Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ HÌNH DẠNG SỢI 1. Tổng quan về đồ họa máy tính và thực tại ảo 1. Khái quát về đồ họa máy tính Lịch sử của đồ họa máy tính ra đời từ rất sớm vào thập niên 1960 được đánh dấu bởi dự án SketchPad và được phát triển tại Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT) bởi Ivan Sutherland. Kết quả này đã đánh dấu cho một sự tạo mới, hiển thị và thay đổi được dữ liệu hình ảnh trực tiếp trên màn hình máy tính trong thời gian thực.
Ngày nay, đồ họa máy tính đã trở thành một lĩnh vực phát triển phổ biến của công nghệ thông tin và đã có nhiều quan điểm khác nhau về đồ họa máy tính. Tuy nhiên, có một số quan điểm chung được hiểu như sau: Đồ họa máy tính là một lĩnh vực của khoa học máy tính nghiên cứu về cơ sở toán học, các thuật toán cũng như các kỹ thuật để cho phép tạo, hiển thị và điều khiển hình ảnh trên màn hình máy tính. Đồ họa máy tính có liên quan ít nhiều đến một số lĩnh vực như đại số, hình học giải tích, hình học họa hình, quang học,. và kỹ thuật máy tính, đặc biệt là chế tạo phần cứng (các loại màn hình, các thiết bị xuất, nhập, các vi mạch đồ họa,.
Theo nghĩa rộng hơn, đồ họa máy tính là phương pháp và công nghệ dùng trong việc chuyển đổi qua lại giữa dữ liệu và hình ảnh trên màn hình bằng máy tính. Đồ họa máy tính hay kỹ thuật đồ họa máy tính còn được hiểu dưới dạng phương pháp và kỹ thuật tạo hình ảnh từ các mô hình toán học mô tả các đối tượng hay dữ liệu lấy được từ các đối tượng trong thực tế. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phần cứng và phần mềm, cũng như các yêu cầu khắt khe của con người thì đồ họa máy tính đã phát triển vượt bậc. Ngày nay, đồ họa máy tính không chỉ đơn thuần là mô hình hoá và hiển thị các đối tượng vật thể thực vào trong máy tính mà đã phát triển lên một tầng cao mới, đó là đồ họa máy tính có khả năng tương tác, tức là con người có thể điều khiển, tương tác được với các đối tượng vật thể trong máy tính như điều khiển, tương tác với các đối tượng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 vật thể trong thế giới thực, đó là thực tại ảo.
Như vậy, thực tại ảo là một trong các lĩnh vực của đồ họa máy tính. Khái quát về thực tại ảo Có nhiều khái niệm khác nhau về thực tại ảo, song một cách chung nhất có thể định nghĩa như sau: Thực tại ảo là một môi trường ba chiều được phát sinh, tổng hợp và điều khiển thông qua máy vi tính nhằm mục đích mô phỏng lại thế giới thực hoặc một thế giới theo tưởng tượng của con người. Đồng thời, thực tại ảo cho phép người dùng thông qua các thiết bị ngoại vi và bộ chuyển đổi tương tác với những sự vật, hành động của thế giới ảo giống như tương tác với các sự kiện, hành động của thế giới thực [4,5]. Người sử dụng có thể dịch chuyển một vật trong thế giới ảo, hoặc có thể cảm nhận được một vật khi chạm vào vật đó.
Trong đó thiết bị ngoại vi sẽ làm nhiệm vụ chuyển những hoạt động của người sử dụng vào bộ chuyển đổi, sau đó bộ chuyển đổi sẽ chuyển những tín hiệu này thành các tương tác vào môi trường ảo, đồng thời môi trường cũng chuyển những tác dụng của nó đến bộ chuyển đổi và bộ chuyển đổi chuyển đến các thiết bị ngoại vi, sau đó các thiết bị ngoại vi sẽ tác động đến người sử dụng. Các thiết bị ngoại vi sử dụng trong lĩnh vực thực tại ảo ngày càng hiện đại và đa dạng. Một trong những thiết bị phải kể đến là hệ thống HMD (Head-Mounted Display). Hệ thống này gồm có hai màn hình gắn trực tiếp vào hai mắt, cho phép bạn nhìn, cảm nhận thế giới ảo như là không gian trong thế giới thực và một thiết bị rất nhạy nhằm xác định vị trí góc quay của HMD.
Từ đó, hệ thống sẽ tính toán góc nhìn và vị trí của bạn trong thế giới ảo. Ngoài ra, còn có một hệ thống tương tự như HMD là BOOM (Binocular Omni-Orientation Monitor), song chúng có một vài điểm khác, ví dụ như BOOM không dùng mũ gắn trên đầu mà dùng một cái cần gắn màn hình vào một đầu có tay cầm ở màn hình. Khi bạn nhìn vào màn hình dịch chuyển nó, lập tức thiết bị nhạy cũng dịch chuyển và theo đó góc nhìn, vị trí nhìn của bạn cũng thay đổi. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 a) Hệ thống HMD b) Hệ thống BOOM Hình 1.
Hệ thống thiết bị Ngày nay, các thiết bị trên đã và đang được phát triển hoàn thiện hơn, công nghệ mới ngày càng đưa ra nhiều thiết bị hiện đại hơn cho phép con người tiến gần tới thực tại ảo hơn, như: găng tay dữ liệu, áo dữ liệu và các thiết bị đầu vào ba chiều như máy quét 3 chiều, máy quay 3 chiều,… Thực tại ảo là một môi trường 3D và sử dụng một lượng lớn các thông tin đồ hoạ và các thông tin này luôn luôn biến đổi. Do đó, trong các ứng dụng thực tế không thể dùng các phương pháp thông thường để truy cập bộ nhớ đồ họa, mà phải dùng phương pháp truy cập trực tiếp bộ nhớ và sử dụng bộ tăng tốc đồ hoạ. Vì vậy, người ta cần phần mềm để truy cập trực tiếp bộ nhớ và điều khiển tăng tốc đồ hoạ. Hiện nay, một số chuẩn phần mềm được sử dụng phổ biến như DirectX, OpenGL, MiniGL,.
Các lĩnh vực ứng dụng cơ bản của thực tại ảo Thực tại ảo được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong đời sống xã hội, dưới đây minh hoạ một số lĩnh vực ứng dụng cụ thể: Khoa học quân sự, quốc phòng: Hiện nay, những ứng dụng của thực tại ảo trong lĩnh vực này rất phong phú như huấn luyện quân lính, thử nghiệm các loại vũ khí, các phương tiện chiến tranh, bản đồ hoá từng khu vực,. Giáo dục và đào tạo: Thực tại ảo đã, đang và sẽ trở thành một công cụ hữu hiệu trong giáo dục, đặc biệt là với trẻ em. Ngoài ra, nó cũng là một phương tiện giáo dục rất mạnh đối với một số ngành nghề đòi hỏi phải thực hành như huấn luyện phi công, lái xe,. Y học: Việc ứng dụng thực tại ảo vào y học khá phong phú.
Đặc biệt ở Mỹ, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 14 trong phẫu thuật, bác sĩ đã có thể tiến hành các cuộc phẫu thuật trong môi trường ảo, không cần có bệnh nhân mà vẫn như đang phẫu thuật một bệnh nhân thật. Các bác sĩ cũng có thể tiến hành các cuộc phẫu thuật từ xa thông qua các thiết bị của thực tại ảo. Thiết kế xây dựng: Với sự trợ giúp của thực tại ảo, những thiết kế giờ đây không chỉ đơn thuần là những thiết kế nữa mà nó đã tiến gần tới sản phẩm thực. Không những con người có thể xem được hình ảnh trực quan của thiết bị cần thiết kế mà thậm chí người ta còn có khả năng sử dụng các thiết bị đó.
Khoa học cơ bản: Hầu hết các ngành khoa học đều có thể ứng dụng thực tại ảo, đặc biệt là các ngành như vật lý, hoá học, khảo cổ, sinh học, vũ trụ. Trong vật lý, có thể mô phỏng lại chính xác các hiện tượng của vật lý một cách trực quan. Trong khảo cổ học, dựng lại các kiến trúc đã bị chôn vùi, mô phỏng lại các thời kỳ của tự nhiên. Thương mại, du lịch: Trong thương mại, đặc biệt là trong ngành quảng cáo, thực tại ảo đang có một vị trí quan trọng.
Nó giúp khách hàng tiếp cận gần hơn với hàng hoá để có thể đánh giá chất lượng mà không cần có hàng trực tiếp,. Trong du lịch, với sự hỗ trợ của thực tại ảo khách hàng có thể xem xét cảnh quan của nơi mà họ sẽ đến để chắc chắn có một chuyến du lịch thú vị. Trong giải trí: Cho phép mô phỏng các mô hình 3D với những tương tác trong môi trường ảo kết hợp với âm thanh nổi, các thiết bị vào ra làm cho con người ta ở trong môi trường ảo mà như ở trong môi trường thực. Điều hấp dẫn hơn là trong môi trường đó con người có thể thực hiện những điều mà trên thực tế họ không thể thực hiện được.
Với khả năng kết hợp các thiết bị vào ra, các hiệu ứng đồ hoạ chỉ có thể thấy được trên máy tính, thực tại ảo nhanh chóng trở thành một ứng dụng không thể thiếu trong các trò chơi. Trong điện ảnh: Một vài năm gần đây, nhiều bộ phim đã ứng dụng thực tại ảo và những phương pháp xử lý đồ hoạ mạnh nhằm tạo ra những hiệu ứng, những cảnh mà trên thực tế không thể thực hiện được. Trong điện ảnh, con người có thể dựng được những thước phim tưởng chừng như không thể dựng được với các kỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 15 xảo điện ảnh thông thường, ví dụ trong một số cảnh của phim “Vua bọ cạp”,… Trong hàng không vũ trụ: Xây dựng hệ thống mô phỏng cho phi công tập luyện kết hợp với các thiết bị phần cứng để tạo ra một môi trường làm cho con người tưởng như ở trên một chiếc máy bay thật và mọi thứ diễn ra như ngoài thực tế. Hệ thống mô phỏng này cho phép người phi công thực hiện những chuyến bay đến các sân bay đã được xây dựng sẵn với các tình huống nhằm nâng cao kỹ năng xử lý tình huống như trong thực tế.
Trong mô phỏng chất liệu: Chất liệu đóng một vai trò rất quan trọng trong thực tại ảo, nó góp phần tạo ra sự phong phú đa dạng của các đối tượng 3D. Chất liệu được ứng dụng vào việc mô phỏng cho nhiều đối tượng khác nhau, do đó nó gồm nhiều loại chất liệu khác nhau như gỗ, đá, kim loại, nước, vải, lông, tóc,… Chẳng hạn như mô phỏng các dụng cụ phòng thí nghiệm “ống nghiệm, đũa thuỷ tinh, bình đựng dung dịch”, “bàn gỗ, giá đỡ, đinh ốc”.