Đặt vấn đề Trong thực tế hiện nay, ngành Y nói chung và các cơ sở đào tạo y khoa, các viện nghiên cứu, bệnh viện trên toàn quốc nói riêng đang rất cần cơ thể ngƣời thật (xác) để phục vụ cho công tác nghiên cứu, giải phẫu, thực tập các thao tác nội soi,. và hơn ai hết, các thày thuốc và sinh viên ngành Y là những ngƣời cảm nhận sâu sắc về giá trị thực tiễn khi đƣợc nghiên cứu, thực hành phẫu thuật trên cơ thể ngƣời thật trong những ca mổ, các đề tài nghiên cứu y khoa. Để có đƣợc xác ngƣời đạt yêu cầu thì chủ yếu đều từ nguồn hiến xác tự nguyện là chính. Tuy nhiên, nguồn này cũng bị hạn chế bởi nhu cầu lớn của hàng ngàn cơ sở y tế.
Trong những năm gần đây, sự phát triển của công nghệ đồ họa máy tính đã làm thay đổi hoàn toàn việc tƣơng tác giữa ngƣời và máy. Nhờ đó mà một loạt các ứng dụng đồ họa máy tính ra đời, đáp ứng đƣợc nhiều nhu cầu của xã hội. Cụ thể nhƣ trong các lĩnh vực : giải trí, y tế, xây dựng, văn hóa, quân sự. Xuất phát từ tình hình thực tế nhƣ vậy, ngành Y cũng đang triệt để ứng dụng công nghệ thông tin (CNTT) để phục vụ cho nhu cầu của ngành mình.
Trên thế giới hiện nay đã sử dụng những công nghệ mô hình hóa cơ thể ngƣời thật trên không gian 3 chiều ảo để phục vụ cho nghiên cứu, thực hành phẫu thuật và những mục đích có liên quan. Với công nghệ mô phỏng trên máy tính hiện nay, cơ thể ngƣời đã đƣợc hiện thị nhiều chiều trong không gian ảo, hay còn gọi là thực tại ảo (VR - Virtual Reality). Đề tài xin đề xuất hƣớng nghiên cứu mô hình hóa 3D trong thực tại ảo cho một trong những thành phần cơ thể của con ngƣời theo lý thuyết xử lý ảnh, các thuật toán kỹ thuật và ứng dụng vào mô hình thực tế đƣợc xác định là sẽ có ý nghĩa về lý thuyết và ứng dụng trong cuộc sống nói chung, cho ngành Y nói riêng. Vì những lý do trên, tôi chọn đề tài : "MÔ HÌNH HÓA 3D HỆ TIÊU HÓA TRONG THỰC TẠI ẢO" Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 2. Đối tượng + Đặc tả đối tƣợng hệ thống tiêu hóa của ngƣời trên công nghệ 3D + Các thuật toán kỹ thuật và ứng dụng thử nghiệm + Nghiên cứu ứng dụng xử lý ảnh 3D cho đối tƣợng 2. Phạm vi nghiên cứu + Lý thuyết: - Nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết xử lý ảnh - Mô hình hóa hệ thống tiêu hóa của ngƣời trên công nghệ 3D - Phân tích, biểu diễn mô hình + Thực nghiệm: - Nghiên cứu mô phỏng 3D hệ thống tiêu hóa của ngƣời. - Biểu diễn mô hình 3.
Hƣớng nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu lý thuyết, thu thập, phân tích các tài liệu có liên quan đến đối tƣợng của đề tài. - Nghiên cứu, xây dựng mô hình 3D hệ tiêu hóa của ngƣời trong thực tại ảo (VR). - Đánh giá, quan sát và hiệu chỉnh đối tƣợng 3D theo nhiều góc nhìn, phóng to thu nhỏ hệ tiêu hóa nhằm phục vụ cho các yêu cầu thực tế. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu tài liệu, đọc hiểu các kiến thức cơ bản về kỹ thuật xử lý ảnh, về mô hình khoa học về hệ thống tiêu hóa của ngƣời.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu, phân tích và lựa chọn giải pháp công nghệ biểu diễn mô hình hóa ảnh 3D cho hệ thống tiêu hóa của con ngƣời. - Phương pháp trao đổi khoa học: Trao đổi hƣớng nghiên cứu với ngƣời hƣớng dẫn, các đối tác có liên quan để đề xuất và giải quyết các nội dung luận văn đề ra. - Kết quả : Kiểm tra, thử nghiệm, biểu diễn và đánh giá kết quả. Mục tiêu ý nghĩa khoa học của đề tài - Xây dựng mô hình hóa 3D (thực tại ảo) đối tƣợng là hệ tiêu hóa của ngƣời dựa trên lý thuyết xử lý ảnh; - Nghiên cứu, phân tích lựa chọn cung cấp chức năng mô hình hóa đối tƣợng 3D, thao tác trình diễn đối tƣợng trong môi trƣờng không gian 3D; - Là cơ sở để giải quyết vấn đề biểu diễn đƣợc mô hình 3D toàn bộ cơ thể con ngƣời trên môi trƣờng ảo có ý nghĩa về khoa học và ứng dụng trong thực tế.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ Chƣơng 1 KHAI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ HÌNH HÓA 3D 1. KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO 1. Sơ lƣợc lịch sử hình thành và phát triển Thực tại ảo (tiếng Anh là virtual reality, viết tắt là VR) hay còn gọi là thực tế ảo là thuật ngữ miêu tả một môi trƣờng mô phỏng bằng máy tính. Đa phần các môi trƣờng thực tại ảo chủ yếu là hình ảnh hiển thị trên màn hình máy tính hay thông qua kính nhìn 3 chiều, tuy nhiên một vài mô phỏng cũng có thêm các loại giác quan khác khác nhƣ âm thanh hay xúc giác.
Công nghệ thực tại ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện khoảng đầu thập kỷ 90, nhƣng thực sự phát triển mạnh trong vòng vài năm trở lại đây. Theo dự đoán của Gartner (tổ chức nghiên cứu thị trƣờng toàn cầu), VR đứng đầu danh sách 10 công nghệ chiến lƣợc năm 2009. Tại Mỹ và châu Âu thực tại ảo (VR) đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực (nghiên cứu và công nghiệp, giáo dục và đào tạo, du lịch, dịch vụ bất động sản, thƣơng mại và giải trí,.) và tiềm năng kinh tế, cũng nhƣ tính lƣỡng dụng (trong dân dụng và quân sự) của nó. Các nhà khoa học đã nghiên cứu VR từ nhiều năm nay và đã thừa nhận VR là một công nghệ có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn.
Nhiều bài báo, chƣơng trình giới thiệu truyền hình, hội thảo,. đã miêu tả VR theo nhiều cách khác nhau về ứng dụng VR vào cuộc sống. Các yêu cầu đối với một hệ thống VR : Vậy VR nhƣ thế nào ? Trƣớc hết chúng ta hãy giải thích nó qua khía cạnh chức năng. VR là một hệ thống mô phỏng trong đó đồ họa máy tính đƣợc sử dụng để tạo ra một thế giới "nhƣ thật".
Hơn nữa, thế giới "nhân tạo" này không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn (tín hiệu vào) của ngƣời sử dụng (nhờ hành động, lời nói,. Điều này xác định một đặc tính chính của VR, đó là tƣơng tác thời gian thực (real-time interactivity). Thời gian thực ở đây có nghĩa là máy tính có khả năng nhận biết đƣợc tín hiệu vào của ngƣời sử dụng và thay đổi ngay lập tức thế giới ảo. Ngƣời sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ và bị thu hút bởi sự mô phỏng này.
Điều này, chúng ta có thể nhận thấy ngay khi quan sát trẻ nhỏ chơi Video game. Theo báo Bild (Đức), có hai trẻ nhỏ ở Anh bị thu hút và mải mê chơi Nintendo đến nỗi ngay cả khi nhà chúng đang bị cháy cũng không hề hay biết! Tƣơng tác và khả năng thu hút của VR góp phần lớn vào cảm giác đắm chìm (immersion), cảm giác trở thành một phần của hành động trên màn hình mà ngƣời sử dụng đang trải nghiệm. Nhƣng VR còn đẩy cảm giác này "thật" hơn nữa nhờ tác động lên tất cả các kênh cảm giác của con ngƣời. Trong thực tế, ngƣời dùng không những nhìn thấy đối tƣợng đồ họa 3D nổi (nhƣ hình nổi ở trang cuối báo Hoa học trò đã đăng trƣớc kia), điều khiển (xoay, di chuyển,.) đƣợc đối tƣợng trên màn hình (nhƣ trong game), mà còn sờ và cảm thấy chúng nhƣ có thật.
Ngoài khả năng nhìn (thị giác), nghe (thính giác), sờ (xúc giác), các nhà nghiên cứu cũng đã nghiên cứu để tạo các cảm giác khác nhƣ ngửi (khứu giác), nếm (vị giác). Tuy nhiên, hiện nay trong VR các cảm giác này cũng ít đƣợc sử dụng đến. Từ các phân tích trên, chúng ta có thể thấy định nghĩa sau đây của C.Coiffet về VR là tƣơng đối chính xác: 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 và 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, vị giác. Khái niệm này tƣơng đối sát thực tế, tuy nhiên "trăm nghe không bằng một thấy", cho dù bạn có tƣởng tƣợng đến đâu cũng chỉ có thể "hình dung" chứ không thể "cảm thấy" một VR. Theo ý kiến của nhiều chuyên gia, mặc dù nghiên cứu lý thuyết nhiều về VR, nhƣng chỉ tới khi họ đƣợc thực hành trực tiếp trong một CAVE (một hệ thống VR) thì mới cảm nhận hết một thế giới VR kỳ diệu nhƣ thế nào. Hy vọng trong tƣơng lai gần, tại Việt nam sẽ có một hệ thống VR đầy đủ để chúng ta có thể cảm nhận đƣợc sự sáng tạo vĩ đại của con ngƣời.
Một hệ thống VR tại Viện Fraunhofer (CHLB Đức) Nhƣ trên đã trình bày, 2 đặc tính chính của VR là Tƣơng tác và Đắm chìm, đây là hai "I" (Interactive, Immersion) mà nhiều ngƣời đã biết. Tuy nhiên VR cần có 1 đặc tính thứ 3 mà ít ngƣời để ý tới. VR không chỉ là một hệ thống tƣơng tác Ngƣời- Máy tính, mà các ứng dụng của nó còn liên quan tới việc giải quyết các vấn đề thật trong kỹ thuật, y học, quân sự,. Các ứng dụng này do các nhà phát triển VR thiết kế, điều này phụ thuộc rất nhiều vào khả năng tƣởng tƣợng của con ngƣời, đó chính là đặc tính "I" (Imagination) thứ 3 của VR.
Do đó, có thể coi VR là tổng hợp của 3 yếu tố: Tƣơng tác-Đắm chìm-Tƣởng tƣợng, (3 chữ I trong tiếng Anh: Interactive-Immersion- Imagination) nhƣ trong hình sau thể hiện. Ba đặc tính của VR Tổng quát một VR bao gồm những 5 thành phần sau: Hình 1. Các thành phần một VR Trong nội dung này chỉ tập chung giới thiệu vào SW (phần mềm) và HW (phần cứng), còn các thành phần khác: Mạng liên kết, Ngƣời dùng, Các ứng dụng sẽ không đề cập. Phần cứng (Hardware) của một VR bao gồm: 1.
Các thiết bị đầu vào (Input devices): là các thiết bị có khả năng kích thích các giác quan để tạo nên cảm giác hiện hữu trong thế giới ảo gồm có : Bộ dò vị trí (position tracking) để xác định vị trí quan sát. Bộ giao diện định vị (Navigation interfaces) để di chuyển vị trí ngƣời sử dụng.
