Luận văn: Nghiên cứu mô phỏng động tác chuyển động của con người trong thực tại ảo

Khám phá luận văn nghiên cứu chuyên sâu về mô phỏng chuyển động người trong thực tại ảo (VR), phân tích các kỹ thuật Keyframe, IK, FK và ứng dụng.

• Người hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Năng Toàn
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thông Tin
• Đề tài: Mô Phỏng Chuyển Động Người Trong Thực Tại Ảo
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm và Phát triển của Mô phỏng Chuyển động Người trong VR

Mô phỏng chuyển động người trong thực tại ảo là một lĩnh vực công nghệ tiên tiến kết hợp giữa đồ họa máy tính 3D và hệ thống tương tác thực tế ảo. Đây là quá trình tái tạo chuyển động tự nhiên của cơ thể người trong môi trường ảo, cho phép người dùng tương tác và trải nghiệm các hoạt động như trong thế giới thực. Thực tại ảo VR đã phát triển từ những thiết bị sơ khai như Sensorama (1960) và Head Mounted Display (HMD) của Ivan Sutherland, đến các hệ thống hiện đại ngày nay. Công nghệ này đã mở ra những cơ hội mới trong giáo dục, y tế, thiết kế kiến trúc và giải trí, giúp người dùng có trải nghiệm nhập vai và tương tác trực tiếp với các đối tượng 3D.

1.1. Định nghĩa thực tại ảo và ứng dụng

Thực tại ảo VR là công nghệ tạo ra môi trường ba chiều (3D) hoàn toàn tương tác. Các ứng dụng chính bao gồm: mô phỏng lớp học ảo cho giáo dục, hệ thống phẫu thuật ảo trong y tế, mô phỏng thiết kế kiến trúc nhà ở, và bình luyên học tập. Mô phỏng chuyển động người là yếu tố then chốt, cho phép các nhân vật ảo hoạt động tự nhiên và tương tác với môi trường.

1.2. Lịch sử phát triển công nghệ

Công nghệ mô phỏng chuyển động VR đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển. Từ những nguyên mẫu đầu tiên như Sensorrama và VIDEOPLACE của Myron Krueger, đến các hệ thống HMD tiên tiến của NASA năm 1984. Mỗi bước phát triển đã nâng cao tính chân thực và khả năng tương tác, tạo nên những trải nghiệm nhập vai sâu sắc hơn.

II. Các Kỹ thuật Tạo Chuyển động Cơ bản

Để tạo ra mô phỏng chuyển động người chân thực trong thực tại ảo, các nhà phát triển sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau. Keyframe Animation là phương pháp cơ bản, xác định các vị trí chính của nhân vật tại các thời điểm khác nhau, sau đó hệ thống tự động nội suy để tạo chuyển động mượt mà. Path Animation cho phép các nhân vật di chuyển theo các đường cong xác định trước. Non-linear Animation cung cấp những chuyển động phức tạp hơn với các ràng buộc giữa các thuộc tính. Các kỹ thuật này được kết hợp với hệ thống khung xương (skeleton) để tạo ra những chuyển động tự nhiên, giống như chuyển động của cơ thể người thực.

2.1. Keyframe Animation và Nội suy

Keyframe Animation hoạt động bằng cách định nghĩa các khung hình chính tại những thời điểm quan trọng. Hệ thống sau đó tính toán nội suy tuyến tính hoặc nội suy bậc hai để tạo ra các khung hình trung gian. Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác chuyển động người và tạo ra các hiệu ứng mượt mà, tự nhiên.

2.2. Path Animation và Set Driven Key

Path Animation xác định các đường dẫn không gian mà các nhân vật sẽ di chuyển theo. Set Driven Key kỹ thuật cho phép tạo mối liên kết giữa các thuộc tính khác nhau, ví dụ khi tay lên thì bàn tay tự động hở ra. Những kỹ thuật này làm cho mô phỏng chuyển động VR trở nên linh hoạt và tự động hóa hơn.

III. Hệ thống Xương và Điều khiển Chuyển động Người

Hệ thống xương (skeletal animation) là nền tảng của mô phỏng chuyển động người hiện đại. Hệ thống này mô phỏng cấu trúc xương và khớp của cơ thể người, được tổ chức theo cây phân cấp (hierarchy). Mỗi khớp xương có thể quay và dịch chuyển, cho phép tạo ra các chuyển động phức tạp. Hai phương pháp chính được sử dụng: Forward Kinematics (FK) và Inverse Kinematics (IK). FK điều khiển từ khớp gốc đến đỉnh, trong khi IK cho phép người dùng chỉ định vị trí cuối cùng, hệ thống tự động tính toán các góc quay của các khớp trung gian. Những kỹ thuật này kết hợp với hệ thống skin để tạo ra những chuyển động tự nhiên của da và cơ bắp.

3.1. Forward Kinematics FK trong VR

Forward Kinematics là phương pháp điều khiển chuyển động người từ trên xuống dưới. Khi xoay mỗi khớp xương, tất cả các khớp con phía dưới đều di chuyển theo. Phương pháp này dễ kiểm soát nhưng yêu cầu điều chỉnh thủ công từng khớp. FK rất hữu ích cho các chuyển động chính xác như mô phỏng chuyển động tay.

3.2. Inverse Kinematics IK và Ứng dụng

Inverse Kinematics cho phép mô phỏng chuyển động người một cách tự nhiên hơn. Người dùng chỉ cần chỉ định vị trí đích (như vị trí bàn tay), hệ thống tự động tính toán góc quay các khớp. IK sử dụng các kỹ thuật như Cyclic Coordinate Descent để giải quyết bài toán. Phương pháp này lý tưởng cho các hoạt động như bắt quả bóng hay cầm nắm vật thể.

IV. Ứng dụng Thực tiễn của Mô phỏng Chuyển động VR

Mô phỏng chuyển động người trong thực tại ảo đã tìm thấy những ứng dụng thiết thực trong nhiều lĩnh vực. Trong giáo dục, hệ thống lớp học ảo cho phép học sinh tương tác với các bài học 3D. Trong y tế, mô phỏng phẫu thuật ảo giúp bác sĩ thực hành các kỹ thuật mổ phức tạp mà không cần bệnh nhân thật. Kiến trúc sử dụng mô phỏng để khách hàng có thể khám phá các thiết kế nhà ở trước khi xây dựng. Thể thao và giải trí cũng được cải thiện đáng kể, với các ứng dụng huấn luyện và trò chơi tương tác. Công nghệ này tiếp tục phát triển, hứa hẹn những trải nghiệm ngày càng chân thực và sáng tạo hơn.

4.1. Ứng dụng trong Giáo dục và Y tế

Mô phỏng chuyển động VR trong giáo dục cho phép sinh viên thực hành kỹ năng trong môi trường an toàn. Trong y tế, hệ thống phẫu thuật ảo cho phép bác sĩ thực hành các thủ thuật phức tạp. Người học có thể tương tác với các mô hình 3D, tăng cường sự hiểu biết và kỹ năng thực hành một cách hiệu quả.

4.2. Tiềm năng phát triển trong tương lai

Tương lai của mô phỏng chuyển động người VR hứa hẹn những công nghệ đột phá. Kết hợp với AI và machine learning, hệ thống có thể học và dự đoán chuyển động tự nhiên. Haptic feedback sẽ mang lại cảm giác xúc giác chân thực. Những tiến bộ này sẽ mở rộng ứng dụng trong công nghiệp, quân sự và nhiều lĩnh vực khác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TONG QUAN VE THUC TAT AO VÀ CHUYRN BONG TRONG THỤC TẠI ÂO. Tổng quan về Thực tại ảo 3 1. Khải niệm thực tại ä©.

Lịch sử phát triển của thực tại áo,. TIệ thống thực tại ảo. Đặc diễm của hệ thống thực tại äo. ee eee ca 1.

Một số ứng dụng của thực tại ẢO. Chuyển động trong Thực tại ảe 1. Vai trò của việc tạo chuyển dộng. Phân loại chuyển động.

Tạo chuyển động. MỘT SỐ KỸ THUẬT TẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO CON NGƯỜI TRONG THỰC TẠI ÁẢO 2. Kỹ thuật tạo chuyển động không dựa vào xương, 2. Kỹ thuật tạo chuyển déng Keytrame Animation.

Kỹ thuật tạo chuyển động Path Animation 2. Kỹ thuật Iạo chuyển động Non Imear Anination Wih Track 2. Kỹ thuật tạo chuyển dộng Set Driven Key. Kỹ thuật tạo chuyển động đựa vào xương,.

Kỹ thuậL điều khiển tiễn EK (Forward kinerualios) 2. Kỹ thuật điều khiển nguge IK (Inverse kinematics). DANH MUC HiNH ANH Hinh 1. Giao dign gifta ngudi st dung va hé théng máy tỉnh 3D Hình 1.

Thiét bi m6 phéng Sensorrama-1960. Ivan Sutherland va thiét bi mé phéng IMD. Thiết bị VIDROPI.ACE eda Myron Krenger Hình 1. Scott Fisher, McGreevy va Thiét bi HMD-1984 ota NASA.

Hé thống thực tại ảo Tình 1. Mô hình lớp học áo Hình 1. Hệ thống phẫu thuật äo. Mô phỏng thiết kế kiến trúc nhà ở 3D Hùnh 1.

Bình lính học nhây đủ bằng thực tế äo. Hệ thống xương trong phản mềm đồ họa. TIệ thống khớp xương liên kết được phân cắp trong phan mém dé hoa Hình 1.13: Câu trúc chung của mô hình cây phân cấp. Số lượng các khung binh nội suy xác định chuyển dang.

Hệ thống Frame trong phân mềm đồ họa 3D Hình 2. Mô tá chuyên dộng theo các thời điễm chỉnh. Chuyển động nhận vật sử dựng keyframe.4: Nội suy tuyến tính cho 5 Keyframe theo thời gian Tình 2. Nội suy bậc hai cho 5 Keyfarue Tĩinh 3.

Mô tà chuyên động theo đường cong xác định trước Tình 2. Mô tả chuyển động theo sự rằng buộc giữa các thuộc tính Hình 2. Mö tả các khớp gỗi và xương chân,. Hệ thống xương và khóp treng cơ thể con người.

Sự phân cấp mô hình khung xương người Hình 2. Tạo xương bản taY. Mỏ tả chuyển động dựa vào khung xương. Hình ảnh điều khiển xoay mội nhánh xương, Hình 2.

Hệ thống khớp xương sử dụng phương pháp FK. Sử dụng FK dé tao chuyển động cho chan thao tac véi qua bong.16, Ilinh anh mét diéu khién IK được thêm cho một nhánh xương 37 Hình 2. Hình ãnh điều khiến xoay một nhánh xương, 37 Hình 2. Sử dụng IK để tạo chuyển động cho cánh tay.

Dich chuyén chan tir vi tri dtmg 48 nang lên. Sứ dụng một giải pháp TK để làm cho bàn tay của một nhân vật đạt được một tục HiỂU. tin tnn0gterrrare "—. Một liên kết TK đơn.

Môt liên kết đôi TK 41 Hình 2.23, Xoay liên kết cuổi củng bằng cách sử dụng kỹ thuật Phối hợp Descent Cylic cho TK. Quay liên kết trung gian bằng cách sử dụng kỹ thuật Phối hop Descent Cybc cho các giải pháp TK. cà in riec ¬—. Mô hình skin di 6 mat Front .seecsssssesnsseenineeneensneenetonatiitintieneeneinn nl Lin 3.

eee eens peer Ol Hình 3. M6 hinh skin 6 géc nhin right 62 Hinb 3. M6 hinh skin vừa dị vừa chảo ở poe uhin right. seiner OD DANH MUC HiNH ANH Hinh 1.

Giao dign gifta ngudi st dung va hé théng máy tỉnh 3D Hình 1. Thiét bi m6 phéng Sensorrama-1960. Ivan Sutherland va thiét bi mé phéng IMD. Thiết bị VIDROPI.ACE eda Myron Krenger Hình 1.

Scott Fisher, McGreevy va Thiét bi HMD-1984 ota NASA. Hé thống thực tại ảo Tình 1. Mô hình lớp học áo Hình 1. Hệ thống phẫu thuật äo.

Mô phỏng thiết kế kiến trúc nhà ở 3D Hùnh 1. Bình lính học nhây đủ bằng thực tế äo. Hệ thống xương trong phản mềm đồ họa. TIệ thống khớp xương liên kết được phân cắp trong phan mém dé hoa Hình 1.13: Câu trúc chung của mô hình cây phân cấp.

Số lượng các khung binh nội suy xác định chuyển dang. Hệ thống Frame trong phân mềm đồ họa 3D Hình 2. Mô tá chuyên dộng theo các thời điễm chỉnh. Chuyển động nhận vật sử dựng keyframe.4: Nội suy tuyến tính cho 5 Keyframe theo thời gian Tình 2.

Nội suy bậc hai cho 5 Keyfarue Tĩinh 3. Mô tà chuyên động theo đường cong xác định trước Tình 2. Mô tả chuyển động theo sự rằng buộc giữa các thuộc tính Hình 2. Mö tả các khớp gỗi và xương chân,.

Hệ thống xương và khóp treng cơ thể con người. Sự phân cấp mô hình khung xương người Hình 2. Tạo xương bản taY. Mỏ tả chuyển động dựa vào khung xương.

Hình ảnh điều khiển xoay mội nhánh xương, Hình 2. Hệ thống khớp xương sử dụng phương pháp FK. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIET TAT Ky higu/ STT Ý nghĩa Chir vist tat VR ‘Virtual Reality Thue tai a0 3D 3 Dimentional 3 Chicu tờ Head Mounted Displays Mũ đội dâu có màn hiện thị forward kinomatios 0 Điều khiến tiền inverse kinematics Diéu khiển ngược. & it LOT CAM BOAN Tôi xin cam đoan toàn bé néi dung bản luận văn này là đo tôi tự sưu tÂm, tra cửu và sắp xếp cho phủ hợp với nội dung yêu cầu của đề tài Nội dung huận văn này chưa từng được công bố hay xuất bản đưới bất kỳ hình thức nào và cũng không được sao chép từ bất kỳ ruột công trùnh nghiên cứu nao.

Tắt cả phần mã nguồn của chương trình đều do tôi tự thiết kế và xây dụng, trong đó có sử đụng một số thư viên chuẩn và các thuật toán được các tác giả xuất tbần công khai và miễn phí trên mang Tnlernet Nếu sai tôi xin tôi xin hoàn toán chịu trách nhiệm. Hà Nội, Tháng 4 năm 2016 Học viên Phan Thị Cúc DANH MUC HiNH ANH Hinh 1. Giao dign gifta ngudi st dung va hé théng máy tỉnh 3D Hình 1. Thiét bi m6 phéng Sensorrama-1960.

Ivan Sutherland va thiét bi mé phéng IMD. Thiết bị VIDROPI.ACE eda Myron Krenger Hình 1. Scott Fisher, McGreevy va Thiét bi HMD-1984 ota NASA. Hé thống thực tại ảo Tình 1.

Mô hình lớp học áo Hình 1. Hệ thống phẫu thuật äo. Mô phỏng thiết kế kiến trúc nhà ở 3D Hùnh 1. Bình lính học nhây đủ bằng thực tế äo.

Hệ thống xương trong phản mềm đồ họa. TIệ thống khớp xương liên kết được phân cắp trong phan mém dé hoa Hình 1.13: Câu trúc chung của mô hình cây phân cấp. Số lượng các khung binh nội suy xác định chuyển dang. Hệ thống Frame trong phân mềm đồ họa 3D Hình 2.

Mô tá chuyên dộng theo các thời điễm chỉnh. Chuyển động nhận vật sử dựng keyframe.4: Nội suy tuyến tính cho 5 Keyframe theo thời gian Tình 2. Nội suy bậc hai cho 5 Keyfarue Tĩinh 3. Mô tà chuyên động theo đường cong xác định trước Tình 2.

Mô tả chuyển động theo sự rằng buộc giữa các thuộc tính Hình 2. Mö tả các khớp gỗi và xương chân,. Hệ thống xương và khóp treng cơ thể con người. Sự phân cấp mô hình khung xương người Hình 2.

Tạo xương bản taY. Mỏ tả chuyển động dựa vào khung xương. Hình ảnh điều khiển xoay mội nhánh xương, Hình 2. Hệ thống khớp xương sử dụng phương pháp FK.

CAM ON Với lòng biết œn sân sắc, em xín gửi lời cảm ơn tới các thây, cô giáo trong Viện công nghệ thông tin và Truyền thông - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã †âm huyết truyền đạt vốn kiến thức quý bảu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại budmg. Va em cing xin cam ơn các thây, có giáo quản lý trong khúa sau đạt học Viện Công nghệ thông tin và truyền thông Thái Nguyễn dã luôn giúp đỡ, tạo điêu kiên tốt nhất cho em trong quá trình học tập.uận văn được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Đỗ Năng Toản - Viện Công nghệ thông tin - Đại học Quốc gia Hà Nội. Em xin bảy tỏ lòng biết ơn.

sâu sắc tới Thây đã hướng đẫn và có ý kiến chỉ dẫn quỷ báu trong quá trinh em làm luận văn. Him xin cảm ơn các anh chị trong Phong Thực tại áo -Viện Công nghệ thông tin - Viên Hàn lâm khoa học Việt Nam đã nhiệt tình giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn. ‘Tai xm cảm ơn các đổng nghiệp và người thân đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn này. T1à Nội, Thắng 4 năm 2016 Học viên Than Thị Cúc Hình 2.

Sử dụng FK dé tao chuyển động cho chan thao tac véi qua bong.16, Ilinh anh mét diéu khién IK được thêm cho một nhánh xương 37 Hình 2. Hình ãnh điều khiến xoay một nhánh xương, 37 Hình 2. Sử dụng IK để tạo chuyển động cho cánh tay. Dich chuyén chan tir vi tri dtmg 48 nang lên.

Sứ dụng một giải pháp TK để làm cho bàn tay của một nhân vật đạt được một tục HiỂU. tin tnn0gterrrare "—. Một liên kết TK đơn. Môt liên kết đôi TK 41 Hình 2.23, Xoay liên kết cuổi củng bằng cách sử dụng kỹ thuật Phối hợp Descent Cylic cho TK.

Quay liên kết trung gian bằng cách sử dụng kỹ thuật Phối hop Descent Cybc cho các giải pháp TK. cà in riec ¬—. Mô hình skin di 6 mat Front .seecsssssesnsseenineeneensneenetonatiitintieneeneinn nl Lin 3. eee eens peer Ol Hình 3.

M6 hinh skin 6 géc nhin right 62 Hinb 3. M6 hinh skin vừa dị vừa chảo ở poe uhin right. seiner OD LOT NOT DAU Ngày nay, sự phát triển của máy tính đã đem đến cho con người những cơ tội mới để nghiên cứu các vẫn dé của thực tế. Bằng việc xây dụng lên môi trường, thực tại ão, con người có thể xảy dựng thể giới thực vào máy tính, mô phỏng những sự kiện có thật hoặc giả định trang thực tế vào vì tỉnh để tìm liễu Thực tại ảo (VE_ Virtual Realiwy) [1| là một môi trường ba chiều dược phát sinh, tổng hợp và điều khiến thông qua máy vi tính nhằm rnục đích mô phỏng lại thể giới thục hoặc một thế giới theo tưởng lượng cửa con người.

Nó cho phổp người dùng thông qua các thiết bị ngoại vi tương, tác với các sự vật, hiện tượng của thé giới ão giống như tương tác với các sự vật, hiện tượng của thế giới thuc. Các ứng dung VR ngày càng trở nên hấp dẫn và phong phú hơn đặc biệt là trong lĩnh vực y học, kiến trúc, kỹ thuật, khoa học, giáo dục vá giải trí. Trong mỗi trường ảo, hậu hết các ứng dụng đều ở chế độ tạo mẫu ảo. Các đổi tượng được tạo ra trong thế giới nhân tạo ở dạng mô hình hình học.

Co thé néi Hinh vực Thực tại áo là một lĩnh vực vẻ cùng rộng lớn của công nghệ thêng tỉa.