ما هي الحوسبة المكانية؟ التعريف والفوائد الرئيسية

في النظام التكنولوجي، تستطيع الآلات التعرّف على المواقع المادية وجمع معلومات حول كيفية تحرّك الأشخاص وسلوكهم فيها، وذلك وفقًا لمتطلبات تطوير تقنيات الحوسبة المكانية. ويمكن للآلات استخدام هذه البيانات اللازمة لأتمتة المهام البشرية الخارجية وتحسينها.

{getToc} $title={محتويات المقال}

ما هي الحوسبة المكانية؟

يشير مصطلح "الحوسبة المكانية" إلى نوع خاص من واجهات المستخدم، حيث تُستخدم التكنولوجيا لإنشاء واجهة حاسوب ثلاثية الأبعاد عن طريق تعديل العالم المادي لإرسال البيانات المطلوبة وتعديل مخرجات نظام الحاسوب واستلامها. بفضل هذه التقنية المتطورة، أصبح بإمكان الناس الآن التفاعل مع أجهزة الكمبيوتر بطرق أكثر طبيعية وجاذبية، وذلك من خلال دمج العالمين الرقمي والواقعي وفقًا لاحتياجاتهم.

يشير مصطلح "الحوسبة المكانية" إلى مجموعة واسعة من الأفكار المبتكرة، بما في ذلك الواقع المختلط، والواقع الممتد، ومصطلحات ذات صلة مثل الواقع الافتراضي (VR) والواقع المعزز (AR) في المراحل الأولى. لإجراء البحوث والتحليلات المكانية بدقة، يمكن استخدام برامج متخصصة في هذا المجال. تُعد هذه البرامج أداةً أساسيةً لنظم المعلومات الجغرافية وعمليات التحليل القائمة على الرسوم البيانية. يتوفر هذا البرنامج في حزم برمجية متعددة، بعضها مجاني والبعض الآخر يتطلب ترخيصًا موثقًا. تُستخدم رؤوس وحواف الكائنات المكانية، مثل شبكات الرسوم البيانية، لإنشاء الرسوم البيانية المكانية المطلوبة.

مصطلح الحوسبة المكانية صاغه سايمون جرينوولد، الذي وصف أهمية المفهوم في أطروحته للماجستير عام 2003 في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا باعتباره "عنصرًا أساسيًا لجعل أجهزتنا شركاء أكمل في عملنا ولعبنا".

كيف تعمل الحوسبة المكانية؟

تعكس الحوسبة المكانية طريقة تفاعلنا مع الأجسام الافتراضية في العالم الحقيقي. يُحوّل البشر الصور ثنائية الأبعاد التي يرونها إلى نموذج ثلاثي الأبعاد للعالم، ويفهمون الأجسام الموجودة فيه، ثم يحركّون أيديهم للقيام بالفعل. على سبيل المثال، عندما نصبّ كوبًا من الشاي، نراقب الكوب أثناء الصبّ، ونحدد متى يمتلئ، ثم نتوقف عن الصبّ. تقوم الحوسبة المكانية بالشيء نفسه، ولكن باستخدام أجهزة الكمبيوتر والمستشعرات والمحركات.

تتضمن الحوسبة المكانية الخطوات التالية:

• جمع البيانات: تُستخدم تقنيات رسم الخرائط المكانية لجمع البيانات حول المستخدم ومحيط الجهاز. تلتقط تقنيات مثل التصوير المساحي الضوئي، والليدار، والرادار نموذجًا ثلاثي الأبعاد للعالم. يقيس الليدار أو الرادار انعكاس إشارة الليزر أو الراديو عن الأجسام المحيطة بالماسح الضوئي لالتقاط سحابة نقاط تلقائيًا، وهي عبارة عن مجموعات من نقاط البيانات في الفضاء تُمثل الأشكال والمسافات ثلاثية الأبعاد. التصوير المساحي، الذي يُعرَّف بأنه فن وعلم إنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد من الصور الفوتوغرافية، يجمع بين صور من عدة كاميرات أو أجهزة تصوير. كما تستطيع تقنيات الذكاء الاصطناعي الحديثة التقاط تمثيل أكثر ثراءً باستخدام عدد قليل من الصور.
• تحليل البيانات: تقوم تقنيات مثل رؤية الآلة بتحليل هذه البيانات لفهم الصور. تساعد تقنيات الذكاء الاصطناعي في تحديد العناصر الفردية في المشهد، وحركتها، وتفاعلاتها مع العناصر الأخرى. على سبيل المثال، يمكنها البحث عن عيوب المنتجات، وفهم أنماط المشي، أو تحليل كيفية أداء العمال المختلفين لعملية ما.
• التفاعل: تساعد أجهزة التحكم المحمولة، وأجهزة استشعار الحركة، وتقنية التعرف على الكلام المستخدمين على التفاعل مع الجهاز وبيئتهم المحيطة. على سبيل المثال، يُمكّن تحليل الصور الرقمية ثلاثية الأبعاد الملتقطة من العمليات الفيزيائية سيارة ذاتية القيادة من اكتشاف أحد المشاة أمامها والتوقف تلقائيًا في الوقت الفعلي. كما يمكن لنظام التحكم في المباني ضبط درجة الحرارة أو الإضاءة عند دخول شخص ما إلى غرفة ما، وفقًا لتفضيلاته المخزنة في قاعدة بيانات.

تعتمد الحوسبة المكانية التي تُختبر عبر سماعة رأس على تقنيات مثل الواقع المعزز والواقع الافتراضي، بالإضافة إلى مستشعرات الكاميرا الداخلية والخارجية، وأجهزة التحكم، وتقنية تتبع الحركة. تجمع هذه السماعات بيانات عن المستخدم ومحيطه وحركاته، كما تحلل هذه البيانات وتفسرها للاستجابة وفقًا لذلك.

أساسيات الحوسبة المكانية

تُعرَّف الحوسبة المكانية بأنها واجهة مستخدم تستخدم التكنولوجيا لإنشاء واجهة حاسوبية في عالم ثلاثي الأبعاد، وذلك بتغيير الواقع المادي لإرسال المعلومات المدخلة ومعالجتها واستلام المخرجات من الحاسوب. وقد صاغ هذا المصطلح سيمون غرينولد عام 2003.

تُستخدم البرمجيات المكانية لدراسة وتحليل البيانات المكانية. وهي أداة لإجراء التحليلات القائمة على الرسوم البيانية ونظم المعلومات الجغرافية. وهي برمجيات متوفرة في حزم برمجية متعددة، بعضها مرخص وبعضها مجاني. تُنشأ الرسوم البيانية المكانية حيث تمثل الرؤوس والحواف عناصر مكانية، مثل شبكة الرسوم البيانية.

في الحوسبة المكانية، يُعتمد نهجٌ لدمج العالم الحقيقي مع التكنولوجيا الرقمية. عند الحديث عن الحوسبة المكانية، نستخدم مصطلحات مثل الواقع المعزز (AR) والواقع الافتراضي (VR) والواقع المختلط.

المبدأ الأساسي للحوسبة المكانية:

تعتمد هذه التقنية على المبدأ الأساسي لتقنية الصوت والصورة. يُستخدم مصطلح "الصوت والصورة" لربط الصوت بالعنصر المرئي، كما في الأفلام أو المؤتمرات المؤسسية. في المدارس، تُستخدم تقنية الصوت والصورة الحاسوبية لتقديم المعلومات، حيث تعتمد على مزيج من الصوت والصورة.

عملية عمل الحوسبة المكانية

• الرؤية الحاسوبية: هي عملية فهم البرنامج الأولي لمحتوى الصورة - أي ما تعنيه الصورة للإنسان - بدلاً من مجرد مسح وحدات البكسل الخاصة بها كشرط.
• التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي: يُعرف جمع وتحليل البيانات المكانية المطلوبة لتحديد الأنماط وأتمتة الإجراءات باسم التعلم الآلي، أو ML. يُعرف نظام ردود الفعل التلقائية وفقًا للمتطلبات والاقتراحات أيضًا بالذكاء الاصطناعي أو الذكاء الاصطناعي.
• دمج أجهزة الاستشعار: العملية التي تقوم الآلة من خلالها بدمج المعلومات الحسية الأولية من عدة أجهزة استشعار، مثل الكاميرات أو نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، حسب المتطلبات.
• نظام رسم الخرائط المكانية: باستخدام المعلومات التي تم جمعها بواسطة الكاميرات الداخلية أو أجهزة الاستشعار الأخرى، يقوم الكمبيوتر بإنشاء خريطة ثلاثية الأبعاد للمساحة في النظام.
• النظام اللمسي: عندما تتكامل الأداة أو تهتز لإعلام الأشخاص بأنها مكالمة قادمة عبر المستشعر، على سبيل المثال، فهي تتواصل مع البشر من خلال عملية اللمس.
• نظام الروبوتات: استخدام المعلومات المكانية من قبل الروبوتات للتنقل وتنفيذ المهام الأولية؛ يمكن للروبوتات "البديلة" تحسين العمل عن بعد حسب المتطلبات.
• نظام حوسبة الحافة: حوسبة الحافة هي في الأساس ممارسة معالجة البيانات محليًا، على "حافة" الشبكة، بدلاً من نقلها وفقًا للمتطلبات إلى منشأة معالجة بيانات مركزية في النظام.
• إنترنت الأشياء(IoT): تطبيق البيانات المكانية من خلال شبكة داخلية من الأجهزة المادية لفهم محيطها المادي وتحسين التجارب البشرية وفقًا لمتطلبات النظام.

الميزات والفوائد الرئيسية للحوسبة المكانية

يمكن للحوسبة المكانية تحسين عمليات المؤسسات بالطرق التالية:

• مواءمة برمجة الحاسوب مع طريقة تفكير الإنسان في العالم.
• تمكين إنشاء مسارات عمل مادية جديدة.
• دمج البيانات من أنواع متعددة من أجهزة الاستشعار لتبسيط تجربة المستخدم.
• أتمتة عملية إنشاء التوائم الرقمية.
• ربط أتمتة العمليات الروبوتية بالأتمتة المادية.
• توفير طرق جديدة للتفاعل بين الأفراد والروبوتات والمنتجات في الفضاء المادي.
• مساعدة الشركات على قياس أداء اختلافات العمليات المادية.
• تمكين تنسيق عمليات مادية متعددة.
• تحسين تصميم المرافق والعمليات المادية.

حالات استخدام الحوسبة المكانية في الصناعة

تُستخدم الحوسبة المكانية بالطرق التالية:

• يمكن لمرافق التصنيع مراقبة خط الإنتاج خلال كل خطوة من خطوات العملية. وهذا يساعد في تحديد الخطوات المختلفة التي ينطوي عليها تصنيع المنتج. كما يمكنه تحديد متى ولماذا قد تتبع الفرق المختلفة مناهج مختلفة وتأثير ذلك على الوقت والجودة.
• يمكن للمستودعات دمج بيانات الموقع الفعلي للمنتجات مع حركة الروبوتات والعمال الذين يقومون بتعبئة هذه البضائع. وهذا بدوره يساعد في توجيه الموظفين والروبوتات إلى المنتجات. كما يمكن استخدام هذه التقنية لمحاكاة تصميمات مختلفة للمستودعات لتحسين الكفاءة العامة وتقليل إرهاق العمال.
• يمكن لشركات إدارة العقارات استخدام الحوسبة المكانية لإنشاء نموذج لمكتب مع تصميمات مختلفة لتحسين استخدام المساحة.
• يمكن لإدارة المرافق برمجة أنظمة الإضاءة والتحكم البيئي الآلية لضبط الإضاءة والتدفئة والتبريد وفقًا لتفضيلات العمال.
• يمكن للمستشفيات استخدام علامات الموقع لمساعدة الفرق الطبية على أتمتة بيانات المرضى الرئيسية أو توفير معدات خاصة في حالات الطوارئ.
• يمكن للمؤسسات استخدام نماذج ثلاثية الأبعاد للمنتجات المادية لعرض المنتج أو النموذج في كل مرحلة من مراحل التطوير. بالنسبة لتصميم المنتجات، يمكن للمؤسسة اختبار شكل المشروع وبيئة العمل والاستخدام المتوقع في بيئة ثلاثية الأبعاد.
• يمكن للموظفين استخدام سماعات الرأس للتعاون عن بُعد. وهذا يتيح لهم العمل عن بُعد مع إمكانية التعاون فيما بينهم في مساحة مشتركة.
• يمكن لإدارات الموارد البشرية استخدام الحوسبة المكانية لتقليل الوقت اللازم لتدريب الموظفين الجدد أو لتحسين نتائج التدريب والخبرات.

أمثلة على الحوسبة المكانية

فيما يلي أمثلة على الحوسبة المكانية:

• سماعة رأس للواقع المختلط تعرض دليل إصلاح لتوجيه الفني.
• شبكة كاميرات تحاكي عملية إنتاج السيارات تلقائيًا.
• برنامج تحليلات للحوسبة المكانية يدرب الموظفين على كيفية الحد من الحركات الضارة.
• نموذج مكاني لعملية الإنتاج يسمح للمديرين بمحاكاة التغييرات لتحسين العملية.
• برامج تحليلات الإشغال التي تُؤتمت فحوصات سلامة كبار السن لأقاربهم ومقدمي الرعاية.
• مكاتب تُعدّل إضاءة المكاتب وأنظمة التحكم البيئية ديناميكيًا لتناسب كل موظف على حدة.

من أمثلة سماعات الرأس للحوسبة المكانية ما يلي:

• Apple Vision Pro
• Magic Leap
• Meta Quest Pro
• Microsoft HoloLens

مزايا الحوسبة المكانية

• تتيح الحوسبة المكانية للمستخدمين التفاعل مع المحتوى الرقمي في بيئة ثلاثية الأبعاد، كما تتيح أيضًا استخدام الأوامر الصوتية أو الإيماءات لتعديل العناصر والوصول إلى البيانات.
• إنه يقدم تجربة آسرة وغامرة للغاية للتطبيقات الأولية المتعلقة بالتعلم والألعاب والتواصل للمستخدم والنظام.
• ويمكن تطبيقه لتحسين الدقة الشاملة وتبسيط المهام الصعبة للنظام ككل.
• فهو يمتلك القدرة على تغيير كيفية تفاعل الأشخاص مع أجهزة الكمبيوتر أو الأنظمة بشكل كامل وفقًا للمتطلبات، مما قد يؤدي إلى تحسين الخبرات وإجراءات أكثر فعالية للعمليات الأولية.

عيوب الحوسبة المكانية

• العيب الرئيسي للحوسبة المكانية هو تجربة المستخدم. يمكن لبعض تجارب الحوسبة المكانية، خاصة تلك التي تستخدم الواقع المعزز أو الواقع الافتراضي، أن تجعل الأشخاص الذين لا يشاركون بشكل فعال في التجربة غير مرتاحين أو مرتبكين بشأن كيفية معالجة التطبيقات الداخلية.
• يمكن أن تكون التكلفة الإجمالية لتنفيذ تقنيات الحوسبة المكانية أعلى بكثير من التقنيات الأخرى لأن البنية التحتية للأجهزة والبرامج المتخصصة مطلوبة في كثير من الأحيان لمعالجتها وتنفيذها بشكل صحيح.

الحوسبة المكانية مقابل الواقع الافتراضي

يمكن استخدام مصطلح الحوسبة المكانية كمصطلح عام يشمل تقنيات مثل الواقع المعزز والواقع الافتراضي والواقع المختلط.

يحاكي الواقع الافتراضي بيئة ثلاثية الأبعاد تُمكّن المستخدمين من استكشاف بيئة افتراضية والتفاعل معها. تُنشأ البيئة باستخدام أجهزة وبرامج حاسوبية تُعرض عبر سماعة رأس قابلة للارتداء. يعمل الواقع المعزز بطريقة مشابهة، لكن بدلاً من محاكاة بيئة مختلفة، يُضيف محاكاةً فوق بيئات العالم الحقيقي.

يختلف الواقع المعزز والواقع الافتراضي والحوسبة المكانية في أن الحوسبة المكانية تسمح للمحاكاة الرقمية بالتفاعل مع البيئات المادية أو تعديلها ظاهريًا.

على سبيل المثال، سيفهم جسم رقمي مُضاف إلى سماعة الرأس أنه ثابت على طاولة حقيقية. يمكن للمستخدم التجول حول الطاولة في الفضاء الحقيقي لرؤية الجزء الخلفي من الجسم، ثم التقاطه ووضعه على قاعدة حقيقية. يجب أن تكون سماعة الرأس قادرة على تمثيل جسم رقمي، وفهم بيئة العالم الحقيقي المحيطة به والأجسام المادية المجاورة، والتفاعل مع المستخدم أو تلك الأجسام المادية القريبة.

الحوسبة المكانية مقابل الحوسبة الطرفية

على الرغم من تشابه مصطلحي الحوسبة المكانية والحوسبة الطرفية، إلا أنهما يشيران إلى فكرتين عامتين مختلفتين. تدمج الحوسبة المكانية البيانات الرقمية والبيانات الواقعية بطريقة طبيعية، بينما تنقل الحوسبة الطرفية معالجة البيانات إلى مكان أقرب للمستخدم.

الحوسبة الطرفية هي بنية تقنية معلومات موزعة، حيث تُعالج بيانات المستخدم على أطراف الشبكة، بالقرب من مصدرها الأصلي قدر الإمكان.

ببساطة، تنقل الحوسبة الطرفية جزءًا من موارد التخزين والحوسبة من مركز البيانات المركزي إلى مصدر البيانات نفسه. فبدلاً من إرسال البيانات الخام إلى مركز بيانات مركزي للمعالجة والتحليل، يُنفذ هذا العمل في المكان الذي تُولّد فيه البيانات فعليًا.

يمكن اعتبار سماعة رأس الحوسبة المكانية جهاز حوسبة طرفية، على سبيل المثال، إذا تمت معالجة البيانات التي تلتقطها المستشعرات داخل السماعة نفسها بدلاً من إرسالها إلى جهاز منفصل.

مستقبل الحوسبة المكانية

على الرغم من الفوائد المحتملة للحوسبة المكانية، إلا أن نجاح هذه التقنية لا يزال محدودًا. وتواجه سماعات رأس الحوسبة المكانية عادةً المشكلات الثلاث التالية:

• تكلفة الأجهزة: قد تصل تكلفة المستشعرات وقوة المعالجة والمواد اللازمة لبعض سماعات الرأس المكانية إلى بضعة آلاف من الدولارات.
• وزن الجهاز: يؤثر هذا الوزن بشكل مباشر على مدى راحة ارتداء سماعة الرأس أثناء الحركة أو الجلوس.
• التنقل وعمر البطارية: إذا كانت سماعة الرأس لاسلكية، فسيتمتع المستخدم بحرية حركة أكبر، ولكن قد يكون عمر البطارية قصيرًا. وبالمثل، إذا كانت سماعة الرأس سلكية، فسيكون عمر البطارية أطول، ولكن سيُقيّد المستخدم بسلك.

مع ذلك، شهدت هذه التقنيات تطورات حديثة، مما يجعل التجربة أكثر عملية. على سبيل المثال، يمكن لسماعة Apple Vision Pro، التي يُقال إنها قادرة على إحداث ثورة في الحوسبة المكانية، أن تحتوي على عدد من المستشعرات. هذا يجعل تجربة التنقل بها واستخدام إيماءات اليد أكثر سلاسة واستجابة. تستخدم Apple Vision Pro كاميرتين رئيسيتين، وأربع كاميرات موجهة للأسفل، وكاميرتين تعملان بالأشعة تحت الحمراء، وكاميرتين TrueDepth، وكاميرتين جانبيتين، وخمسة مستشعرات أخرى.

الخلاصة

الحوسبة المكانية تقنية جديدة واعدة، تمتلك القدرة على تغيير النظام القائم فيما يتعلق بالمستخدمين وكيفية تفاعلهم مع العالم الرقمي. إذ تُمكّن المستخدمين من التفاعل مع المحتوى الرقمي بطريقة أكثر غامرة وجاذبية، وفقًا لمتطلبات تقنية الحوسبة المكانية. وهذا بدوره يُتيح فرصًا هائلة في مختلف القطاعات والمؤسسات، مثل الألعاب والترفيه والتعليم والتصميم الإبداعي وغيرها الكثير. وفي العديد من الصناعات، تُسهم الحوسبة المكانية في تحسين وتطوير العمل الجماعي والإنتاجية. وتتجاوز آثارها الإيجابية في مختلف القطاعات مجرد الإنتاجية والترفيه.