کالبدشکافی کینکت ایکس‌باکس ۳۶۰: نگاهی به درون چشم جادویی مایکروسافت

بالاخره کینکت، نماینده پرقدرت مایکروسافت در دنیای بازی‌های حرکتی، روی میز کالبدشکافی ماست. جالب است بدانی که مایکروسافت در زمان طراحی، اسم رمز Natal را برای این پروژه انتخاب کرده بود.

اصلا فکر نکن که با یک کپی ساده از کنترلرهای حرکتی قبلی طرف هستی. کینکت نتیجه سرمایه‌گذاری‌های عظیم و تحقیقات طولانی مایکروسافت در زمینه تشخیص حرکت و پردازش تصویر است که آن را کاملا متمایز می‌کند.

برخلاف کنترلرهایی که باید در دست بگیری، کینکت یک سیستم سنسور فوق‌هوشمند است. این دستگاه گوشه‌ای از اتاق قرار می‌گیرد و با دقت بی‌نظیری تمام حرکات تو را در یک فضای سه‌بعدی اسکن و تحلیل می‌کند.

نحوه کارکرد این سنسورها به قدری جذاب است که مقالات زیادی درباره‌اش نوشته شده، اما ما اینجا قصد نداریم تئوری‌ها را تکرار کنیم. هدف ما این است که دل‌وروده سخت‌افزار را بیرون بکشیم و ببینیم این جادو چطور کار می‌کند.

بیایید نگاهی به سیر تکامل کنترلرهای کنسول‌های بازی بیندازیم تا ببینیم چقدر پیشرفت کرده‌ایم. از بالا به پایین در تصویر، مجموعه‌ای از کنترلرهای تاریخ‌ساز را می‌بینی: در ردیف اول، کنترلر کلاسیک Xbox Controller S در کنار کینکت مایکروسافت قرار گرفته است. در ردیف وسط، هدست جالب Nintendo Virtual Boy و کنترلر حرکتی Wiimote از نینتندو خودنمایی می‌کنند.

و در ردیف پایین، کنترلر نوستالژیک و اصلی Sony PlayStation کنار PlayStation Move قرار دارد. خیلی هیجان‌انگیز است که دیگر به جای ارتقای مداوم قدرت پردازشی، در حال ارتقای سنسورها هستیم تا کامپیوترها بتوانند درک بهتر و عمیق‌تری از حرکات و محیط اطراف ما داشته باشند.

وصل کردن کینکت به ایکس‌باکس دقیقا مثل نصب کردن سیستم سونار روی یک زیردریایی است. قبلا هم می‌شد با کنسول کار کرد، اما حالا دستگاه دقیقا محیط اطرافش را می‌بیند و درک می‌کند.

اول از همه یک پد لاستیکی زیر پایه کینکت قرار دارد که پیچ‌ها را مخفی کرده است. حالا وقت آن است که این پد را جدا کنیم تا راه برای ورود به داخل دستگاه باز شود.

پایه موتوردار کینکت وظیفه دارد تا نوار بالایی سنسورها را بچرخاند و وقتی در اتاق حرکت می‌کنی، تو را دنبال کند. این قابلیت روی کاغذ عالی است، اما قطعات مکانیکی متحرک همیشه اولین گزینه‌هایی هستند که احتمال خرابی بالایی دارند.

پایه پلاستیکی دستگاه با چهار عدد پیچ ستاره‌ای T6 در جای خود محکم شده است. اول با پیچ‌گوشتی مناسب این چهار پیچ را باز می‌کنیم.

وقتی پایه پلاستیکی را برمی‌داریم، با چهار پیچ چهارسو دیگر روبه‌رو می‌شویم که آن‌ها هم باید باز شوند تا بتوانیم به مراحل بعدی کالبدشکافی برسیم.

روی یکی از قطعات می‌بینیم که مایکروسافت نسخه این بورد را تا حرف H ارتقا داده است. واقعا جای سوال است که نسخه‌های A تا G دقیقا چه تغییراتی داشتند و چرا به تولید نهایی نرسیدند!

با باز کردن پایه، موتور و چرخ‌دنده‌های کینکت خودشان را نشان می‌دهند. راستش را بخواهی، این ساختار خیلی مقاوم و جان‌سخت به نظر نمی‌رسد.

یک موتور الکتریکی بسیار کوچک به همراه سه چرخ‌دنده پلاستیکی و ظریف در این بخش قرار دارد. اگر مشکل داغ شدن بیش از حد دستگاه را در نظر نگیریم، به احتمال خیلی زیاد همین چرخ‌دنده‌های پلاستیکی نقطه ضعف اصلی کینکت در طول زمان خواهند بود.

هشدار مهم: هیچ‌وقت کینکت را با دست و به زور تغییر زاویه نده! این کار به راحتی چرخ‌دنده‌های پلاستیکی موتور را می‌شکند. همیشه اجازه بده دستگاه خودش کالیبره شود و زاویه‌اش را تنظیم کند.

با استفاده از یک اسپاجر فلزی و کمی فشار حساب‌شده، موفق شدیم شبکه پلاستیکی زیر دستگاه را جدا کنیم. این مرحله اصلا راحت نیست، چون مایکروسافت دست‌ودلبازی کرده و مقدار زیادی چسب برای محکم کردن آن به کار برده است. تیم مهندسی مایکروسافت کینکت را بر اساس طراحی پایه شرکت PrimeSense ساخته است که یک سیستم پیشرفته برای درک محیط است.

در زمان ساخت این دستگاه، مایکروسافت هنوز PrimeSense را نخریده بود. این موضوع نشان می‌دهد با وجود سخت‌افزار قوی، این نرم‌افزار خود مایکروسافت است که بار اصلی پردازش را به دوش می‌کشد و داده‌های خام را به یک نقشه سه‌بعدی از تو تبدیل می‌کند.

مایکروسافت برای بستن قاب اصلی از پیچ‌های امنیتی ستاره‌ای T10 استفاده کرده است تا باز کردن آن را برای کاربران عادی سخت کند. تا همین‌جای کار ما با سه مدل پیچ مختلف درگیر بودیم و هنوز حتی قاب اصلی را کامل باز نکرده‌ایم!

جالب است بدانی که آن برچسب معصومانه و سادهٔ Xbox 360 فقط برای زیبایی نیست؛ بلکه سومین پیچ امنیتی در هر طرف کینکت دقیقا زیر همین برچسب‌ها پنهان شده است.

عالی شد! قاب رویی جدا شد و حالا تازه قسمت هیجان‌انگیز و اصلی کالبدشکافی ما شروع می‌شود. از آنجایی که کنسول ایکس‌باکس بیشتر توان پردازشی‌اش را برای اجرای روان بازی‌ها نیاز دارد، کینکت خودش پیش‌پردازش تصاویر را انجام می‌دهد. این سنسور تمام داده‌های شلوغ اتاق تو را می‌گیرد و فقط یک تصویر رنگی به همراه یک نقشه عمق ترتمیز به کنسول می‌فرستد.

طراحی باریک و کشیده کینکت باعث شده تا مایکروسافت نتواند از یک بورد بزرگ استفاده کند. به جای آن، سه بورد مجزا طراحی شده که مثل یک ساختمان سه‌طبقه روی هم سوار شده‌اند.

در یک طرف کینکت یک فن خنک‌کننده کوچک تعبیه شده است. طراحی مسیر هوا به این شکل است که فن، هوای تازه را از یک طرف می‌کشد و پس از عبور از روی قطعات گرم، آن را از سمت دیگر خارج می‌کند.

بالاخره به چشم‌های جادویی کینکت رسیدیم؛ قطعاتی که تمام این تکنولوژی بر پایه آن‌ها بنا شده است. در این بخش دو دوربین مجزا و یک ساطع‌کننده اشعه فروسرخ (IR) قرار دارد که در کنار هم کار می‌کنند. لنز سمت چپ: سنسور CMOS فروسرخ ساخت مایکروسافت با شماره مدل X853750001 / VCA379C7130. لنز وسطی: سنسور تصویر رنگی CMOS با شماره مدل VNA38209015.

لنز سمت راست: پروژکتور فروسرخ با مشخصات OG12 / 0956 / D306 / JG05A.

دقت کن که این عکس از حالت وارونه دستگاه گرفته شده است. بنابراین وقتی از روبه‌رو به کینکت در حالت عادی نگاه کنی، جای این لنزها برعکس چیزی است که در تصویر می‌بینی.

این‌ها دوربین‌های کوچک و ساده‌ای که در موبایل‌ها می‌بینی نیستند. ابعاد و ساختار آن‌ها بیشتر شبیه وب‌کم‌های حرفه‌ای است که لنزهای بزرگ‌تری دارند و از سیستم فوکوس خودکار بهره می‌برند.

با اینکه هنوز نتوانستیم خودمان رزولوشن دقیق این سنسورها را تست کنیم، اما طبق اطلاعات منتشر شده، دوربین فروسرخ کیفیت 320x240 و دوربین رنگی کیفیت 640x480 پیکسل دارد.

این نمودار مربوط به معماری PrimeSense است و نشان می‌دهد که این پلتفرم پایه‌ای دقیقا چطور محیط را درک می‌کند. کینکت اولین و تنها دستگاهی است که به صورت تجاری از این سیستم استفاده کرده است.

روند کار به این شکل است که یک دوربین همراه با فرستنده فروسرخ داده‌های مربوط به عمق و فاصله را ثبت می‌کنند. هم‌زمان، دوربین سوم با رزولوشن 640x480 طیف نوری مرئی را تشخیص می‌دهد تا تصویر رنگی را بسازد.

گفته می‌شود این سیستم می‌تواند از فاصله دو متری، مسافت‌ها را با خطای کمتر از یک سانتی‌متر اندازه‌گیری کند. البته در بررسی‌های اولیه دیدیم که در دنیای واقعی و شرایط اتاق خانه‌ها، هنوز به این حد از دقت رؤیایی نرسیده‌ایم.

هر چهار میکروفون کینکت که برای تشخیص صدا استفاده می‌شوند، فقط از طریق یک کابل فلت واحد به مادربرد متصل شده‌اند تا فضای کمتری اشغال کنند.

حالا با جدا کردن سه کانکتور فلت و باز کردن هفت پیچ امنیتی T10، می‌توانیم بورد بالایی را به راحتی از دو بورد دیگر که در طبقات پایین‌تر هستند جدا کنیم.

برای جدا کردن هیت‌سینک (خنک‌کننده) از روی مادربرد، اول باید با استفاده از یک سشوار صنعتی چسب حرارتی زیر آن را کمی گرم کنیم. بعد از آن، با یک اسپاجر می‌شود هیت‌سینک را بدون دردسر خاصی از روی بورد بلند کرد.

به مغز متفکر کینکت خوش آمدی! روی این بورد قطعات مهمی قرار دارد که در ادامه اصلی‌ترین چیپ‌ها را با هم بررسی می‌کنیم.

← قطعه ST Microelectronics WM8737G: این چیپ یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) استریو است که پیش‌تقویت‌کننده میکروفون را هم درون خود دارد.

← قطعه Fairchild Semiconductor FDS8984: این یک ماسفت (MOSFET) نوع N-Channel از سری PowerTrench است که در مدار تغذیه کاربرد دارد.

← قطعه NEC uPD720114: کنترلر هاب USB 2.0 که وظیفه مدیریت ارتباطات دیتا را بر عهده دارد.

← قطعه H1026567 XBOX1001 (پکیج SAP با ابعاد 6 در 4.9 میلی‌متر): این قطعه احتمالا یک حافظه فلش SPI است، شاید هم ساخت شرکت Atmel باشد.

قطعه Marvell AP102: یک سیستم-روی-چیپ (SoC) که به عنوان کنترلر رابط دوربین‌ها عمل می‌کند.

← قطعه Hynix H5PS5162FF: این حافظه، یک رم 512 مگابیتی از نوع DDR2 SDRAM است که به پردازش سریع داده‌های تصویری کمک می‌کند.

← قطعه Analog Devices AD8694: یک تقویت‌کننده عملیاتی (آپ‌امپ) چهارگانه و کم‌نویز با خروجی Rail-to-Rail است.

← قطعه TI ADS7830I: مبدل آنالوگ به دیجیتال 8 بیتی با 8 کانال مجزا که از رابط I2C پشتیبانی می‌کند.

← قطعه Allegro Microsystems A3906: درایور ولتاژ پایین که وظیفه کنترل موتور پله‌ای (Stepper) و موتورهای DC کینکت را بر عهده دارد.

← قطعه ST Microelectronics M29W800DB: حافظه فلش 8 مگابیتی از نوع NV که کدهای سیستمی را در خود ذخیره می‌کند.

قطعه PrimeSense PS1080-A2: قلب تپنده پردازش تصویر؛ این SoC وظیفه پردازش سنسور تصویر و خلق آن جادوی سه‌بعدی را به دوش می‌کشد.

← روی این بورد، دقیقا در مرکز، یک کنترلر صوتی USB مدل TAS1020B قرار گرفته که وظیفه مدیریت داده‌های صوتی را دارد.

← یک شتاب‌سنج (Accelerometer) از نوع MEMS ساخت Kionix هم اینجاست. کینکت از این قطعه برای تشخیص شیب و زاویه دستگاه و شاید لرزش‌گیر تصویر استفاده می‌کند. همچنین با این سنسور می‌فهمد که آیا کسی دستگاه را با دست جابه‌جا کرده است یا خیر.

هر چقدر بیشتر در دل قطعات کینکت فرو می‌رویم، بیشتر از ظرافت مهندسی این دستگاه شگفت‌زده می‌شویم. در این مرحله اسکلت فلزی محافظ را بیرون می‌آوریم تا به بخش پایینی و میکروفون‌ها دسترسی پیدا کنیم.

اینجا توانستیم سه تا از چهار میکروفون مخفی شده در ساختار کینکت را پیدا کنیم. در مجموع چهار میکروفون در این دستگاه وجود دارد که همه آن‌ها رو به پایین طراحی شده‌اند؛ سه میکروفون در سمت راست و یک میکروفون در سمت چپ قرار دارد.

مهندسان مایکروسافت به این نتیجه رسیده‌اند که بهترین جهت برای دریافت بهینه‌ترین صدای محیط و حذف نویزها، قرار دادن میکروفون‌ها رو به سمت پایین است.

کینکت برای اینکه بتواند دستورات صوتی تو را دقیق متوجه شود، باید صدای اتاق را کالیبره کند. به همین دلیل اگر روزی دکوراسیون و چیدمان مبل‌های اتاقت را تغییر دادی، حتما باید یک بار دیگر مراحل کالیبره کردن صدا را در تنظیمات کنسول انجام دهی.

این بورد با چهار پایه فاصله‌انداز (Standoff) در جای خود محکم شده است. ما برای باز کردن آن‌ها از دم‌باریک استفاده کردیم، اما اصولا یک پیچ‌گوشتی بکس 5 میلی‌متری ابزار استاندارد و مناسب برای این کار است.

تکنولوژی سنسورهای کینکت آن‌قدر پیشرفته و جذاب است که بسیاری از برنامه‌نویسان و علاقه‌مندان به رباتیک، به دنبال نوشتن درایورهای متن‌باز برای آن هستند تا بتوانند از این دوربین سه‌بعدی در پروژه‌های رباتیک خودشان استفاده کنند.

بالاخره موفق شدیم کابل ضخیم دیتا و پاور را از پوسته اصلی کینکت آزاد کنیم. مایکروسافت از یک کانکتور شبیه به USB برای کینکت استفاده کرده است. دلیل این طراحی این است که کینکت حدود 12 وات برق مصرف می‌کند، در حالی که یک پورت USB استاندارد نهایتا می‌تواند 2.5 وات انرژی تأمین کند.

در میان این همه سنسور پیچیده و قطعات مختلف، یک ال‌ای‌دی کوچک هم پیدا کردیم که همان چراغ نشانگر وضعیت کینکت است و جلوی دستگاه روشن می‌شود.

با باز کردن چند پیچ دیگر که نگهدارنده سنسورها هستند، دو دوربین اصلی و فرستنده فروسرخ به راحتی از روی شاسی فلزی بلند می‌شوند.

بین پروژکتور فروسرخ و شاسی فلزی، یک قطعه دیگر ساندویچ شده است. این قطعه به احتمال زیاد یک سیستم خنک‌کننده ترموالکتریک است که برای کنترل دمای پروژکتور IR استفاده می‌شود.

حالا می‌توانی دو دوربین و پروژکتور فروسرخ کینکت را به وضوح در کنار هم ببینی. مایکروسافت با قرار دادن دوربین تشخیص عمق و دوربین رنگی در یک فاصله حساب‌شده از هم، کاری کرده که کینکت بتواند بلافاصله اشیای واقعی را پردازش کرده و در یک محیط سه‌بعدی روی تصویر صفحه نمایش ترکیب کند.

از آنجایی که تو در کینکت هیچ دکمه‌ای برای فشار دادن نداری و همه‌چیز فقط با فرمان‌های صوتی و حرکات بدن کار می‌کند، تمام بار سیستم ورودی این دستگاه روی دوش همین مجموعه سنسورها، یعنی دوربین‌ها و میکروفون‌ها قرار گرفته است.

خب، کالبدشکافی کینکت ما هم به پایان رسید و تمام قطعات این سیستم هوشمند روی میز چیده شده است. دیدیم که مایکروسافت چه مهندسی جالبی برای خلق یک سنسور حرکتی سه‌بعدی به کار برده است.

امیدواریم از این کالبدشکافی لذت برده باشی. اگر تو هم عاشق دیدن دل‌وروده گجت‌های جدید هستی، حتما اپلیکیشن آیسی‌مدار را نصب کن تا همیشه به جدیدترین بررسی‌ها و آموزش‌های سخت‌افزاری دسترسی داشته باشی. امتیاز تعمیرپذیری مایکروسافت کینکت: 5 از 10 (عدد 10 یعنی راحت‌ترین حالت برای تعمیر).

← یکی از نکات مثبت این است که طراحی دستگاه کاملا ماژولار است. یعنی اگر یک قطعه مثل موتور خراب شود، تعویض آن به صورت جداگانه کار سختی نیست.

← برای باز کردن کینکت به هیچ وجه نیازی به هویه و لحیم‌کاری نداری و همه‌چیز با پیچ و کانکتور متصل شده است.

← با وجود ماژولار بودن، به خاطر تعداد بسیار زیاد قطعات ریز و درشت، کالبدشکافی و جمع کردن دوباره این دستگاه به دقت و حوصله بالایی نیاز دارد.

← مایکروسافت برای این دستگاه از چهار مدل پیچ مختلف استفاده کرده که شامل پیچ‌های اعصاب‌خردکن امنیتی هم می‌شود (T6، T10 معمولی، T10 سوراخ‌دار و چهارسو).

← از آنجا که مایکروسافت هیچ راهنمای تعمیرات رسمی برای کینکت منتشر نکرده است، عیب‌یابی و تعمیر آن برای تعمیرکاران بدون داشتن نقشه مسیر، یک چالش جدی محسوب می‌شود.