اختراق كبير لنظارات الواقع المعزز! اقترح فريق من جامعة شنغهاي جياو تونغ خطة لموازنة القناع، للتغلب على تحدي نقل الضوء في شاشات الواقع المعزز القادرة على الإغلاق.

في عام 2026، نشر فريق تعاوني يضم باحثين من جامعة شنغهاي جياو تونغ، وجامعة غراتس للتكنولوجيا (النمسا)، ومعهد نارا للعلوم والتكنولوجيا (اليابان)، وجامعة تشجيانغ للعلوم والتكنولوجيا دراسة تاريخية بعنوان 'موازنة القناع: تحسين الرؤية الديناميكية المستندة إلى الإدراك لشاشات العرض المثبتة على الرأس والتي يمكنها الرؤية بصريًا' في المجلة المرموقة IEEE Transactions on Visualization and Computer الرسومات . تقدم الدراسة حل 'موازنة القناع' المبتكر الذي يعالج تحديًا بالغ الأهمية في الصناعة - نفاذية الضوء المنخفضة بشكل مفرط في العالم الحقيقي في شاشات الواقع المعزز المرئية المثبتة على الرأس (OC-OSTHMDs) القادرة على الإغلاق - من خلال تحسين المسارات البصرية للاستقطاب والإدراك البصري البشري في الوقت نفسه، وبالتالي إزالة عقبة رئيسية أمام تسويق نظارات الواقع المعزز للمستهلكين والصناعيين.

I. نقطة الضعف الأساسية في الصناعة: يؤدي الانسداد على مستوى البكسل إلى فقدان النصوع بشكل لا رجعة فيه

تعد شاشات الواقع المعزز المرئية المثبتة على الرأس (OC-OSTHMDs) القادرة على الإغلاق المتبادل بين العناصر الافتراضية والحقيقية ضرورية لعرض الكائنات الافتراضية بعمق واقعي وتكامل سلس في البيئة المادية. إنهم يستخدمون معدّلات الضوء المكانية (SLMs) لتحقيق حجب الصورة على مستوى البكسل، وبالتالي حل مشكلة 'الشبح العائم' المرتبطة بالصور الافتراضية في أنظمة الواقع المعزز التقليدية شبه الشفافة. ومع ذلك، تعاني البنى البصرية الحالية من عيب لا مفر منه فيما يتعلق بنقل الضوء:

1. لتحقيق تأثير الانسداد، يجب أن يخضع الضوء من مشهد العالم الحقيقي للاستقطاب، مما يؤدي إلى فقدان فوري للسطوع بنسبة 50%؛

2. يؤدي توهين الإشارة الناتج عن تكديس مكونات متعددة - مثل SLMs، ومقسمات الشعاع المستقطبة (PBS)، والمجمعات الضوئية - إلى الحد من الحد الأقصى النظري لنقل الضوء إلى أقل من 20%، مع تحقيق النماذج الأولية الفعلية في كثير من الأحيان أقل من 7%؛

3. تعمل انعكاسات المسار البصري المتعددة والخسائر الطيفية الناتجة عن مكونات الاستقطاب على تقليل السطوع المحيط؛ في البيئات الداخلية المعتمة، تصبح رؤية العالم الحقيقي مظلمة للغاية، مما يعيق مراقبة المستخدم وتفاعله مع تشكيل مخاطر على السلامة.

ركزت الحلول السابقة في المقام الأول على تكرارات الأجهزة، مثل زيادة نفاذية SLM، أو التحول إلى تقنيات LCoS/DMD العاكسة، أو استكشاف المواد الفوتوكرومية. ومع ذلك، تواجه المكونات البصرية قيودًا مادية على نقل الضوء، وتعاني الأساليب الفوتوكرومية من عيوب مثل أوقات الاستجابة البطيئة وعدم كفاية دقة الإغلاق على مستوى البكسل، مما يؤدي إلى الفشل في حل الصراع بشكل أساسي بين مستويات السطوع الافتراضية والعالم الحقيقي. إن الموازنة بين الحاجة إلى عمق إغلاق واقعي للأشياء الافتراضية مع الحاجة إلى رؤية عالية للعالم الحقيقي أصبح عنق الزجاجة الحاسم للتسويق الشامل لأجهزة الواقع المعزز من الجيل التالي.

ثانيا. الابتكار التقني: دمج المسار البصري ثنائي الاستقطاب + التعديل الديناميكي القائم على الإدراك

وبالانتقال إلى ما هو أبعد من مجرد تحسين مكونات الأجهزة الفردية، اقترح فريق من جامعة شنغهاي جياو تونغ 'طريقة موازنة القناع'. تجمع هذه الطريقة بين تعديلات المسار البصري للاستقطاب منخفضة التكلفة مع نموذج كمي للإدراك البصري البشري لضبط نسبة انتقال الضوء ديناميكيًا بين مشهد العالم الحقيقي والصور الافتراضية. لا يتطلب الحل بأكمله سوى إضافة مستقطب خطي دوار (Balancing LP) إلى شاشة OC-OSTHMD (شاشة عرض بصرية مثبتة على الرأس) موجودة، مما يوفر توافقًا عاليًا وتكاليف تعديل منخفضة.

1. معمارية الاندماج البصري ثنائي الاستقطاب

يتم تقسيم الضوء الطبيعي بواسطة مقسم شعاع الاستقطاب إلى مسارين استقطاب مستقلين، يخدم كل منهما وظيفة محددة:

مسار انسداد الاستقطاب s (رؤية التقنيع): يمر عبر النظام البصري AR الأصلي ويستخدم SLM لتحقيق انسداد على مستوى البكسل للعالم الحقيقي من خلال المحتوى الافتراضي، مما يوفر إحساسًا بالعمق المكاني، وإن كان ذلك مع فقدان كبير للضوء؛

مسار النقل المباشر للاستقطاب p (رؤية العالم الحقيقي الأصلية): يتجاوز جميع المكونات البصرية المتعلقة بالانسداد، ويحافظ تمامًا على السطوع الأصلي للمشهد المحيط دون توهين إضافي للضوء.

يستخدم النظام وحدة دوارة لضبط الزاوية φ بين المستقطب الخطي ومقسم شعاع الاستقطاب، ويتحكم بدقة في نسب نقل ضوء العالم الحقيقي وضوء الصورة الافتراضية. تخضع معدلات النقل للصيغ التالية: الإرسال المباشر في العالم الحقيقي (T_{pass} = cos^2φ); ونقل عرض العالم الحقيقي المغلق والصورة الافتراضية (T_{mask}/T_{image} = sin^2φ cdot T_{HMD}/T_{display}). يسمح ضبط هذه الزاوية بتبديل الوزن البصري في الوقت الفعلي: في البيئات منخفضة الإضاءة، تتم زيادة نسبة مسار الإرسال المباشر لزيادة سطوع رؤية العالم الحقيقي؛ وفي البيئات عالية الإضاءة، يتم تقليل نسبة الإرسال المباشر لتعزيز تباين الكائنات الافتراضية.

2. نظام التعديل في الوقت الحقيقي القائم على الإدراك

يعمل منطق التوازن الديناميكي بأكمله في الوقت الفعلي بناءً على نهج المستشعر المزدوج - الذي يجمع بين تتبع العين والتحليل البصري للمشهد - ويتوافق مع مبادئ الإدراك البصري البشري بدلاً من الاعتماد فقط على الحسابات المستندة إلى مواصفات الأجهزة البصرية:

تقييم الرؤية في العالم الحقيقي: تلتقط كاميرا المشهد منظر العالم الحقيقي، ويتم تقسيم الصورة إلى سبعة مستويات لتمرير النطاق باستخدام هرم التباين من Peli. يحدد النظام تباين مربع الجذر (RMS) لنطاق التردد المتوسط ​​4.7 cpd (دورات لكل درجة) كمقياس للتقييم. من خلال دمج وظيفة حساسية تباين بارتن (Barten CSF) مع بيانات قطر حدقة العين من كاميرا تتبع العين، يحسب النظام - في الوقت الفعلي - الحد الأدنى من عتبة التباين المطلوبة للعين البشرية لإدراك مشهد العالم الحقيقي. إذا انخفضت الرؤية عن هذا المعيار، يقوم النظام تلقائيًا بضبط زاوية الاستقطاب لزيادة سطوع المسار البصري المباشر.

تقييم رؤية الكائن الافتراضي: يتم إجراء تحليل الكثافة الطيفية للطاقة (PSD) على النماذج الافتراضية للتمييز بين النماذج عالية التردد (مثل أشجار القيقب وأشجار عيد الميلاد) والنماذج البسيطة منخفضة التردد (مثل الأرانب وأباريق الشاي)، مع استخدام تباين ويبر لقياس مدى وضوح الصور الافتراضية. قام الفريق بمعايرة العتبات الإدراكية من خلال مجموعتين من التجارب التي أجريت على الإنسان: تم تحديد تباين ويبر الحرج للتعرف على الأنسجة الافتراضية على 0.537، في حين أن العتبة الحرجة للتعرف على تأثيرات الإضاءة والظل كانت 0.443. عندما يقع تباين الصورة الافتراضية تحت هذه العتبات، يقوم النظام تلقائيًا بزيادة ترجيح المسار البصري المغطي لتحسين النسيج المدرك وتعريف الكائنات الافتراضية.

يستخدم النظام مرشح كالمان لتسهيل بيانات الحدقة المتقلبة التي تلتقطها كاميرا تتبع العين، مما يزيل ضوضاء المعدات ويضمن تعديلًا سلسًا ومستقرًا أثناء التحولات بين ظروف الإضاءة المختلفة. تعمل مجموعة الخوارزميات باستخدام التوازي ثنائي الخيط، مع تشغيل تحليل صورة المشهد بشكل مستقل عن خيط العرض الرئيسي؛ يؤدي هذا إلى انخفاض الحمل الحسابي، مما يجعله متوافقًا مع محركات العرض السائدة في الوقت الفعلي للواقع المعزز.

ثالثا. تجارب الإدراك البشري: قياس العتبات البصرية والتحقق من صحة المخطط المقترح

ولإنشاء خط أساس دقيق للتوازن الإدراكي، أجرى الفريق ثلاث مجموعات من تجارب المستخدم الموحدة - جميعها تمت الموافقة عليها من قبل لجنة أخلاقيات البحوث الإنسانية بجامعة شنغهاي جياو تونغ - حيث قام بتوظيف ما مجموعه 36 مشاركًا من ذوي الخبرة في الواقع المعزز أو رسومات الكمبيوتر.

1. تجربة إدراك النسيج الافتراضي (12 مشاركًا): تم استخدام أنسجة ذات أحجام كبيرة ومتوسطة وصغيرة لمحاكاة كائنات افتراضية ذات ترددات مكانية مختلفة، تغطي أربعة مستويات من الإضاءة المحيطة الداخلية (29-626 شمعة/م²). أظهرت النتائج أن الأنسجة الدقيقة عالية التردد تتطلب تباينًا أعلى للتعرف البصري، في حين اختلفت عتبات التعرف على النماذج ذات التردد المتوسط ​​والمنخفض إلى الحد الأدنى. لم يكن لعوامل مثل الجنس وتجربة استخدام الواقع المعزز وحجم حدقة العين أي تأثير كبير على عتبات الإدراك، مما يشير إلى أنماط إدراكية متسقة للغاية عبر المجموعة المشاركة.

2. تجربة الإضاءة الافتراضية وإدراك الظل (24 مشاركًا): تمت مقارنة النماذج الافتراضية المقترنة (على سبيل المثال، إبريق الشاي، الروبوت، شجرة عيد الميلاد) - واحدة مع انعكاسات الإضاءة/الظل والأخرى بدونها. قام المشاركون بتعديل زاوية الاستقطاب حتى ظهر النموذجان متطابقين بصريًا. وأظهرت التجربة أن تأثيرات الإضاءة والظل تحتوي بطبيعتها على تفاصيل عالية التردد، مما يسمح بتمييزها بسهولة حتى في النماذج الهندسية منخفضة التردد؛ لم يظهر التردد المكاني أي تأثير ذو دلالة إحصائية على عتبات الإدراك للإضاءة والظلال.

3. تجربة مقارنة شاملة في سيناريوهات الإضاءة المتعددة (12 مشاركًا): تم إنشاء نموذج أولي على الطاولة لمحاكاة أربعة ظروف إضاءة في العالم الحقيقي: إطفاء الأنوار الداخلية (8 شمعة/م2)، إضاءة داخلية (135 شمعة/م2)، مظللة في الهواء الطلق (287 شمعة/م2)، والضوء الساطع الخارجي (414 شمعة/م2). تم إجراء مقارنة عمياء بين ثلاثة شروط: الحل المقترح (MB)، AR (AR) التقليدي غير المغطى، وسماعات الانسداد الثابتة (OC).

· البيئات الداخلية منخفضة الإضاءة: احتل الواقع المعزز التقليدي الصدارة (47%)، يليه مباشرة هذا الحل (44%)، في حين تراجعت أجهزة الإغلاق التقليدية بنسبة 8% فقط؛

· البيئات الداخلية المشرقة: حقق هذا الحل معدل تفضيل قدره 42%؛

· سيناريوهات الإضاءة الساطعة/المظللة في الهواء الطلق: حقق هذا الحل معدلات تفضيل قدرها 58% و53% على التوالي، متفوقًا بشكل كبير على الحلول التقليدية؛

· التقييم العام: فضل 50% من المشاركين نظام التوازن القائم على القناع، واختار 36% سماعات الرأس التقليدية، واختار 14% فقط نظام الواقع المعزز الشفاف القياسي.

تُظهر لقطات العالم الحقيقي الاختلافات بوضوح: مع الواقع المعزز التقليدي القائم على الإطباق، تبدو رؤية العالم الحقيقي باهتة بشدة في جميع البيئات؛ ومع تقنية الواقع المعزز القياسية غير القابلة للحجب، يختفي المحتوى الافتراضي فعليًا في الإضاءة الخارجية الساطعة؛ في المقابل، تقوم تقنية موازنة القناع بضبط السطوع بشكل تكيفي - مع الحفاظ على رؤية واضحة للعالم الحقيقي في الداخل مع الحفاظ بشكل كامل على قوام الكائنات الافتراضية وإضاءةها وظلالها في الظروف الخارجية الساطعة - وبالتالي ضمان تجربة بصرية مثالية في كلا السيناريوهين.

رابعا. قيمة التطبيق والتحول النموذجي على مستوى الصناعة

1. سيناريوهات التنفيذ المتنوعة

ويمتد هذا التقدم التكنولوجي إلى ما هو أبعد من نظارات الواقع المعزز المخصصة للمستهلكين، حيث يقدم قيمة عملية هائلة في البيئات الصناعية الاحترافية:

· التشغيل والصيانة الصناعية: تراكب المخططات والشروح أثناء صيانة المعدات مع الحفاظ على رؤية واضحة للهيكل الميكانيكي المادي؛

· المساعدة الطبية: تركيب الصور أثناء العملية والتدريب على إعادة التأهيل، والجمع بين النظرة الواقعية لجسم الإنسان مع التعليقات التوضيحية الرقمية؛

· تطبيقات مثل التعليم والتدريب، والملاحة داخل السيارة، والتعاون عن بعد، والتصميم المعماري، مما يعزز بشكل كبير إمكانية استخدام جهاز الواقع المعزز في بيئات الإضاءة المعقدة.

2. نهج جديد لتصميم عرض الواقع المعزز

يقترح هذا البحث نقلة نوعية في الصناعة: بينما ركز التصميم البصري للواقع المعزز سابقًا بشكل أساسي على تحسين المعلمات المادية مثل نفاذية ضوء الأجهزة ودقتها، توضح هذه الدراسة أن الإدراك البصري البشري هو بُعد تصميمي مهم لا يمكن إغفاله. أكدت الأبحاث السابقة التي أجراها الفريق وجود تناقض كبير بين الإدراك البصري البشري الفعلي والقياسات التي تم إجراؤها بواسطة الأجهزة البصرية، مما يشير إلى أن تحسين الأجهزة وحده لا يمكن أن يحقق أفضل تجربة بصرية. يمكن لنظام التحكم المبني على الإدراك أن يتغلب على القيود المادية للأجهزة البصرية؛ فهو يعمل في نفس الوقت على تحسين جودة صور العالم الافتراضي والواقعي - دون المساس بحجم الجهاز أو تكلفته - مع ضمان الراحة البصرية للمستخدم والسلامة التشغيلية.

V. القيود الحالية واتجاهات البحث المستقبلية

لا يزال هناك مجال للتحسين في النموذج الأولي الحالي لسطح المكتب، وقد خطط الفريق للاتجاهات التالية للتكرارات المستقبلية:

تحسين دقة الإطباق: يمكن أن يتسبب السطوع الواقعي في تسرب طفيف للضوء عند حدود الإطباق؛ ستعمل التحسينات المستقبلية على التخفيف من ذلك من خلال دمج شاشات OLED الصغيرة عالية السطوع وخوارزميات تعويض الألوان واستراتيجيات الموازنة الموجهة نحو المهام (إعطاء الأولوية لدقة الإغلاق الافتراضي في المشاهد النموذجية عالية الدقة).

تعديل السطوع بسلاسة: سرعات دوران الاستقطاب الحالية عالية، مما يؤدي إلى تغييرات مفاجئة في السطوع يمكن أن تسبب عدم الراحة البصرية؛ سيركز التطوير المستقبلي على الخوارزميات من أجل انتقالات سطوع تدريجية وسلسة.

النموذج الأولي للتكيف بين العينين: الجهاز الحالي أحادي العين؛ تتضمن الخطوة التالية بناء نظام موازنة قناع مجهر ودمج نموذج إدراك التباين البصري مجهر.

التصنيف الطيفي التلقائي للكائنات: يتيح التعرف التلقائي في الوقت الحقيقي على ميزات الترددات العالية والمنخفضة للأشياء الافتراضية، مما يلغي الحاجة إلى التكوين اليدوي لعتبات الإدراك.

تعمل تقنية موازنة القناع التي اقترحها الفريق في جامعة شنغهاي جياو تونغ على حل صراع السطوع طويل الأمد الذي أعاق الاعتماد الواسع النطاق للواقع المعزز البصري الشفاف. من خلال الجمع بين تحسينات الأجهزة للمسارات الضوئية ثنائية الاستقطاب وخوارزمية التوازن الديناميكي المبنية على الإدراك، يكون الحل سهل التنفيذ ومتوافقًا مع البنى البصرية السائدة للواقع المعزز. تم التحقق من صحتها من خلال تجارب مكثفة على البشر وسيناريوهات إضاءة متنوعة، وهي تعمل في نفس الوقت على تحسين رؤية بيئة العالم الحقيقي والملمس الواقعي للأشياء الافتراضية في جميع الظروف - بدءًا من الإعدادات الداخلية الخافتة وحتى البيئات الخارجية المشرقة. من خلال الدمج العميق لعلم الإدراك البصري مع هندسة العرض بالقرب من العين، تمهد هذه التقنية مسارًا تحسينيًا جديدًا للجيل التالي من نظارات الواقع المعزز، مما يوفر حلاً قابلاً للتطبيق لنشر أجهزة الواقع المعزز طوال اليوم في القطاعات الاستهلاكية والصناعية والطبية، وبالتالي تطوير الواقع المعزز البصري الشفاف من النماذج الأولية المختبرية إلى المنتجات العملية.

المصدر: سينو