التصوير العلمي

ازدادت شعبية التصوير العلمي باستخدام رسومات الحاسوب مع تطور هذه الرسومات. وشملت التطبيقات الرئيسية الحقول العددية والمتجهة من عمليات المحاكاة الحاسوبية، بالإضافة إلى البيانات المقاسة. وتتمثل الطرق الأساسية لتصوير الحقول العددية ثنائية الأبعاد في استخدام خرائط الألوان ورسم خطوط الكفاف . أما الحقول المتجهة ثنائية الأبعاد، فتُصوَّر باستخدام الرموز والخطوط الانسيابية أو طرق الالتفاف التكاملي الخطي . وغالبًا ما تُحوَّل حقول الموترات ثنائية الأبعاد إلى حقل متجه باستخدام أحد المتجهين الذاتيين لتمثيل الموتر عند كل نقطة في الحقل، ثم تُصوَّر باستخدام طرق تصوير الحقول المتجهة.

بالنسبة للحقول العددية ثلاثية الأبعاد، تُعدّ طرق عرض الحجم والأسطح المتساوية هي الطرق الأساسية . أما طرق تصوير الحقول المتجهة فتشمل الرموز الرسومية (الأيقونات البيانية) مثل الأسهم وخطوط الانسياب وخطوط التتبع ، وتتبع الجسيمات، والالتفاف التكاملي الخطي ، والطرق الطوبولوجية. وفي وقت لاحق، طُوّرت تقنيات تصوير مثل خطوط الانسياب الفائقة ^{[ 7 ]} لتصوير حقول الموترات ثنائية وثلاثية الأبعاد.

الرسوم المتحركة الحاسوبية هي فن وتقنية وعلم إنشاء الصور المتحركة باستخدام الحواسيب . ويزداد شيوع استخدامها في الرسوم ثلاثية الأبعاد ، مع أن الرسوم ثنائية الأبعاد لا تزال شائعة الاستخدام لتلبية احتياجات الأسلوب الفني، وانخفاض استهلاك النطاق الترددي، وسرعة العرض في الوقت الفعلي . أحيانًا يكون الحاسوب نفسه هو الهدف من الرسوم المتحركة، وأحيانًا أخرى يكون وسيطًا آخر ، كالأفلام . ويُشار إليها أيضًا باسم الصور المولدة بالحاسوب (CGI )، خاصةً عند استخدامها في الأفلام. ومن تطبيقاتها الرسوم المتحركة الطبية ، التي تُستخدم غالبًا كأداة تعليمية للمهنيين الطبيين أو مرضاهم.

المحاكاة الحاسوبية هي برنامج حاسوبي، أو شبكة من الحواسيب، تُحاول محاكاة نموذج مجرد لنظام معين. وقد أصبحت المحاكاة الحاسوبية جزءًا أساسيًا من النمذجة الرياضية للعديد من الأنظمة الطبيعية في الفيزياء، والفيزياء الحاسوبية، والكيمياء، وعلم الأحياء؛ والأنظمة البشرية في الاقتصاد، وعلم النفس، والعلوم الاجتماعية؛ وفي عمليات الهندسة والتكنولوجيا الحديثة، لاكتساب فهم أعمق لكيفية عمل هذه الأنظمة، أو لمراقبة سلوكها. ^{[ 8 ]} وتُسمى عملية التصور والمحاكاة المتزامنة لنظام ما بالتصور .

تتنوع عمليات المحاكاة الحاسوبية من برامج حاسوبية تعمل لبضع دقائق، إلى مجموعات حاسوبية شبكية تعمل لساعات، وصولاً إلى عمليات محاكاة مستمرة تمتد لأشهر. وقد تجاوز نطاق الأحداث التي تتم محاكاتها بواسطة المحاكاة الحاسوبية أي شيء ممكن (أو ربما حتى متخيل) باستخدام النمذجة الرياضية التقليدية القائمة على الورقة والقلم : فقبل أكثر من عشر سنوات، تضمنت محاكاة معركة صحراوية، لقوة غازية لأخرى، نمذجة 66,239 دبابة وشاحنة ومركبة أخرى على تضاريس محاكاة حول الكويت ، باستخدام العديد من الحواسيب العملاقة في برنامج تحديث الحوسبة عالية الأداء التابع لوزارة الدفاع الأمريكية . ^{[ 9 ]}

تُعرف عملية تمثيل المعلومات بصرياً بأنها دراسة " التمثيل المرئي لمجموعات واسعة النطاق من المعلومات غير الرقمية، مثل الملفات وسطور التعليمات البرمجية في أنظمة البرمجيات ، وقواعد بيانات المكتبات والمراجع ، وشبكات العلاقات على الإنترنت ، وما إلى ذلك". ^{[ 2 ]}

يركز تمثيل المعلومات بصريًا على ابتكار أساليب لعرض المعلومات المجردة بطرق بديهية. تستفيد التمثيلات البصرية وتقنيات التفاعل من قدرة العين البشرية على استيعاب المعلومات، مما يسمح للمستخدمين برؤية كميات كبيرة من المعلومات واستكشافها وفهمها دفعة واحدة. ^{[ 10 ]} ويكمن الفرق الرئيسي بين التمثيل العلمي وتمثيل المعلومات بصريًا في أن تمثيل المعلومات بصريًا يُطبق غالبًا على بيانات غير ناتجة عن البحث العلمي. ومن الأمثلة على ذلك التمثيلات البيانية للبيانات في قطاعات الأعمال والحكومة والأخبار ووسائل التواصل الاجتماعي.

تُظهر تكنولوجيا واجهة المستخدم والإدراك كيف أن الواجهات الجديدة وفهمًا أفضل للقضايا الإدراكية الكامنة تخلق فرصًا جديدة لمجتمع التصور العلمي. ^{[ 11 ]}

المعالجة هي عملية توليد صورة من نموذج ثلاثي الأبعاد باستخدام برامج الحاسوب. النموذج عبارة عن وصف لأجسام ثلاثية الأبعاد بلغة أو بنية بيانات محددة بدقة، ويتضمن معلومات عن الهندسة، ووجهة النظر، والملمس ، والإضاءة ، والتظليل . الصورة الناتجة هي صورة رقمية أو صورة رسومية نقطية . يمكن تشبيه المصطلح بـ"معالجة الفنان" لمشهد ما. تُستخدم "المعالجة" أيضًا لوصف عملية حساب التأثيرات في ملف تحرير الفيديو لإنتاج الفيديو النهائي. من أهم تقنيات المعالجة:

عرض الخطوط المسحية والتحويل إلى صورة نقطية

يتضمن التمثيل عالي المستوى للصورة بالضرورة عناصر في نطاق مختلف عن البكسلات. تُعرف هذه العناصر باسم العناصر الأولية. في الرسم التخطيطي، على سبيل المثال، قد تكون القطع المستقيمة والمنحنيات عناصر أولية. في واجهة المستخدم الرسومية، قد تكون النوافذ والأزرار عناصر أولية. في العرض ثلاثي الأبعاد، قد تكون المثلثات والمضلعات في الفضاء عناصر أولية.

تقنية إسقاط الأشعة

تُستخدم تقنية تتبع الأشعة بشكل أساسي في عمليات المحاكاة الآنية، كما هو الحال في ألعاب الفيديو ثلاثية الأبعاد ورسوم الكرتون المتحركة، حيث لا تُعدّ التفاصيل مهمة، أو عندما يكون من الأنسب محاكاة التفاصيل يدويًا لتحسين الأداء في مرحلة الحساب. ويحدث هذا عادةً عند الحاجة إلى تحريك عدد كبير من الإطارات. وتتميز الأسطح الناتجة بمظهر "مسطح" عند عدم استخدام أي حيل إضافية، كما لو أن جميع العناصر في المشهد مطلية بطلاء غير لامع.

راديوسيتي

تقنية الإشعاعية ، المعروفة أيضاً بالإضاءة العالمية، هي أسلوب يحاكي كيفية عمل الأسطح المضاءة مباشرةً كمصادر إضاءة غير مباشرة تُنير أسطحاً أخرى. ينتج عن ذلك تظليل أكثر واقعية، ويبدو أنه يُجسد أجواء المشهد الداخلي بشكل أفضل. ومن الأمثلة الكلاسيكية على ذلك، الطريقة التي تُحيط بها الظلال بزوايا الغرف.

تتبع الأشعة

تتبع الأشعة هو امتداد لنفس التقنية المستخدمة في عرض الخطوط المسحية وإسقاط الأشعة. ومثل هاتين التقنيتين، يتعامل تتبع الأشعة بكفاءة مع الأجسام المعقدة، ويمكن وصف هذه الأجسام رياضياً. وعلى عكس عرض الخطوط المسحية وإسقاط الأشعة، فإن تتبع الأشعة هو في الغالب تقنية مونت كارلو، أي تقنية تعتمد على حساب متوسط ​​عدد من العينات المولدة عشوائياً من نموذج ثلاثي الأبعاد.

تقنية عرض الحجم هي أسلوب يُستخدم لعرض إسقاط ثنائي الأبعاد لمجموعة بيانات ثلاثية الأبعاد مُعينة بشكل منفصل . تتكون مجموعة البيانات ثلاثية الأبعاد النموذجية من مجموعة من صور الشرائح ثنائية الأبعاد التي يتم الحصول عليها بواسطة جهاز التصوير المقطعي المحوسب (CT) أو التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI ). عادةً ما يتم الحصول على هذه الصور بنمط منتظم (مثل شريحة واحدة كل مليمتر) وتحتوي عادةً على عدد منتظم من وحدات البكسل في الصورة بنمط منتظم. هذا مثال على شبكة حجمية منتظمة، حيث يُمثل كل عنصر حجمي، أو فوكسل، بقيمة واحدة يتم الحصول عليها من خلال أخذ عينات من المنطقة المحيطة مباشرةً بالفوكسل.

بحسب روزنبلوم (1994)، "يدرس تصوير الحجم مجموعة من التقنيات التي تتيح رؤية جسم ما دون تمثيل سطحه الآخر رياضيًا. وقد استُخدم تصوير الحجم في البداية في التصوير الطبي ، ثم أصبح تقنية أساسية في العديد من العلوم، حيث بات تصوير الظواهر، مثل السحب وتدفقات المياه والبنية الجزيئية والبيولوجية، أمرًا بالغ الأهمية. وتتطلب العديد من خوارزميات تصوير الحجم موارد حاسوبية كبيرة وسعة تخزين بيانات ضخمة. وتساهم التطورات في مجال الأجهزة والبرامج في تعميم تصوير الحجم وتحسين الأداء في الوقت الفعلي".

أتاحت التطورات في التقنيات القائمة على الويب، والعرض داخل المتصفح، إمكانية عرض مجسم مكعب بسيط مع إطار مرجعي متغير لعرض بيانات الحجم والكتلة والكثافة. ^{[ 11 ]}

• 
  تكوين النجوم ^{[ 13 ]}
• 
  الموجات الثقالية ^{[ 14 ]}
• 
  انفجارات المستعرات العظمى النجمية الهائلة
• 
  التصوير الجزيئي

تكوين النجوم : الرسم البياني المعروض هو رسم بياني لحجم لوغاريتم كثافة الغاز/الغبار في محاكاة نجم ومجرة باستخدام برنامج إنزو. المناطق ذات الكثافة العالية بيضاء، بينما المناطق الأقل كثافة زرقاء اللون وأكثر شفافية.

الموجات الثقالية : استخدم الباحثون مجموعة أدوات Globus لتسخير قوة العديد من الحواسيب العملاقة لمحاكاة التأثيرات الثقالية لاصطدامات الثقوب السوداء.

انفجارات المستعرات العظمى للنجوم الضخمة : في الصورة، حسابات ديناميكا الموائع الإشعاعية ثلاثية الأبعاد لانفجارات المستعرات العظمى للنجوم الضخمة. تم استخدام رمز تطور النجوم DJEHUTY لحساب انفجار نموذج SN 1987A في ثلاثة أبعاد.

عرض الجزيئات : استُخدمت إمكانيات الرسم البياني العامة لبرنامج VisIt لإنشاء عرض الجزيئات الموضح في الصورة المميزة. تم استخلاص البيانات الأصلية من بنك بيانات البروتين وتحويلها إلى ملف VTK قبل العرض.

• 
  عرض التضاريس
• 
  تصور المناخ ^{[ 15 ]}
• 
  شذوذ جوي في ميدان تايمز سكوير

عرض التضاريس : يدعم برنامج VisIt قراءة العديد من تنسيقات الملفات الشائعة في مجال نظم المعلومات الجغرافية (GIS)، مما يسمح بعرض بيانات نقطية، مثل بيانات التضاريس، في رسومات بيانية. تُظهر الصورة المرفقة رسمًا بيانيًا لمجموعة بيانات نموذج الارتفاع الرقمي (DEM) التي تحتوي على مناطق جبلية بالقرب من دانسمير، كاليفورنيا. أُضيفت خطوط الارتفاع إلى الرسم البياني لتوضيح التغيرات في الارتفاع.

محاكاة الإعصار : تم إنشاء هذه الصورة باستخدام بيانات مُولّدة من محاكاة إعصار حُسبت على مجموعة حواسيب IBM p690 التابعة للمركز الوطني لعلوم الفضاء (NCSA). وقد عُرضت رسوم متحركة عالية الدقة للعاصفة، أُنتجت في المركز، في حلقة من مسلسل NOVA التلفزيوني على قناة PBS بعنوان "مطاردة الإعصار الخارق". يُظهر الإعصار على شكل كرات ملونة وفقًا للضغط؛ وتمثل الأنابيب البرتقالية والزرقاء تدفق الهواء الصاعد والهابط حول الإعصار.

تصوير المناخ : يوضح هذا التصوير ثاني أكسيد الكربون من مصادر مختلفة، والذي ينتقل بشكل فردي كمتتبعات في نموذج الغلاف الجوي. ويظهر ثاني أكسيد الكربون القادم من المحيط على شكل أعمدة دخان خلال شهر فبراير من عام 1900.

شذوذ الغلاف الجوي في تايمز سكوير: في الصورة يتم عرض نتائج إطار محاكاة SAMRAI لشذوذ الغلاف الجوي في تايمز سكوير وحولها.

تم إجراء تصوير علمي للهياكل الرياضية لأغراض بناء الحدس والمساعدة في تكوين النماذج الذهنية. ^{[ 16 ]}

يمكن تمثيل الأجسام ذات الأبعاد المتعددة بصريًا على شكل إسقاطات (مشاهد) في أبعاد أقل. وعلى وجه الخصوص، تُعرض الأجسام رباعية الأبعاد عن طريق الإسقاط في ثلاثة أبعاد. ويمكن استخدام إسقاطات الأبعاد الأقل للأجسام ذات الأبعاد المتعددة لأغراض التلاعب بالأجسام الافتراضية، مما يسمح بالتلاعب بالأجسام ثلاثية الأبعاد من خلال عمليات تُجرى في بعدين، ^{[ 17 ]} والأجسام رباعية الأبعاد من خلال تفاعلات تُجرى في ثلاثة أبعاد. ^{[ 18 ]}

في التحليل المركب ، تكون دوال المستوى المركب رباعية الأبعاد بطبيعتها، ولكن لا يوجد إسقاط هندسي طبيعي لها على تمثيلات بصرية ذات أبعاد أقل. بدلاً من ذلك، تُستغل رؤية الألوان لالتقاط المعلومات البُعدية باستخدام تقنيات مثل تلوين المجال .

• 
  مخططات المنحنيات
• 
  التعليقات التوضيحية للصور
• 
  مخطط التشتت

رسم الخرائط الحاسوبية للأسطح الطبوغرافية : من خلال رسم الخرائط الحاسوبية للأسطح الطبوغرافية، يستطيع علماء الرياضيات اختبار النظريات المتعلقة بكيفية تغير المواد عند تعرضها للإجهاد. ويُعدّ هذا التصوير جزءًا من العمل الذي يُجرى في مختبر التصوير الإلكتروني التابع لجامعة إلينوي في شيكاغو، والممول من المؤسسة الوطنية للعلوم.

مخططات المنحنيات : يُمكن لبرنامج VisIt رسم منحنيات من البيانات المقروءة من الملفات، كما يُمكن استخدامه لاستخراج بيانات المنحنيات ورسمها من مجموعات بيانات متعددة الأبعاد باستخدام عوامل تشغيل أو استعلامات Lineout. تُمثل المنحنيات في الصورة المرفقة بيانات الارتفاع على طول خطوط مرسومة على بيانات نموذج الارتفاع الرقمي (DEM)، وقد تم إنشاؤها باستخدام خاصية Lineout. تُمكّنك Lineout من رسم خط بشكل تفاعلي، مما يُحدد مسارًا لاستخراج البيانات. ثم يتم رسم البيانات الناتجة كمنحنيات.

شرح الصور : يُظهر الرسم البياني الرئيسي مؤشر مساحة الأوراق (LAI)، وهو مقياس للمادة النباتية العالمية، من مجموعة بيانات NetCDF. الرسم البياني الأساسي هو الرسم البياني الكبير في الأسفل، والذي يُظهر مؤشر مساحة الأوراق للعالم أجمع. أما الرسوم البيانية في الأعلى فهي في الواقع شروح تتضمن صورًا تم إنشاؤها مسبقًا. يمكن استخدام شروح الصور لإضافة مواد تُحسّن من وضوح الصورة، مثل الرسوم البيانية المساعدة، وصور البيانات التجريبية، وشعارات المشاريع، وما إلى ذلك.

مخطط التشتت : يتيح مخطط التشتت في برنامج VisIt عرض البيانات متعددة المتغيرات حتى أربعة أبعاد. يأخذ مخطط التشتت عدة متغيرات عددية ويستخدمها لمحاور مختلفة في فضاء الطور. تُدمج هذه المتغيرات لتشكيل إحداثيات في فضاء الطور، وتُعرض باستخدام رموز وتُلوّن باستخدام متغير عددي آخر.

• 
  طراز بورش 911
• 
  مخطط طائرة YF-17
• 
  تصميم المدينة

نموذج بورش 911 (نموذج NASTRAN): يحتوي الرسم البياني المعروض على مخطط شبكي لنموذج بورش 911 تم استيراده من ملف بيانات NASTRAN. يمكن لبرنامج VisIt قراءة مجموعة فرعية محدودة من ملفات بيانات NASTRAN، وهي كافية عمومًا لاستيراد هندسة النموذج لعرضها.

مخطط طائرة YF-17 : تعرض الصورة الرئيسية مخططات لمجموعة بيانات CGNS تمثل طائرة YF-17 النفاثة. تتكون مجموعة البيانات من شبكة غير منتظمة مع الحل. تم إنشاء الصورة باستخدام مخطط ألوان زائفة لمتغير ماخ في مجموعة البيانات، ومخطط شبكي للشبكة، ومخطط متجهي لشريحة من حقل السرعة.

عرض المدينة : تم قراءة ملف ESRI shapefile الذي يحتوي على وصف متعدد الأضلاع لبصمات المباني، ثم تم إعادة أخذ عينات من المضلعات على شبكة مستطيلة، والتي تم بثقها في مشهد المدينة المميز.

قياس حركة البيانات الواردة : تُظهر هذه الصورة دراسةً مرئيةً لحركة البيانات الواردة، مقاسةً بمليارات البايتات، على شبكة NSFNET T1 الأساسية لشهر سبتمبر 1991. ويتراوح حجم حركة البيانات من اللون الأرجواني (صفر بايت) إلى اللون الأبيض (100 مليار بايت). وهي تمثل البيانات التي جمعتها شركة Merit Network, Inc. ^{[ 19 ]}