الرؤية ثلاثية الأبعاد

الكاتب : الدكتور المهندس أحمد بطيخ

كيف ستشعر إذا غطيت إحدى عينيك بيدك مثلاً ومشيت في البيت؟ ما الذي سيتغيّر؟ سيبدو المشهد أمامك وكأنه مسطح وستفقد إحساسك بالعمق. حرّر عينك المغطاة وتحسس الفرق، ستجد أن المشهد عاد إلى الصورة المجسّمة Stereo. تتلقى كل عين لدينا صورة مسطحة (ثنائية البعد) للمشهد نفسه ولكن بزاوية مختلفة بشكل طفيف عن الأخرى. يعدّ هذا الاختلاف بين رؤى كلتا العينين شيئاً إيجابياً إذ يمكّن دماغ الإنسان من مقارنة الصورتين وتوليد صورة واحدة اعتباراً من الصورتين الأصليتين مما يسمح بالإحساس بالعمق أو ما يسمّى الرؤية ثلاثية الأبعاد (Three Dimensions View 3D). لتوليد الإحساس بالرؤية المجسّمة على شاشات العرض بكل أحجامها (سينمائية أو تلفزيونية) يجب أن تصل إلى كل عين من عينينا صورة من زاوية مختلفة قليلاً عن زاوية صورة العين الأخرى بشكل متناسب مع البُعد بين العينين عند الإنسان.
عرض الصورة المجسمة 3D
إن فكرة توليد الصور المجسمة ليست بجديدة، إذ تعود المحاولات الأولى إلى عام 1838م. كما أن المبدأ لم يتغير أيضاً منذ ذلك الحين، إذ يرتكز على التقاط الصور الخاصة بالعين اليمنى وتلك الخاصة بالعين اليسرى كلاً على حدة وذلك باستخدام عدستين مستقلتين تماماً. أما لمشاهدة الصور مجسّمة، أو كما يمكن أن نسميها بصورة ثلاثية الأبعاد، فهي مسألة مختلفة وتحوي على الكثير من التقنيات إذ يجب أن تتلقى كل عين الصورة المخصصة لها بشكل جيد ليتمكن الدماغ من تشكيل الصورة الافتراضية انطلاقاً منها. عموماً، توجد ثلاث تقنيات لإيصال الصور لكل عين على حدة وتقتصر على استخدام: جهاز ثنائي العدسة العينية كالمنظار يدعى المجسِّم Stereoscope يستخدم ليساعد على رؤية مباشرة للصورتين، أو نظارة مزودة بمرشحات (لونية أو قطبية) لتولّد صورة مخصصة لكل عين انطلاقاً من صورة واحدة، أو مصدر ضوئي يعمل على فصل الصور مباشرة دون الحاجة لاستخدام نظارات.
نظام الرؤية المباشرة باستخدام المجسِّم
جميعنا يذكر تلك المناظير (المجسِّمات) التي كانت متوافرة في الأسواق في القرن الماضي مع صورها المرتبة على أقراص دائرية (الشكل 2). يعتمد هذا الجهاز على نفس المبدأ العام بجعل كل عين ترى صورة مختلفة عن الأخرى عن طريق العدستين العينيتين. استُخدِمَت هذه الطريقة منذ البدايات، فهي سهلة ولا تتطلب أيّ طاقة إذ يكفي توجيه المجسّم إلى مصدر ضوء لترى الصور بوضوح.
نظام ترشيح الألوان Anaglyph 3D
وتعدّ هذه التقنية واحدة من أقدم الطرق المستخدمة لتوليد الرؤية ثلاثية الأبعاد. يعود إنتاج أول فيلم سينمائي بهذه الطريقة إلى عام 1915م. هنا، تعالج الصور الملتقطة والمخصصة لكل عين عبر إشباعها لونياً (إغناء الصورة بلون ما) وعادة يكون اللون الأحمر واللون الأزرق ومن ثم يتم إسقاط الصور المعالجة والموجهة لكل عين بآن واحد (متزامنتين في حالة الأفلام) على نفس الشاشة فتظهر الصورتان متراكبتين مع إزاحة بسيطة.
الآن ولمشاهدة الصورة ثلاثية الأبعاد علينا استخدام نظارة خاصة حيث يقتصر دور النظارة على ترشيح (تصفية) الألوان المشبعة بها الصورة حسب كل عدسة. تقوم المرشحات اللونية في النظارات باختيار الصورة المناسبة لكل عين فيقوم المرشح الأحمر بتغطية الصورة المسقطة باللون الأزرق، ويقوم المرشح الأزرق بتغطية الصورة المسقطة باللون الأحمر. تعطي هذه الطريقة نتائج جيدة ولكن تعاني فيها الصورة ثلاثية الأبعاد الناتجة من بهتان الألوان لذلك تم التخلي عن هذه التقنية لصالح نظارات الاستقطاب.
النظام الذي يعتمد الاستقطاب الضوئي Polarization
يمكن توضيح فكرة الاستقطاب الضوئي بأنها عملية ترشيح وتوجيه لموجات الشعاع الضوئي باتجاه معين. يوجد نوعان للاستقطاب الضوئي المستخدم للرؤية ثلاثية الأبعاد: الاستقطاب الخطي والذي يعطي موجة ثنائية البعد (مثل انتقال موجة في حبل) واستقطاب دائري ويعطي موجة ثلاثية الأبعاد (مثل اللولب)).
لتوليد الصورتين على شاشة العرض وفق هذه التقنية يتم تركيب عدستي استقطاب على جهاز العرض تقومان بترشيح الشعاع الضوئي المتناثر عدا الأشعة ذات التوجيه المتوافق مع عدسة الاستقطاب. وللمشاهدة ثلاثية الأبعاد تستخدم نظارات خاصة مزودة بعدسات (مرشحات) ذات استقطاب موجّه (خطي) بفارق 90 درجة بالنسبة لبعضها بعضاً، على سبيل المثال يكون استقطاب عدسة العين اليمنى بزاوية 45 درجة وعدسة العين اليسرى بزاوية 135 درجة. تحجب المرشحات الموجهة بـ 45 درجة الصورة ذات الاستقطاب 135 درجة، والعكس بالعكس. يشكل هذا النوع من النظارات تحدياً بالنسبة للصالات السينمائية وذلك بسبب انعكاسات الأشعة الضوئية القادمة من جهاز الإسقاط على شاشات الإسقاط إذ إن أغلب الشاشات مغلف بمادة زجاجية لجعلها لمّاعة. تغيّر الجزيئات الزجاجية من استقطاب الأشعة مما يجعل النظارات تفقد من فعاليتها وهذا يجعل المشاهد يرى الصورة مزدوجة. يمكن استخدام الشاشات المغلفة بمادة معدنية رمادية اللون للحفاظ على استقطاب الأشعة ولكن هنا ستفقد الصورة حيوية الألوان فيها. وعلاوة على ذلك، يجب أن يُبقي المشاهد رأسه موجهاً مباشرة إلى الشاشة إذ تفقد النظارات ذات الاستقطاب فعاليتها بمجرد الانحراف عن الصورة يميناً أو يساراً. لتصحيح هذا التأثير، تم استخدام الاستقطاب الدائري إذ أصبحت الموجات الضوئية تنتشر بشكل لولب دوّار إلى الجانب الأيمن أو الأيسر (مع جهة دوران عقارب الساعة أو عكسها) اعتماداً على نوع الاستقطاب. إذاً، لم يعد هناك أي أهمية للزاوية التي تشكلها النظارة مع الأفق وبالتالي فحركة المشاهد أصبحت حرة أكثر ويمكنه تحريك رأسه بكل الاتجاهات.
جميع أنواع الاستقطاب المطبقة تعطي صورة ثلاثية الأبعاد أقل جودة مقارنة بالصورة العادية، لأن عملية الاستقطاب، كما ذكرنا، ترشّح (تبدد) الكثير من الأشعة الضوئية عشوائية الاتجاه وتترك فقط حزمة بسيطة من الضوء بما يتوافق مع الاستقطاب المطلوب وبالنتيجة تصبح الصورة منخفضة الإضاءة. للتعويض عن هذا التعتيم يمكن زيادة شدة إضاءة جهاز العرض (أو جهاز الإسقاط في حالة الشاشة السينمائية).

النظام النشط Active System
للتغلب على كل الصعوبات المرافقة للتقنيات السابقة الذكر، تم استخدام النظارات النشطة Active Shutter Glasses والتي يختلف مبدأ عملها قليلاً عمّا سبق من النظارات. هنا، تم استبدال العدسات الملونة أو المستقطَبة بشاشات الكريستال السائل LCD. حيث يمكن لكل شاشة من النظارة أن تكون شفافة أو غير شفافة (معتِّمة) وذلك اعتماداً على الجهد (التيار الكهربائي) المطبق عليها من الدارة الإلكترونية الموجودة في إطار النظارات. فيما تقوم النظارات بحجب الرؤية عن العينين بالتناوب، وبنفس الوقت، يقوم جهاز الإسقاط (أو شاشة التلفاز) بعرض صور موجهة للعينين بالتناوب أيضاً، أي يرسل صورة موجهة للعين اليمنى، ثم أخرى للعين اليسرى.
لتتم عملية المشاهدة بشكل صحيح يجب مزامنة عرض الصور وعمل النظارة. بكلمات أخرى يجب أن تكون شاشة النظارة اليمنى شفافة عندما يتم عرض صورة مخصصة للعين اليمنى بينما تكون شاشة العين اليسرى غير شفافة والعكس بالعكس. تتم المزامنة باستخدام مرسلات أشعة تحت الحمراء، حيث يقوم جهاز العرض بإرسال إشارة محدداً فيها نوع الصورة المعروضة هل هي موجهة للعين اليمنى أو للعين اليسرى لتقوم المستقبلات الموجودة في النظارات بمزامنة عمل الشاشات العينية وفقاً للعرض (الشكل 7). أثبتت هذه التقنية فعاليتها ليس فقط على أجهزة العرض المنزلية وإنما في القاعات المجهزة بشاشات عملاقة، أو نصف كروية أيضاً مثل صالة Imax 3D Solido في مدينة الألعاب الفرنسية Futuroscope، حيث يشعر المشاهد وكأنه قد ألقي داخل الفيلم الذي يراه.
للأسف وكغيرها من التقنيات تمتلك تقنية النظام النشط بعض العيوب إذ يعتبر العيب الرئيسي لهذه التقنية هو تكاليف التشغيل. في الواقع، ولأسباب صحّية، من الصعب تصّور انتقال النظّارات من متفرّج إلى آخر دون أي رقابة أو تنظيف !!. مع نظام نظارات الاستقطاب، يمكن إنتاج نظارات بتكلفة منخفضة جداً أو حتى لاستخدام لمرة واحدة والتخلص منها بعد ذلك. لكن هذا الحل لم يعد صالحاً من الناحية الاقتصادية عندما يتعلق الأمر بالأنظمة الفعّالة المزودة بجهاز إلكتروني. وبالتالي فمن الضروري وضع إجراءات صارمة لتنظيفها نسبياً. وعلاوة على ذلك، مثل أي جهاز إلكتروني آخر، لا بد من تغذية النظارات بالطاقة الكهربائية، مما يعني ضمناً وجود دارة للبطارية وأخرى لإعادة شحنها. اقتُرِحَت بعض الحلول لتجاوز هذه المشكلة أولها أن تكون النظارات الفعالة قابلة للاستخدام مرة واحدة وهذا يبدو الحل الأمثل لأن سعرها سينخفض إذا تم إنتاجها بكميات كبيرة. أو يمكن بيع النظارات الفعالة للمشاهدين بسعر التكلفة ليحتفظوا بها للمرات القادمة (تكلّف النظارة الواحدة ما يقارب 100 دولار).
أنظمة جديدة بدون نظارات
اليوم أصبحت هذه الأنظمة محط الأنظار وفي دائرة اهتمام مطوري شاشات العرض ثلاثية الأبعاد. تعدّ شركة شارب اليابانية أول من طور شاشات العرض باستخدام هذه الأنظمة في عام 2004م ولكن للاستخدامات الاحترافية فقط وليست للجميع. تلاها الكثير من التجارب من قِبَل العديد من الشركات مثل هيتاشي وفوجي ولكن وبعد إنتاج شركة نينتندو للألعاب الإلكترونية جهازها ذا شاشة العرض ثلاثية الأبعاد Nintendo 3DS (الشكل 9) أصبحت هذه التقنية واعدة لتكون في متناول أيدي الجميع وبفعالية.
تعمل هذه التقنية وفق مبدأ التجسيم الذاتي Autostereoscopy إذ سيتحرر المشاهد من وضع النظارة الخاصة للمشاهدة. هنا، ستقوم بعض خطوط النقاط الضوئية Lines of Pixels المكوِّنة لشاشة العرض نفسها بإرسال شعاعها الضوئي لعين محددة دون الأخرى وبعض الخطوط الأخرى إلى العين الثانية وبالتالي تصل الصورة المناسبة للعين المناسبة دون الحاجة لنظارة. في الوقت الحالي، هذه الأنظمة غير صالحة لشاشات العرض السينمائية الكبيرة ).
يوجد طريقتان لتأمين وصول الأشعة الضوئية المناسبة للعين المناسبة وهما استخدام الحواجز Parallax barrier أو استخدام العدسات Lenticular lens.
تعتمد طريقة الحواجز Parallax barrier على سلسلة من الشقوق الطولانية في شاشة العرض موضوعة بشكل دقيق لتسمح للضوء الصادر من أي خط للنقاط الضوئية Line of pixels أن يتوجه باتجاه محدد . فمثلاً، ومن أجل لحظة معينة، يمكن للضوء الصادر عن الخطوط ذات الترتيب الزوجي أن يتجه نحو اليمين بينما يتجه الضوء الصادر عن الخطوط ذات الترتيب الفردي نحو اليسار. هذا ما يمكّن الصورة أن تنقسم بين العينين دون استخدام نظارة وهذا بحد ذاتهن ليس أمراً قليل الشأن.
وبشكل مشابه تستبدل طريقة العدسات Lenticular lens الحواجز بعدسات طولانية موشورية مرصوفة بجانب بعضها والتي تغطي كلاً منها خطين من النقاط الضوئية وبسبب خاصيتها تؤمن انحناءً للشعاع الضوئي المار من كل خط ليصل إلى هدفه دون خطأ.
لا يخلو الأمر من بعض التحديات باستخدام هذه الطريقة إذ تتركز الرؤية ثلاثية الأبعاد الجيد في نطاق محدود أمام الشاشة؛ وبالتالي يجب أن لا ينحرف أو يقترب أو يبتعد رأس المشاهد خارج هذا النطاق وإلا ستفقد عيناه الأثر ثلاثي الأبعاد. وبالتالي يجب أن تزوَّد الشاشات بأكثر من مجموعة من العدسات لتعطي الإمكانية بالمشاهدة من أكثر من نقطة أمام الشاشة (من بعيد وقريب ومن الجوانب).
فضلاً عن ذلك ستقسم دقة الشاشة إلى النصف وبالتالي ستنخفض الإضاءة أيضاً إلى النصف بسبب تقاسم الصورتين لشاشة واحدة. لتوضيح الفكرة نذكر المثال التالي: يصنع جهاز الألعاب Nintendo 3DS بدقة شاشة 800×240 نقطة ضوئية ولكن فعلياً يتم العرض بدقة 400×240 (400 نقطة لكل عين).
تعدّ هذه التقنية واعدة جداً ولكن مليئة بالتحديات، وحالما تصبح جاهزة للاستثمار في الشاشات سنشعر وكأن الحياة قد دبّت داخل هذه الأجهزة الإلكترونية وستصبح الصورة وكأنها الحقيقة ذاتها.

المشاكل الصحية التي تسببها المشاهدة ثلاثية الأبعاد
لكل تقنية جديدة ضريبة لابد من الانتباه إليها وفي حالتنا هذه الضريبة صحية. لأننا نعتمد على أعيننا لتركيز الرؤية ونترك للدماغ استنتاج الصورة المجسمة فإن العين تتعرض للإجهادات الشديدة نتيجة محاولة التركيز على الأجسام المتحركة والانتقال من جسم لآخر حسب بُعده المتوقع عن العين. فكلما تغيرت مسافة الأجسام التي نركز بصرنا عليها يتغير معها سماكة الجسم البللوري في العين. لذلك فإن الاستمرار في التركيز لمدة طويلة على شاشة عرض ثلاثية الأبعاد يسبب الشعور بالتعب والصداع نتيجة إجهاد عضلات العينين والجسم البللوري. بالإضافة لذلك، وكما أوضحنا سابقاً، تغلق وتفتح العدسات العينية (شاشات الكريستال الخاصة بالنظارات النشطة) من ثلاثين إلى ستين مرة في الثانية الواحدة هذا يعني تعرّض العينين لومضات سريعة وعالية التردد مما يتسبب بتعب لقزحية وعضلات العينين بسبب المعلومات المتضاربة التي تصلهما من إضاءة وتعتيم. هذا ليس كل شيء لذا يجب الانتباه جيداً وعدم مشاهدة العروض ثلاثية الأبعاد لفترات طويلة تجنباً للأضرار .
المصادر:
1. مجلة La Recherche، العدد 427، شباط 2009
2. الموسوعة الحرة ويكيبيديا: 3D Display & 3D Films, Stereogram, Autostereoscopy, Stereoscopy
3. وثائق شركة الإلكترونيات اليابانية توشيبا، مركز أبحاث التلفزيون: How Do 3D TVs Work
4. مقالة للكاتب Devin Coldewey بعنوان: “A guide to 3D display technology: its principles, methods, and dangers”، حزيران 2010، www.techcrunch.com

 أطبع الموضوع |  أرسل الموضوع لصديق