التفاعل ثلاثي الأبعاد بين الإنسان والحاسوب
يشير التفاعل ثلاثي الأبعاد بين الإنسان والحاسوب إلى أنواع التفاعل التي تسمح للمستخدمين بالتحرك والتفاعل في الفضاء ثلاثي الأبعاد . ويقوم كل من المستخدم والحاسوب بمعالجة المعلومات التي يكون فيها الموقع الفيزيائي للعناصر في الفضاء ثلاثي الأبعاد ذا أهمية. ويشمل ذلك الواقع الافتراضي والواقع المعزز .
يمكن أن يكون الفضاء ثلاثي الأبعاد المستخدم للتفاعل هو الفضاء المادي الحقيقي ، أو تمثيل فضاء افتراضي مُحاكى على الحاسوب، أو مزيج من الاثنين. عند استخدام الفضاء المادي الحقيقي لإدخال البيانات، يتفاعل المستخدم مع الآلة مُنفذًا إجراءات باستخدام جهاز إدخال يكشف ، من بين أمور أخرى، عن موقع تفاعل المستخدم ثلاثي الأبعاد . أما عند استخدامه لإخراج البيانات، فيتم إسقاط المشهد الافتراضي ثلاثي الأبعاد المُحاكى على البيئة الحقيقية عبر جهاز إخراج واحد .
تُطبق مبادئ التفاعل ثلاثي الأبعاد في مجموعة متنوعة من المجالات مثل السياحة والفن والألعاب والمحاكاة والتعليم وتصور المعلومات أو التصور العلمي . [ 1 ]
تاريخ
بدأ البحث في مجال التفاعل ثلاثي الأبعاد والعرض ثلاثي الأبعاد في ستينيات القرن العشرين، على يد باحثين رواد مثل إيفان ساذرلاند ، وفريد بروكس، وبوب سبرول، وأندرو أورتوني، وريتشارد فيلدمان. ولكن لم يكتمل هذا المجال إلا في عام 1962 عندما اخترع مورتون هايليغ جهاز محاكاة سينسوراما . [ 2 ] وقد وفر هذا الجهاز تغذية راجعة فيديو ثلاثية الأبعاد، بالإضافة إلى الحركة والصوت والتغذية الراجعة لإنشاء بيئة افتراضية.
تمثلت المرحلة التالية من التطوير في إنجاز الدكتور إيفان ساذرلاند لعمله الرائد عام 1968، وهو عبارة عن شاشة عرض ثلاثية الأبعاد تُثبّت على الرأس ( شاشة إيفان ساذرلاند ثلاثية الأبعاد المثبتة على الرأس ). [ 3 ] وقد ابتكر شاشة عرض تُثبّت على الرأس تُنتج بيئة افتراضية ثلاثية الأبعاد من خلال عرض صورتين، إحداهما للجانب الأيسر والأخرى للجانب الأيمن، ويتم تحديثهما في الوقت الفعلي باستخدام جهاز تتبع حركة الرأس.
أدى توفر التكنولوجيا والتكاليف الباهظة إلى عرقلة تطوير وتطبيق البيئات الافتراضية حتى ثمانينيات القرن الماضي. واقتصرت التطبيقات آنذاك على المشاريع العسكرية في الولايات المتحدة. ومنذ ذلك الحين، أتاحت الأبحاث والتطورات التكنولوجية اللاحقة فتح آفاق جديدة لتطبيقاتها في مجالات أخرى متنوعة كالتعليم والترفيه والتصنيع.
خلفية
في التفاعل ثلاثي الأبعاد، يُنجز المستخدمون مهامهم ويؤدون وظائفهم من خلال تبادل المعلومات مع أنظمة الحاسوب في الفضاء ثلاثي الأبعاد. يُعد هذا النوع من التفاعل بديهيًا، إذ يتفاعل البشر في ثلاثة أبعاد في العالم الحقيقي. تُصنف المهام التي يؤديها المستخدمون إلى اختيار ومعالجة العناصر في الفضاء الافتراضي، والتنقل، والتحكم في النظام. يمكن إنجاز المهام في الفضاء الافتراضي من خلال تقنيات التفاعل واستخدام أجهزة التفاعل. صُنفت تقنيات التفاعل ثلاثي الأبعاد وفقًا لمجموعة المهام التي تدعمها. تُصنف التقنيات التي تدعم مهام التنقل إلى تقنيات التنقل ، بينما تُصنف التقنيات التي تدعم اختيار ومعالجة العناصر إلى تقنيات الاختيار والمعالجة . أخيرًا، تدعم تقنيات التحكم في النظام المهام المتعلقة بالتحكم في التطبيق نفسه. يجب إنشاء ربط متسق وفعال بين التقنيات وأجهزة التفاعل لضمان سهولة استخدام النظام وفعاليته. تُسمى الواجهات المرتبطة بالتفاعل ثلاثي الأبعاد بالواجهات ثلاثية الأبعاد . ومثل أنواع واجهات المستخدم الأخرى، تتضمن هذه الواجهات اتصالًا ثنائي الاتجاه بين المستخدمين والنظام، ولكنها تسمح للمستخدمين بأداء الإجراءات في الفضاء ثلاثي الأبعاد. تسمح أجهزة الإدخال للمستخدمين بإعطاء التوجيهات والأوامر للنظام، بينما تسمح أجهزة الإخراج للجهاز بعرض المعلومات لهم.
تُستخدم واجهات ثلاثية الأبعاد في تطبيقات تتضمن بيئات افتراضية، وواقعًا معززًا ، وواقعًا مختلطًا . في البيئات الافتراضية، يمكن للمستخدمين التفاعل مباشرةً مع البيئة أو استخدام أدوات ذات وظائف محددة للقيام بذلك. ويحدث التفاعل ثلاثي الأبعاد عندما يتم التحكم في أدوات مادية ضمن سياق مكاني ثلاثي الأبعاد للتحكم في أداة افتراضية مقابلة.
يشعر المستخدمون بشعورٍ بالحضور عند انخراطهم في عالم افتراضي غامر . ويتيح لهم التفاعل مع هذا العالم ثلاثي الأبعاد الاستفادة من معرفتهم الفطرية بكيفية تبادل المعلومات مع الأجسام المادية في العالم الحقيقي. ويمكن استخدام الملمس والصوت والكلام لتعزيز التفاعل ثلاثي الأبعاد. حاليًا، لا يزال المستخدمون يواجهون صعوبة في تفسير الصور ثلاثية الأبعاد وفهم كيفية حدوث التفاعل. ورغم أن التنقل في عالم ثلاثي الأبعاد يُعدّ طريقة طبيعية للبشر، إلا أن الصعوبة تكمن في غياب العديد من المؤشرات الموجودة في البيئات الحقيقية عن البيئات الافتراضية. ويُعدّ الإدراك والحجب من المؤشرات الإدراكية الأساسية التي يستخدمها البشر. كذلك، ورغم أن المشاهد في الفضاء الافتراضي تبدو ثلاثية الأبعاد، إلا أنها لا تزال تُعرض على سطح ثنائي الأبعاد، لذا ستظل بعض التناقضات في إدراك العمق قائمة.
تُعدّ واجهات المستخدم وسيلةً للتواصل بين المستخدمين والأنظمة. تشمل الواجهات ثلاثية الأبعاد وسائط لعرض حالة النظام ثلاثية الأبعاد، ووسائط لإدخال المستخدم أو التفاعل معه ثلاثي الأبعاد. لا يكفي استخدام التمثيلات ثلاثية الأبعاد لإنشاء تفاعل ثلاثي الأبعاد، بل يجب أن يمتلك المستخدمون طريقةً لتنفيذ الإجراءات في بيئة ثلاثية الأبعاد أيضًا. ولتحقيق ذلك، طُوّرت أجهزة إدخال وإخراج خاصة لدعم هذا النوع من التفاعل. بعض هذه الأجهزة، مثل الفأرة ثلاثية الأبعاد، طُوّرت استنادًا إلى أجهزة موجودة للتفاعل ثنائي الأبعاد.
واجهات المستخدم ثلاثية الأبعاد هي واجهات تفاعلية ثلاثية الأبعاد، حيث تتم مهام المستخدم مباشرةً ضمن فضاء ثلاثي الأبعاد. يجب على المستخدم التواصل مع النظام عبر الأوامر والطلبات والأسئلة والنوايا والأهداف، وفي المقابل، يجب على النظام تقديم ملاحظات وطلبات إدخال ومعلومات حول حالته، وما إلى ذلك.
لا يمتلك كل من المستخدم والنظام نفس نوع اللغة، لذلك لكي تصبح عملية التواصل ممكنة، يجب أن تعمل الواجهات كوسيط أو مترجم بينهما.
تُسمى الطريقة التي يُحوّل بها المستخدم إدراكاته إلى أفعال بوظيفة النقل البشري، بينما تُسمى الطريقة التي يُحوّل بها النظام الإشارات إلى معلومات العرض بوظيفة النقل النظامي. تُعدّ واجهات المستخدم ثلاثية الأبعاد أجهزة مادية تُسهّل التواصل بين المستخدم والنظام بأقل تأخير ممكن، وفي هذه الحالة يوجد نوعان: أجهزة إخراج واجهة المستخدم ثلاثية الأبعاد وأجهزة إدخال واجهة المستخدم ثلاثية الأبعاد.
أجهزة العرض ثلاثية الأبعاد
تتيح أجهزة الإخراج، التي تُسمى أيضًا أجهزة العرض، للآلة تقديم المعلومات أو التغذية الراجعة لمستخدم واحد أو أكثر عبر نظام الإدراك البشري. ويركز معظمها على تحفيز الحواس البصرية أو السمعية أو اللمسية. ومع ذلك، في بعض الحالات النادرة، يمكنها أيضًا تحفيز حاسة الشم لدى المستخدم.
شاشات عرض ثلاثية الأبعاد
يُعد هذا النوع من الأجهزة الأكثر شيوعًا. ويهدف إلى عرض المعلومات التي ينتجها النظام من خلال الجهاز البصري البشري بطريقة ثلاثية الأبعاد. وتتمثل السمات الرئيسية التي تميز هذه الأجهزة في: مجال الرؤية ، ودقة العرض المكانية ، وهندسة الشاشة، وآلية نقل الضوء، ومعدل التحديث ، والتصميم المريح .
يمكن تصنيف هذه الأجهزة أيضاً وفقاً لفئات إشارات إدراك العمق المختلفة المستخدمة لتمكين المستخدم من فهم المعلومات ثلاثية الأبعاد. تشمل الأنواع الرئيسية للشاشات المستخدمة في واجهات المستخدم ثلاثية الأبعاد: الشاشات، وشاشات العرض المحيطية، وشاشات العمل، والشاشات نصف الكروية، والشاشات المثبتة على الرأس، والشاشات المثبتة على الذراع، والشاشات المجسمة التلقائية. تُعدّ نظارات الواقع الافتراضي وبيئات الواقع الافتراضي التلقائية (CAVEs) أمثلة على شاشات العرض الغامرة بالكامل، حيث لا يرى المستخدم سوى العالم الافتراضي دون العالم الحقيقي. أما شاشات العرض شبه الغامرة فتتيح للمستخدمين رؤية كليهما. وتُعدّ الشاشات وشاشات العمل أمثلة على شاشات العرض شبه الغامرة.
الصوت ثلاثي الأبعاد
يشير الصوت ثلاثي الأبعاد إلى عرض الصوت عبر الجهاز السمعي البشري، وهو مفيدٌ للغاية عند تزويد المستخدمين بمعلومات الموقع والمكان. يهدف هذا النوع من الصوت إلى توليد وعرض صوت ثلاثي الأبعاد مكاني، مما يُمكّن المستخدم من استخدام مهاراته السمعية النفسية لتحديد موقع الصوت واتجاهه. تتضمن هذه التقنية عدة مؤشرات لتحديد الموقع، منها: المؤشرات ثنائية الأذن، والمؤشرات الطيفية والديناميكية، ووظائف النقل المتعلقة بالرأس ، والصدى ، وشدة الصوت ، بالإضافة إلى معرفة المستخدم بالبيئة المحيطة. كما يُساهم إضافة عنصر الصوت الخلفي إلى الشاشة في تعزيز الشعور بالواقعية.
أجهزة اللمس ثلاثية الأبعاد
تستخدم هذه الأجهزة حاسة اللمس لمحاكاة التفاعل المادي بين المستخدم وجسم افتراضي. توجد ثلاثة أنواع مختلفة من شاشات اللمس ثلاثية الأبعاد: تلك التي توفر للمستخدم إحساسًا بالقوة، وتلك التي تحاكي حاسة اللمس، وتلك التي تجمع بينهما. وتتمثل السمات الرئيسية التي تميز هذه الأجهزة في: قدرة العرض اللمسي، والدقة، والتصميم المريح . يحتوي نظام اللمس البشري على نوعين أساسيين من الإشارات: اللمسية والحركية. الإشارات اللمسية هي نوع من إشارات اللمس البشرية، وتعتمد على مجموعة واسعة من مستقبلات الجلد الموجودة تحت سطح الجلد، والتي توفر معلومات حول الملمس، ودرجة الحرارة، والضغط، والتلف. أما الإشارات الحركية فهي نوع آخر من إشارات اللمس البشرية، وتعتمد على العديد من المستقبلات في العضلات والمفاصل والأوتار، والتي توفر معلومات حول زاوية المفاصل، والإجهاد، وطول العضلات.
أجهزة الإدخال ثلاثية الأبعاد
تُسمى هذه الأجهزة المادية بأجهزة الإدخال، وهدفها التقاط وتفسير الإجراءات التي يقوم بها المستخدم في ثلاثة أبعاد. تُعدّ درجات الحرية إحدى السمات الرئيسية لهذه الأنظمة. غالبًا ما تكون مكونات واجهة المستخدم التقليدية (مثل الفأرة ولوحة المفاتيح، وربما شاشة اللمس) غير مناسبة لاحتياجات التفاعل غير ثنائي الأبعاد. [ 1 ] كما تُصنّف هذه الأنظمة وفقًا لمدى التفاعل المادي المطلوب لاستخدام الجهاز؛ فالأنظمة النشطة تتطلب التلاعب بها لإنتاج المعلومات، بينما لا تتطلب الأنظمة السلبية ذلك. تشمل الفئات الرئيسية لهذه الأجهزة أجهزة الإدخال القياسية (المكتبية)، وأجهزة التتبع، وأجهزة التحكم، ومعدات الملاحة، وواجهات الإيماءات ، والفأرات ثلاثية الأبعاد ، وواجهات الدماغ والحاسوب .
أجهزة إدخال سطح المكتب
صُممت هذه الأجهزة للتفاعل ثلاثي الأبعاد على سطح المكتب، ويعتمد تصميم العديد منها في الأساس على التفاعل التقليدي ثنائي الأبعاد، ولكن مع وجود توافق مناسب بين النظام والجهاز، يمكن تحقيق ذلك بكفاءة عالية في بيئة ثلاثية الأبعاد. تتنوع هذه الأجهزة بين لوحات المفاتيح ، والفأرات ثنائية الأبعاد ، وكرات التتبع، والأجهزة اللوحية المزودة بقلم، وعصي التحكم . ومع ذلك، شككت العديد من الدراسات في مدى ملاءمة مكونات واجهة سطح المكتب للتفاعل ثلاثي الأبعاد [ 1 ] [ 5 ] [ 6 ] ، ولا يزال هذا الأمر محل نقاش. [ 7 ] [ 8 ]
أجهزة التتبع ثلاثية الأبعاد
تعتمد أنظمة التفاعل ثلاثي الأبعاد مع المستخدم بشكل أساسي على تقنيات تتبع الحركة ، للحصول على جميع المعلومات الضرورية من المستخدم من خلال تحليل حركاته أو إيماءاته ، وتسمى هذه التقنيات بتقنيات التتبع.
ترصد أجهزة التتبع حركات الرأس واليد والجسم، وترسل هذه المعلومات إلى الحاسوب. يقوم الحاسوب بعد ذلك بترجمتها، ويضمن انعكاس الموقع والاتجاه بدقة في العالم الافتراضي. يُعدّ التتبع بالغ الأهمية لعرض وجهة النظر الصحيحة، وتنسيق المعلومات المكانية والصوتية المقدمة للمستخدمين، بالإضافة إلى المهام أو الوظائف التي يمكنهم القيام بها. تُصنّف أجهزة التتبع ثلاثية الأبعاد إلى ميكانيكية، ومغناطيسية، وفوق صوتية، وبصرية، وهجينة بالقصور الذاتي. ومن أمثلة أجهزة التتبع: أجهزة تتبع الحركة ، وأجهزة تتبع العين ، وقفازات البيانات. يمكن اعتبار فأرة ثنائية الأبعاد بسيطة جهازًا للملاحة إذا سمحت للمستخدم بالانتقال إلى موقع مختلف في فضاء افتراضي ثلاثي الأبعاد. تستخدم أجهزة الملاحة، مثل جهاز المشي والدراجة ، الطرق الطبيعية التي يتنقل بها البشر في العالم الحقيقي. تحاكي أجهزة المشي المشي أو الجري، بينما تحاكي الدراجات أو المعدات المشابهة السفر بالمركبات. في حالة أجهزة الملاحة، تتمثل المعلومات التي تُنقل إلى الجهاز في موقع المستخدم وحركاته في الفضاء الافتراضي. تسمح القفازات والبدلات السلكية بالتفاعل بالإيماءات. تقوم هذه الأجهزة بإرسال معلومات عن وضع اليد أو الجسم وحركته إلى الكمبيوتر باستخدام أجهزة الاستشعار.
يتطلب التطوير الكامل لنظام تفاعل المستخدم ثلاثي الأبعاد الوصول إلى بعض المعايير الأساسية، والتي يجب أن يعرفها هذا النظام التقني، أو على الأقل جزئيًا، مثل الموقع النسبي للمستخدم، والموقع المطلق، والسرعة الزاوية، وبيانات الدوران، والاتجاه، والارتفاع. ويتم جمع هذه البيانات من خلال أنظمة تتبع الفضاء وأجهزة الاستشعار بأشكال متعددة، بالإضافة إلى استخدام تقنيات مختلفة. يُعد النظام الأمثل لهذا النوع من التفاعل هو النظام القائم على تتبع الموقع باستخدام ست درجات حرية (6-DOF)، حيث تتميز هذه الأنظمة بقدرتها على تحديد الموقع ثلاثي الأبعاد المطلق للمستخدم، وبالتالي الحصول على معلومات حول جميع زوايا المجال ثلاثي الأبعاد الممكنة.
يمكن تطبيق هذه الأنظمة باستخدام تقنيات متنوعة، مثل المجالات الكهرومغناطيسية، أو التتبع البصري، أو التتبع بالموجات فوق الصوتية، ولكنها جميعًا تشترك في قيد رئيسي واحد، وهو ضرورة وجود مرجع خارجي ثابت، سواءً كان قاعدة، أو مجموعة من الكاميرات، أو مجموعة من العلامات المرئية، حتى يتسنى تنفيذ هذا النظام في مناطق مُجهزة. أما أنظمة التتبع بالقصور الذاتي، فلا تتطلب مرجعًا خارجيًا، على عكس تلك القائمة على الحركة، إذ تعتمد على جمع البيانات باستخدام مقاييس التسارع ، أو الجيروسكوبات ، أو كاميرات الفيديو، دون الحاجة إلى مرجع ثابت. في معظم الحالات، تكمن المشكلة الرئيسية لهذا النظام في عدم الحصول على الموقع المطلق، لأنه لا يرتبط بأي نقطة مرجعية خارجية مُحددة مسبقًا، وبالتالي يحصل دائمًا على الموقع النسبي للمستخدم، وهو ما يُسبب أخطاءً تراكمية في عملية جمع البيانات. الهدف الذي يجب تحقيقه في نظام التتبع ثلاثي الأبعاد هو الحصول على نظام بست درجات حرية قادر على تحديد الموقع المطلق ودقة الحركة والاتجاه، بدقة عالية جدًا وفي مساحة غير مقطوعة. مثال جيد على ذلك هو الهاتف المحمول، لأنه يحتوي على جميع مستشعرات التقاط الحركة وتتبع خط العرض عبر نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، ولكن هذه الأنظمة حاليًا ليست دقيقة بما يكفي لالتقاط البيانات بدقة سنتيمترات، وبالتالي ستكون غير صالحة.
ومع ذلك، هناك العديد من الأنظمة التي تتكيف بشكل وثيق مع الأهداف المنشودة، والعامل الحاسم بالنسبة لها هو أن هذه الأنظمة تحتوي على محتوى تلقائي، أي أنها شاملة ولا تتطلب مرجعًا مسبقًا ثابتًا، وهذه الأنظمة هي كما يلي:
نينتندو وي ريموت ("Wiimote")
لا يدعم جهاز التحكم عن بُعد Wii تقنية 6-DOF، ولكنه مزود بمجموعة كبيرة من المستشعرات، مما يجعله أداة تفاعلية ممتازة في البيئات ثلاثية الأبعاد. فهو يحتوي على جيروسكوبات لرصد دوران المستخدم، ومقاييس تسارع ADXL3000 لقياس سرعة وحركة اليدين، ومستشعرات بصرية لتحديد الاتجاه، وبوصلات إلكترونية وأجهزة تعمل بالأشعة تحت الحمراء لتحديد الموقع.
يمكن أن يتأثر هذا النوع من الأجهزة بالمراجع الخارجية لمصابيح الأشعة تحت الحمراء أو الشموع، مما يتسبب في حدوث أخطاء في دقة تحديد الموقع.
أجهزة جوجل تانجو
منصة تانغو هي منصة حوسبة للواقع المعزز، طُوّرت وأُنشئت بواسطة قسم التقنيات والمشاريع المتقدمة (ATAP)، وهو قسم متخصص في تطوير التقنيات الخاصة بشركة جوجل. تستخدم المنصة تقنيات رؤية الحاسوب وأجهزة استشعار داخلية (مثل الجيروسكوبات) لتمكين الأجهزة المحمولة، كالهواتف الذكية والأجهزة اللوحية، من تحديد موقعها بالنسبة للعالم المحيط بها دون استخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أو أي إشارات خارجية أخرى. وبالتالي، يمكن استخدامها لتوفير مدخلات بست درجات حرية. [ 9 ] يمكن اعتبار أجهزة جوجل تانغو حلولًا أكثر تكاملًا من النماذج الأولية التي جمعت بين الأجهزة المُتتبعة مكانيًا والشاشات التي تعمل باللمس للبيئات ثلاثية الأبعاد. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]
مايكروسوفت كينكت
يوفر لنا جهاز مايكروسوفت كينكت تقنية مختلفة لالتقاط الحركة لأغراض التتبع.
بدلاً من الاعتماد على أجهزة الاستشعار في تشغيلها، تعتمد هذه التقنية على ماسح ضوئي للضوء المنظم ، موجود في شريط، مما يسمح بتتبع الجسم بأكمله من خلال الكشف عن حوالي 20 نقطة مكانية، يتم قياس 3 درجات مختلفة من الحرية منها للحصول على موضع وسرعة ودوران كل نقطة.
تتمثل ميزته الرئيسية في سهولة الاستخدام، وعدم الحاجة إلى جهاز خارجي متصل من قبل المستخدم، أما عيبه الرئيسي فيكمن في عدم القدرة على اكتشاف اتجاه المستخدم، مما يحد من بعض وظائف المساحة والتوجيه.
ليب موشن
نظام Leap Motion هو نظام لتتبع حركة اليدين، مصمم للمساحات الصغيرة، يتيح تفاعلاً جديداً في بيئات ثلاثية الأبعاد لتطبيقات سطح المكتب، مما يوفر سلاسة فائقة عند تصفح البيئات ثلاثية الأبعاد بطريقة واقعية. وهو جهاز صغير يتصل بالكمبيوتر عبر منفذ USB، ويستخدم كاميرتين مزودتين بمصابيح LED تعمل بالأشعة تحت الحمراء، مما يسمح بتحليل مساحة نصف كروية تبلغ حوالي متر واحد على سطحه، وبالتالي تسجيل الاستجابات بمعدل 300 إطار في الثانية، ثم تُرسل المعلومات إلى الكمبيوتر ليتم معالجتها بواسطة برنامج متخصص.
تقنيات التفاعل ثلاثي الأبعاد
تقنيات التفاعل ثلاثي الأبعاد هي الطرق المختلفة التي يمكن للمستخدم من خلالها التفاعل مع البيئة الافتراضية ثلاثية الأبعاد لتنفيذ أنواع مختلفة من المهام. تؤثر جودة هذه التقنيات بشكل كبير على جودة واجهات المستخدم ثلاثية الأبعاد ككل. ويمكن تصنيفها إلى ثلاث مجموعات رئيسية: التنقل، والاختيار والمعالجة، والتحكم في النظام.
ملاحة
يحتاج الحاسوب إلى تزويد المستخدم بمعلومات حول الموقع والحركة. تُعدّ الملاحة من أكثر العمليات استخدامًا في بيئات ثلاثية الأبعاد واسعة النطاق، وتطرح تحدياتٍ مختلفة، منها دعم الوعي المكاني، وتوفير تنقلات فعّالة بين الأماكن البعيدة، وجعل الملاحة سهلةً ليتمكن المستخدم من التركيز على مهام أكثر أهمية. يمكن تقسيم هذه التقنيات، أي مهام الملاحة، إلى عنصرين: السفر وتحديد المسار. يشمل السفر الانتقال من الموقع الحالي إلى النقطة المطلوبة. أما تحديد المسار فيشير إلى إيجاد وتحديد الطرق للوصول إلى هدف السفر داخل البيئة الافتراضية.
يسافر
التنقل هو أسلوب مفاهيمي يتمثل في تحريك نقطة الرؤية (العين الافتراضية، الكاميرا الافتراضية) من مكان إلى آخر. ويتم عادةً التعامل مع هذا التوجيه في البيئات الافتراضية الغامرة عن طريق تتبع حركة الرأس . وهناك خمسة أنواع من تقنيات التفاعل مع التنقل:
- الحركة الجسدية : تستخدم هذه التقنية حركة جسم المستخدم للتنقل في البيئة الافتراضية. وهي تقنية مناسبة عندما تحتاج إلى تعزيز الإحساس بالتواجد في البيئة، أو عندما يحتاج المستخدم إلى بذل جهد بدني لمحاكاة ما.
- التحكم اليدوي في زاوية الرؤية : تحدد حركات يدي المستخدم مسار الحركة في البيئة الافتراضية. على سبيل المثال، قد يحرك المستخدم يديه بطريقة توحي بأنه يمسك بحبل افتراضي، ثم يسحب نفسه للأعلى. هذه التقنية سهلة التعلم وفعالة، لكنها قد تسبب الإرهاق.
- التوجيه : يتطلب من المستخدم الإشارة باستمرار إلى اتجاه الحركة. هذه تقنية شائعة وفعالة. ومن الأمثلة على ذلك التوجيه الموجه بالنظر، حيث يحدد اتجاه الرأس اتجاه الحركة.
- التنقل الموجه : يحدد المستخدم وجهةً ما، ثم ينتقل النظام إليها. يمكن تنفيذ هذا التنقل عبر الانتقال الفوري، حيث ينتقل المستخدم مباشرةً إلى الوجهة، أو عبر سلسلة من الانتقالات التدريجية. هذه التقنيات بسيطة للغاية بالنسبة للمستخدم، إذ يكفي تحديد الوجهة فقط.
- تخطيط المسار : يحدد المستخدم المسار المطلوب اتباعه في البيئة، ويتولى النظام تنفيذ الحركة. يمكن للمستخدم رسم المسار على الخريطة. تتيح هذه التقنية للمستخدمين التحكم في التنقل، مع إمكانية القيام بمهام أخرى أثناء الحركة.
توجيه الزوار
يُعدّ تحديد المسار عملية معرفية لتحديد طريق في البيئة المحيطة، وذلك باستخدام المعرفة المكانية واكتسابها لبناء خريطة ذهنية للبيئة. في الفضاء الافتراضي، يختلف الأمر ويصبح أكثر صعوبة منه في العالم الحقيقي، لأن البيئات الاصطناعية غالبًا ما تفتقر إلى الإشارات الحسية وقيود الحركة. ويمكن دعم هذه العملية باستخدام تقنيات تركز على المستخدم، مثل استخدام مجال رؤية أوسع وتوفير إشارات الحركة، أو تقنيات تركز على البيئة، مثل التنظيم الهيكلي ومبادئ تحديد المسار.
من أجل توفير توجيه جيد، ينبغي أن يتلقى المستخدمون دعماً في التوجيه أثناء تنقلهم في البيئة الافتراضية لتسهيل ذلك بسبب القيود المفروضة من العالم الافتراضي.
يمكن أن تكون هذه الوسائل داعمة للمستخدم، مثل مجال رؤية واسع، أو حتى غير مرئية كالصوت، أو داعمة للبيئة، كالمؤشرات الاصطناعية والتنظيم الهيكلي لتحديد أجزاء البيئة المختلفة بوضوح. ومن أكثر المؤشرات الاصطناعية استخدامًا الخرائط والبوصلات والشبكات، أو حتى المؤشرات المعمارية كالإضاءة واللون والملمس.
الاختيار والمعالجة
يجب أن تنجز تقنيات الاختيار والمعالجة للبيئات ثلاثية الأبعاد مهمة واحدة على الأقل من المهام الأساسية الثلاث: اختيار الكائن، وتحديد موضع الكائن، وتدوير الكائن.
يحتاج المستخدمون إلى القدرة على التفاعل مع الكائنات الافتراضية. تتضمن مهام التفاعل تحديد الكائن وتحريكه، وأحيانًا تدويره أيضًا. يُعد التفاعل المباشر باليد الأسلوب الأمثل، لأن التفاعل مع الأشياء المادية باليد أمرٌ بديهي للبشر. مع ذلك، لا يكون هذا ممكنًا دائمًا. لذا، فإن استخدام يد افتراضية قادرة على تحديد الكائنات الافتراضية وإعادة تحديد مواقعها يُعدّ خيارًا مناسبًا أيضًا.
يمكن استخدام عناصر واجهة المستخدم ثلاثية الأبعاد لإضافة عناصر تحكم إلى الكائنات: تُسمى هذه العناصر عادةً بأدوات التحكم ثلاثية الأبعاد أو أدوات التلاعب (ومن الأمثلة الجيدة عليها تلك الموجودة في برنامج بلندر ). يمكن للمستخدمين استخدامها لإعادة تحديد موقع الكائن أو تغيير حجمه أو إعادة توجيهه (تحريك، تغيير الحجم، تدوير).
وتشمل التقنيات الأخرى تقنية Go-Go وتقنية إسقاط الأشعة، حيث يتم استخدام شعاع افتراضي للإشارة إلى كائن ما وتحديده.
اختيار
تتطلب مهمة اختيار الكائنات أو المجسمات ثلاثية الأبعاد في بيئات ثلاثية الأبعاد أولاً القدرة على تحديد الهدف المطلوب، ثم تحديده. تعاني معظم مجموعات البيانات/البيئات ثلاثية الأبعاد من مشاكل الحجب [ 13 ] ، لذا تعتمد الخطوة الأولى في تحديد الهدف على تعديل زاوية الرؤية أو البيانات ثلاثية الأبعاد نفسها لتحديد الكائن أو المجسم المطلوب بدقة. ترتبط هذه الخطوة الأولية ارتباطًا وثيقًا بعمليات المعالجة ثلاثية الأبعاد. بمجرد تحديد الهدف بصريًا، يُتاح للمستخدمين استخدام مجموعة متنوعة من التقنيات لتحديده.
عادةً، يُزوّد النظام المستخدم بمؤشر ثلاثي الأبعاد يُمثّل يدًا بشرية، وتتوافق حركاته مع حركة جهاز تتبع اليد. تُعدّ تقنية اليد الافتراضية هذه [ 14 ] بديهية إلى حدٍّ ما، لأنها تُحاكي التفاعل مع الأشياء في العالم الحقيقي، ولكن ضمن حدود الأشياء التي يُمكننا الوصول إليها في منطقة مُحدّدة.
ولتجنب هذا القيد، تم اقتراح العديد من التقنيات، مثل تقنية Go-Go. [ 15 ] تسمح هذه التقنية للمستخدم بتوسيع نطاق الوصول باستخدام رسم خرائط غير خطي لليد: فعندما يمد المستخدم يده إلى ما بعد مسافة عتبة ثابتة، يصبح الرسم غير خطي وتنمو اليد.
تتمثل إحدى التقنيات الأخرى لاختيار ومعالجة الأجسام في الفضاءات الافتراضية ثلاثية الأبعاد في توجيه المؤشر نحو الأجسام باستخدام شعاع افتراضي ينبعث من اليد الافتراضية. [ 16 ] وعندما يتقاطع الشعاع مع الأجسام، يمكن معالجتها. وقد طُورت عدة أشكال لهذه التقنية، مثل تقنية الفتحة، التي تستخدم مؤشرًا مخروطيًا موجهًا نحو عيني المستخدم، ويُحدد موقعه بناءً على موضع الرأس، لاختيار الأجسام البعيدة. كما تستخدم هذه التقنية مستشعرًا يدويًا لضبط حجم المؤشر المخروطي.
كما تم تطوير العديد من التقنيات الأخرى التي تعتمد على استراتيجيات إدخال مختلفة. [ 17 ] [ 18 ]
تلاعب
تُجرى عمليات التلاعب ثلاثية الأبعاد قبل مهمة التحديد (لتحديد هدف التحديد ثلاثي الأبعاد بصريًا) وبعد التحديد، وذلك لمعالجة الكائن المحدد. تتطلب عمليات التلاعب ثلاثية الأبعاد ثلاث درجات حرية للدوران (درجة حرية واحدة لكل محور، وهي س، ص، ع) وثلاث درجات حرية للانتقال (درجة حرية واحدة لكل محور)، بالإضافة إلى درجة حرية إضافية واحدة على الأقل للتكبير والتصغير المنتظم (أو بدلاً من ذلك، ثلاث درجات حرية إضافية لعمليات التكبير والتصغير غير المنتظم).
تُعدّ عمليات التلاعب ثلاثية الأبعاد، كالتنقل، من المهام الأساسية في التعامل مع البيانات والأجسام والبيئات ثلاثية الأبعاد. وهي أساس العديد من برامج التصميم ثلاثي الأبعاد (مثل Blender وAutodesk و VTK ) واسعة الانتشار. وبالتالي، فإن هذه البرامج، المتوفرة في الغالب على أجهزة الكمبيوتر، تُستخدم عادةً مع الفأرة ولوحة المفاتيح. ولتوفير عدد كافٍ من درجات الحرية (إذ لا توفر الفأرة سوى درجتين)، تعتمد هذه البرامج على تعديل المفاتيح للتحكم بشكل منفصل في جميع درجات الحرية المستخدمة في عمليات التلاعب ثلاثية الأبعاد. ومع ظهور الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية المزودة بتقنية اللمس المتعدد مؤخرًا، تم تكييف خرائط التفاعل في هذه البرامج لتتوافق مع هذه التقنية (التي توفر عددًا أكبر من عمليات التلاعب المتزامنة بدرجات الحرية مقارنةً بالفأرة ولوحة المفاتيح). ومع ذلك، أشارت دراسة استقصائية أجريت في عام 2017 على 36 تطبيقًا تجاريًا وأكاديميًا للهواتف المحمولة على نظامي التشغيل Android و iOS إلى أن معظم التطبيقات لم توفر طريقة للتحكم في الحد الأدنى من 6 درجات حرية المطلوبة، [ 8 ] ولكن من بين تلك التي فعلت ذلك، استخدم معظمها نسخة ثلاثية الأبعاد من رسم خرائط RST (الدوران والمقياس والترجمة): يتم استخدام إصبع واحد للدوران حول المحورين x و y، بينما يتحكم التفاعل بإصبعين في الدوران حول المحور z، والترجمة على طول المحاور x و y و z.
نظام التحكم
تتيح تقنيات التحكم في النظام للمستخدم إرسال أوامر إلى تطبيق، وتفعيل وظائف معينة، وتغيير وضع التفاعل (أو النظام)، أو تعديل أحد المعايير. يتضمن مُرسِل الأمر دائمًا اختيار عنصر من مجموعة عناصر. يمكن تصنيف تقنيات التحكم في النظام، باعتبارها تقنيات تدعم مهام التحكم في النظام ثلاثية الأبعاد، إلى أربع مجموعات:
- القوائم الرسومية : تمثيلات مرئية للأوامر.
- الأوامر الصوتية : قوائم يتم الوصول إليها عبر الصوت.
- التفاعل بالإيماءات : يتم الوصول إلى الأمر عبر إيماءات الجسم.
- الأدوات : كائنات افتراضية ذات وظيفة أو وضع ضمني.
كما توجد تقنيات هجينة مختلفة تجمع بين بعض الأنواع.
المدخلات الرمزية
تتيح هذه المهمة للمستخدم إدخال و/أو تحرير النصوص، على سبيل المثال، مما يجعل من الممكن إضافة تعليقات توضيحية إلى المشاهد ثلاثية الأبعاد أو الكائنات ثلاثية الأبعاد.
انظر أيضاً
مراجع
- 1 2 3 بومان، دوغ أ. (2004). واجهات المستخدم ثلاثية الأبعاد: النظرية والتطبيق . ريدوود سيتي، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية: شركة أديسون ويسلي لونغمان للنشر. ISBN 978-0201758672.
- ↑ براءة الاختراع الأمريكية رقم 3050870A ، هيليغ، مورتون ل ، "محاكي سينسوراما"، نُشرت في 28 أغسطس 1962
- ↑ ساذرلاند، آي إي (1968). " شاشة عرض ثلاثية الأبعاد مثبتة على الرأس ". مؤرشفة بتاريخ 4 مارس 2016 في أرشيف الإنترنت . وقائع مؤتمر AFIPS 68 ، الصفحات 757-764
- ↑ هارت، هيو (20 أبريل 2010). "نسخة بلو راي من فيلم تقرير الأقلية تستكشف رؤية سبيلبرغ المستقبلية" . wired.com . تم الاطلاع عليه في 10 ديسمبر 2010 .
- ↑ تشين، مايكل؛ ماونتفورد، إس. جوي؛ سيلين، أبيجيل (1988). "دراسة في التدوير التفاعلي ثلاثي الأبعاد باستخدام أجهزة تحكم ثنائية الأبعاد" (ملف PDF) . وقائع المؤتمر السنوي الخامس عشر حول رسومات الحاسوب والتقنيات التفاعلية - SIGGRAPH '88 . نيويورك، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية: مطبعة ACM. الصفحات 121-129 . doi : 10.1145/54852.378497 . ISBN 0-89791-275-6.
- ↑ يو، لينغيون؛ سفيتاشوف، بيوتر؛ إيزنبرغ، بيترا ؛ إيفرتس، مارتن هـ.؛ إيزنبرغ، توبياس (28-10-2010). "FI3D: التفاعل باللمس المباشر لاستكشاف فضاءات التصور العلمي ثلاثي الأبعاد" (ملف PDF) . معاملات IEEE في التصور ورسومات الحاسوب . 16 (6): 1613-1622 . Bibcode : 2010ITVCG..16.1613Y . doi : 10.1109 / TVCG.2010.157 . ISSN 1077-2626 . PMID 20975204. S2CID 14354159 .
- ↑ تيرينغي، لوسيا؛ كيرك، ديفيد؛ سيلين، أبيجيل؛ إيزادي، شهرام (2007). "إمكانيات معالجة الوسائط المادية مقابل الوسائط الرقمية على الأسطح التفاعلية". وقائع مؤتمر SIGCHI حول العوامل البشرية في أنظمة الحوسبة . نيويورك، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية: مطبعة ACM. الصفحات 1157-1166 . doi : 10.1145/1240624.1240799 . ISBN 978-1-59593-593-9.
- 1 2 بيزانسون، لوني؛ إيسارتيل، بول؛ أمي، مهدي؛ إيزنبرغ، توبياس (2017). "المدخلات الفأرية واللمسية والملموسة للتلاعب ثلاثي الأبعاد" . وقائع مؤتمر CHI لعام 2017 حول العوامل البشرية في أنظمة الحوسبة . نيويورك، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية: مطبعة ACM. الصفحات 4727-4740 . arXiv : 1603.08735 . doi : 10.1145/3025453.3025863 . ISBN 978-1-4503-4655-9.
- ↑ بيسانكون، لوني؛ إيسارتيل، بول؛ أمي، مهدي؛ إيزنبرغ، توبياس (2017). "التفاعل اللمسي/الملموس الهجين لاستكشاف البيانات ثلاثية الأبعاد" . معاملات IEEE في التصور ورسومات الحاسوب . 23 (1): 881-890 . Bibcode : 2017ITVCG..23..881B . doi : 10.1109/tvcg.2016.2599217 . ISSN 1077-2626 . PMID 27875202. S2CID 16626037 .
- ↑ فيتزموريس، جورج دبليو؛ بوكستون، ويليام (1997). "تقييم تجريبي لواجهات المستخدم سهلة الفهم" . وقائع مؤتمر ACM SIGCHI حول العوامل البشرية في أنظمة الحوسبة . نيويورك، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية: مطبعة ACM. الصفحات 43-50 . doi : 10.1145/258549.258578 . ISBN 0-89791-802-9.
- ↑ أنجوس، إيان ج.؛ سويزرال، هنري أ. (30 مارس 1995). فيشر، سكوت س.؛ ميريت، جون أو.؛ بولاس، مارك ت. (محررون). دمج استعارة التفاعل ثنائي الأبعاد في بيئة افتراضية ثلاثية الأبعاد حقيقية . شاشات العرض المجسمة وأنظمة الواقع الافتراضي II. المجلد 2409. SPIE. الصفحات 282-293 . doi : 10.1117/12.205875 .
- ↑ بوبيريف، إي.؛ توموكازو، ن.؛ ويغورست، س. (1998). "المفكرة الافتراضية: الكتابة اليدوية في الواقع الافتراضي الغامر" (ملف PDF) . وقائع ندوة IEEE الدولية السنوية للواقع الافتراضي لعام 1998 (رقم التصنيف 98CB36180) . جمعية IEEE للحاسوب. الصفحات 126-132 . doi : 10.1109/vrais.1998.658467 . ISBN 0-8186-8362-7.
- ↑ شنايدرمان، ب. (1996). "للعين الكلمة الفصل: تصنيف المهام حسب نوع البيانات لتصورات المعلومات". وقائع ندوة IEEE لعام 1996 حول اللغات المرئية . مطبعة جمعية IEEE للحاسوب. ص 336-343 . doi : 10.1109/vl.1996.545307 . hdl : 1903/466 . ISBN 0-8186-7508-X.
- ↑ بوبيريف، إي.؛ إيشيكاوا، تي.؛ ويغورست، إس.؛ بيلينغهيرست، إم. (1998). "التلاعب بالأشياء من منظور الشخص الأول في البيئات الافتراضية: تقييم تجريبي لتقنيات التفاعل". منتدى رسومات الحاسوب . 17 (3): 41-52 . CiteSeerX 10.1.1.95.4933 . doi : 10.1111/1467-8659.00252 . ISSN 0167-7055 . S2CID 12784160 .
- ↑ بوبيريف، إيفان؛ بيلينغهيرست، مارك؛ ويغورست، سوزان؛ إيشيكاوا، تاداو (1996). "تقنية التفاعل "جو-جو": رسم خرائط غير خطي للتلاعب المباشر في الواقع الافتراضي" (ملف PDF) . وقائع الندوة السنوية التاسعة لجمعية ACM حول برمجيات وتكنولوجيا واجهة المستخدم - UIST '96 . الصفحات 79-80 . doi : 10.1145/237091.237102 . ISBN 978-0897917988. S2CID 1098140 . تم الاسترجاع بتاريخ 18-05-2018 .
- ↑ ماين، مارك ر. (1995). تقنيات التفاعل مع البيئة الافتراضية (ملف PDF) (تقرير فني). قسم علوم الحاسوب، جامعة نورث كارولينا.
- ↑ أرجيلاغيت، فيران؛ أندوجار، كارلوس (2013). "دراسة استقصائية لتقنيات اختيار الكائنات ثلاثية الأبعاد للبيئات الافتراضية" (ملف PDF) . الحوسبة والرسومات . 37 (3): 121-136 . doi : 10.1016/j.cag.2012.12.003 . ISSN 0097-8493 . S2CID 8565854 .
- ↑ بيزانسون، لوني؛ سيرينو، ميكائيل؛ يو، لينغيون؛ أمي، مهدي؛ إيزنبرغ، توبياس (2019). "اختيار البيانات ثلاثية الأبعاد المكانية الهجينة اللمسية/الملموسة" (ملف PDF) . منتدى رسومات الحاسوب . 38 (3). وايلي: 553-567 . doi : 10.1111/cgf.13710 . ISSN 0167-7055 . S2CID 199019072 .
- قائمة القراءة
- التفاعل ثلاثي الأبعاد مع أجهزة الكمبيوتر المحمولة ومنها. تمت الزيارة في 28 مارس 2008
- باومان، د.، كرويف، إ.، لافيولا، ج.، بوبيريف، إ. (فبراير 2001). مقدمة في تصميم واجهة المستخدم ثلاثية الأبعاد . بريزنس، 10(1)، 96-108.
- باومان، د.، كرويف، إ.، لافيولا، ج.، بوبيريف، إ. (2005). واجهات المستخدم ثلاثية الأبعاد: النظرية والتطبيق. بوسطن: أديسون-ويسلي.
- بومان، دوغ. واجهات المستخدم ثلاثية الأبعاد . مؤسسة تصميم التفاعل . تم الاطلاع عليه بتاريخ 15 أكتوبر 2015.
- بوردي، جي سي، كويفيت، بي. (2003). تقنية الواقع الافتراضي (الطبعة الثانية). نيو جيرسي: جون وايلي وأولاده.
- كارول، جيه إم (2002). التفاعل بين الإنسان والحاسوب في الألفية الجديدة. نيويورك: مطبعة ACM
- تشيسينكو، م.، كوفمان، هـ. (مارس 2007). نحو تطبيق شامل لتقنيات تفاعل المستخدم ثلاثية الأبعاد [وقائع ورشة عمل تحديد المواصفات، والتأليف، وتكييف واجهات المستخدم للواقع المختلط، IEEE VR]. شارلوت، كارولاينا الشمالية، الولايات المتحدة الأمريكية.
- فروليش، ب.؛ بلات، ج. (2000). "الفأرة المكعبة: جهاز جديد للإدخال ثلاثي الأبعاد". وقائع مؤتمر ACM CHI 2000. نيويورك: مطبعة ACM. الصفحات 526-531 . doi : 10.1145/332040.332491 .
- تقنيات التفاعل . DLR - المحاكاة وتقنية البرمجيات . تم الاسترجاع 18 أكتوبر، 2015
- كايزر، ج.؛ كاربينديل، س.؛ هانكوك، م.؛ إيزنبرغ، ت. (2007). "استكشاف التفاعل ثلاثي الأبعاد في عمليات ربط بديلة بين مساحة التحكم ومساحة العرض" (ملف PDF) . وقائع الندوة الثانية لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات حول واجهات المستخدم ثلاثية الأبعاد . لوس ألاميتوس، كاليفورنيا: جمعية الحاسبات التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. الصفحات 526-531 .
- لاريجاني، إل سي (1993). مقدمة في الواقع الافتراضي. الولايات المتحدة الأمريكية: شركة آر آر دونيلي وأولاده.
- راين، أ. فان (2006). أجهزة إدخال قابلة للتكوين للتفاعل ثلاثي الأبعاد باستخدام التتبع البصري . أيندهوفن: جامعة آيندهوفن التقنية.
- ستورزلينجر، دبليو، دادجاري، دي، أوه، جي واي. (أبريل 2006). تقنيات تحريك الأجسام القائمة على الواقع ثلاثي الأبعاد. ورشة عمل CHI 2006: "ما هو الجيل القادم من التفاعل بين الإنسان والحاسوب؟". عرض تقديمي في ورشة العمل.
- بيئة CAVE الافتراضية التلقائية. تمت زيارتها في 28 مارس 2007
- مختبر CAVE المُزوّد بتقنية Java ثلاثية الأبعاد في مركز صن للتميز في علم الجينوم المرئي. تمت زيارته في 28 مارس 2007.
- فينس، ج. (1998). أساسيات الواقع الافتراضي السريع. بريطانيا العظمى: سبرينغر-فيرلاغ لندن المحدودة
- الواقع الافتراضي. تمت الزيارة في 28 مارس 2007
- يوان، سي. (ديسمبر 2005). التفاعل ثلاثي الأبعاد السلس في الواقع المعزز - نهج قائم على الرؤية. في وقائع الندوة الدولية الأولى، ISVC (ص 321-328). ليك تاهو، نيفادا، الولايات المتحدة الأمريكية: سبرينغر برلين/هايدلبرغ.
روابط خارجية
- التفاعل بين الإنسان والحاسوب
- تقنيات واجهة المستخدم
- التفاعل ثلاثي الأبعاد بين الإنسان والحاسوب