الواقع الافتراضي والذي يسمى في كثير من الأحيان أيضا البيئات الافتراضية، عبارة عن نماذج من الواجهات التي تستخدم للربط بين الإنسان والكمبيوتر لخلق عالم ثلاثي الأبعاد يتفاعل فيه المستخدم مباشرة مع كائنات افتراضية. وقد حظي مصطلح "الواقع الافتراضي" بالكثير من الاهتمام في السنوات القليلة الماضية، لذا فإننا نرى أنه من المهم أن يكون هذا المفهوم واضحا للقراء، ونحن نعتمد هنا التعريف التالي:
الواقع الافتراضي هو استخدام الانسان لواجهات أجهزة الكمبيوتر لخلق تأثير عام ثلاثي الأبعاد يحتوي على كائنات تفاعلية مع شعور قوي بالتواجد داخل هذه البيئة ثلاثية الأبعاد. في الواقع الافتراضي يشعر المستخدم بأنه منغمس تماما في البيئة وكأنه بالفعل داخل هذا العالم وهو جزء منه وقد ينفصل تماما عن عالمه المادي ويعيش تجربة افتراضية حقيقة.
التمثيل المرئي العلمي Scientific visualization
التمثيل المرئي العلمي Scientific visualization هو استخدام رسومات الحاسوب لخلق الصور المرئية التي تساعد في استيعاب المفاهيم العلمية أو النتائج المعقدة، مثل هذه البيانات العددية، أو مجموعات البيانات. ومن الجائز هنا أن تكون مخرجات عمليات المحاكاة العددية، كما هو الحال في ديناميات الموائع الحسابية (CFD) أو النمذجة الجزيئية ليس كما هو الحال في التطبيقات الجيولوجية أو الفلكية أو بناء الأشكال... غالبا ما تحتوي هذه المحاكاة على بيانات عالية كبيرة الحجم. عرض الظواهر المرتبطة مع هذه البيانات قد ينطوي على هياكل ثلاثية الأبعاد معقدة. تمثيلات الواقع الافتراضي تساعد في عرض لا لبس فيه لهذه الهياكل من خلال توفير مجموعة غنية من الإشارات المكانية ومن خلال واجهات واجهة تسمح للتنقيب السريع في المجلدات التي تحتوي على البيانات، مما يتيح استكشاف الظواهر في أماكن مختلفة متواجدة في وحدة التخزين، فضلا عن توفير أدوات تحكم بسيطة. تطبيقات التمثيل العلمي مجموعة غنية نسبيا بالتطبيقات التي تم تطويرها.
التأثير التفاعلي مع الأشياء، وليس مع صور الأشياء
توفر هذه التمثيلات المرئية الافتراضية ثلاث مزايا رئيسية:
• القدرة على استيعاب مجموعة كبيرة من البيانات بسرعة
• القدرة على استكشاف مناطق غير متوقعة قد تكون ذات فائدة دون خطورة
• القدرة على رؤية العلاقة بين البيانات دون تشتت
ويمكن تلخيص هذه المزايا على أنها التفاعل الذي يشجع الاستكشاف في الوقت الحقيقي. ردود الفعل والاستجابات في الوقت الحقيقي في غاية الأهمية في البيئات الافتراضية. يسمى الفارق الزمنى بين أفعال المستخدم وانعكاسات البيئة الافتراضية بزمن التأخر في الوصول، كما تشير دراسات محاكاة الطيران أن البشر يمكنهم الإحساس بفترات التأخير التي من الممكن أن تكون مدتها أكثر من 50 ميلي ثانية؛ فعندما يكتشف المستخدم ذلك سوف يدرك أن ما يحدث ليس حقيقيا؛ مما يدمر الإحساس بالانخراط داخل البيئة الافتراضية.
متطلبات تطبيقات التمثيل المرئي:
لا توجد قواعد عامة لتلبية متطلبات الأداء لجميع تطبيقات التمثيل المرئي للعلوم، إلا أنه من الممكن الأخذ بعين الاعتبار المتطلبات التالية:
• المتطلبات الحسابية
يتم تحديد المطالب الحسابية في الوقت الحقيقي لنظام التمثيل التفاعلي من خلال تقنيات التمثيل الخاصة المستخدمة في هذا النظام. يعتمد التمثيل على خرائط ترتبط بالأشكال القائمة، على سبيل المثال الشبكات الحسابية تعتمد على متطلبات حسابية قليلة، بينما وضع تصور لسطح القشرة الأرضية Isosurface يقوم على مطالب حسابية كبيرة تعتمد على عدد من النقاط في مجموعة البيانات. إنشاء تصورات مرئية لأي شيء مهما كان بسيطا لابد أن يخضع لمتطلبات حسابية.
• إدارة البيانات
عند التفكير في كيفية وصول البيانات الحالية المتواجدة في أنظمة التخزين إلى واجهات الكمبيوتر، من الممكن أن تكون هناك مشاكل كبيرة في إدارة بيانات التمثيل العلمي لها. ويبدو أن الاستراتيجية الوحيدة الفعالة لإدارة البيانات التي نحتاج إليها أثناء التدريب أو العمل هي أن تكون جميع هذه البيانات المصورة مخزنة في الذاكرة الفعلية. هذه الاستراتيجية تعنى أن استخدام التصورات العلمية في الوقت الحقيقي يعتمد على منصات الأجهزة مع كميات كبيرة من الذاكرة الفعلية. لحسن الحظ، توفر التقنية المتقدمة أحجاما كبيرة من الذاكرة الفعلية؛ إلا أن هذه النظم مكلفة جدا على المدى القصير، كما أن مجموعة البيانات من الممكن أن تنمو بسرعة. وهكذا، فالذاكرة المادية الكبيرة وحدها ليست كافية لحل جميع المشاكل إدارة البيانات.
• التصميم والرسم
لحسن الحظ توفر التقنية العديد من تطبيقات الرسم والتصميم والتي توفر محاكاة بصرية عالية الدقة للعالم الحقيقي تسمح بدمج جميع عناصر الوسائط كالنص والصوت كما توفر بيئة غير خطية تمكن المستخدم من عرض المحتوي وفق ما يرغب، كما أن بالإمكان عمل نقل ومحاكاة عالية الجودة للمشاهد والهياكل المستخدمة مما يعطي البيئة الافتراضية البعد الحسي الحقيقي.
• العروض ثلاثية الأبعاد
التمثيل العلمي يتطلب شاشات معينة لعرض الواقع الافتراضي. الظواهر التي يتم عرضها في تطبيقات التصور العلمي غالبا ما تنطوي على هياكل دقيقة ومفصلة، والتي تتطلب جودة عالية الدقة لعرضها. تقنية 3D تقوم بإرسال صورة بزاوية معينة لكل عين بحيث أن كل عين تستقبل صورة تختلف عن الصورة اللي تستقبلها العين الأخرى وبهذه الطريقة تكون صورة في الدماغ مكونة من الصورتين المستقبلة في العينين وهذه الصورة تكون ذات أبعاد حقيقية كما في الواقع ... وهي في هذا تقوم بنفس طريقة عمل العينين في الواقع. العروض ثلاثية الأبعاد تتم فيها محاكاة الواقع تماما بحيث تكون الأشكال الناتجة منها لها نفس الأبعاد الأساسية الواقعية بالإضافة إلى اللون والخامة، مما يولد الشعور لدي المستخدم بأنه متواجد حقَّـــاً داخل هذا العالم الافتراضي ومرتبط به، ومسئول عنه.
Zspace كمثال للمحاكاة العلمية للجزيئيات البيولوجية
توفر شركة zSpace, Inc. تكنولوجيا متقدمة من شأنها أن تعمل على تحويل مستقبل التفاعل بين الإنسان والكمبيوتر من خلال منصة تفاعلية من الأجهزة والحلول الغامرة للمطورين والمستخدمين والمتدربين والطلبة تمكنهم من التفاعل والإبحار أثناء التعلم بصورة طبيعية وبديهية في وجود بيئة هولوغرافية ثلاثية الأبعاد. أثناء العمل على جهاز zSpace، تتحول أجهزة الحاسوب التقليدية إلى منصات عمل هولوغرافية ممتعة، حيث يتم عرض الأشكال والمجسمات بدرجة من الوضوح لم يسبق لها مثيل. منصة zSpace هي منصة متكاملة توفر تجربة التصور العلمي بدرجة كبيرة من الواقعية بحيث تمكن المتخصصين في العلوم والأبحاث من التفاعل مباشرة مع المحاكاة الافتراضية الثلاثية الأبعاد كما لو كانت الأشياء المادية الحقيقية. تدعم zSpace كل من برنامج PyMOL والذي يعرض تراكيب جزئيات المواد بشكل ثلاثي الأبعاد مطابق للواقع وبرنامج Avogadro والذي يقوم ببناء واستعراض نماذج ثلاثية الأبعاد للجزيئات بسهولة تامة وتحديد بعض من خصائصها الكيميائية مثل الهندسة الفضائية المثلى والطاقة وأنماط الاهتزاز بشكل شبه واقعي .لذا تعتبر منصة Zspace نموذج فعال للتدريس الجزيئيات البيولوجية من خلال:
• من خلال الجمع بين المنصة الافتراضية الثلاثية الأبعاد zSpace مع برمجيات النمذجة PyMOL و Avogadro مما يساعد الطلاب و العلماء والباحثين في الحصول على بيئة مطابقة للواقع تمكنهم من تسهيل مفهوم الجزيئات البيولوجية وإعادة تشكيلها.
• أفوجادرو Avogadro هو منصة مصممة للاستخدام في الكيمياء الحسابية والنمذجة الجزيئية ومجلات ذات صلة بالعلوم الحيوية. يوفر إطارا مرنا ويدعم المطورين بما في ذلك تقديم الأدوات التفاعلية ودعم البرامج النصية وفتح واستيراد الملفات الكيميائية والحزم الحسابية المتعددة والجزيئات
الحيوية.
• PyMOL هو حزمة البرامج المستخدمة على نطاق واسع للتحليل العلمي، وعرض الرسوم البيانية والهياكل التعليمية الجزيئية. يستخدم PyMOL في العديد من المختبرات العالمية بشكل يومي من أجل التمثيل العلمي للجزيئات البيولوجية. من المهم أن ندرك أن التمثيل المرئي العلمي Scientific visualization يجعل من تعليم العلوم أكثر سهولة ويوفر الوسائل للبحث العلمي الأصيل. وهو يعمل كمحفز لتوليد خطوط جديدة للبحث العلمي، والدفع فيما وراء حدود رسومات الحاسوب، وبالتالي إنتاج أساليب جديدة للتمثيل.
