التصوير المجسم المُولّد بالحاسوب

التصوير المجسم المُولّد بالحاسوب ( CGH ) هو تقنية تستخدم خوارزميات حاسوبية لإنشاء صور مجسمة . تتضمن هذه التقنية توليد أنماط تداخل مجسمة . يمكن عرض الصورة المجسمة المُولّدة بالحاسوب على شاشة عرض مجسمة ديناميكية، أو طباعتها على قناع أو فيلم باستخدام الطباعة الحجرية. ^{[ 1 ]} عند طباعة الصورة المجسمة على قناع أو فيلم، يتم إضاءتها بمصدر ضوء متماسك لعرض الصور المجسمة.

أصبح مصطلح "التصوير المجسم المُولّد بالحاسوب" يُستخدم للدلالة على سلسلة العمليات الكاملة لإعداد جبهات موجية ضوئية مجسمة اصطناعياً ، مناسبة للملاحظة. ^{[ 2 ] [ 3 ]} وإذا تم توليد بيانات مجسمة لأجسام موجودة بصرياً، ثم تسجيلها ومعالجتها رقمياً، وعرضها لاحقاً، يُطلق على ذلك أيضاً اسم التصوير المجسم المُولّد بالحاسوب (CGH).

بالمقارنة مع الصور المجسمة الكلاسيكية، تتميز الصور المجسمة التي يتم إنشاؤها بواسطة الكمبيوتر بميزة أن الأشياء التي يرغب المرء في عرضها لا يجب أن تمتلك أي واقع مادي، ويمكن إنشاؤها بشكل اصطناعي بالكامل.

في نهاية المطاف، قد تتوسع تقنية الهولوغرام المُولّدة بالحاسوب لتشمل جميع أدوار الصور المُولّدة بالحاسوب الحالية. ويمكن استخدام شاشات العرض الحاسوبية الهولوغرافية في مجموعة واسعة من التطبيقات، مثل التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD)، والألعاب، والفيديو الهولوغرافي.

التصوير المجسم (الهولوغرافي) تقنية ابتكرها الفيزيائي المجري دينيس غابور (1900-1979) لتحسين دقة المجهر الإلكتروني. يتم إضاءة الجسم المراد تصويره بشعاع ضوئي متماسك (أحادي اللون عادةً)، ثم يُجمع الضوء المتشتت ليتداخل مع شعاع مرجعي من المصدر نفسه، فيتم تسجيل نمط التداخل. وللتصوير المجسم المحوسب (CGH)، كما هو موضح في المقدمة، ثلاث مهام رئيسية:

1. حساب الجبهة الموجية المتناثرة الافتراضية
2. ترميز بيانات الجبهة الموجية، وإعدادها للعرض
3. إعادة البناء : تعديل نمط التداخل على شعاع ضوئي متماسك بوسائل تكنولوجية، لنقله إلى المستخدم الذي يشاهد الهولوغرام.

لاحظ أنه ليس من المبرر دائمًا التمييز بدقة بين هذه الخطوات؛ ومع ذلك، فإن تنظيم المناقشة بهذه الطريقة يساعد على تنظيمها.

تُقدّم الصور المجسمة المُولّدة بالحاسوب مزايا هامة مقارنةً بالصور المجسمة الضوئية، إذ لا حاجة إلى جسم حقيقي. وبفضل هذا الإنجاز، كان من المتوقع ظهور شاشة ثلاثية الأبعاد عند الإعلان عن أولى الخوارزميات في عام 1966. ^{[ 4 ]}

لسوء الحظ، سرعان ما أدرك الباحثون وجود حدود دنيا وعليا ملحوظة من حيث سرعة الحساب وجودة الصورة ودقتها على التوالي. تُعدّ حسابات جبهة الموجة مُرهقة حسابيًا للغاية؛ فحتى مع التقنيات الرياضية الحديثة وأجهزة الحوسبة المتطورة، يظل الحساب في الوقت الفعلي أمرًا صعبًا. توجد طرق عديدة لحساب نمط التداخل في الهولوغرام المُولّد حاسوبيًا. خلال السنوات الخمس والعشرين التالية، طُرحت العديد من الطرق لإنشاء الهولوغرامات الحاسوبية في مجالات المعلومات الهولوغرافية والاختزال الحسابي، فضلًا عن تقنيات الحساب والتكميم. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} يمكن تصنيف الخوارزميات ضمن مفهومين رئيسيين: هولوغرامات تحويل فورييه وهولوغرامات المصدر النقطي.

تُعد خوارزمية جيرشبيرج-ساكستون (GS) إحدى أكثر الطرق شيوعًا التي يمكن استخدامها لإنشاء صور ثلاثية الأبعاد تعتمد على الطور فقط . ^{[ 12 ] [ 13 ]}

الهولوغرامات النقطية المصدرية

تعتمد الاستراتيجية الحسابية الثانية على مفهوم المصدر النقطي، حيث يُقسّم الجسم إلى نقاط ذاتية الإضاءة. تُحسب صورة ثلاثية الأبعاد أولية لكل مصدر نقطي، ثم تُركّب الصورة الثلاثية الأبعاد النهائية بتراكب جميع الصور الثلاثية الأبعاد الأولية. وقد أشار واترز ^{[ 16 ]} إلى هذا المفهوم لأول مرة ، مستندًا في فرضيته الرئيسية إلى روجرز ^{[ 17 ]} الذي أدرك أن لوحة منطقة فرينل يمكن اعتبارها حالة خاصة من الصورة الثلاثية الأبعاد التي اقترحها غابور. ولكن، نظرًا لأن معظم نقاط الجسم كانت غير صفرية، فإن التعقيد الحسابي لمفهوم المصدر النقطي كان أعلى بكثير من مفهوم تحويل فورييه. حاول بعض الباحثين التغلب على هذا العيب من خلال تحديد وتخزين جميع الصور الثلاثية الأبعاد الأولية الممكنة مسبقًا باستخدام تقنيات تخزين بيانات خاصة ^{[ 18 ]} نظرًا للسعة الهائلة المطلوبة في هذه الحالة، بينما استخدم آخرون أجهزة خاصة ^{[ 19 ] .}

في مفهوم المصدر النقطي، تكمن المشكلة الرئيسية في المفاضلة بين سعة تخزين البيانات وسرعة الحساب. على وجه الخصوص، تتطلب الخوارزميات التي تزيد من سرعة الحساب عادةً سعة تخزين بيانات أكبر بكثير ^{[ 18 ]،} بينما تتميز الخوارزميات التي تقلل من متطلبات تخزين البيانات بتعقيد حسابي عالٍ ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]} (على الرغم من إمكانية إجراء بعض التحسينات ^{[ 23 ]} ).

من المفاهيم الأخرى التي تُفضي إلى الهولوغرامات المُولّدة حاسوبياً ذات المصدر النقطي، طريقة تتبع الأشعة . ولعلّ تتبع الأشعة أبسط طرق التصوير الهولوغرافي المُولّد حاسوبياً. وتقوم هذه الطريقة أساساً على حساب فرق طول المسار بين المسافة التي يقطعها شعاع مرجعي افتراضي وشعاع جسم افتراضي، ما يُعطي الطور النسبي لشعاع الجسم المُشتت.

على مدى العقود الثلاثة الماضية، حقق كلا المفهومين تقدماً ملحوظاً في تحسين سرعة الحوسبة وجودة الصورة. ومع ذلك، لا تزال بعض القيود التقنية، مثل سعة الحوسبة والتخزين، تُعيق التصوير المجسم الرقمي، مما يجعل التطبيقات الآنية شبه مستحيلة باستخدام أجهزة الكمبيوتر القياسية الحالية.

في مجال التصوير المجسم المُولّد، بمجرد معرفة شكل جبهة الموجة المتناثرة للجسم أو كيفية حسابها، يجب تثبيتها على مُعدِّل ضوئي مكاني (SLM)، ويُستخدم هذا المصطلح بمعناه الواسع ليشمل ليس فقط شاشات LCD أو الأجهزة المشابهة، بل أيضًا الأفلام والأقنعة. تُناسب أنواع عديدة من مُعدِّلات الضوء المكانية هذا التطبيق: مُعدِّلات الطور النقي (التي تُؤخر الموجة المُضيئة)، ومُعدِّلات السعة النقية (التي تحجب ضوء الإضاءة)، ومُعدِّلات الاستقطاب (التي تُؤثر على حالة استقطاب الضوء) ^{[ 24 ]} ، ومُعدِّلات الضوء المكانية التي تتمتع بقدرة على الجمع بين تعديل الطور والسعة. ^{[ 25 ]}

في حالة تعديل الطور أو السعة الخالص، من الواضح أن فقدان الجودة أمر لا مفر منه. كانت الأشكال الأولى من الهولوغرامات ذات السعة الخالصة تُطبع ببساطة بالأبيض والأسود، مما يعني أنه كان يجب ترميز السعة بعمق بت واحد فقط. ^{[ 4 ]} وبالمثل، فإن الكينوفورم هو ترميز طور خالص تم ابتكاره في شركة IBM في الأيام الأولى لتقنية الهولوغرام المحوسب. ^{[ 26 ]}

على الرغم من أن التعديل الكامل للطور/السعة المعقد هو الأمثل، إلا أنه يُفضل عادةً حل الطور الخالص أو السعة الخالصة لسهولة تنفيذه تقنيًا. مع ذلك، يُعد التعديل المتزامن للسعة والطور خيارًا منطقيًا لإنشاء توزيعات ضوئية معقدة. حتى الآن، طُبقت طريقتان مختلفتان لتعديل السعة والطور. تعتمد إحداهما على تعديل الطور فقط أو السعة فقط والترشيح المكاني المتتالي، ^{[ 27 ]} بينما تعتمد الأخرى على الهولوغرامات الاستقطابية ذات التوجه المتغير وقيمة الانكسار المزدوج المحلي المتغيرة. ^{[ 28 ]} يمكن حساب الهولوغرامات ذات القيود، مثل الطور فقط أو السعة فقط، باستخدام خوارزميات مثل خوارزمية جيرشبيرغ-ساكستون أو خوارزميات تحسين أكثر عمومية مثل البحث المباشر، أو التلدين المحاكي ^{[ 29 ]} ، أو التدرج العشوائي. ^{[ 30 ]}

تتطلب الصور المجسمة المُولّدة ضمان إعادة بناء دقيقة للجبهة الموجية، وهو ما قد يُمثل تحديًا. وكما ذُكر سابقًا، تعتمد معظم التقنيات إما على الطور أو السعة، مما يستلزم تضحيةً ضروريةً بالجودة. إضافةً إلى ذلك، قد تُطبع الأقنعة، مما ينتج عنه غالبًا بنية نمطية محببة نظرًا لأن معظم طابعات الصور المجسمة لا تستطيع طباعة سوى النقاط. يمكن تحميض الأفلام عن طريق التعريض بالليزر ، مما يمنحها مرونةً أكبر من الأقنعة، ولكنه يجعل العملية أكثر تعقيدًا. تُمثل شاشات العرض المجسمة تحديًا حاليًا ( حتى عام 2025).على الرغم من نجاح بناء نماذج أولية، إلا أن الشاشة المثالية لعرض الصور المجسمة المولدة بالحاسوب تتكون من وحدات بكسل أصغر من طول موجة الضوء، مع إمكانية ضبط الطور والسطوع. تندرج هذه الشاشات ضمن فئة بصريات المصفوفة الطورية . ^{[ 31 ]} ويتطلب تطويرها مزيدًا من التقدم في تقنية النانو .

حالياً، تقوم العديد من الشركات والأقسام الجامعية بإجراء أبحاث في مجال أجهزة التصوير الجينومي المجسم (CGH):

• يوفر برنامج VividQ ^{[ 32 ]} برمجيات لأجهزة CGH في الوقت الفعلي، مما يسمح بإنشاء صور بأكثر من 200 طبقة عمق باستخدام قوة الحوسبة القياسية.
• قام مختبر الإعلام في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ^{[ 33 ]} بتطوير شاشة عرض CGH "Holovideo".
• قامت شركة SeeReal Technologies بتصميم نموذج أولي لشاشة CGH
• مجموعة أدوات CGH لمقهى Cortical ^{[ 34 ]} هي موقع هواة متعلق بتقنية CGH يحتوي على تعليمات وشفرة مصدرية وتطبيق ويب لإنشاء CGH.

• إيكبرغ م.، لارسون م.، هارد س. (1990). "هولوغرامات طورية متعددة المستويات مصنعة بتقنية الطباعة الحجرية بشعاع الإلكترون". رسائل البصريات (OSA) 15 (10): 568-569. 0146-9592/90/100568-02$2.00/0