phần mở đầu, phần kết luận và 3 chƣơng nội dung Chƣơng 1: Khái quát về thực tại ảo và bài toán mô phỏng hệ hô hấp Trong chƣơng này chúng ta sẽ tìm hiểu một cách khái quát về thực tại ảo, phân loại các hệ thống, các thành phần và ứng dụng của hệ thống thực tại ảo, tìm hiểu về cấu tạo của hệ hô hấp nói chung và hệ hô hấp phổi nói riêng. Chƣơng 2: Một số vấn đề trong mô phỏng cấu trúc 3D Chƣơng này nghiên cứu một số kỹ thuật xây dựng mô hình 3D trên cơ sở 2 phần mềm tạo mô hình 3 chiều thông dụng hiện nay là Maya và 3DS Max, đó là kỹ thuật tạo mô hình (modelling), kỹ thuật kết xuất (rendering). Trong đó, luận văn tập trung tìm hiểu các kĩ thuật tạo đối tƣợng và kết xuất. Chƣơng 3: Chƣơng trình thử nghiệm Từ cơ sở trình bày lý thuyết ở chƣơng 2 em ứng dụng vào để xây dựng mô phỏng hệ hô hấp bao gồm có bài toán và chƣơng trình thử nghiệm.
Do thời gian và khả năng có hạn, hơn nữa đây là lần đầu tiên nghiên cứu về lĩnh vực thực tại ảo nên luận văn cũng nhƣ chƣơng trình thử nghiệm không thể tránh khỏi thiếu sót. Rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và bạn bè để tôi có thể phát triển thêm hƣớng nghiên cứu mới, đó là tìm hiểu về các kỹ thuật tạo đối tƣợng có xƣơng để xây dựng hình ảnh mô phỏng các các bộ phận khác trên cơ thể ngƣời đáp ứng cho việc giảng dạy môn “Giải phẫu” ở trƣờng ĐHSP Hà Nội 2. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 8 Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ BÀI TOÁN MÔ PHỎNG HỆ HÔ HẤP 1. Khái quát về thực tại ảo 1.
Thực tại ảo là gì? Thực tế ảo hay còn gọi là thực tại ảo (VR - Virtual Reality) 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. Ở Mỹ và châu Âu, VR đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ tiềm năng kinh tế và 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, … Thuật ngữ "virtual reality" - thực tại ảo - đƣợc đƣa ra bởi Jaron Lanier, ngƣời sáng lập công ty VPL Research, tại Redwood - California, một trong những công ty đầu tiên cung cấp các sản phẩm cho môi trƣờng ảo. Hiện nay, có khá nhiều định nghĩa về thực tại ảo, tuy nhiên định nghĩa sau đây của C. Coiffet là tƣơng đối chính xác và đƣợc chấp nhận rộng rãi: VR- Thực tế ảo là một hệ thống giao diện cấp cao giữa người sử dụng và máy tính.
Hệ thống này mô phỏng các sự vật và hiện tượng theo thời gian thực và có tương tác với người sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác. Đó là ngũ giác gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác, vị giác [6]. Giao diện giữa ngƣời sử dụng và hệ thống máy tính 3D 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 các thiết bị đa phƣơng tiện hiện đại để xây dựng một thế giới mô phỏng bằng máy tính - Môi trƣờng ảo (Virtual Environment) để đƣa ngƣời ta vào một thế giới nhân tạo với không gian nhƣ TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. 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 và tuân theo những quy tắc vật lý rất tự nhiên, làm ngƣời sử dụng có cảm giác nhƣ đang tồn tại trong một thế giới thực [7] 1.
Đặc điểm của một hệ thống thực tại ảo Chỉ bằng một hệ thống mô phỏng có sử dụng đồ họa máy tính, công nghệ VR có thể đƣa ngƣời ta vào một thế giới nhân tạo với không gian 3 chiều “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, … Ngƣời sử dụng tƣơng tác với mô hình ảo, trong đó tƣơng tác đƣợc mô phỏng từ thao tác với các đối tƣợng thực. Điều này xác định một đặc tính chính của VR, đó là tương 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. 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, 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. Nhƣ đã trình bày ở trên, hai đặc tính chính của VR là “tƣơng tác” và “đắm chìm”, đây là hai "I" (Interactive, Immersion) mà nhiều ngƣời đã biết.
Tuy nhiên TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 10 VR cần có một đặc tính thứ ba 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 ba của VR. Do đó có thể coi VR là tổng hợp của ba yếu tố: Tƣơng tác - Đắm chìm - Tƣởng tƣợng (Interactive - Immersion - Imagination).
Một số loại hệ thống thực tại ảo Hệ thống Window on a World còn gọi là Desktop VR, là các chƣơng trình thực tại ảo chạy trên các máy tính cá nhân. Các hệ thống này ra đời từ rất sớm, tuy nhiên chúng chỉ là các ứng dụng đồ họa máy tính nhỏ luôn gặp phải khó khăn là làm thế nào để hình ảnh, âm thanh và các đối tƣợng hoạt động nhƣ trong thực tế. Thiết bị mô phỏng HMD-1960 Hệ thống kết hợp các hình ảnh video với các hình ảnh đồ hoạ 2D làm cho chúng ta có cảm giác ngƣời đƣợc quay video đang tƣơng tác với các đối tƣợng. Phƣơng pháp này đƣợc áp dụng từ cuối những năm 1960 và đƣợc mô tả chi tiết trong 2 cuốn sách "Artificial Reality" và "Artificial Reality II" của Myron Kruger.
Nó đã đƣợc áp dụng vào hệ thống thƣơng mại Mandala của kênh truyền hình cáp Nickelodeon cho chƣơng trình giải trí mà trong đó những ngƣời dự thi xuất hiện với những hình ảnh rất lớn và ngộ nghĩnh. Hệ thống immersive là các hệ thống mà ngƣời sử dụng dùng thiết bị đặc biệt nhƣ màn hình gắn trên đầu (head-mounted display HMD), kính đặc biệt, các bộ cảm ứng và đắm chìm vào bên trong thế giới ảo do các thiết bị này tạo ra. Hệ thống quan sát từ xa (telepresence systems) kết nối các bộ cảm biến từ xa đặt trong thế giới thực với các giác quan của ngƣời vận hành. Ví dụ, chúng ta gắn các bộ cảm biến vào các cơ quan trên cơ thể và đeo một chiếc kính thực tại ảo.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 11 Chiếc kính này nhận các tín hiệu quan sát đƣợc từ vị trí của một robot ở một khoảng cách xa và chúng ta sẽ thấy những gì mà robot thấy để rồi có các phản ứng nhƣ chính ta đang nhìn thấy các hình ảnh đó. Các phản ứng này, theo các bộ cảm biến đƣợc nối với máy tính sẽ chuyển đến các bộ phận tƣơng ứng của robot, kết quả là robot sẽ bắt chƣớc các hoạt động của chúng ta. Điều này thực sự ý nghĩa nếu robot đƣợc đặt trên một hành tinh xa xôi hay trong lòng núi lửa. Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo Hệ thống thực tại ảo bao gồm ba thành phần chính sau: Phần cứng (Hardware), bộ giả lập thực tại (reality simulator), phần mềm (Software) Phần cứng Phần cứng của một VR bao gồ m: Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh).
Các thiết bị đầu vào (Input devices): là các thiết bị có khả năng kích thích các giác quan để tạo nên cảm giác về sự hiện hữu trong thế giới ảo. Chẳng hạn nhƣ 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, bộ giao diện cử chỉ (Gesture interfaces) nhƣ găng tay dữ liệu, chuột, bàn phím,… Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm thiết bị hiển thị đồ họa (nhƣ kính mắt Shutter Glasses, màn hình rộng, thiết bị HDM, …) để nhìn đƣợc đối tƣợng 3D. Thiết bị âm thanh (loa) để nghe đƣợc âm thanh vòm (nhƣ Hi-Fi, Surround, …). Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback nhƣ găng tay, …) để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tƣợng.
Bộ phản hồi xung lực (Force Feedback) để tạo lực tác động nhƣ khi đạp xe, đi đƣờng xóc, .