج الصور المعقدة.

يمكن رسم الأشكال الهندسية المختلفة مثل المثلث, المربع, الدائرة, الشبه منحرف عن طريق إستخدام معادلات رسمهم, وقد تتطلب الأشكال معادلات محددة تُطلب من المستخدم مثل نصف قطر الدائرة, وتتحول هذه الأشكال في النهاية لمجموعة بكسلات مرسومة على المستوى الإحداثي أيضاً.

مفهوم الشفافية والمزج

في تقنيات الرسم قد تحتوي بعض الأشكال والصور على نقاط شفافة, وعند عرض الصورة تُظهر النقاط الشفافة لون الصور التي تحتها, ولبرمجة ذلك يتم إضافة عدد عشري لكل عنصر من مصفوفة الصورة قيمته من الصفر للواحد, ويمثل هذا المتغير شفافية اللون ويسمى alpha. عندما تكون قيمة هذا المتغير واحدً يكون اللون غير شفاف تماماً, وعندما تكون قيمته صفر يكون اللون شفافاً تماماً, وعندما تكون قيمته بين الصفر والواحد تقوم خوارزمية معينة بمزج لون النقطة واللون الذي تحتها, وفي أبسط الخوارزميات يتم جمع قيم الألوان مباشرةً.

مفهوم إزالة التعرّج Anti Aliasing

عند رسم الدوائر والمثلثات والخطوط قد تلاحظ أنها متعرجة, وهذا يحدث بسبب قلة دقة الشاشة أو الصورة, فمثلًا قد يقع الخط المستقيم على جزء من البكسل فإن كان الخط يغطي النقطة في منتصف البكسل يتم تلوين البكسل بلون الخط, وهذه الطريقة في الرسم تجعل الخطوط تبدو متعرجة وغير ناعمة, ولحل تلك المشكلة يتم اللجوء لخوارزمية تنعيم للأشكال الهندسية, وهذه الخوارزمية تقوم بتلوين أي بكسل يقع عليه الخط حتى لو كان الخط لا يغطي نصف البكسل, وفي حال كون الخط لا يغطي البكسل بالكامل سيكون اللون المعطى للبكسل شفافاً جزئياً بحسب نسبة تغطية الخط للبكسل, وهكذا يظهر الخط بشكلٍ أنعم للعين.