PHẦN MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của xã hội, ngành công nghệ thông tin đã có những bƣớc phát triển mạnh mẽ cả về phần cứng và phần mềm. Những ứng dụng của nó vào cuộc sống ngày càng phong phú và đa dạng. Từ y tế, học đƣờng, giao thông … lĩnh vực nào cũng đã và đang ứng dụng thành tựu của công nghệ thông tin. Các sản phẩm của công nghệ thông tin đã trở thành trợ thủ đắc lực cho con ngƣời trong công việc, đem lại hiệu quả và đƣa con ngƣời đến với tầm cao của tri thức, khám phá và lí giải rất nhiều bí ẩn tiềm tàng trong cuộc sống.
Một trong những lĩnh vực nghiên cứu của công nghệ thông tin giúp con ngƣời làm đƣợc những điều đó mà ta phải kể đến đó là thực tại ảo – Virual Reality (VR). Thực tại ảo là một lĩnh vực không còn mới mẻ và nó đƣợc nghiên cứu trong tất cả các lĩnh vực của đời sống. Nó là một môi trƣờng 3 chiều đƣợc phát sinh, tổng hợp và điều khiển thông qua máy tính nhằm mục đích mô phỏng lại thế giới thực hoặc một thế giới theo tƣởng tƣởng 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 và hiện tƣợng của thế giới thực.
Hiện nay chúng ta đã thấy ở Việt Nam nhu cầu sử dụng các phần mềm ứng dụng trong quản lý, hay các website quảng bá rất phát triển. Nhƣng với những ngành công nghiệp sản xuất cần phát triển theo chiều sâu nhƣ: tự động hóa và điều khiển, khai thác, thăm dò … chƣa đƣợc đầu tƣ đúng đắn. Đặc biệt, trong lĩnh vực giáo dục nhà nƣớc ta đang chủ chƣơng đổi mới phƣơng pháp dạy học, tích cực sử dụng các phƣơng pháp dạy học trực quan nhƣng chƣa hề có các dụng cụ trực quan cung cấp cho ngƣời dạy. Vậy nên chúng ta mới chỉ chú trọng vào phát triển tƣ duy thuần túy, nhồi nhét kiến thức lý thuyết mà còn hạn chế tiết học thực hành, sử dụng dụng cụ trực quan.
Cũng bởi lí do đó mà trí tƣởng tƣợng của các em còn bị giới hạn, sức sáng tạo cũng bị hạn chế. Là một giáo viên trung học phổ thông, tôi luôn mong muốn truyền đạt kiến thức bài học tới các em, muốn giúp các em tiếp cận khoa học công nghệ để bản thân các em không bỡ ngỡ với những thành tựu công nghệ thông tin. Mặt khác với tinh thần trách nhiệm của một giáo viên có kiến thức về công nghệ thông tin, tôi luôn cùng đồng nghiệp thiết kế các bài giảng điện tử mà trong đó có ứng dụng công nghệ thông tin trong bài. Qua đó tôi mới nhận ra đƣợc rằng đối với môn Hóa học và Vật lý phổ thông, các em gặp khó khăn khi tìm hiểu về sự điện phân, bởi hầu hết các trƣờng đều không thực hiện thí nghiệm ở phòng thí nghiệm.
Nếu có thì LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2 các điện tích di chuyển trong sự điện phân chỉ là các hạt nƣớc li ti bám vào bề mặt điện cực khiến các em khó quan sát đƣợc. Với những lí do đó tôi quyết định tìm hiểu một công nghệ mô phỏng để có thể giúp các em tháo gỡ khó khăn khi tìm hiểu về lĩnh vực này. Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trƣờng Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia hà nội, dƣới sự tân tình của giáo viên hƣớng dẫn tôi đã nghiên cứu kĩ thuật mô phỏng Particles trong thực tại ảo và đã xây dựng đƣợc demo chƣơng trình mà có thể ứng dụng đƣợc trong dạy học. Luận văn có tên là “Mô phỏng sự điện phân bằng kĩ thuật Particles trong thực tại ảo”.
Và trong demo này tôi cũng minh họa hiện tƣợng dƣơng cực tan – một trong các hiện tƣợng phổ biến xảy ra khi điện phân dung dịch chất điện li mà anot đƣợc làm bằng chính kim loại của muối có trong dung dịch. Vì thời gian có hạn và kiến thức nghiên cứu đƣợc có hạn nên còn rất nhiều khía cạnh của vấn đề đang hứa hẹn tôi ở phía trƣớc. Tôi hi vọng có thể tiếp tục nghiên cứu và phát triển tiếp đề tài của mình ở một dịp gần nhất. Tôi rất mong nhận đƣợc những lời đóng góp, sự giúp đỡ của quý thầy cô và các bạn.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ SỰ ĐIỆN PHÂN 1. Khái quát về thực tại ảo 1. Lịch sử ra đời Khái niệm thực tại ảo đã có trong nhiều thập niên nhƣng nó chỉ thực sự đƣợc nhận thức vào khoảng những năm 90 của thế kỷ XX. Vào 1962, Morton Heiling (Mỹ) đã phát minh ra thiết bị mô phỏng Sensorama.
Đó là thiết bị điều khiển một ngƣời sử dụng gồm có: một màn hình thực thể kính, quạt, máy tạo mùi, loa, âm thanh và một chiếc ghế có thể di chuyển đƣợc. Vài năm sau đó, những kĩ sƣ của công ty Phileo đã phát triển HMD gọi là Headsingt. Cái mũ sắt này gồm một màn ảnh và hệ thống theo dõi video. Họ dự định sử dụng HMD trong các tình huống nguy hiểm hay trong môi trƣờng quan sát từ xa, điều khiển góc quay camera bằng cách quay đầu.
Bell Laboratories đã sử dụng HMD cho những phi công lái máy bay trực thăng. Họ liên kết HMD với những camera hồng ngoại gắn bên ngoài máy bay giúp phi công có thể nhìn rõ ngay cả khi môi trƣờng thiếu ánh sáng. Vào khoảng năm 1965, nhà khoa học máy tính có tên là Ivan Sutherland hình dung ra điều mà ông gọi là “Ultimate Display”, sử dụng hiển thị này một ngƣời có thể nhìn thấy thế giới vật lý thật. Điều này đã định hƣớng cho cách nhìn về thực tại ảo.
Khái niệm của Suntherland bao gồm: 1. Một thế giới ảo mà ta có thể quan sát qua HMD. Một máy tính để duy trì các mô hình trong thời gian thực. Định nghĩa về thực tại ảo Thuật ngữ “virual reality” – thực tại ảo đƣợc đƣa ra bởi Jaron Lanier (ngƣời sáng lập công ty VPL Research tại California một trong những công ty đầu tiên cung cấp các sản phẩm cho môi trƣờng ảo).
Hiện nay, có rất nhiều định nghĩa về thực tại ảo, tuy nhiên định nghĩa đƣợc chấp nhận và nhân rộng nhiều nhất là của C. Thực tế ảo là một hệ thống giao diện cấp cao giữa người sử dụng với máy tính. Hệ thống này mô phỏng các sự vật và hiện tượng theo thời gian thực và tương tác với người sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác. Đó là ngũ giác gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, vị giác và khứu giác.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 1: Tƣơng tác trong thực tại ảo Trong thực tại ảo sử dụng mô phỏng trong đồ họa máy tính để tạo ra một thế giới nhƣ thật. Thế giới nhân tạo này không tĩnh tại mà luôn phản ứng và thay đổi theo ý muốn của ngƣời sử dụng thông qua những tín hiệu đầu vào. Điều đó nói lên một đặc tính quan trọng của VR đó là khả năng tƣơng tác thời gian thực.
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 dùng hoàn toàn nhìn thấy sự thay đổi đó trên màn hình theo ý muốn của họ và họ bị thu hút bởi sự mô phỏng này. Tính tƣơng thích và khả năng thu hút của VR đã tạo ra cảm giác đắm chìm, cảm giác trở thành một phần của hành động trên màn hình mà ngƣời sử dụng đang trải nghiệm. Tuy nhiên các ứng dụng của VR phụ thuộc rất nhiều vào trí tƣởng tƣợng của con ngƣời.
Do vậy, có thể coi mỗi hệ thống VR là sự tổng hợp của ba yếu tố: tƣơng tác, đắm chìm, tƣởng tƣợng. Ngƣời ta có thể phân hệ thống VR ra làm nhiều loại khác nhau tùy thuộc vào mức độ phức tạp hoặc phƣơng thức hoạt động của hệ thống. Ở đây tác giả phân hệ thống VR làm 3 loại chính: Hệ thống VR không nhập vai, hệ thống VR bán nhập vai và hệ thống VR nhập vai. Hệ thống VR không nhập vai: đƣợc xây dựng cho máy tính để bàn.
Môi trƣờng ảo đƣợc quan sát thông qua màn hình có độ phân giải cao. Việc tƣơng tác đƣợc thực hiện thông qua các phƣơng tiện nhƣ: bàn phím, chuột hoặc joystick. Hệ thống VR bán nhập vai: Gồm máy tính hỗ trợ đồ họa mạnh đi kèm với một hoặc nhiều màn hình hoặc hệ thống máy chiếu để tạo ra màn hình lớn. Hệ thống này đặt xung quan ngƣời dùng để tạo cảm giác hòa mình vào môi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 trƣờng 3D ảo.
Hệ thống VR nhập vai: Hệ thống này tạo cho ngƣời dùng có cảm giác thực tế nhất. Ngƣời dùng sẽ đeo HMD hoặc sử dụng thiết bị BOOM để nhìn vào môi trƣờng ảo. Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo Một hệ thống thực tại ảo thƣờng gồm ba thành phần: Phần cứng, phần mềm và bộ giả lập. Phần cứng Một máy tính đƣợc coi là máy tính trạm với cấu hình đồ họa mạnh.
Các máy tính đƣợc ứng dụng thực tại ảo để điều khiển các thiết bị cảm ứng tạo cho ngƣời dùng các giác nhập vai trong môi trƣờng ảo 3D. Bởi vậy, phải là các máy tính có cấu hình mạnh hơn nhiều so với máy tính cá nhân thông thƣờng về tốc độ xử lý, khả năng xử lý đồ họa, khả năng lƣu trữ và đặc biệt là xử lý đa nhiệm. Chúng đƣợc tối ƣu để xử lý và hiển thị nhiều dữ liệu phức tạp nhƣ hình ảnh 3D, hoạt hình mô phỏng thực tế, rendering hình ảnh … Các thiết bị đầu vào là các thiết bị mà 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 để xác định vị trí quan sát, bộ giao diện định vị để di chuyển vị trí ngƣời sử dụng, bộ giao diện cử chỉ nhƣ Data Glove.
2: Data Glove Các thiết bị đầu ra: gồm các thiết bị hiển thị đồ họa (màn hình, mũ đội đầu có màn hiển thị để nhìn đƣợc đối tƣợng 3D); các thiết bị âm thanh LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 (loa nghe âm thanh vòm) bộ phản hồi cảm giác để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tƣợng, bộ phản hồi xung lực để tạo tác động nhƣ khi cƣỡi ngựa, khi lái xe … Hình 1.