الواقع الافتراضي: نظرة متعمقة في العرض المجسم

أحدث الواقع الافتراضي (VR) ثورة في طريقة تفاعلنا مع أجهزة الكمبيوتر وتجربة المحتوى الرقمي. يكمن في قلب هذه التكنولوجيا التحويلية العرض المجسم، وهي العملية التي تخلق وهم العمق والانغماس، مما يخدع أدمغتنا لإدراك عالم ثلاثي الأبعاد. تقدم هذه المقالة استكشافًا شاملاً للعرض المجسم، يغطي مبادئه وتقنياته وتحدياته واتجاهاته المستقبلية.

ما هو العرض المجسم؟

العرض المجسم هو أسلوب رسومات حاسوبية يولد صورتين مختلفتين قليلاً لنفس المشهد، واحدة لكل عين. ثم يتم تقديم هذه الصور للمستخدم بطريقة لا ترى فيها كل عين سوى الصورة المقابلة لها. يحاكي هذا التباين بين الصورتين الطريقة التي تدرك بها أعيننا العالم الحقيقي، مما يخلق إحساسًا بالعمق والانغماس ثلاثي الأبعاد.

فكر في كيفية رؤيتك للعالم بشكل طبيعي. تتباعد عيناك قليلاً، مما يمنح كل عين رؤية مختلفة قليلاً. تعالج دماغك هاتين الرؤيتين لإنشاء صورة ثلاثية الأبعاد واحدة. يستنسخ العرض المجسم هذه العملية رقميًا.

النظام البصري البشري وإدراك العمق

يعد فهم كيفية إدراك نظامنا البصري للعمق أمرًا بالغ الأهمية لفهم مبادئ العرض المجسم. تساهم العديد من الإشارات في إدراكنا للعمق، بما في ذلك:

• التباين ثنائي العينين: الفرق في الصور التي تراها كل عين بسبب انفصالها. هذه هي الإشارة الأساسية التي يهدف العرض المجسم إلى إعادة إنتاجها.
• التقارب: الزاوية التي تتقارب بها أعيننا (تتجه إلى الداخل) للتركيز على كائن ما. تتطلب الكائنات القريبة زاوية تقارب أكبر.
• التكيف: التغيير في شكل عدسة العين للتركيز على الأشياء على مسافات مختلفة.
• اختلاف المنظر الحركي: الحركة الظاهرة للأشياء على مسافات مختلفة عندما يتحرك المشاهد. تبدو الأشياء القريبة وكأنها تتحرك أسرع من الأشياء البعيدة.
• الإخفاء: عندما يحجب كائن ما رؤية كائن آخر، مما يوفر معلومات حول العمق النسبي لهما.
• الحجم النسبي: يُنظر إلى الأشياء الأصغر على أنها أبعد من الأشياء الأكبر، على افتراض أنها ذات حجم مماثل في العالم الحقيقي. على سبيل المثال، تبدو السيارة التي تظهر أصغر في المسافة أبعد.
• تدرج الملمس: التغيير في كثافة الملمس مع المسافة. تبدو الملمس أدق وأكثر انضغاطًا كلما تراجعت في المسافة.
• المنظور الجوي: تبدو الأشياء البعيدة أقل وضوحًا ولها تباين أقل بسبب تناثر الضوء في الغلاف الجوي.

يركز العرض المجسم في المقام الأول على تكرار التباين ثنائي العينين، وإلى حد أقل، التقارب والتكيف. في حين أن اختلاف المنظر الحركي، والإخفاء، والحجم النسبي، وتدرج الملمس، والمنظور الجوي مهم للواقعية الشاملة في الواقع الافتراضي، إلا أنها ليست مرتبطة بشكل مباشر بعملية العرض المجسم نفسها، بل بالعرض والرسوم المتحركة للمشهد.

تقنيات العرض المجسم

تُستخدم العديد من التقنيات لإنشاء صور مجسمة للواقع الافتراضي:

1. عرض العرض المزدوج

النهج الأكثر وضوحًا هو عرض المشهد مرتين، مرة واحدة لكل عين. يتضمن ذلك إعداد كاميرتين افتراضيتين، مُزيحتين قليلاً عن بعضهما البعض لمحاكاة المسافة بين التلميذين (IPD) - المسافة بين مراكز تلاميذ عيني الشخص. يعد IPD أمرًا بالغ الأهمية لإدراك العمق الواقعي. يتراوح IPD القياسي بين 50 مم و 75 مم.

تعرض كل كاميرا المشهد من وجهة نظرها الفريدة، ويتم عرض الصور الناتجة على العين المقابلة عبر لوحات عرض سماعة الرأس الخاصة بالواقع الافتراضي. توفر هذه الطريقة عمقًا مجسمًا دقيقًا، لكنها مكلفة من الناحية الحسابية، حيث يجب عرض المشهد مرتين.

مثال: تخيل عرض غرفة معيشة افتراضية. يتم وضع كاميرا واحدة لمحاكاة رؤية العين اليسرى، وكاميرا أخرى، مُزيحة بواسطة IPD، لمحاكاة رؤية العين اليمنى. تعرض كلتا الكاميرات نفس الأثاث والأشياء، ولكن من زوايا مختلفة قليلاً. الصور الناتجة، عند عرضها من خلال سماعة رأس الواقع الافتراضي، تخلق وهمًا لغرفة معيشة ثلاثية الأبعاد.

2. عرض ستيريو بمسار واحد

لتحسين الأداء، تم تطوير تقنيات عرض ستيريو بمسار واحد. تعرض هذه التقنيات المشهد مرة واحدة فقط ولكنها تولد رؤى العين اليسرى واليمنى في وقت واحد. أحد الأساليب الشائعة هو استخدام برامج تظليل الهندسة لتكرار الهندسة وتطبيق تحويلات مختلفة لكل عين.

تقلل هذه الطريقة من عبء عمل العرض مقارنة بالعرض ثنائي العرض، ولكن قد يكون تنفيذها أكثر تعقيدًا وقد تقدم قيودًا معينة من حيث التظليل والتأثيرات.

مثال: بدلاً من عرض غرفة المعيشة مرتين، يعرض محرك الرسومات غرفة المعيشة مرة واحدة ولكنه يستخدم أداة تظليل خاصة لإنشاء إصدارين مختلفين قليلاً من الهندسة (الأثاث والجدران وما إلى ذلك) أثناء عملية العرض. يمثل هذان الإصداران رؤى لكل عين، مما يؤدي فعليًا إلى عرض كلتا الرؤيتين في مسار واحد.

3. العرض متعدد العرض

بالنسبة للتطبيقات المتقدمة، مثل شاشات الإضاءة الميدانية أو الشاشات المجسمة، يمكن استخدام العرض متعدد العرض. تقوم هذه التقنية بإنشاء طرق عرض متعددة للمشهد من وجهات نظر مختلفة، مما يسمح بنطاق أوسع من زوايا العرض وتأثيرات اختلاف المنظر الأكثر واقعية. ومع ذلك، فهي أكثر كثافة حسابيًا من العرض ثنائي العرض.

مثال: يسمح معرض متحف افتراضي للمستخدمين بالتجول حول منحوتة افتراضية ورؤيتها من زوايا مختلفة، وليس فقط زاويتين. يقوم العرض متعدد العرض بإنشاء العديد من الصور المختلفة قليلاً للمنحوتة، يتوافق كل منها مع موضع عرض مختلف قليلاً.

4. عرض عين السمكة للمجال البصري الواسع

غالبًا ما تستخدم سماعات رأس الواقع الافتراضي عدسات لتحقيق مجال رؤية واسع (FOV)، يتجاوز في بعض الأحيان 100 درجة. يمكن أن يؤدي العرض المنظوري القياسي إلى تشوهات في محيط الصورة عند استخدامه مع مثل هذه المجالات البصرية الواسعة. يمكن استخدام تقنيات عرض عين السمكة، التي تحاكي إسقاط عدسة عين السمكة، لتشويه الصور مسبقًا بطريقة تعوض تشوه العدسة في سماعة الرأس، مما يؤدي إلى الحصول على صورة تبدو أكثر طبيعية.

مثال: تخيل صورة بانورامية تم التقاطها بعدسة عين السمكة. تبدو الأشياء القريبة من الحواف ممتدة ومنحنية. يفعل العرض عين السمكة شيئًا مشابهًا في الواقع الافتراضي، مما يؤدي إلى تشويه الصور مسبقًا بحيث تلغي التشوهات، عند عرضها من خلال عدسات سماعة الرأس، مما يوفر تجربة عرض أوسع وأكثر راحة.

التحديات في العرض المجسم

في حين أن العرض المجسم ضروري للواقع الافتراضي، فإنه يمثل أيضًا العديد من التحديات:

1. التكلفة الحاسوبية

يؤدي عرض صورتين (أو أكثر) لكل إطار إلى زيادة عبء العمل الحسابي بشكل كبير مقارنة بالعرض ثنائي الأبعاد التقليدي. يتطلب هذا أجهزة قوية (وحدات معالجة الرسومات) وخوارزميات عرض مُحسّنة لتحقيق معدلات إطارات مقبولة وتجنب دوار الحركة.

مثال: قد تتطلب لعبة واقع افتراضي معقدة ذات رسومات مفصلة للغاية بطاقتي رسومات متطورتين تعملان بالتوازي لعرض المشهد بسلاسة بمعدل 90 إطارًا في الثانية لكل عين. تعد تقنيات التحسين مثل مقياس التفاصيل (LOD)، والحجب، وتحسين الظل أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على الأداء.

2. زمن الوصول

يمكن أن يتسبب أي تأخير بين حركة رأس المستخدم والتحديث المقابل للعرض في عدم الراحة ودوار الحركة. يعد زمن الوصول المنخفض أمرًا بالغ الأهمية لتجربة واقع افتراضي مريحة. يضيف العرض المجسم إلى مسار العرض الإجمالي، مما قد يزيد من زمن الوصول.

مثال: إذا كان هناك تأخير ملحوظ بين تحريك رأسك في الواقع الافتراضي وعندما يتكيف العالم الافتراضي ليعكس تلك الحركة، فمن المحتمل أن تشعر بالغثيان. يتطلب تقليل زمن الوصول تحسين نظام الواقع الافتراضي بأكمله، من مستشعرات التتبع إلى مسار العرض إلى تقنية العرض.

3. تعارض التقارب والتكيف

في العالم الحقيقي، يرتبط التقارب (الزاوية التي تتقارب بها عيناك) والتكيف (التركيز على عدسة عينك) بشكل طبيعي. عندما تنظر إلى كائن قريب، تتقارب عيناك وتركز عدساتك على هذا الكائن. ومع ذلك، في الواقع الافتراضي، غالبًا ما يتم كسر هذا الاقتران. يتم تثبيت الشاشات الموجودة في سماعة رأس الواقع الافتراضي عادةً على مسافة معينة، لذا تتكيف عيناك دائمًا مع تلك المسافة، بغض النظر عن زاوية التقارب المطلوبة لعرض الكائنات الافتراضية على أعماق مختلفة. يمكن أن يؤدي هذا التعارض بين التقارب والتكيف إلى إجهاد العين وعدم الراحة.

مثال: أنت تنظر إلى كائن افتراضي يبدو على بعد متر واحد فقط في الواقع الافتراضي. تتقارب عيناك كما لو كنت تنظر إلى كائن حقيقي على بعد متر واحد. ومع ذلك، لا تزال عدسات عينك تركز على المسافة الثابتة لشاشة سماعة الرأس، والتي قد تكون على بعد مترين. يمكن أن يؤدي هذا التناقض إلى إجهاد العين والضبابية.

4. تعديل المسافة بين التلميذين (IPD)

يختلف إعداد IPD الأمثل من شخص لآخر. تحتاج سماعات رأس الواقع الافتراضي إلى السماح للمستخدمين بتعديل IPD لتتناسب مع حالتهم الخاصة للحصول على تجربة مجسمة مريحة ودقيقة. يمكن أن تؤدي إعدادات IPD غير الصحيحة إلى إدراك عمق مشوه وإجهاد العين.

مثال: إذا استخدم شخص لديه IPD واسع سماعة رأس الواقع الافتراضي مُعيّنة على IPD ضيق، فسيبدو العالم الافتراضي مضغوطًا وأصغر مما ينبغي. على العكس من ذلك، فإن الشخص الذي لديه IPD ضيق يستخدم سماعة رأس مضبوطة على IPD واسع سيعتبر العالم ممتدًا وأكبر.

5. تشويه الصورة والانحراف

يمكن أن تقدم العدسات المستخدمة في سماعات رأس الواقع الافتراضي تشويهًا وانحرافًا في الصور، مما قد يؤدي إلى تدهور الجودة المرئية للصور المجسمة. يجب تصحيح هذه التشوهات في مسار العرض من خلال تقنيات مثل تصحيح تشوه العدسة وتصحيح الانحراف اللوني.

مثال: قد تظهر الخطوط المستقيمة في العالم الافتراضي منحنية أو منحنية بسبب تشوه العدسة. قد يتم أيضًا فصل الألوان، مما يؤدي إلى إنشاء هوامش غير مرغوب فيها حول الأشياء بسبب الانحراف اللوني. تُستخدم خوارزميات تصحيح تشوه العدسة وتصحيح الانحراف اللوني لتشويه الصور مسبقًا بطريقة تلغي تشوهات العدسة، مما يؤدي إلى الحصول على صورة أكثر وضوحًا ودقة.

الاتجاهات المستقبلية في العرض المجسم

يتطور مجال العرض المجسم باستمرار، مع البحث والتطوير المستمر بهدف تحسين جودة وراحة وأداء تجارب الواقع الافتراضي. تتضمن بعض الاتجاهات المستقبلية الواعدة ما يلي:

1. العرض البؤري

العرض البؤري هو أسلوب يستغل حقيقة أن العين البشرية لديها دقة أعلى بكثير في البقعة (الجزء المركزي من الشبكية) منها في المحيط. يقلل العرض البؤري من تفاصيل العرض في محيط الصورة، حيث تكون دقة العين أقل، ويركز قوة العرض على البقعة، حيث تتركز العين. يمكن لهذا أن يحسن الأداء بشكل كبير دون التأثير بشكل كبير على الجودة المرئية المتصورة.

مثال: تقوم لعبة الواقع الافتراضي بضبط تفاصيل العرض ديناميكيًا بناءً على المكان الذي ينظر إليه المستخدم. يتم عرض المنطقة الموجودة مباشرة أمام المستخدم بتفاصيل عالية، بينما يتم عرض المناطق الموجودة حول حواف الشاشة بتفاصيل أقل. يسمح هذا للعبة بالحفاظ على معدلات إطارات عالية حتى مع المشاهد المعقدة.

2. شاشات الإضاءة الميدانية

تلتقط شاشات الإضاءة الميدانية وتنتج اتجاه وكثافة أشعة الضوء، مما يخلق تجربة عرض ثلاثية الأبعاد أكثر واقعية وراحة. يمكنهم معالجة تعارض التقارب والتكيف من خلال توفير إدراك عمق أكثر طبيعية. ومع ذلك، تتطلب شاشات الإضاءة الميدانية بيانات وقوة معالجة أكبر بكثير من الشاشات المجسمة التقليدية.

مثال: تخيل النظر إلى صورة ثلاثية الأبعاد تبدو وكأنها تطفو في الهواء. تهدف شاشات الإضاءة الميدانية إلى تحقيق تأثير مماثل عن طريق إعادة إنشاء أشعة الضوء التي تنبعث من كائن حقيقي، مما يسمح لعينيك بالتركيز والتقارب بشكل طبيعي.

3. شاشات متغيرة البؤرة

تعدل شاشات متغيرة البؤرة ديناميكيًا المسافة البؤرية للشاشة لتتناسب مع مسافة التقارب للكائن الافتراضي. يساعد هذا في حل تعارض التقارب والتكيف وتحسين الراحة البصرية. يتم استكشاف العديد من التقنيات لشاشات متغيرة البؤرة، بما في ذلك العدسات السائلة والشاشات المكدسة.

مثال: تقوم سماعة رأس الواقع الافتراضي تلقائيًا بضبط تركيز العدسات بناءً على مسافة الكائن الذي تنظر إليه. يضمن هذا أن عينيك تركز دائمًا على المسافة الصحيحة، مما يقلل من إجهاد العين ويحسن إدراك العمق.

4. دمج تتبع العين

يمكن استخدام تقنية تتبع العين لتحسين العرض المجسم بعدة طرق. يمكن استخدامه لتنفيذ العرض البؤري، وتعديل IPD ديناميكيًا، وتصحيح حركات العين. يمكن أيضًا استخدام تتبع العين لتوفير تجارب واقع افتراضي أكثر تخصيصًا وتكيفًا.

مثال: تتعقب سماعة رأس الواقع الافتراضي المكان الذي تنظر إليه وتقوم تلقائيًا بضبط تفاصيل العرض وتركيز الشاشة لتحسين التجربة المرئية. كما أنه يضبط تلقائيًا IPD لتتناسب مع فصل عينيك الفردي.

5. تقنيات التظليل المتقدمة

يمكن استخدام تقنيات التظليل المتقدمة، مثل تتبع الأشعة وتتبع المسار، لإنشاء تجارب واقع افتراضي أكثر واقعية وغامرة. تحاكي هذه التقنيات سلوك الضوء بشكل أكثر دقة من أساليب العرض التقليدية، مما يؤدي إلى إضاءة وظلال وانعكاسات أكثر واقعية. ومع ذلك، فهي أيضًا أكثر كثافة من الناحية الحسابية.

مثال: تستخدم بيئة الواقع الافتراضي تتبع الأشعة لمحاكاة الطريقة التي ترتد بها الضوء عن الأسطح، مما يؤدي إلى انعكاسات وظلال واقعية. هذا يجعل العالم الافتراضي يبدو أكثر واقعية وانغماسًا.

تأثير العرض المجسم على مختلف الصناعات

العرض المجسم ليس مجرد مفهوم نظري؛ له تطبيقات عملية في مجموعة كبيرة من الصناعات:

• الألعاب والترفيه: التطبيق الأكثر وضوحًا. يوفر العرض المجسم تجارب ألعاب غامرة بشكل لا يصدق، مما يسمح للاعبين بالدخول الكامل إلى العوالم الافتراضية. تستفيد الأفلام وغيرها من أشكال الترفيه أيضًا بشكل متزايد من الواقع الافتراضي والعرض المجسم لتقديم تجارب جديدة وجذابة للمشاهدين.
• التعليم والتدريب: توفر محاكاة التدريب القائمة على الواقع الافتراضي، المدعومة بالعرض المجسم، طريقة آمنة وفعالة من حيث التكلفة لتدريب الأفراد في مختلف المجالات. يمكن لطلاب الطب ممارسة الإجراءات الجراحية، ويمكن للمهندسين تصميم النماذج الأولية واختبارها، ويمكن للطيارين محاكاة سيناريوهات الطيران، كل ذلك في بيئة افتراضية واقعية ومضبوطة.
• الرعاية الصحية: بالإضافة إلى التدريب، يُستخدم العرض المجسم أيضًا للتصوير التشخيصي والتخطيط الجراحي والتدخلات العلاجية. يمكن للعلاجات القائمة على الواقع الافتراضي أن تساعد المرضى على إدارة الألم، والتغلب على الرهاب، والتعافي من الإصابات.
• العمارة والتصميم: يمكن للمهندسين المعماريين والمصممين استخدام الواقع الافتراضي لإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد واقعية للمباني والمساحات، مما يسمح للعملاء بتجربة التصميمات قبل بنائها. يمكن أن يساعد هذا في تحسين التواصل وتحديد المشكلات المحتملة واتخاذ قرارات تصميم أفضل.
• التصنيع والهندسة: يمكن للمهندسين استخدام الواقع الافتراضي لتصور التصميمات المعقدة والتفاعل معها، وتحديد المشكلات المحتملة، وتحسين عمليات التصنيع. يتيح العرض المجسم فهمًا أكثر سهولة للهندسة ثلاثية الأبعاد للمنتجات التي يتم تصميمها وتصنيعها.
• العقارات: يمكن للمشترين المحتملين القيام بجولات افتراضية للعقارات، حتى قبل بنائها. يتيح لهم ذلك تجربة مساحة وتخطيط وميزات العقار من أي مكان في العالم.
• الجيش والدفاع: تستخدم محاكاة الواقع الافتراضي لتدريب الجنود في سيناريوهات قتالية مختلفة. فهي توفر بيئة آمنة وواقعية لممارسة التكتيكات وتحسين التنسيق وتطوير مهارات القيادة.
• البيع بالتجزئة: يمكن للعملاء تجربة الملابس أو تأثيث منازلهم أو تخصيص المنتجات في بيئة افتراضية. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تحسين تجربة التسوق وزيادة المبيعات وتقليل المرتجعات.

الخلاصة

العرض المجسم هو حجر الزاوية في الواقع الافتراضي، مما يتيح إنشاء تجارب ثلاثية الأبعاد غامرة وجذابة. في حين أن التحديات الكبيرة لا تزال قائمة من حيث التكلفة الحاسوبية وزمن الوصول والراحة البصرية، فإن البحث والتطوير المستمر يمهدان الطريق لتقنيات واقع افتراضي أكثر تقدمًا وواقعية. مع استمرار تطور تقنية الواقع الافتراضي، سيلعب العرض المجسم بلا شك دورًا متزايد الأهمية في تشكيل مستقبل التفاعل بين الإنسان والحاسوب والطريقة التي نختبر بها العالم الرقمي. من خلال فهم مبادئ وتقنيات العرض المجسم، يمكن للمطورين والباحثين والمتحمسين المساهمة في تطوير هذه التكنولوجيا المثيرة والتحويلية، وإنشاء تطبيقات جديدة ومبتكرة تفيد المجتمع ككل.