تحديد المواقع وتتبع حركة الرأس في الواقع الافتراضي في أجهزة HTC Vive و Oculus Rift و PlayStation.

تتيح تقنية تحديد المواقع الداخلية للواقع الافتراضي تحديد موقع سماعة الواقع الافتراضي والتحكم بأجهزة الواقع الافتراضي مثل VIVE Tracker في الفضاء. وبفضل هذه التقنية، لا توفر أجهزة الواقع الافتراضي الفضائية تجربة غامرة فحسب، بل تقلل بشكل ملحوظ من الشعور بالدوار، وتجعل الشاشة بأكملها تبدو واقعية، حيث يتحرك العالم فعلاً وفقًا لحركاتنا. لذا، تُعد تقنية تحديد المواقع الداخلية بالغة الأهمية لأجهزة الواقع الافتراضي المكتبية.

تعتمد تقنية "Lighthouse" في جهاز HTC Vive على تحديد المواقع بالليزر، بينما تعتمد تقنيتا Oculus Rift وSony PlayStation VR على تحديد المواقع البصرية. تعتمد Oculus Rift على تقنية بصرية نشطة تعمل بالأشعة تحت الحمراء، بينما تعتمد Sony PlayStation VR على تقنية بصرية نشطة تعمل بالضوء المرئي.

تقنية تحديد المواقع الداخلية Lighthouse الخاصة بجهاز HTC Vive.

تعتمد تقنية تحديد المواقع الداخلية Lighthouse من HTC على المسح الليزري ، حيث تستخدم الليزر ومستشعرات ضوئية لتحديد موقع الأجسام المتحركة. يتم وضع باعثي ليزر بشكل قطري لتشكيل منطقة مستطيلة قابلة للتعديل. ينبعث شعاع الليزر من صفين من مصابيح LED الثابتة داخل جهاز الإرسال، ست مرات في الثانية. يحتوي كل باعث ليزر على وحدتي مسح، تقومان بنقل بيانات المسح الليزري وتحديد الموقع بالتناوب في الاتجاهين الأفقي والرأسي.

تحتوي رؤوس ومقابض HTC Vive على أكثر من 70 مستشعرًا ضوئيًا. ومن خلال حساب زمن استقبال الليزر، يتم تحديد الموقع الدقيق للمستشعر بالنسبة لمصدر الليزر، وبالتالي يمكن الكشف عن موقع واتجاه الرأس المرئي بواسطة عدة مستشعرات ضوئية. تجدر الإشارة هنا إلى أن تقنية تحديد المواقع بالليزر في HTC Vive تستخدم معرّف المستشعر الضوئي في عملية تحديد الموقع، حيث تُرسل البيانات التي يستقبلها في الوقت نفسه إلى وحدة المعالجة المركزية. وهذا يعني أن وحدة المعالجة المركزية قادرة على التمييز مباشرةً بين المستشعرات الضوئية المختلفة، ومن ثم يتم إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد للرأس والمقبض، استنادًا إلى موقع كل مستشعر ضوئي مثبت على الرأس والمقبض، بالإضافة إلى معلومات أخرى.

تتميز تقنية تحديد المواقع بالليزر بتكلفتها المنخفضة ودقتها العالية في تحديد المواقع، بالإضافة إلى المعالجة الموزعة وغيرها من المزايا، كما أنها تكاد تخلو من التأخير، ولا تتأثر بالعوائق، حتى لو كان المقبض في الخلف أو أسفل الظهر. يمكن القول إن تقنية تحديد المواقع بالليزر قادرة على تحقيق تحديد المواقع داخل المباني بدقة عالية وسرعة استجابة فائقة، متجنبةً عيوب تقنيات معالجة الصور القائمة على التعقيد العالي، وارتفاع تكلفة المعدات، وبطء سرعة المعالجة، وتأثرها بسهولة بالضوء الطبيعي. علاوة على ذلك، وبالمقارنة مع المنتجين الآخرين، يتيح HTC Vive للمستخدمين ممارسة الأنشطة في مساحة محددة، مما يسمح لهم بالتكيف مع متطلبات الحركة أثناء اللعب. مع ذلك، ونظرًا لاعتماد محطة إطلاق الليزر في HTC Vive على التحكم الميكانيكي في مساحة مسح الليزر، فإن هذا التحكم الميكانيكي نفسه قد يُسبب مشاكل في الاستقرار وضعف المتانة، مما يؤدي إلى انخفاض طفيف في استقرار ومتانة جهاز HTC Vive.

تقنية تحديد المواقع في Oculus Rift

يستخدم جهاز Oculus Rift تقنية تحديد المواقع البصرية النشطة.

قد يعلم مستخدمو نظارة Oculus Rift أن هذه النظارة تخفي جزءًا من ضوء الأشعة تحت الحمراء (أي العلامات) التي تُصدر هذا الضوء، وتلتقط الصور بكاميرتين تعملان بالأشعة تحت الحمراء في الوقت الفعلي. تُثبّت كاميرا الأشعة تحت الحمراء داخل مرشح الأشعة تحت الحمراء الخارجي، بحيث لا تستطيع الكاميرا التقاط سوى رأس ومقبض (Oculus Touch) من خلال فلترة إشارة الضوء المرئي المحيطة بهما، مما يُحسّن من دقة الصورة ويقلل من التشويش، وبالتالي يزيد من متانة النظام.

بعد الحصول على صورة الأشعة تحت الحمراء، يتم إرسال الصور التي جمعتها الكاميرتان من زوايا مختلفة إلى وحدة الحوسبة، ويتم تصفية المعلومات غير المرغوب فيها بواسطة الخوارزمية البصرية للحصول على موضع ضوء الأشعة تحت الحمراء.

تعتمد خوارزمية إعادة استخدام PnP، أي استخدام أربعة مصادر ضوء تحت أحمر غير مستوية لتحديد موقع الجهاز، حيث تُدخل معلومات الصورة من النقاط الأربع إلى نظام إحداثيات الكاميرا، مما يُتيح مطابقة النموذج ثلاثي الأبعاد للجهاز، وبالتالي مراقبة حركات رأس ويد اللاعب في الوقت الفعلي. تجدر الإشارة هنا إلى أنه لمعرفة موقع مصادر الضوء تحت الأحمر المختلفة على الجهاز، يجب التمييز بينها، وفيما يلي الحلول المحددة:

يُعرّف الجهاز نفسه عن طريق وميض مصباح الأشعة تحت الحمراء. من خلال التحكم في سرعة غالق الكاميرا وسرعة وميض كل مصباح LED، يمكنك التحكم في حجم صورة كل مصباح في الصورة، ثم استخدام الصورة المكونة من 10 إطارات لكل نقطة في تغييرات حجم الصورة لتحديد رقم تعريف مصباح LED المقابل، ومن ثم يمكنك معرفة موقع ضوء الأشعة تحت الحمراء في معلومات الجهاز بناءً على رقم التعريف.

بالإضافة إلى ذلك، زُوِّد جهاز Oculus Rift بمستشعر تساعي المحاور، يستخدم هذا المستشعر لحساب الموقع المكاني للجهاز عند حجب أو تشويش نظام تحديد المواقع البصري بالأشعة تحت الحمراء. ونظرًا لعدم وجود أي انحراف أو تحيز واضح في المحاور التسعة، يمكن لنظام تحديد المواقع البصري بالأشعة تحت الحمراء استخدام معلومات تحديد الموقع المُستَحصَلة لمعايرة المعلومات المُستَحصَلة من المحاور التسعة عند عمل النظام بشكل طبيعي، ما يُؤدي إلى تعويض نظام تحديد المواقع البصري بالأشعة تحت الحمراء والمحاور التسعة لبعضهما البعض.

تتميز نظارة Oculus Rift بنظام بصري نشط يعمل بالأشعة تحت الحمراء ونظام تحديد المواقع ذي تسعة محاور عالي الدقة، مع مقاومة عالية للتشويش. وبفضل سرعة التصوير العالية للكاميرات المستخدمة، ولأن هذه الأنظمة قادرة على الحصول دائمًا على إحداثيات الموقع المطلقة للعلامة في الفضاء الحالي، فلا يوجد أي خطأ تراكمي.

مع ذلك، ونظرًا لمحدودية مجال رؤية الكاميرا، فإنّ محدودية المنتجات المتاحة تحدّ بشكل كبير من إمكانيات المستخدم، ما يجعل من المستحيل استخدام نظارة Oculus Rift للعب ألعاب الواقع الافتراضي التي تتطلب نطاقًا واسعًا من الأنشطة كالمشي. لذا، ورغم قدرة Oculus Rift على دعم تحديد مواقع عدة أهداف في آنٍ واحد، إلا أن عدد الأهداف لا يمكن أن يتجاوز هدفين في الغالب.

تقنية تحديد المواقع في الواقع الافتراضي من بلاي ستيشن

تستخدم تقنية PlayStation VR تقنية تحديد المواقع البصرية النشطة المرئية.

يستخدم جهاز PlayStation VR كاميرا استشعارية للجسم وجسمًا مضيئًا ملونًا، على غرار جهاز PS Move السابق، لتتبع حركة رأس المستخدم وأدوات التحكم. يحتوي كل رأس ومقبض على كرة مضيئة بتقنية LED. تُصدر هذه الكرات المضيئة ضوءًا خاصًا بها، وتختلف ألوانها باختلاف الكرة، مما يُتيح تمييزًا واضحًا بين الكرة المضيئة والخلفية المحيطة أثناء التصوير.

في الأصل، استخدم جهاز PS3 كاميرا واحدة، حيث كان يحسب نصف قطر الكرة في الصورة لتحديد موقعها بالنسبة للكاميرا، ومن ثم تحديد موضع المقبض والرأس. إلا أن دقة تحديد الموقع بكاميرا واحدة لم تكن عالية، كما أن موثوقيتها لم تكن قوية، ففي بعض الأحيان كان يتم التعرف على البيئة المحيطة على أنها مجرد جسم ملون، وفي أحيان أخرى لم يكن يعمل في ضوء الشمس الساطع. لذلك، يستخدم جهاز PS4 كاميرا استشعارية، أي كاميرا ثنائية العدسة، حيث تستخدم صورتين ملتقطتين بالكاميرا لحساب الإحداثيات ثلاثية الأبعاد للكرة. المبدأ العملي: نظريًا، بالنسبة لنقطة في الفضاء ثلاثي الأبعاد، طالما أن هذه النقطة مرئية من خلال كاميرتين في الوقت نفسه، فبمجرد أن تتمكن الكاميرتان من رؤيتها في الوقت نفسه، وبناءً على الصورة والمعايير المقابلة، يمكن تحديد موقع النقطة في الفضاء ثلاثي الأبعاد، كما هو موضح أدناه:

بعد استخدام كاميرا الاستشعار الجسدي، تحسنت دقة تحديد المواقع في جهاز PS4 ومتانته بشكل كبير.

حدد إحداثيات ثلاثية الأبعاد جيدة، أي x و y و z، لثلاث درجات حرية. تستخدم متسلسلة PS تسعة لحساب درجات الحرية الثلاث الأخرى، بالإضافة إلى حرية الدوران. وبذلك، نحصل على ست درجات حرية، ومن ثم يتم تحديد الموضع المكاني واتجاه المقبض.

من خلال الوصف السابق، يتضح أن PS يدعم تحديد مواقع أهداف متعددة في وقت واحد، وبألوان مختلفة للتمييز بينها. مع ذلك، ونظرًا لضعف قدرته على مقاومة الحجب، يتأثر تحديد الموقع بشكل فوري عند وجود عدة عوائق تحجب بعضها بعضًا. كما أن نطاق الكاميرا ثنائية العدسة محدود، مما يحد من استخدام PS على الأجهزة المحمولة، حيث يقتصر على نطاق تشغيل الكاميرا، أي عند الجلوس أمام الكمبيوتر. ورغم أن PS4 يستخدم حاليًا كاميرا ثنائية العدسة، إلا أنه لا يزال يعتمد على تحديد الموقع بالضوء المرئي، مما يجعله عرضة للتأثر بلون الخلفية. إضافةً إلى ذلك، تشير نتائج تجارب المستخدمين إلى أن الكاميرات ذات سرعة التقاط الحركة العالية لا تستطيع مواكبة هذه المشكلة.

وأخيرًا، يمكننا مقارنة الجدول التالي لمعرفة مزايا وعيوب تقنيات تحديد موقع المنتج الثلاث.