Spectrally Enriched 3D Models for Representation and Interpretation of Elemental Data in Augmented Reality

تخيل أنك تمسك في يديك قطعة أثرية هشة تعود لقرون مضت. قد تكون كسرة من سيراميك مطلي، أو قطعة مجوهرات رقيقة، أو نموذجاً نباتياً مصنوعاً من الورق والغراء. لفهم ماهية المادة التي صُنعت منها، غالباً ما يستخدم العلماء تقنية تُسمى "مطيافية الانهيار المستحث بالليزر". تعمل هذه الطريقة عن طريق إطلاق نبضات ضوئية دقيقة وعالية الطاقة على سطح الجسم. تقوم كل نبضة بتبخير كمية مجهرية من المادة، مما يخلق ومضة عابرة من البلازما تكشف عن العناصر الكيميائية الموجودة في تلك النقطة تحديداً. إنها أداة قوية للكشف عن تاريخ المواد، بدءاً من تحديد الأصباغ القديمة وصولاً إلى اكتشاف المعادن النادرة. ومع ذلك، هناك عقبة: العملية تترك حفرة صغيرة حيث أصابها الليزر. فإذا أراد عالم رسم خريطة للسطح بأكمله ليرى كيف يتغير تركيب المادة من منطقة إلى أخرى، فعليه إطلاق آلاف من هذه النبضات. وعلى سطح مسطح وصلب، قد يكون هذا مقبولاً، ولكن على جسم هش أو منحني أو ثلاثي الأبعاد، يمكن أن يؤدي التأثير التراكمي لآلاف الحفر الصغيرة إلى إحداث ضرر مرئي، مما يغير الشيء ذاته الذي يحاول الباحثون دراسته.

التحدي، إذن، يكمن في تعلم كل ما هو ممكن عن التركيب الكيميائي لجسم ما دون تدميره. بالنسبة للأجسام المسطحة، طور الباحثون حيلة ذكية: يأخذون صورة فوتوغرافية، ثم يستخدم الحاسوب لتجميع الألوان المتشابهة معاً، وبعد ذلك يطلقون الليزر فقط على نقاط ممثلة لكل مجموعة. هذا يقلل عدد الضربات بشكل كبير. لكن هذا النهج ينهار عندما لا يكون الجسم مسطحاً. فالصورة الفوتوغرافية تُسطّح العالم، وتخفي المنحنيات والنتوءات والزوايا المخفية للجسم الحقيقي. إذا حاولت رسم خريطة لسطح منحني باستخدام صورة مسطحة فقط، فقد تجمع بين منطقتين تبدوان متشابهتين في الصورة ولكنهما في الواقع متباعدتان في الجسم الحقيقي، أو قد تفقد تفصيلاً حاسماً مخفياً في ظل أو في انحناء مقعر. ولحل هذه المشكلة، طور فريق من الباحثين في معهد (INESC TEC) وجامعة بورتو في البرتغال طريقة جديدة لتحليل هذه الأشكال المعقدة. لقد تجاوزوا الصور المسطحة وابتكروا نظاماً يفهم الشكل الثلاثي الأبعاد الحقيقي للجسم، مما يسم يسمح لهم برسم خريطة كيميائية لسطحه بعدد أقل بكثير من ضربات الليزر وبمخاطر أقل بكثير للتلف.

اختبر الباحثون طريقتهم الجديدة على جسم دقيق ومحدد: نموذج من الورق المعجن (papier-mâché) يعود للقرن التاسع عشر يمثل فطر "أمانيتا موسكاريا" (Amanita muscaria)، وهو محفوظ في متحف التاريخ الطبيعي والعلوم بجامعة بورتو. يتكون النموذج من قطعتين منفصلتين، ساقه وقبعته، وقد صُنع في الأصل لأغراض العرض التعليمي. ولأن المادة هشة ولأن الجسم له شكل مستدير معقد، فقد كان مرشحاً مثالياً لهذه التجربة. بدأ الفريق بإنشاء "توأم رقمي" دقيق للفطر. وباستخدام ماسح ضوئي ثلاثي الأبعاد يسقط ضوء ليزر أزرق، التقطوا الهندسة الدقيقة للجسم وملمس سطحه. أنتجت هذه العملية نموذجاً رقمياً مفصلاً يتضمن ليس فقط الشكل، بل أيضاً اللون وتفاصيل السطح الدقيقة، والمخزنة كخريطة نسيج عالية الدقة ملفوفة حول الشكل ثلاثي الأبعاد.

ومع الحصول على النموذج الرقمي، واجه الفريق مهمة تحديد مكان إطلاق الليزر. فبدلاً من النظر إلى صورة فوتوغرافية مسطحة، نظروا مباشرة إلى النموذج ثلاثي الأبعاد. استخدموا خوارزمية حاسوبية لتقسيم سطح الفطر إلى آلاف الرقع الصغيرة غير المنتظمة التي تسمى "السوبر بكسل" (superpixels). ومن الأهمية بمكان أن الخوارزمية لم تنظر إلى اللون فحسب؛ بل أخذت في الاعتبار أيضاً الموقع الفيزيائي لكل رقعة في الفضاء ثلاثي الأبعاد. لقد ضمنت أن رقعة حمراء على قبعة الفطر لا تُجمع مع رقعة حمراء على الساق إذا كانتا متباعدتين في الواقع، حتى لو بداتا متشابهتين في صورة مسطحة. أدت هذه الخطوة إلى إنشاء خريطة للجسم تحترم هندسته الحقيقية، وتحافظ على الحدود بين الأجزاء المختلفة للفطر مع إبقاء السطح مقسماً إلى مناطق متماسكة يمكن إدارتها.

بمجرد تقسيم السطح إلى هذه الرقع المدركة هندسياً، قام الفريق بتبسيط البيانات. حيث حسبوا متوسط اللون لكل رقعة، ثم جمعوا الرقع في مجموعات أكبر بناءً على مدى تشابه ألوانها. قللت هذه العملية من تعقيد سطح الفطر من ملايين البكسلات الفردية إلى عدد أصغر بكثير من المناطق المتميزة. كانت النتيجة هي عملية تجزئة حددت المناطق البصرية الرئيسية للجسم، مثل القبعة الحمراء ذات البقع البيضاء والساق البيضاء، مع احترام المنحنيات والتضاريس الخاصة بالنموذج الفيزيائي. ومن كل مجموعة من هذه المجموعات النهائية، اختار الباحثون نقطة واحدة أو بضع نقاط ممثلة فقط لتحليلها بالليزر.

أدت هذه الاستراتيجية إلى تقليل هائل في عدد ضربات الليزر المطلوبة. فبدلاً من مسح السطح بالكامل بأكثر من 221,000 نقطة محتملة، وهو ما كان سيترك الورق المعجن الهش مليئاً بالحفر، اختار الفريق 40 ضربة محددة فقط. وكانت هذه الضربات الأربعون كافية لالتقاط المعلومات الكيميائية الأساسية للجسم بأكمله. ومن خلال تحليل الضوء المنبعث من هذه النقاط القليلة، استطاعوا استنتاج التركيب العنصري للمناطق المحيطة بكل مجموعة. كما تم ضبط نبضات الليزر عند مستوى طاقة منخفض، مما خلق بقع استئصال يبلغ قطرها حوالي 300 ميكرومتر فقط، مما يضمن أن الضرر مجهري وموضعي.

تمثلت الخطوة الأخيرة في إعادة هذه البيانات إلى الحياة بطريقة يسهل فهمها. قام الفريق برسم نتائج ضربات الليزر الأربعين على النموذج الرقمي ثلاثي الأبعاد. ثم استخدموا تقنية الواقع المعزز لتصور النتائج. ومن خلال ارتداء سماعة رأس متخصصة، يمكن للمستخدم النظر إلى الفطر الرقمي العائم في الفضاء ورؤية المجموعات الكيميائية المختلفة مظللة مباشرة على سطحه. سمحت الواجهة لهم بتدوير النموذج، والتقريب، واختيار عناصر محددة لرؤية أين توجد. وفر هذا عرضاً مرتبطاً مكانياً، مما سمح للخبراء وغير الخبماء على حد سواء برؤية كيفية ارتباط التركيب الكيميائي بالشكل الفيزيائي والملمس بدقة.

تثبت هذه الدراسة أنه من الممكن توسيع فوائد أخذ العينات الذكي من الصور المسطحة ثنائية الأبعاد إلى الأجسام المعقدة ثلاثية الأبعاد. ومن خلال دمج الهندسة الفعلية للجسم في التحليل، يمكن للباحثين تجنب التشوهات والأخطاء التي تأتي من تسطيح سطح منحني. لا يوفر هذا النهج الوقت فحسب؛ بل يغير بشكل جذري العلاقة بين التحليل والحفظ. فهو يسمح للعلماء بجمع بيانات كيميائية غنية ومفصلة مكانياً من القطع الأثرية الهشة دون تعريضها للضرر التراكمي لمسح كامل. ويقترح هذا العمل مساراً جديداً لعلم التراث الثقافي، حيث تُعطى الأولوية لسلامة القطعة، وحيث يتم تكييف أدوات التحليل مع الطبيعة الحقيقية ثلاثية الأبعاد للعالم الذي نحاول فهمه.