التقاط حجمي

لطالما شكّل إنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد من الفيديو والصور الفوتوغرافية وغيرها من وسائل قياس العالم موضوعًا هامًا في مجال رسومات الحاسوب . والهدف النهائي هو محاكاة الواقع بأدق تفاصيله، مع منح المبدعين القدرة على بناء عوالم افتراضية تُجسّد رؤيتهم. تقليديًا، يُنشئ الفنانون هذه العوالم باستخدام تقنيات النمذجة والعرض التي طُوّرت على مدى عقود منذ ظهور رسومات الحاسوب. وقد مهّدت المؤثرات البصرية في الأفلام وألعاب الفيديو الطريق أمام تطورات في مجال التصوير المساحي ، وأجهزة المسح الضوئي، والأنظمة الحاسوبية لمعالجة البيانات المُستقاة من هذه الأساليب الحديثة والمتطورة. عمومًا، جاءت هذه التطورات نتيجةً لإنشاء صور أكثر تقدمًا لأغراض الترفيه والإعلام، ولكنها لم تكن هدفًا أساسيًا لهذا المجال.

يصف مسح الليدار طريقة مسح تستخدم نقاطًا مُجمّعة بكثافة بواسطة الليزر لمسح الأجسام الثابتة وتحويلها إلى سحابة نقاط. يتطلب هذا استخدام ماسحات ضوئية مادية ، وينتج كميات هائلة من البيانات. في عام ٢٠٠٧، استخدمت فرقة راديوهيد هذه التقنية على نطاق واسع لإنتاج فيديو موسيقي لأغنية "هاوس أوف كاردز"، حيث التقطت سحابة نقاط لوجه المغني وبعض البيئات المختارة، في واحدة من أوائل استخدامات هذه التقنية في التصوير الحجمي. تعاون المخرج جيمس فروست مع الفنان الإعلامي آرون كوبلين لالتقاط سحابات نقاط ثلاثية الأبعاد استُخدمت في هذا الفيديو الموسيقي، ورغم أن الناتج النهائي لهذا العمل كان تمثيلًا ثنائي الأبعاد للبيانات، إلا أن طريقة التقاطها وفكر القائمين عليها كانت متقدمة على عصرها. تُشكّل سحابات النقاط ، كونها عينات مميزة من الفضاء ثلاثي الأبعاد مع تحديد الموقع واللون، تمثيلًا عالي الدقة للعالم الحقيقي بكمية هائلة من البيانات. مع ذلك، لم يكن من الممكن آنذاك عرض هذه البيانات في الوقت الفعلي.

في عام ٢٠١٠، طرحت مايكروسوفت جهاز كينكت في الأسواق، وهو منتج استهلاكي يستخدم الضوء المنظم في طيف الأشعة تحت الحمراء لإنشاء مجسم ثلاثي الأبعاد من كاميرته. ورغم أن الهدف كان تسهيل وتطوير تفاعل المستخدم وأسلوب اللعب، إلا أنه سرعان ما أصبح أداة التقاط عامة للبيانات ثلاثية الأبعاد في مجال التصوير الحجمي. فمن خلال إسقاط نمط معروف على الفضاء والتقاط التشوه الناتج عن الأجسام في المشهد، يمكن بعد ذلك معالجة الصورة الملتقطة وتحويلها إلى مخرجات مختلفة. وبدأ الفنانون والهواة في ابتكار أدوات ومشاريع تعتمد على هذا الجهاز ذي السعر المعقول، مما أدى إلى تزايد الاهتمام بالتصوير الحجمي كوسيلة إبداعية.

قام باحثون في مايكروسوفت بإنشاء منصة تصوير متكاملة باستخدام كاميرات متعددة وأجهزة كينكت وخوارزميات لتوليد صورة ثلاثية الأبعاد كاملة من المعلومات البصرية ومعلومات العمق. تُعرف هذه المنصة الآن باسم " استوديو مايكروسوفت لالتقاط الواقع المختلط" ، وتُستخدم حاليًا في قسم الأبحاث وفي بعض التجارب التجارية المختارة، مثل تجربة الواقع الافتراضي لفيلم Blade Runner 2049. يوجد حاليًا ثلاثة استوديوهات عاملة في ريدموند، واشنطن؛ وسان فرانسيسكو، كاليفورنيا؛ ولندن، إنجلترا. على الرغم من أن هذا الإعداد لا يزال مثيرًا للاهتمام بالنسبة للسوق الراقية، إلا أن السعر المعقول لجهاز كينكت الواحد شجع المزيد من الفنانين التجريبيين والمخرجين المستقلين على الانخراط في مجال التصوير ثلاثي الأبعاد. ^{[ 3 ]} من نتائج هذا النشاط برنامجا Depthkit و EF EVE™ . يدعم EF EVE™ عددًا غير محدود من مستشعرات Azure Kinect على جهاز كمبيوتر واحد، مما يوفر تصويرًا ثلاثي الأبعاد كاملًا مع سهولة الإعداد. كما يتميز بمعايرة تلقائية للمستشعرات ووظائف المؤثرات البصرية. Depthkit عبارة عن مجموعة برامج تسمح بالتقاط بيانات الهندسة باستخدام مستشعر ضوء منظم واحد بما في ذلك Azure Kinect، ^{[ 4 ]} بالإضافة إلى تفاصيل الألوان عالية الجودة من كاميرا مراقبة متصلة.

يصف علم التصوير المساحي عملية قياس البيانات بالاستناد إلى مرجع فوتوغرافي. ورغم أن هذا العلم قديم قدم التصوير الفوتوغرافي نفسه، إلا أنه لم يصبح من الممكن التقاط المزيد من تفاصيل الهندسة والنسيج من عدد كبير من الصور المدخلة إلا بفضل التطورات التي شهدها البحث في مجال التقاط الصور ثلاثية الأبعاد على مر السنين. وعادةً ما تُقسم النتيجة إلى مصدرين مُركبين: الهندسة الثابتة والتقاط الأداء الكامل. بالنسبة للهندسة الثابتة، تُحاذى مجموعات الصور الملتقطة باستخدام عدد كبير من الصور الرقمية المتداخلة مع بعضها البعض باستخدام ميزات متشابهة في الصور، وتُستخدم كأساس للتثليث وتقدير العمق. تُفسر هذه المعلومات على أنها هندسة ثلاثية الأبعاد ، مما ينتج عنه نسخة طبق الأصل شبه مثالية للمجموعة. أما التقاط الأداء الكامل، فيستخدم مجموعة من كاميرات الفيديو لالتقاط المعلومات في الوقت الفعلي. ثم تُستخدم هذه الكاميرات المتزامنة إطارًا بإطار لإنشاء مجموعة من النقاط أو الهندسة التي يمكن تشغيلها بسرعة، مما ينتج عنه التقاط الأداء ثلاثي الأبعاد الكامل الذي يمكن دمجه في أي بيئة. في عام 2008، قامت شركة 4DViews ^{[ 5 ]} بتركيب أول نظام لالتقاط الفيديو ثلاثي الأبعاد في استوديو DigiCast في طوكيو (اليابان). وفي وقت لاحق من عام 2015، ساهمت شركة 8i في هذا المجال، وانضمت إليها مؤخرًا شركات Intel وMicrosoft ^{[ 6 ]} وSamsung ^{[ 7 ]} من خلال إنشاء مراحل التقاط خاصة بها لالتقاط الأداء والتصوير المساحي.

مع تطور الفيديو الحجمي ليصبح أسلوبًا تجاريًا قابلًا للتطبيق في تصوير البيئات والعروض، استلزمت القدرة على تحريك النتائج بست درجات من الحرية والتصوير المجسم الحقيقي نوعًا جديدًا من أجهزة العرض. ومع ظهور الواقع الافتراضي الموجه للمستهلكين في عام 2016 من خلال أجهزة مثل Oculus Rift و HTC Vive ، أصبح هذا ممكنًا فجأة. تتيح المشاهدة المجسمة والقدرة على تدوير الرأس وتحريكه، فضلًا عن الحركة في مساحة صغيرة، الانغماس في بيئات تتجاوز بكثير ما كان ممكنًا في الماضي. إن الطبيعة الفوتوغرافية للصور الملتقطة، بالإضافة إلى هذا الانغماس والتفاعل الناتج عنه، تُعد خطوة عملاقة نحو تحقيق الهدف المنشود للواقع الافتراضي الحقيقي. مع ازدياد محتوى الفيديو بزاوية 360 درجة، يتزايد الطلب على التصوير بست درجات من الحرية ، ويُحفز الواقع الافتراضي على وجه الخصوص تطبيقات هذه التقنية، حيث يدمج تدريجيًا السينما والألعاب والفنون مع مجال أبحاث التصوير الحجمي. يُستخدم الفيديو الحجمي حاليًا لتقديم حفلات موسيقية افتراضية عبر تطبيق Scenez على أجهزة Meta Quest وApple Vision Pro.

تصف حقول الضوء عند نقطة عينة معينة الضوء الوارد من جميع الاتجاهات. يُستخدم هذا في مرحلة ما بعد المعالجة لإنشاء تأثيرات مثل عمق المجال ، بالإضافة إلى تمكين المستخدم من تحريك رأسه قليلاً. منذ عام 2006، تُصنّع شركة Lytro كاميرات موجهة للمستهلكين تتيح التقاط حقول الضوء. يمكن التقاط الحقول من الداخل إلى الخارج داخل الكاميرا، أو من الخارج إلى الداخل من خلال عرض نماذج ثلاثية الأبعاد، مما يُمثل كمية هائلة من المعلومات الجاهزة للمعالجة. حاليًا، لا تزال معدلات نقل البيانات تُمثل تحديًا كبيرًا، وتتمتع هذه التقنية بإمكانيات هائلة في المستقبل، حيث تقوم بأخذ عينات من الضوء وعرض النتائج بطرق متنوعة.

من النتائج الجانبية الأخرى لهذه التقنية الحصول على خريطة عمق دقيقة نسبياً للمشهد، ما يعني أن كل بكسل يحتوي على معلومات حول بُعده عن الكاميرا. تستخدم فيسبوك هذه الفكرة في كاميرات Surround360 لالتقاط فيديوهات بزاوية 360 درجة، يتم دمجها باستخدام خرائط المسافة. يتيح استخراج هذه البيانات الخام التقاط صور عالية الدقة لأي مشهد. مع ذلك، تُشكل معدلات نقل البيانات ودقة خرائط العمق عائقاً كبيراً، لكن سيتم التغلب عليه قريباً باستخدام تقنيات أكثر تطوراً لتقدير العمق، والضغط، بالإضافة إلى حقول الإضاءة البارامترية.

تُنتج هذه الطريقة شبكة مثلثية ثلاثية الأبعاد أكثر تقليدية ، تُشبه الهندسة المستخدمة في ألعاب الفيديو والمؤثرات البصرية. عادةً ما يكون حجم البيانات أقل، لكنّ تحويل بيانات العالم الحقيقي إلى بيانات ذات دقة أقل يُحدّ من الدقة والوضوح البصري. وعادةً ما تُجرى مفاضلات بين كثافة الشبكة وأداء تجربة المستخدم النهائية.

تُستخدم تقنية التصوير المساحي عادةً كأساس للشبكات الثابتة، ثم تُعزز بتقنية التقاط أداء الممثلين باستخدام نفس تقنية التصوير المساحي بالفيديو . ويتطلب إنشاء المجموعة النهائية من المثلثات عملية تنظيف دقيقة. وللتوسع خارج العالم المادي، يمكن استخدام تقنيات الرسوميات الحاسوبية لتحسين البيانات الملتقطة، مع توظيف فنانين لإضافة عناصر إلى الشبكة الثابتة حسب الحاجة. ويتم تشغيل العرض عادةً بواسطة محرك في الوقت الفعلي، ويشبه في تنفيذه مسار تطوير الألعاب التقليدي، مما يسمح بتغييرات تفاعلية في الإضاءة وطرق إبداعية وقابلة للأرشفة لدمج الشبكات الثابتة والمتحركة معًا.

اتجه التركيز مؤخرًا نحو تقنية التقاط الصور الحجمية القائمة على النقاط . تُعرض البيانات الناتجة على شكل نقاط أو جسيمات في الفضاء ثلاثي الأبعاد، تحمل معها خصائص مثل اللون وحجم النقطة. يتيح ذلك كثافة معلومات أعلى ودقة عرض أفضل. تتطلب هذه التقنية معدلات بيانات كبيرة، ولا تُعدّ أجهزة الرسومات الحالية مُحسّنة لعرضها، إذ أنها مُحسّنة للعمل مع خطوط معالجة الصور القائمة على الشبكات.

تتمثل الميزة الرئيسية للنقاط في إمكانية الحصول على دقة مكانية أعلى. يمكن توزيع النقاط على شبكات مثلثية مع إضاءة مُحسوبة مسبقًا، أو استخدامها مباشرةً من ماسح ضوئي بتقنية الليدار. ^{[ 8 ]} يتم تسجيل أداء الممثلين بنفس طريقة النهج القائم على الشبكة، ولكن يمكن استخدام المزيد من الوقت وقوة الحوسبة أثناء الإنتاج لتحسين البيانات. عند التشغيل، يمكن استخدام "مستوى التفاصيل" لإدارة الحمل الحسابي على جهاز التشغيل، وذلك بزيادة أو تقليل عدد المضلعات. ^{[ 9 ]} يصعب تحقيق تغييرات الإضاءة التفاعلية لأن معظم البيانات مُحسوبة مسبقًا. هذا يعني أنه على الرغم من أن معلومات الإضاءة المخزنة مع النقاط دقيقة للغاية وعالية الجودة، إلا أنها تفتقر إلى القدرة على التغيير بسهولة في أي موقف. من فوائد التقاط النقاط أيضًا إمكانية عرض رسومات الحاسوب بجودة عالية جدًا وتخزينها كنقاط، مما يتيح مزجًا مثاليًا بين العناصر الحقيقية والمتخيلة.

بعد جمع البيانات وإنشائها، تتم عمليات التحرير والتركيب ضمن محرك يعمل في الوقت الفعلي، حيث يتم ربط الأحداث المسجلة لسرد القصة المقصودة. ويمكن بعد ذلك عرض المنتج النهائي إما كعرض ثنائي الأبعاد للبيانات الملتقطة، أو بشكل تفاعلي باستخدام نظارة الواقع الافتراضي .

بينما يتمثل أحد أهداف نهج التقاط الصور الحجمية القائم على النقاط في بث بيانات النقاط من السحابة إلى المستخدم في منزله، مما يسمح بإنشاء ونشر عوالم افتراضية واقعية عند الطلب، فإن هدفًا ثانيًا تم النظر فيه مؤخرًا هو بث بيانات الأحداث المباشرة في الوقت الفعلي. ويتطلب هذا نطاقًا تردديًا عاليًا جدًا لأن معلومات البكسل تتضمن بيانات العمق (أي تصبح فوكسلات).

فيما يتعلق بكيفية ابتكار كل وسيلة إعلامية للغتها البصرية وقواعدها وأساليبها الإبداعية الخاصة، لا يزال الفيديو ثلاثي الأبعاد في مراحله الأولى نسبيًا. ويُقارن هذا بإضافة الصوت إلى الصور المتحركة، حيث كان لا بد من ابتكار فلسفات تصميم جديدة واختبارها. حاليًا، في لغة السينما، حظي فن الإخراج بأكثر من مئة عام للتطور، ولكن مع ست درجات من الحرية وعالم تفاعلي وغير خطي، تواجه العديد من الأساليب التقليدية صعوبات. وكلما زاد عدد التجارب التي يتم ابتكارها وتحليلها، كلما تمكن المجتمع من التوصل إلى استنتاج أسرع بشأن لغة هذه التجارب.

لتخزين البيانات الملتقطة وتشغيلها، يلزم بث مجموعات كبيرة منها إلى المستخدم. حاليًا، الطريقة الأكثر فعالية هي تطوير تطبيقات مخصصة يتم توفيرها. بدأ ضغط هذه البيانات بالظهور، حيث يسعى فريق خبراء الصور المتحركة إلى إيجاد طريقة أكثر كفاءة لبثها. يجب حل هذه المشكلة قبل أن يصبح هذا الوسيط شائعًا.