دنياي امروز علم و تكنولوژي به سمت به كارگيري هرچه بيشتر كامپيوتر در فن آوري هاي گوناگون سوق پيدا كرده است. حقيقت مجازي به عنوان يكي از كاربردهاي كامپيوتر در دهه اخير كاربردهاي فرآواني در زمينه هاي گوناگون مهندسي به خصوص مهندسي مكانيك پيدا كرده است. نرم افزارهاي شبيه ساز نيز به نوبه خود سبب افزايش دقت و سرعت تحليل هاي مهندسي گرديده اند. در تحقيق حاضر قصد بر استفاده و توصعه اين دو مفهوم به هم آميخته در فرآيند ماشين كاري توسط ماشين كنترل عددي (CNC) بوده است، به گونه اي كه از اين دو فن آوري در جهت يادگيري هرچه بيشتر ، پرشورتر و تأثير گذارتر دانشجويان در فرآيند ماشينكاري استفاده گردد. استفاده از اين دو تكنولوژي در آموزش فرآيندهاي مهندسي به خصوص در شاخه ساخت و توليد سبب افزايش كمي و كيفي آموزش مهندسي مي گردد.

تعریف حقیقت مجازی

محیط های سه بعدی تقابل پذیر رایانه ای که به صورت کامل در حافظه یک کامپیوتر جای می گیرند. نخست توسط جانسون لایز(Janson Liner ) دانشمند آمریکایی و پدر حقیقت مجازی در سال ۱۹۸۹ معرفی گردید که پس از ان با حصول موفقیت ها و پیشرفتهای دیگر در این زمینه، نام های متعددی نیز در نظر گرفته شد. از نام های دیگر حقیقت مصنوعی است که توسط مایرون کروگر( Mayron Krueger) انتخاب شد.

حقیقت مجازی به سه سطح انتخاب می شود:

▪ سطح انفعالی( Level of interaction) :

تجربه هایی که در زندگی روزمره با آن مواجهیم. ( تماشای تلویزیون، خواندن کتاب و ....).

▪ سطح اکتشافی ( Level of exploration ) :

گردش در یک محیط مجازی از طریق صفحات مانیتور کامپیوترها .

▪ سطح شناور( Level of immersion ) :

مرحله کامل حقیقت مجازی که کاربر تقابل کاملی بل آن دارد و تقریبا برای تمام حواس شبیه شازی صورت می گیرد و دیگر کاربر مستقیما بر روی محیط مجازی تاثیر می گذارد.

در این جا به بررسی نحوه ی شبیه سازی حس های بینایی، شنوایی و لامسه توسط این فناوری می پردازیم.

سیستم بینایی

بینایی انسان سیستم ارتباطی انتقال اطلاعات از محیط پیرامونی است. این سیستم پردازش اطلاعات را به دوصورت هوشیار و نیمه هوشیار انجام می دهد. در روش نیمه هوشیار انسان با با قدرت بینایی در درک نور، رنگ، شکل و حرکت اجسام و اشیا سروکار دارد. در حالی که در روش هوشیار شخص باید قدرت پردازش داشته باشد که این یک پیش زمینه و یا مهارت در خواندن نیاز دارد.

عواملی مانند زمینه ی دید، نسبت بهنگام شدن تصاویر(Ract Refreshing) و پیگیری چشم قدرت بینایی در محیط مجازی را فراهم می سازد. در این جا بایستی نسبت تازه شدن تصویر بخه حدی باشد که آن ها را ثبت و یا استفاده از تصاویر جداگانه ی ثبت شده موجب تداعی حرکت در ذهن شود، هم چنین آن دسته از اشیا که در معرض مستقیم دید نیستند با استفاده از قدرت پیگیری چشم بدون حرکت مشاهده شود.

HMD(Head Mounted Display) برجسته ساز شاخص ترین ابزاری است که در حقیقت مجازی مورد استفاده قرار می گیرد. این ابزار که نخستین بار در سال ۱۹۶۸ توسط ساوترلند سورد(Suther LandSword) در دانشگاه هاروارد ساخته شد دارای سه نوع برجسته ساز، یک چشمی و دو چشمی است.HMD ساوترلند سورد از سقف آویزان بود و کاربر بدون قراردادن آن بر روی چشم تصاویری را می دید.

 سیستم شنوایی

در این قسمت ابتدا در مورد ساختار گوش مختصری اشاره می نماییم. گوش انسان از قسمت بیرونی – میانی – و درونی تشکیل شده است. گوش بیرونی وظیفه ی هدایت امواج صوتی به کانبال شنوایی را به عهده دارد که در آن امواج به پرده ی صماخ گوش برخورد می کنند و موجب ارتعاشات مکانیکی می شود. در گوش میانی انشان سه استخوان باریک وجود دارند. استخوان های سندانی، چکشی، و رکابی که یک فضای خلا را ایجاد تا صدای ضعیف تقویت شوند. در هنگام ورود صداهای بلند، استخوان رکابی چرخیده و پرده ی گوش را منقبض نموده تا ضعیف شوند. اما گوش درونی وظیفه دارد تا ارتعاشات مکانیکی را به علائم الکتروشیمیایی تبدیل نموده تا در مغز پردازش شود.

پروسهس فوق سیستم شنوایی انسان را تشکیل میدهد. این مهم در دنیای مجازی متفاوت است. در سیستم ها حقیقت مجازی صداهای رایانه ای ایجاد شده و بااستفاده از صداهای سه بعدی صداها در محیط های شبیه سازی شده پیاده سازی می شوند.

برای قرار گرفتن کاربر در محیط سه بعدی از صداهای ضبط شده برای تولید HRTF( Head Related Transfer Rate) استفاده می شود. یک سیستم صوتی مجازی علاوه بر انتشار دائم صدا، در محیط سه بعدی می بایست به یافتن مکان و جهت صوت بپردازد.

برای مثال شرکت مهندسی Crystal River نمونه ای از سیستم سه بعدی پیچشی (Convolvotron) ابداع نمود. در این سیستم با استفاده از HRTF جلوه های سه بعدی مناسب ایجاد می شود. در سیستم پردازش صوت مجازی ( Virtual Audio Processing System) VAPS از فنون ضبط صدای غیر تعاملی و فنون پردازش پیچشی برای تولید صدای ضبط شده و یا زنده استفاده می شود. اخیرا در زمینه ی ردیابی نور در تصاویر رایانه ای فعالیت هایی آغاز شده است.

 سیستم لامسه

حس لامسه ی انسان از سیستم بساوایی(Tactile) استفاده می نماید. برای درک ضربه از یک سو تقابل عضلانی (Muscle Transaction) اطلاعات مربوط به حس لامسه را به مغز ما منتقل می سازد. به مفهوم دیگر اطلاعات در مورد یک شیئ، مقاومت در برابر حرکت، وزن و استحکام شیئ و.... را به مغز منتقل می کند. از سوی دیگر گیرنده ای مکانیکی اطلاعاتی در خصوص شکل، الگو و حرارت را ارائه می کنند و در حقیقت مجازی ابزارهای انتقال قدرت و عکس العمل برای شبیه سازی سیستم لامسه ی طبیعی به کار می روند. برای این کار ابزارهای مختلفی ارائه شده اند. به عنوان نمونه ماشین Argonne با استفاده از یک بازوی مکانیکی و موتورهای کوچک عمل و عکسالعمل را شبیه سازی می کنند.

از دیگر ابزارها، دستکش های انتقال دهنده ی ضربه است که ۲ نوع می باشد یکی پس از حصول اطلاعات لمسی با استفاده از آرایه ای از مقاومت های حساس به ضربه اطلاعات را به دستکش دوم منتقل و دستکش دوم ضربه مقابل را از طریق کیسه های هوا که در مقابل فشار بسیار حساس هستند را شبیه سازی می کند. Mattel بیشترین کاربرد را در میان این دستکش های سیستم مجازی داراست که از یک جوهر برای احساس مکان انگشت و حسگرهای ماورا&#۶۵۱۵۲; صوت برای کشف مکان دست استفاده می کنند.

با توجه به موارد فوق چند مشکل در استفاده از سیتم های مجازی وجود دارند که از ان میان می توان به موارد زیر اشاره نمود:

ـ کیفیت ضعیف تصویر

ـ زاویه ی دید محدود

ـ تاخیر در بینایی

ـ تاخیر در پیگیری مکان اجسام

ـ عدم تطابق نمایشی و....

معرفی چند مورد از وسایل محیط مجازی

HMD (Head Mouted Display)

همانگونه که اشاره شد دستگاهی است تا تصاویر را در دنیای مجازی مشاهده نمود. این دستگاه شامل کلاهی است که داخل آن دو عدد صفحه ی نمایش قرار دارد. در این ابزار مثلا با زیاد کردن ابعاد تصاویر می توان یک تصویر ایجاد نمود تا تمام دید را در بر گیرد.

ردیاب های حرکت(Tracker) و ابزار های ورودی سه بعدی

در دنیای مجازی باید ایزای برای مکان یابی اعضا بدن و اشیا وجود داشته باشد. به این منظور از ردیاب های سه بعدی حرکات استفاده می شود تا اطلاعات را شبیه سازی نمود.

 گیرنده (Receiver)

گیرنده ها وظیفه دارند تا با اتصال به HMD ها و یا Cyber Glove حرکات سر کاربر یا حرکات دست را در دنیای مجازی شبیه سازی نمایند.

 Data Glove

بی شک شما با Joy Stick اشنا هستید. با استفاده از این ابزار در بازی های کامپیوتری و حرکت دست به جهات مختلف موجب حرکت اجسام در صفحه رایانه می شویم. در دنیای مجازی نیز با حرکت اعضای بدن کاربر تغییراتی صرت می گیرد . برای این منظور از دستگاهی به نام Data Glove استفاده می شود که عملکردی همانند دسته ی Joy Stick دارد.

 ابزار صوتی سه بعدی

همانگونه که در قبل اشاره شد فضاهای سه بعدی از موارد مهمی است که در این این فناوری مورد توجه قرار گرفته است . بهره گیری از این سیستم سه بعدی علاوه بر امکان تجربه های عادی، تجره ی فعالیت های غیر عادی را نیز میسر می سازد. به عنوان مثال سر در فضای خارج جو و یا گردش در کهکشان و منظومه های مختلف.

 کاربردهای حقیقت مجازی

این فناوری دائم در حال پیشرفت بوده و در بسیاری از مراکز علمی، پژوهشی، آموزشیو صنعتی کاربرد دارند. موارد مهمی که می توان به آن اشاره نمود به شرح ذیل می باشد:

ـ مدل سازی رفتار و کارکرد سیستم ها

ـ شبیه سازی

ـ اصلاح خطاهای معماری سیستم ها

ـ نمونه سازی مجازی

ـ کاربرد ردیاب در تولیدات صنعتی

ـ ساخت نمونه ی مجازی در صنایع

ـ کشف مخاطرات با استفاده از حقیقت تقویت شده

مواردی چون استفاده از حقیقت تقویت شده ( Augmented Reality) در طراحی، ساخت و نگهداری و شبیه سازی(Covonal Mass Ejection)CME حباب های بزرگی با میدان ها مغناطیسی وسیع هستند که از خورشید خارج شده و موجب مختل نمودن جریان بادهای منظومه شده و بر روی سیستم های ارتباطی زمین تاثیر به سزا دارد.

در ادامه به ذکر چند مثال از کاربرد این فناوری در علوم مختلف می پردازیم:

 صنعت

در صنعت به صور مختلف از خقیقت مجازی استفاده می شود. این موارد در سه بخش طراحی – تست و نمونه سازی اولیه و موارد استفاده برای کارگران و تکنسین ها خلاصه می شوند.

در بخش طراحیCAM(Computa Aided Manu Factoring) و CAD(Computa Aided Design) در صنعت نقطه اتکای اصیل می باشند، در حقیقت مجازی آن ها از طریق فنون مجسم سازی گسترش می یابند که پس از تکمیل طرح ساخت، می توان با ین فناوری تصو قابل لمسی از محصول داشت ، سپس در بخش تست های اولیه آزمایش می شود و در نهایت با استفاده از صفحات راهنمای این سیستم تکنسین ها و کارگران زمان انجام کار و احتمال خطا را بسیار کاهش خواهند داد. این فناوی در صنعت کاربردهای فراوانی دارد که ازآن جمله می توان به موارد زیر اشاره نمود

 صنعت خودرو

دراین صنعت طراحی داخلی توسط این فناوری صورت می گیرد مثلا از طرح یک قسمت از خودرو طرح به کارشناس مربوطه داده می شود، کارشناس پس از مشاهده آنرا در محیط مناسبی در طرح مجازی قرار می دهد . این روش کارشناسان را از جابه جاشدن و قراردان فیزیکی وسایل بی نیاز می سازد.

 صنایع سنگین

به عنوان مثال طراحان ماشین های سنگین صنعتی با استفاده از نمایشگرهای ویژه یک دید کامل از اطراف تهیه و قادر خواهند بود بدون ساخت مدل اولیه ی مشین های مذکور مشکلات را بررسی نمایند. این فناوری از هر لحاظ موجب صرفه جویی در مسایل مختلف از جمله زمان طراحی و تست خواهد شد.

 پزشکی

در محیط های مجازی و تکنولوژی های مربوطه به آن خدمات بسیاری ارائه می شود از جمله:

ـ کاهش هزینه ی انتقال بیمار

ـ امکان استفاده از پزشک حاذق در مناطق دور افتاده

ـ کاهش اتلاف وقت پزشک

ـ ارائه خدمات پزشکی با کیفیت بالاتر

این در حالی است که مشکلاتی نیز وجود دارند. از آن جمله این که در یان سیستم " بو" لحاظ شده – از سوی دیگر تصاویر باید به صورت Realtime به پزشکی که در محل وجود دارد ارسال شود. علاوه بر موارد فوق نیاز به رایانههای قدرتمند و سریعتر از رایانه های معمولی است.