MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin phát triển triển mạnh mẽ đã đem lại những thành tựu đáng kể cho nhiều lĩnh vực nhƣ y tế, giáo dục, kiến trúc, du lịch, giải trí,…Trên đà phát triển ấy đã xuất hiện một mô hình phát triển mới mà phạm vi ứng dụng có tiềm năng rộng lớn đó là Công nghệ Thực tại ảo. “Thực tại ảo” (virtual reality-VR) là một môi trƣờng ba chiều đƣợc phát sinh, tổng hợp và điều khiển thông qua máy tính nhằm mục đích mô phỏng lại thế giới theo tƣởng tƣợng của con ngƣời. Nó cho phép ngƣời dùng thông qua các thiết bị ngoại vi tƣơng tác với các sự vật, hiện tƣợng của thế giới ảo giống nhƣ tƣơng tác với các sự vật, hiện tƣợng của thế giới thực. Có thể nói lĩnh vực thực tại ảo là một lĩnh vực vô cùng rộng lớn của công nghệ thông tin.
Nó bao gồm nhiều hƣớng phát triển và ứng dụng, trong đó không thể không nói tới vấn đề điều khiển mô hình thì tạo chuyển động cho đối tƣợng là cần thiết, là quan trọng. Việc tạo chuyển động của đối tƣợng sẽ có rất nhiều kỹ thuật, ví dụ nhƣ: chuyển động theo các thời điểm chính, chuyển động theo đƣờng cong xác định trƣớc, chuyển động không tuyến tính với đoạn, chuyển động theo sự ràng buộc giữa các thuộc tính,. Khi có sự chuyển động, tƣơng tác của đối tƣợng với các đối tƣợng khác và môi trƣờng xung quanh. Từ đó mô hình sẽ trở nên chân thực và sống động hơn.
Vậy làm thế nào để có thể tạo sự chuyển động cho đối tƣợng để nó có thể thể hiện đƣợc hành vi, trạng thái của đối tƣợng trong thế giới thực không hề đơn giản. Việc này đòi hỏi ngƣời tạo chuyển động phải hiểu rõ đƣợc đối tƣợng trong thực tế và có những kiến thức sâu về hỗ trợ tạo chuyển động mà công cụ đƣa ra. Xuất phát trong hoàn cảnh đó và từ những thành quả do thực tại ảo đem 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com lại nên tôi đã quyết định lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu một số kỹ thuật tạo chuyển động theo điểm điều khiển trong thực tại ảo” là một việc làm không chỉ có ý nghĩa khoa học và còn mang đậm tính thực tiễn nhất khi thực tế đang đặt ra những yêu cầu đòi hỏi. Nội dung của luận văn đƣợc trình bày trong 3 chƣơng: Chƣơng 1: Khái quát về thực tại ảo và tạo chuyển động trong thực tại ảo Trong chƣơng này cung cấp cho ta cái nhìn tổng quan về quá trình phát triển và các lĩnh vực ứng dụng chính hiện nay của thực tại ảo, đồng thời cung cấp một cái nhìn khái quát về tạo chuyển động trong thực tại ảo.
Tại chƣơng này em cũng đƣa ra những cơ sở lý thuyết để làm cơ sở cho sự trình bày về một số kỹ thuật tạo chuyển động cho đối tƣợng 3D trong chƣơng 2. Chƣơng 2: Một số kỹ thuật tạo chuyển động cho đối tƣợng 3D Trong chƣơng này, em xin giới thiệu về bốn kỹ thuật tạo chuyển động cơ bản cho đối tƣợng. Đó là tạo chuyển động theo các thời điểm chính, tạo chuyển động theo đƣờng cong xác định trƣớc, tạo chuyển động không tuyến tính với đoạn, tạo chuyển động theo sự ràng buộc giữa các thuộc tính. Ngoài ra ở chƣơng này cũng nghiên cứu về đối tƣợng có xƣơng, đối tƣợng không xƣơng và tìm hiểu một số phƣơng pháp điều khiển chuyển động áp dụng cho đối tƣợng có xƣơng.
Chƣơng 3: Chƣơng trình thử nghiệm Chƣơng này mô phỏng chuyển động cho đối tƣợng có xƣơng 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1 KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ TẠO CHUYỂN ĐỘNG TRONG THỰC TẠI ẢO 1. Khái quát về thực tại ảo (Virtual Reality-VR) 1. Thế nào là thực tại ảo? Thực tại ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện phát triển mạnh trong vòng vài năm trở lại đây, đang trở thành một ngành công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực nhƣ: y tế, giáo dục, kiến trúc, quân sự, du lịch, giải trí,. Hiện nay, có nhiều định nghĩa về thực tại ảo, một trong các định nghĩa đƣợc chấp nhận rộng rãi là của C.Coiffet thì có thể hiểu thực tại ảo tƣơng đối chính xác nhƣ sau: VR-Thực tại ảo là một hệ thống giao diện cấp cao giữa Ngƣời sử dụng và Máy tính.
Hệ thống này mô phỏng các sự vật và hiện tƣợng theo thời gian thực có tƣơng tác với ngƣời sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác. Đó là ngũ giác gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác và vị giác [6]. Giao diện giữa ngƣời sử dụng và hệ thống máy tính 3D 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hay nói một cách cụ thể VR là công nghệ sử dụng các kỹ thuật mô hình hoá không gian ba chiều, với sự hỗ trợ của thiết bị hiện đại để xây dựng một thế giới mô phỏng để đƣa ngƣời ta vào một thế giới nhân tạo với không gian nhƣ thật. Trong thế giới ảo này, ngƣời sử dụng không còn đƣợc xem nhƣ ngƣời quan sát bên ngoài, mà đã thực sự trở thành một phần của hệ thống.
Thế giới “nhân tạo” này không tĩnh tại mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn của ngƣời sử dụng nhờ những cử chỉ, hành động,. Tức là ngƣời sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ. Một cách lý tƣởng, ngƣời sử dụng có thể tự do chuyển động trong không gian ba chiều, tƣơng tác với các vật thể ảo, quan sát và khảo cứu thế giới ảo ở những góc độ khác nhau về mặt không gian. Ngƣợc lại, môi trƣờng ảo lại có những phản ứng tƣơng ứng với mỗi hành động của ngƣời sử dụng, tác động vào các giác quan nhƣ thị giác, thính giác, xúc giác của ngƣời sử dụng trong thời gian thực làm ngƣời sử dụng có cảm giác nhƣ đang tồn tại trong một thế giới thực [6].
Sơ lƣợc về lịch sử phát triển của thực tại ảo Mặc dù thực tại ảo đƣợc mô tả nhƣ một công nghệ mới mang tính cách mạng, nhƣng ý tƣởng về việc nhúng ngƣời sử dụng vào một môi trƣờng nhân tạo đã ra đời từ rất sớm. Thuật ngữ “Thực tại ảo” mới đƣợc quan tâm trong một vài năm gần đây xong nó lại có lịch sử từ khá lâu. Cách đây khoảng gần 40 năm một nhà làm phim có tên là Morton Heilig ngƣời Mỹ đã đƣa ra một ý tƣởng tại sao không đƣa con ngƣời bƣớc sang một thế giới khác với ý tƣởng là hệ thống mô phỏng bay (Flight Simulation). Sử dụng hệ thống này ngƣời quan sát có cảm giác ảnh đang sống động ngay trƣớc mắt mình.
Do không có sự hỗ trợ về tài chính do đó Heilig không thể hoàn thành ƣớc mơ của mình. Xong anh cũng 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đã tạo ra đƣợc một thiết bị mô phỏng đƣợc gọi là "Sensorrama Simulator", thiết bị này đƣợc công bố vào khoảng đầu những năm 1960. Thiết bị mô phòng Sensorrama - 1960 Thiết bị này sử dụng hình ảnh 3D, thu đƣợc từ camera 35mm kết hợp thành một camera chính. Thiết bị này gồm có một hệ thống âm thanh kết hợp với những cảnh quay 3 chiều thực sự.
Ngƣời nhìn có thể cƣỡi một cái xe máy, có thể cảm thấy gió khi chuyển động, thậm chí họ có thể cảm thấy những đoạn đƣờng có ổ gà. Mặc dù đây còn là một cái máy đơn giản, thô sơ xong nó đã mở ra nhiều ý tƣởng nghiên cứu mới chƣa từng có trên thế giới. Năm 1966 Ivan Sutherland một sinh viên tốt nghiệp Trƣờng Utah tiếp tục nghiên cứu vấn đề Heilig đã bỏ dở. Sutherland cho rằng cảnh quay tƣơng tự không đáp ứng đƣợc yêu cầu thực tế.
Anh ta bắt đầu một ý tƣởng của một bộ tăng tốc đồ hoạ, và đã chế tạo đƣợc hệ thống thiết bị hiển thị đội đầu (Head Mounted Display-HMD) có thể kết nối tới máy tính. Năm 1970, Sutherland tiếp tục phát triển phần cứng của HMD tại trƣờng đại học Utah, 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com làm cho nó hoàn thiện hơn có màn hình là màn hình màu. Thiết bị mô phỏng HMD-1970 của Ivan Sutherland Cũng trong khoảng thời gian này Myron Kreuger đã phát triển một thiết bị có tên VIDEOPLACE. Thiết bị này sử dụng một màn hình lớn đối diện với ngƣời dùng.
Trên màn hình hiển thị cái bóng ngƣời dùng. Hệ thống cũng có khả năng hiển thị nhiều ngƣời sử dụng trên cùng một màn hình. Thiết bị VIDEOPLACE-1970 của Myron Kreuger 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Những ý tƣởng này đƣợc hai nhà khoa học Mỹ ở NASA là Fisher và McGreevy kết hợp lại trong một dự án có tên là “Trạm làm việc ảo” (Visual Workstation) vào năm 1984. Cũng từ đó NASA phát triển thiết bị Hiển thị đội đầu có tính thƣơng mại đầu tiên, thiết kế dựa trên mẫu hình mặt nạ lặn với các màn hình quang học mà ảnh đƣợc cung cấp bởi hai thiết bị truyền hình cầm tay Sony Watchman.
Sự phát triển của thiết bị này đã thành công ngoài dự đoán, bởi NASA đã sản xuất đƣợc một thiết bị HMD có giá chấp nhận đƣợc trên thị trƣờng và nhƣ vậy ngành công nghiệp thực tại ảo đã ra đời. Thiết bị HMD-1984 của NASA Nhƣng đặc biệt công nghệ thực tại ảo từ những năm 90 trở lại đây đƣợc phát triển mạnh mẽ và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực nhƣ: nghiên cứu và công nghiệp, giáo dục và đào tạo cũng nhƣ thƣơng mại, giải trí,. tiềm năng kinh tế, cũng nhƣ tính lƣỡng dụng trong dân dụng và quân sự của nó [6]. 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo Một hệ thống t hực tại ảo tổng quát bao gồm các thành phần: Phần mềm (Software), phần cứng (HardWare), mạng liên kết, ngƣời dùng và các ứng dụng [6]: Hình 1. Các thành phần một hệ thống VR Trong luận văn này tôi chỉ tập chung vào phần cứng và phần mềm Phần cứng (Hardware) Phần cứng của một VR tổng quát bao gồm: Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh).