CHƯƠNG 1 - TONG QUAN VE THUC TẠI AO Cong nghệ mô phỏng và thực tại ảo (Virtual Reality) hiện là một công nghệ kha quen thuộc đối với chúng ta trong những năm gan đây. Công nghệ nay cho phép tạo dựng một thé giới thực trong một không gian ao ba chiều tương tự như thé giới thật. Thực tại ao hiện đã được ứng dụng rộng rãi và giúp ích rất nhiều trong một so lình vực như: du lich, công nghệ, giáo dục, bao tang, quảng cáo. Định nghĩa Virtual Reality (VR) - Thực tại ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện khoảng đầu thập ky 90.
tại nhưng nước phát triên như ở Mỹ và châu Âu. VR đã và đang trở thành một công nghệ phát triển nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu va phát triển hệ thống công nghiệp. giáo dục và dao tạo cũng như thương mại, giải trí. [4] Thuật ngữ "virtual reality" - thực tại ảo - được đưa ra boi Jaron Lanier.
Hiện nay, trên thé giới có khá nhiều định nghĩa về thực tại ảo, một trong các định nghĩa được chap nhận rộng rãi là của C. Coiffet, đó là: VR - Thực tai ao được hiéu là một hệ thong giao diện cấp cao giữa Người sử dụng và Máy tính. Hệ thống này mô phỏng các sự vật và hiện tượng theo thời gian thực có tương tác với người sử dụng thông qua tong hợp các kênh cam giác như: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác, vị giác. Ví dụ: Khi một người tiền hành mua ô tô qua mang, ngay lập tức người đó xuất hiện nhu muốn nhìn thay hình ảnh trực quan của chiếc ô tô can mua, quan sát từ nhiều góc độ.
thậm chí có thé thử độ rung xóc va một số hiệu ứng khi vận hành xe. Khi đó thực tại ao sẽ đáp ứng nhu cầu cần thiết kẻ trên. Tương tự trong một trường hợp khác. thực tại ảo được ứng dụng thê hiện các hiệu ứng khó có thé đạt được trong những điều kiện thông thường như việc mô tả các vụ thử hạt nhân.
các thí nghiệm khoa học, các hệ thong điều khién không lưu. Cac đặc diém cua hệ thông thực tại ao VR là một hệ thông mô phỏng trong đó đò hoa máy tính được sử dụng dé tạo ra một thé giới "như that". Hon nữa, thé giới "nhân tao" nay không tinh tại. mà luôn có các biến đôi.
thay đôi theo ý muốn (tín hiệu vào) của người sử dụng (hành dong, lời nói. Người sử dụng có thê tương tác với mô hình ảo. trong đó các tương tác được mô phòng từ thao tác với các đối tượng thực. Đó chính là một đặc tính co ban của VR: tương tác thời gian thực (real-time interactivity).
Thời gian thực ở day có nghĩa là may tính có khả năng nhận biết được tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức thé giới ảo. Người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muon của họ và bị thu hút bởi sự mô phỏng này. Xáayd ngcôngc t obảigi ng int môph ngph nm m_ ngơ ngtrong ảot o ¡ nt (E-Learning) Lunvnthecs 9 Các phương pháp hiển thị có độ phân giải và toc độ cao lôi cuốn người sử dụng có cảm giác như trong thực tế. Người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D nôi.
điều khiên (xoay, di chuyên.) được đối tượng trên màn hình (như trong game), mà còn sờ và cảm thấy chúng như có thật. Ngoài khả năng nhìn (thị giác). nhiều nghiên cứu hiện nay đã nghiên cứu để tạo các cảm giác khác như ngửi (khứu giác). Tuy vậy hiện nay trong VR các cam giác nay cũng ít được sử dụng đến vi còn gặp nhiều khó khăn.
Hai đặc tính cơ bản của thực tại áo (VR) là Tương tac và Dam chim, đây chính là hai "I" (Interactive, Immersion) đã được dé cập tới trong nhiều tài liệu. Tuy nhiên VR còn có một đặc tính thứ ba ít được chú ý. VR không chi là một hệ thống tương tác Người- May tinh, mà các ứng dụng của nó còn liên quan tới việc giải quyết các van dé trong kỹ thuật. Các ứng dụng này do các nhà phát triển VR thiết kế và phụ thuộc rất nhiều vào khả năng “Tuéng tượng của con người”.
đó chính là đặc tính "I" (Imagination) thứ ba cua VR. Tir do, có thé coi VR là tổng hợp của ba yếu tố nòng cốt bao gồm: Tương tác - Dam chìm - Tưởng tượng (Interactive — Immersion - Imagination). Một sô loại hệ thông thực tại ao Hệ thống “Window on a World" hay còn gọi là Desktop VR, là các chương trình thực tại ảo chạy trên các máy tính cá nhân. Các hệ thống này được ra đời từ rất sớm, tuy nhiên chúng chỉ là các ứng dụng đồ hoạ máy tính nhỏ luôn gặp phải khó khăn là làm thé nào dé hình anh, âm thanh và các đối tượng hoạt động như trong thực tế.
Hệ thong kết hợp các hình anh video với các hình ảnh đồ hoa 2D làm cho chúng ta có cảm giác người được quay video đang tương tác với các đối tượng. 15] Hệ thong Immersive là các hệ thống mà người sử dụng dùng thiết bị đặc biệt như màn hình gan trên đầu (head-mounted display HMD). kính đặc biệt. các bộ cảm ứng và “dam chim” vào bên trong thé giới ảo do các thiết bị này tao ra.
Hệ thống quan sát từ xa (telepresence systems) kết nối các bộ cảm biến từ xa đặt trong thé giới thực với các giác quan của người vận hành. Ví dụ, chúng ta gắn các bộ cảm biến vào các cơ quan trên cơ thé và đeo một chiếc kính thực tại ảo. Chiếc kính này nhận các tín hiệu quan sát được từ vị trí của một robot ở một khoảng cách xa và chúng ta sẽ thấy những gì mà robot thay dé rồi chúng ta có các phan ứng như chính ta đang nhìn thấy các hình anh đó. Các phan ứng này.
theo các bộ cảm biến được nói với máy tính sẽ chuyền đến các bộ phận tương ứng của robot. kết quả là robot sẽ bắt chước các hoạt động của chúng ta. Điều này thực sự ý nghĩa nếu robot được đặt trên một hành tỉnh xa xôi hay trong lòng núi lửa hoặc trong một điều kiện hoạt động khó khăn nào đó. Hệ thông hồn hợp (mixed realityseamless simulation systems), là sự kết hợp các hệ thống hiện thực ảo đã trình bay ở trên.
Xây d ng côngc ! obảigi ng int môph ngph nm m_ ngơ ngtrong aoto ! nt (E-Learning) Llunvnthcs 10 1. Các thành phân của một hệ thông thực tại ảo Hệ thống thực tại ảo bao gồm 3 thành phan chính sau: phần cứng (hard ware - HW). bộ gia lập thực tai (reality simulator), các ứng dung (applications). Phan cung (HW) Phản cứng cua một VR bao gồm: - Các thiết bị đầu vào (Input devices): bao gồm những thiết bị có khả năng kích thích các giác quan dé tạo nên cam giác vẻ sự hiện hữu trong thé giới ảo.
Chang hạn như màn hình đội đầu HMD, chuột, các tai nghe âm thanh nôi và những thiết bị đầu vào có kha năng ghi nhận nơi người sử dụng đang nhìn vào hoặc hướng đang chi tới. như thiết bị theo doi gắn trên đầu (head-trackers), găng tay hữu tuyến (wire-gloves). - Các thiết bị dau ra (Output devices): gom các hiển thi dé họa (như màn hình, HDM.) dé nhìn được đối tượng 3D. Thiết bị âm thanh (loa) dé nghe được âm thanh vòm (như Hi-Fi, Surround.
Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback như gang tay.) đẻ tạo xúc giác khi sờ, năm đối tượng. Bộ phản hồi xung lực (Force Feedback) dé tạo lực tác động như khi đạp xe, đi đường xóc. Bộ giả lập thực tại (reality simulator) Đây chính là “trai tim” của hệ thống thực tại ảo, bao gồm hệ thong máy tính và phan cứng ngoại vi, thiết bị đồ hoạ và multimedia: cung cấp cho bộ phận tác động những thông tin can thiết. Về mặt nguyên tắc, chúng ta có thé sử dụng bat cứ ngôn ngữ lập trình hay phần mém do họa nào dé mô hình hóa (modelling) và mô phỏng (simulation) các đối tượng của VR.
Ví dụ như các ngôn ngữ OpenGL, OpenSceneGraph, OpenSG, C++, Java3D, VRML. hay các phan mềm thương mại như WorldToolKit, PeopleShop,VeGa. Phan mém của hệ thống VR phải bao dam hai yêu cầu chính: Tao hình và Mó phỏng. Các đối tượng hình học (geometry): Thành phan nay bao gồm những thông tin mô ta các thuộc tính vật lý (hình dạng, màu sắc, vị trí.) của các đối tượng trong môi trường ao.
Thông thường. các đối tượng hình học được xây dựng boi các phần mềm CAD, sau đó. dữ liệu có thê được chuyên qua một trong số các định dang file khác phù hợp với việc thé hiện trong ứng dụng. Sau đó phần mém VR phải có khả nang mô phỏng động học, động lực học, và mô phỏng ứng xử của đối tượng.
- Khong gian trong thể giới ảo (World Space) Xayd ng côngc t obaigi ng int môph ngph nm m_ ngdngtrong ảot o 1nt (E-Learning) tunvnthcs 11 Ban thân thé giới ảo cũng cần được xác định rõ trong một không gian có tên gọi là “world space”. Do ban chat tự nhiên của thé giới ảo là một hệ mô phỏng trên máy tinh, nên thế giới ảo có những hạn chế nhát định. Vị trí của mỗi điểm của mỗi đối tượng trong thể giới đó đều phải được gan cho một giá trị toa độ (tọa độ số). Các toa độ này thông thường được mô tả trong hệ toa độ Dé-cac (Decater co-odirnate) với các thứ nguyên X.
Y và Z (biéu diễn chiều dai, chiều cao. chúng ta cũng có thẻ sử dụng các hệ toa độ khác như hệ toa độ cau, nhưng hệ toa độ Đẻ-các van được coi là chuẩn cho hau hét các ứng dụng hiện nay. Hơn thé nữa, việc chuyên đôi tọa độ giữa các hệ toạ độ này khá đơn giản. - _ Cơ sở dữ liệu cho thé giới ảo (World Database) Lưu trữ thông tin về các đối tượng và thế giới ảo là một phần quan trọng trong việc thiết kế hệ thống thực tại ảo VR.
Những thông tin chính được lưu trữ trong World Database (hoặc World Description Files) là các đối tượng ở trong thé giới đó, các kịch bản (scripts) được sử dụng nhằm mô tả các hành động của các đối tượng hoặc người sử dụng (những kịch bản, phản ứng xảy ra đối với người sử dụng), ánh sáng, các điều khiên chương trình, và hỗ trợ thiết bị phần cứng. Hiện có nhiều cách lưu trữ thông tin vẻ thé giới ảo: một file đơn. một tập các file, hoặc là cả một cơ sở dữ liệu. Phương pháp sử dụng nhiều file là một trong những hướng tiếp cận thường gặp nhất trong những package phát trién về thực tại ảo.