مرحبا يا هبر!
في هذا المنشور ، سأتحدث عن مقالة كتبها جينمو كيم: "نظام التأليف المتاهة في الواقع الافتراضي الغامض للواقعية المرئية الجديدة". تم نشره في 04/04/2019. يمكن الاطلاع على النص الكامل للمقال هنا .
وصف قصير للنظام
تقترح المقالة نظام المؤلف لإنشاء مناظر طبيعية للمتاهة ، والتي يمكن للمستخدم من خلالها إنشاء أنماط معقدة متعددة تلقائيًا في نظام بسيط وبديهي. باستخدام معلومات المتاهة المحسوبة في البرنامج ، يتم إنشاء مشهد متاهة ثلاثي الأبعاد بسرعة وكفاءة.
يتكون نظام إنشاء المناظر الطبيعية المتاهة المقترح من ثلاث وظائف رئيسية:
- وظيفة التوليد التلقائي لشبكة متاهة من مختلف الأحجام والأنماط ، تنفيذها باستخدام خوارزمية جيل المتاهة الكلاسيكية ؛
- وظيفة جيل متاهة دائرية.
- وظيفة تحويل متاهة من رسم يدوي إلى كائن ثلاثي الأبعاد باستخدام خوارزمية معالجة الصور.
باستخدام النظام المقترح ، الذي يتكون من هذه الوظائف الثلاث ، من الممكن إنشاء متاهات مختلفة بشكل فعال ، من متجانسة إلى غير منتظمة. سيسمح لك هذا التطوير بإنشاء مناظر طبيعية لمتاهات مختلفة المفاهيم مباشرةً من الحسابات التي تم إجراؤها من خلال نفس النظام. بالإضافة إلى ذلك ، يحلل هذا العمل التحسن في تأثير الوجود والانغماس في الواقع الافتراضي ، أي الواقعية البصرية. أيضا ، في هذا العمل ، تم إجراء تحليل لمدى ملاءمة نظام التأليف المقترح باستخدام دراسة استقصائية.
لماذا الواقع الافتراضي؟
للحصول على نوع من الخبرة الواقعية ، تحتاج إلى التفاعل مع حواس الإنسان. الواقع الافتراضي يتيح للشخص اكتساب مثل هذه التجربة من خلال التفاعل مع المشاعر البصرية والسمعية واللمسية. في الواقع الافتراضي ، يكون تأثير التواجد مهمًا ، حيث يمكن للمستخدم الحصول على تجربة واقعية بناءً على المشاعر حول مكانه ومع من وما هي الإجراءات التي يقوم بها.
لزيادة تأثير التواجد في الواقع الافتراضي ، من المهم كيفية تفاعل المستخدم مع البيئة الافتراضية ، ولكن لا تقل أهمية عن كيفية توفير المشاهد الافتراضية المتنوعة لإرضاء المستخدم بصريًا.
في دراسات أنظمة الواقع الافتراضي الموجهة للأجهزة (أنظمة اللمس ، منصات الحركة ، إلخ) ، لعرض واقعي لتصرفات المستخدم وحركاته في الواقع الافتراضي ، تم استخدام المشاهد التجريبية فقط ، حيث كانت المساحة فيها محدودة ، وكانت بنية المشاهد بسيطة في معظم الحالات. نظرًا لاستخدام تقنية الواقع الافتراضي في مختلف المجالات ، مثل الفنون البصرية والتصميم المعماري ، وكذلك في الألعاب ، يلزم إجراء دراسات خاصة لإنشاء مساحة افتراضية معقدة وفقًا للواقع الافتراضي. تحقيقًا لهذه الغاية ، في هذا العمل ، أجريت دراسات حول طرق إنشاء المشاهد الافتراضية تلقائيًا ، مثل المساحات الحضرية والمناظر الطبيعية الافتراضية ، التي لها هياكل معقدة وخصائص متنوعة.
الغمر الواقع الافتراضي
الواقع الافتراضي الغامض (أو الواقع الافتراضي الغامض) هو الواقع الذي يولد في ذهن شخص ما في عملية تفاعله مع الأنظمة التقنية المعقدة ، مثل أنظمة الواقع الافتراضي. له توقيته الفريد ، المنطق ، موجود فقط ذات الصلة ، في حين أن المستخدم "حاضر" في هذا الواقع ، لديه التفاعل ، باعتباره القدرة على الاستجابة لإجراءات المستخدم.
أجريت دراسات حول غطس الواقع الافتراضي باستخدام طرق مختلفة:
- عرض ينقل المعلومات المرئية ثلاثية الأبعاد لتوفير تجربة واقعية للمستخدم في بيئة افتراضية تعتمد على خمس حواس
- معالجة الصوت لتحسين الإدراك المكاني باستخدام الصوت المحيطي
- طريقة للتفاعل مع بيئة افتراضية ، فضلاً عن نظام اللمس ومنصة الحركة التي توجه الاستجابات المادية إلى جسم الإنسان (الذراعين والساقين ، إلخ).
من أجل تحقيق تأثير التواجد في الواقع الافتراضي ، يجب أن يكون هناك رضا بصري للمستخدم. لهذا السبب ، هناك اهتمام متزايد بالبحث متعدد الوسائط ، والذي يفحص كل من الأحاسيس المرئية والسمعية أو الأحاسيس المرئية واللمسية ، بالإضافة إلى دراسات أنظمة اللمس الزائفة التي تجمع بين التجربة البصرية والأنظمة اللمسية.
تحسين الواقعية البصرية
تعد طريقة إنشاء مشهد افتراضي ، والتي يمكن أن توفر تأثير تواجد محسّن ، إلى جانب تجارب مرئية جديدة للمستخدم في بيئة افتراضية ، ضرورية لمجموعة متنوعة من تطبيقات VR. في المستقبل ، ستقوم مشاهد الواقع الافتراضي بتحرير نفسها من المساحات الصغيرة والمحدودة مثل المساحات الداخلية وإنشاء مناظر طبيعية مفتوحة واسعة مثل المدن والعوالم الافتراضية لتزويد المستخدمين بمزيد من الخيارات.
لإنشاء مشاهد متاهة افتراضية يمكنها تقديم تجارب جديدة وتحسين تأثير تواجد المستخدم في الواقع الافتراضي ، يُقترح نظام تأليف مُحسّن في هذا العمل. يعتمد على الأبحاث التقليدية ويمكنه إنشاء مشاهد متاهة افتراضية أكثر تنوعًا في بنية بسيطة وسهلة الاستخدام وسهلة الاستخدام.
نظام المناظر الطبيعية المتاهة
يخلق النظام المقترح مشهدًا افتراضيًا للمتاهة ، مع تعزيز الواقعية المرئية للمستخدمين في الواقع الافتراضي ، باستخدام تأثيرات بصرية متنوعة. يتضمن ثلاث وظائف أساسية تقوم تلقائيًا بإنشاء أنماط متاهة مختلفة وتحويلها إلى معلومات ضرورية لإنشاء سطح ثلاثي الأبعاد للمتاهة.
توليد نمط متاهة مستقيمة
تتمثل الوظيفة الأولى لنظام إنشاء المناظر الطبيعية في المتاهة في إنشاء أنماط متاهة تلقائيًا باستخدام خوارزمية جيل المتاهة الكلاسيكية. عامل مهم هو الحاجة إلى إنشاء المتاهة النهائية. يجب أن يكون هناك مسارات مختلفة أو مسار واحد مطلق حتى لا يكون المستخدم محاصراً داخل المتاهة. هذا يساعد على منع المستخدمين من تجربة مرض الواقع الافتراضي ، الذي يمثل مشكلة حقيقية في الواقع الافتراضي. تستند هذه الوظيفة إلى خوارزمية Lee et al. ، والتي تنشئ نمطًا متاهة باستخدام خوارزمية Prim.
الخوارزمية الخاصة بالجيل الأخير من متاهة Lee ، إلخ ، هي طريقة تبدأ بالعمليات: (1) تعيين موضع البداية و (2) إعداد خلية الطريق بشكل عشوائي من الخلايا المحيطة. ثم (3) تفحص الخوارزمية أربع خلايا حول الاتجاه (تحدد بنية طبقات الخلية بعد إضافة هذه الخلايا الأربع المحيطة إلى المجموعة كخلايا جدار). ثم تكرر الخوارزمية العمليات (4 ، 5) للعثور على إحدى خلايا الجدار المسجلة ، ثم تقوم بإنشاء طريق.
توضح الأشكال أدناه عملية إنشاء قالب متاهة مستقيمة. يحدد المستخدم حجم قالب المتاهة ، وعندما تنقر على زر "المتاهة" ، يتم تلقائيًا حساب قالب المتاهة وإنشاءه.
إذا أراد المستخدم تحرير قالب المتاهة التي تم إنشاؤها تلقائيًا ، فسيتم تحديد وضع "تحرير". يقوم المستخدم بالتحرير باستخدام الماوس في حقل العرض التقديمي لقالب المتاهة من خلال النقر فوق الخلية ، وبعد ذلك يتم تحويلها تلقائيًا من الجدار إلى الطريق أو من الطريق إلى الجدار. بعد إنشاء قالب المتاهة ، تتوفر للمستخدم الفرصة لعرض المتاهة الناتجة بتنسيق ثلاثي الأبعاد.
طريقة إنشاء متاهة دائرية
الوظيفة الثانية لنظام المؤلف المقترح لإنشاء مشهد متاهة هي طريقة توليد متاهة دائرية. تقوم هذه الطريقة تلقائيًا بإنشاء متاهات دائرية من مختلف الأحجام والأنماط ، وهي إضافة جيدة إلى وظيفة إنشاء أنماط متاهة في شكل شبكة مستطيلة. وبالتالي ، فإن هذه الطريقة تمتد التجربة البصرية للمستخدمين في الواقع الافتراضي. عملية إنشاء وتثبيت الجدران وخلايا الطرق متطابقة بشكل أساسي. ولكن بالنسبة للمتاهة الدائرية ، فإن خصائص المدخلات هي نصف قطر المتاهة وعدد الإدخالات في المتاهة.
بادئ ذي بدء ، عندما يدخل المستخدم نصف القطر المطلوب من المتاهة ، يتم حساب جدران جدران المتاهة الدائرية تلقائيًا بواسطة الخوارزمية لرسم دائرة من نقطة مركزية. ثم يتم تكرار جدار المتاهة الدائرية عدة مرات مع فاصل زمني معين (ns) من الدائرة الخارجية. استنادًا إلى عدد الإدخالات التي أدخلها المستخدم ، يتم إنشاء مقاطع عن طريق تدوير خلايا الحائط عدة مرات كما يجب أن تأتي المدخلات من الدائرة الخارجية.
يتم اختيار الخلايا التي ستصبح نقطة الانطلاق للدخول إلى الدائرة الخارجية بشكل عشوائي عدة مرات كما يجب أن يكون عدد مداخل المتاهة. بعد ذلك ، في الخلية المحددة ، يتم تحديد خلية الجدار التي يتزامن معها الطول مع الفاصل الزمني (ns) بين الجدران الدائرية ، وتدور بما يكفي لمس الحائط الدائرية الداخلية.
أخيرًا ، عندما تحدث خلية الجدار في الموضع الذي تدور فيه ولمس الحائط الدائرية الداخلي ، يتم تكرار الخوارزمية أعلاه.
1: nr ← . 2: ne ← . 3: procedure (nr, ne) 4: ns ← . 5: while nr > ns do 6: . 7: nr = nr - ns. 8: end while 9: nc ← . 10: Arre[ne] ← , ne . 11: for i = nc, 0 do: . 12: for j = 0, ne do 13: ns (Arre[j]). 14: . 15: Arre[j], , . 16: end for 17: end for 18: end procedure
النص الأصلي للخوارزمية nr ← radius of the circular maze. ne ← number of maze entrances. procedure CIRCULAR MAZE GENERATION PROCESS(nr, ne) ns ← interval between maze for user road. while nr > ns do define wall cell by using Bresenham's circle drawing algorithm. nr = nr - ns. end while nc ← number of drawing circles. Arre[ne] ← as many entrance cells as ne are selected from wall cell of the outermost circle. for i = nc, 0 do: generate passages in every circle. for j = 0, ne do select cells with length of ns in entrance cell (Arre[j]). rotate selected cells. renew Arre[j] by finding a cell that meets the inner circle after rotation. end for end for end procedure
تستند الخوارزمية أعلاه لهذه العملية إلى معلمات إدخال نصف قطر المتاهة الدائرية وعدد المدخلات التي يدخلها المستخدم. أيضًا ، يوضح الشكل أدناه عملية إنشاء متاهة دائرية.
رسم على أساس المتاهة
تتمثل الوظيفة الأخيرة لنظام إنشاء المتاهة في هذا العمل في إنشاء المتاهة بناءً على المخطط. تعد أنماط المتاهات الدائرية والمستقيمة متاهات متجانسة. ومع ذلك ، في معظم الحالات ، فإن المتاهة التي قد نواجهها في الحياة اليومية لها شكل غير منتظم. لذلك ، في هذا العمل ، تقترح وظيفة أنه من صورة رسم مرسومة باليد للمستخدم يمكن بسهولة إنشاء سطح طبيعي للمتاهة ، وكذلك قالب متاهة في شكل إلكتروني. تتيح لك هذه الميزة استخدام أقسام المتاهة في تطبيقات مختلفة ، مثل أنظمة العثور على المسار أو الحدائق الافتراضية.
تتيح وظيفة توليد المتاهة المقترحة للمستخدم استخدام نمط متاهة مرسوم باستخدام برنامج رسومات مثل Photoshop أو رسم ممسوح ضوئيًا مرسومة باليد على قطعة من الورق. يتم تحميل الصورة في نظام يتم فيه تطبيق خوارزمية معالجة الصور ، بسبب تحويل الصورة إلى خريطة نسيج متاهة. تتم هذه العملية على ثلاث مراحل.
- الخطوة الأولى هي عملية الحصول على صورة مبدئية في النظام. لتنفيذ حسابات العمليات اللاحقة ، يتم تحويل صورة مصغرة إلى صورة أحادية القناة بتدرج الرمادي.
- الخطوة الثانية هي عملية تكسير الجدران والطرق باستخدام الترميز. هنا ، تعد قيمة العتبة عنصرا هاما لتحديد الجدران والطرق. النظام لديه القدرة على تحرير قيمة عتبة الإدخال من خلال الواجهة.
- المرحلة الثالثة هي عملية ملء الثقوب التي تنشأ أثناء عملية الترميز.
من خلال هذه الخطوات ، يتم إنشاء متاهة طبيعية. يوفر النظام أيضًا عنصر قائمة يتيح للمستخدم التحكم في عدد مرات تكرار عملية التعبئة.
يوضح الشكل أدناه عملية إنشاء خريطة نسيج متاهة في وضع خطوة بخطوة من رسم رسمه المستخدم من المتاهة.
جيل المتاهة من رسم المستخدم النتائج التجريبية والتحليل
تم تطبيق النظام المقترح لإنشاء مشهد متاهة باستخدام Microsoft Visual Studio 2013 و OpenCV 2.4.11 و DirectX SDK 9.0c. بالإضافة إلى ذلك ، تم استخدام محرك Unity 2017.3.1f1 (64 بت) لإنشاء مشهد متاهة ، تم الانتهاء منه باستخدام أعمال الرسم ، بناءً على خريطة نسيج المتاهة التي تم إنشاؤها تلقائيًا باستخدام نظام إنشاء متاهة المؤلف. لاختبار هذا المشهد وعرض النتيجة في الواقع الافتراضي ، تم دمج النظام باستخدام جهاز Oculus Rift CV1 HMD و Oculus SDK (ovr_unity_utilities 1.22.0) مع محرك Unity3D. أخيرًا ، كان للكمبيوتر الشخصي المستخدم في التجربة والتطبيق مواصفات Intel Core i7-6700 وذاكرة وصول عشوائي 16 جيجابايت (ذاكرة الوصول العشوائي) ومعالج رسومات Geforce 1080.
يوضح الشكل أدناه ثلاثة مناظر طبيعية للمتاهة. هذه هي نتائج توليد الإغاثة من أنماط المتاهة المحسوبة باستخدام الوظائف المدروسة في نظام التطوير هذا. بالإضافة إلى ذلك ، يمكنك أن ترى أنه يتم إنشاء بيئات متاهة افتراضية مختلفة عن طريق إضافة عوامل رسومية وفقًا للمفهوم.
بالإضافة إلى ذلك ، تم إجراء مسح تجريبي يركز على المشاركين المشتركين. أولاً ، فيما يتعلق بأداء النظام ، باستخدام اختبارات مقارنة مع وظيفة إنشاء مناظر طبيعية لمحركات الألعاب التجارية ، تم التأكيد على أن النظام المقترح يتيح للمستخدمين (المطورين) تحرير الأقسام المطلوبة من المتاهة بسهولة وبشكل حدسي. قلل هذا من الوقت المطلوب وأدى إلى درجة عالية من رضا المستخدم عن النظام.
من خلال دراسة استقصائية عن شعور الوجود ، تم التأكيد على أن المناظر الطبيعية للمتاهة في الواقع الافتراضي يمكن أن توفر للمستخدمين تجربة بصرية جديدة. باستخدام التحليل الإحصائي ، تم التأكيد أيضًا على أن جميع المواقع التي تم الحصول عليها باستخدام الوظائف الثلاث المقترحة كانت مرضية دون أي اختلافات كبيرة بينها. في المستقبل ، سيتم تحسين النظام لتوفير بيئة متاهة افتراضية واسعة النطاق ، مثل متنزه أو متنزه ، حيث يمكن للعديد من المستخدمين تجربة مساحة المتاهة معًا في الواقع الافتراضي.