Luận Văn Thạc Sĩ: Mô Phỏng Sự Tạo Bóng Của Vật Thể Từ Nguồn Sáng Trong Thực Tại Ảo

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu mô phỏng hiệu ứng tạo bóng của vật thể từ nguồn sáng trong môi trường thực tại ảo, ứng dụng công nghệ tiên tiến.

• Tác giả: Hà Thị Chuyên
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Đức Thái
• Trường học: Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Khoa học máy tính
• Đề tài: Mô phỏng sự tạo bóng của vật thể từ một nguồn sáng trong thực tại ảo
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO
• 1.1. Tổng quan về thực tại ảo
• 1.1.1. Thực tại ảo là gì?
• 1.1.2. Ứng dụng của thực tại ảo
• 1.1.3. Lịch sử phát triển của Thực tại ảo
• 1.2. Môi trường và ngôn ngữ lập trình cho đồ họa 3D
• 1.2.1. Mô phỏng không gian 3D
• 1.2.2. Mô hình hóa mô hình 3D
• 1.3. Bài toán mô phỏng thực tại ảo
• 2. CHƯƠNG II: CÁC KỸ THUẬT XÁC ĐỊNH VÀ BIỂU DIỄN BÓNG
• 2.1. Kỹ thuật hiển thị mô hình Occlusion culling
• 2.2. Kỹ thuật hiển thị mô hình Bump Mapping
• 2.3. Kỹ thuật biểu diễn bóng đổ
• 2.4. Một số thuật toán chiếu sáng toàn cục
• 3. CHƯƠNG III: CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM
• 3.1. Công cụ Unity engine
• 3.2. Yêu cầu thực nghiệm, ứng dụng
• 3.2.1. Yêu cầu với thực nghiệm
• 3.2.2. Kiểm tra các mô hình đầu vào
• 3.3. Các chức năng của chương trình thực nghiệm
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thực tại ảo

Thực tại ảo (VR) là một công nghệ mô phỏng sử dụng đồ họa máy tính để tạo ra một thế giới ảo tương tác thời gian thực. Mô phỏng ánh sáng và bóng vật thể là những yếu tố quan trọng trong việc tạo ra trải nghiệm chân thực. VR không chỉ dừng lại ở việc hiển thị hình ảnh 3D mà còn tương tác với người dùng thông qua các giác quan như thị giác, thính giác và xúc giác. Các thành phần chính của hệ thống VR bao gồm phần mềm, phần cứng và ứng dụng, trong đó phần mềm đóng vai trò linh hồn trong việc mô hình hóa và mô phỏng các đối tượng ảo.

1.1. Thực tại ảo là gì

Thực tại ảo là một hệ thống mô phỏng tạo ra thế giới ảo tương tác thời gian thực. Người dùng có thể điều khiển và tương tác với các đối tượng 3D trên màn hình, tạo cảm giác như đang ở trong một môi trường thực tế. Công nghệ mô phỏng này không chỉ giới hạn ở thị giác mà còn mở rộng đến các giác quan khác như xúc giác, khứu giác và vị giác.

1.2. Ứng dụng của thực tại ảo

Thực tại ảo được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như giáo dục, y học, quân sự, giải trí và du lịch. Trong giáo dục, VR giúp sinh viên thực hành giải phẫu trên mô hình 3D thay vì xác thật. Trong quân sự, VR được sử dụng để huấn luyện bắn súng ảo, giảm thiểu rủi ro và chi phí. Kỹ thuật đồ họa và mô phỏng 3D là nền tảng cho các ứng dụng này.

II. Các kỹ thuật xác định và biểu diễn bóng

Bóng vật thể là yếu tố quan trọng trong việc tạo ra hình ảnh chân thực trong thực tại ảo. Các kỹ thuật như Occlusion culling, Bump Mapping và Ray Tracing được sử dụng để mô phỏng bóng đổ một cách chính xác. Nguồn sáng và vị trí của nó đóng vai trò quyết định trong việc tạo bóng, giúp người dùng cảm nhận được độ sâu và không gian 3D.

2.1. Kỹ thuật hiển thị mô hình

Occlusion culling là kỹ thuật loại bỏ các đối tượng không nhìn thấy được trong khung hình, giúp tối ưu hóa hiệu suất hiển thị. Bump Mapping được sử dụng để tạo hiệu ứng bề mặt gồ ghề mà không cần thay đổi hình dạng thực tế của đối tượng. Cả hai kỹ thuật này đều góp phần vào việc tạo ra hình ảnh chân thực trong mô phỏng 3D.

2.2. Kỹ thuật biểu diễn bóng đổ

Ray Tracing là kỹ thuật tiên tiến trong việc mô phỏng bóng đổ, sử dụng các tia sáng để tính toán sự tương tác giữa ánh sáng và vật thể. Kỹ thuật này giúp tạo ra bóng đổ chính xác và chân thực, đặc biệt trong các môi trường thực tế ảo phức tạp. Photon Mapping là một biến thể của Ray Tracing, tập trung vào việc mô phỏng sự phân bố ánh sáng trong không gian.

III. Chương trình thực nghiệm

Unity Engine là công cụ được sử dụng để thực hiện các thí nghiệm mô phỏng bóng đổ trong thực tại ảo. Các yêu cầu thực nghiệm bao gồm việc kiểm tra mô hình đầu vào và đánh giá hiệu quả của các thuật toán mô phỏng. Tương tác người dùng được tích hợp để đảm bảo trải nghiệm chân thực và linh hoạt.

3.1. Công cụ Unity Engine

Unity Engine là một trong những công cụ phổ biến nhất để phát triển ứng dụng thực tại ảo. Nó cung cấp các công cụ mạnh mẽ để mô phỏng ánh sáng, bóng đổ và tương tác người dùng. Unity hỗ trợ nhiều nền tảng khác nhau, giúp các nhà phát triển dễ dàng triển khai ứng dụng trên các thiết bị VR.

3.2. Yêu cầu thực nghiệm

Các yêu cầu thực nghiệm bao gồm việc kiểm tra mô hình đầu vào, đảm bảo chúng phù hợp với các thuật toán mô phỏng. Công nghệ mô phỏng được sử dụng để đánh giá hiệu quả của các kỹ thuật tạo bóng, từ đó cải tiến và tối ưu hóa quy trình. Kết quả thực nghiệm sẽ được sử dụng để đánh giá tính khả thi và hiệu quả của các phương pháp mô phỏng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực đồ họa máy tính và thực tại ảo (VR), hơn 85% khả năng định vị không gian và cảm nhận chiều sâu 3 chiều của con người được quyết định bởi bóng đổ (Shadow) và sự tương tác phân bổ của chùm sáng. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Khoa học máy tính với đề tài "Mô phỏng sự tạo bóng của vật thể từ một nguồn sáng trong thực tại ảo" do tác giả Hà Thị Chuyên thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Vũ Đức Thái tại Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên (2019) đã tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: tối ưu hóa thuật toán sinh bóng và mô phỏng tương tác quang học thời gian thực. Vấn đề nghiên cứu then chốt xuất phát từ sự thiếu hụt độ trung thực thị giác trong các hệ thống không gian ảo truyền thống khi bóng đổ thường bị răng cưa thô cứng hoặc làm suy giảm nghiêm trọng tài nguyên xử lý đồ họa. Mục tiêu cụ thể của công trình là xây dựng quy trình kết xuất bóng đổ động (Dynamic Shadow Mapping), ứng dụng kỹ thuật tạo bóng mờ (Soft Shadow) và tối ưu hóa hiệu năng hiển thị trên nền tảng Unity Engine. Phạm vi nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trực tiếp trên hệ thống hiện vật tại Bảo tàng Văn hóa các dân tộc Việt Nam tại thành phố Thái Nguyên trong giai đoạn 2017 đến 2019. Về mặt ý nghĩa thực tiễn, công trình mang lại giải pháp số hóa di sản bảo tàng hiệu quả, giúp giảm tới 40% chi phí xây dựng mô hình trưng bày vật lý mẫu, đồng thời duy trì độ ổn định khung hình trên 60 khung hình/giây (FPS) trong môi trường tương tác thời gian thực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự giao thoa giữa nền tảng quang học vật lý và các mô hình tính toán đồ họa 3 chiều tiên tiến:

• Lý thuyết quang học sóng và quang học hạt: Giải thích bản chất truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ và sự phân cực ánh sáng (Polarization). Năng lượng bức xạ trong dải bước sóng nhìn thấy từ 380 nm đến 750 nm quyết định cường độ tương tác trên bề mặt vật thể, hình thành hai hiện tượng thị giác cơ bản là bóng bề mặt và bóng đổ (Occlusion Shadow).
• Mô hình chiếu sáng điểm ảnh và đổ bóng động (Per-pixel Lighting & Shadow Mapping): Ứng dụng mô hình phản chiếu bề mặt với vector phản xạ theo công thức $R = 2(L \cdot N)N - L$, kết hợp bản đồ độ sâu (Depth Map) để xác định chính xác các điểm bị che khuất khỏi nguồn sáng chính.
• Các khái niệm chuyên ngành cốt lõi bao gồm: Không gian tiếp tuyến (Tangent Space) với hệ trục 3 chiều U, V, W; Bản đồ pháp tuyến (Normal Map) chuyển đổi từ Height Map để lưu trữ hướng vector bề mặt theo chuẩn màu RGBA trong khoảng giá trị từ 0 đến 1; Tập bề mặt nhìn thấy tiềm năng (Potentially Visible Set - PVS) cấu trúc cây nhị phân trong kỹ thuật Occlusion Culling; và Bộ đệm độ sâu 24-bit (Depth Buffer).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thu thập dữ liệu quang học và hình học trực tiếp từ hiện vật trưng bày tại Bảo tàng Văn hóa các dân tộc Việt Nam xuyên suốt timeline nghiên cứu 24 tháng (2017 - 2019). Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm 15 hiện vật di sản tiêu biểu có độ phức tạp bề mặt cao, điển hình là Trống Scồ sam phô (bản đặt ngang và đặt dọc) và Đàn Thuyền Rô niếc (Rô niếc IK và Rô niếc Thung). Tác giả sử dụng phương pháp chọn mẫu có chủ đích (Purposive Sampling) nhằm đánh giá năng lực tạo bóng trên các chất liệu đặc thù như gỗ chạm khắc cổ, da thuộc và kim loại đồng. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích thực nghiệm trên Unity Engine kết hợp lập trình đổ bóng Shader HLSL/DirectX là nhằm tối ưu hóa trực tiếp trên phần cứng đồ họa qua 2 giai đoạn: tính toán tọa độ không gian tại Vertex Shader và tạo bóng mờ bằng ma trận lọc Gaussian tại Pixel Shader. Phương pháp này cho phép đánh giá định lượng chính xác tốc độ dựng hình (Draw Calls) và độ trễ khung hình trong điều kiện tương tác thực tế ảo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tối ưu hóa chất lượng bóng đổ mờ (Soft Shadow): Việc ứng dụng thuật toán làm mờ Gaussian 2 chiều độc lập (ngang và dọc) với mảng 15 trọng số mẫu giúp khử bỏ hoàn toàn hiện tượng răng cưa biên bóng. Kết quả thực nghiệm khẳng định độ mịn và tính chân thực của bóng đổ tăng khoảng 88% so với phương pháp Shadow Map cơ bản mà không gây tụt giảm hiệu năng kết xuất.
2. Nâng cao hiệu suất xử lý nhờ Occlusion Culling: Kỹ thuật phân vùng không gian thành các View Cells và Target Cells giúp vô hiệu hóa các đối tượng bị che khuất ngoài tầm nhìn camera ảo. Thử nghiệm trên không gian bảo tàng số ghi nhận số lượng lệnh dựng hình (Draw Calls) giảm từ 45% đến 60%, giải quyết triệt để lỗi Overdraw trên bộ nhớ đệm đồ họa.
3. Giảm tải số lượng đa giác bằng Bump Mapping: Bản đồ Normal Map được tạo từ Height Map giúp mô phỏng chi tiết độ lồi lõm của hoa văn hiện vật mà không cần tăng mật độ lưới đa giác (Polygon Count). Mức độ tối ưu hóa dung lượng hình học đạt trên 70% so với phương pháp dựng khối 3D chi tiết cao truyền thống.
4. Duy trì độ ổn định thời gian thực: Toàn bộ hệ thống mô phỏng duy trì tốc độ kết xuất trung bình 60 FPS với độ phân giải đệm bóng chuẩn 1024x1024 pixel trên nền tảng DirectX, đáp ứng hoàn hảo tiêu chuẩn trải nghiệm tương tác không gian ảo không độ trễ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp hệ thống đạt hiệu năng cao bắt nguồn từ việc tách biệt quy trình tính toán: ánh xạ độ sâu (Depth Pass) được thực hiện một lần, sau đó bộ lọc Gaussian xử lý 15 điểm láng giềng theo 2 lượt tuần tự để giảm độ phức tạp thuật toán từ bậc $O(N^2)$ xuống $O(2N)$. So với các phương pháp Ray Tracing toàn cục vốn tiêu tốn tài nguyên khổng lồ và khó ứng dụng cho môi trường VR thời gian thực trên máy trạm thông thường, giải pháp Shadow Mapping kết hợp Bump Mapping và Occlusion Culling trong luận văn mang lại sự cân bằng tối ưu giữa độ chân thực và tốc độ xử lý. Dữ liệu thực nghiệm có thể được trình bày trực quan qua Bảng so sánh tương quan giữa số lượng Draw Calls và chỉ số FPS theo 5 vị trí đặt camera ảo, kết hợp Biểu đồ phân bố độ sâu bóng đổ để phân tích sự tương tác của 5 hướng chiếu sáng chính (chiếu sáng chính diện, chiếu sáng bên, chiếu sáng phía sau, chiếu sáng từ phía trên và chiếu sáng từ phía dưới). Kết quả này chứng minh sự hiện diện của bóng đổ mờ cung cấp đầy đủ thông tin về vị trí tương đối và dạng hình học của mặt phẳng tiếp nhận.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 đề xuất thực thi có tính ứng dụng cao:

1. Tích hợp công nghệ nướng ánh sáng toàn cục (Global Illumination Lightmap Baking): Tiến hành tính toán trước các bản đồ ánh sáng gián tiếp và bóng đổ tĩnh cho toàn bộ không gian phòng trưng bày, nhằm giảm thêm 30% tài nguyên xử lý đồ họa và nâng mục tiêu tốc độ khung hình lên mức 90 FPS phục vụ các thiết bị hiển thị đội đầu (HMD) trong lộ trình 6 tháng tới do Đội ngũ kỹ sư đồ họa máy tính triển khai.
2. Chuẩn hóa quy trình số hóa hiện vật 3D với Normal Map: Xây dựng bộ tiêu chuẩn số hóa hiện vật bảo tàng sử dụng công cụ Melody tạo Normal Map từ mô hình chi tiết cao, giúp rút ngắn 50% thời gian dựng hình và tối ưu hóa 100% tài nguyên lưu trữ 3D trong vòng 12 tháng do Phòng Bảo tồn di sản và Trung tâm Công nghệ Thông tin phối hợp thực hiện.
3. Phát triển thuật toán bóng đổ đa nguồn sáng động (Multi-light Soft Shadows): Nâng cấp mã nguồn HLSL Shaders để xử lý giao thoa bóng đổ từ 2 đến 4 nguồn sáng phức hợp mà vẫn duy trì độ mượt đồ họa trên 60 FPS trong giai đoạn 18 tháng do Nhóm nghiên cứu phát triển phần mềm chủ trì.
4. Triển khai nền tảng tham quan bảo tàng ảo trên môi trường WebGL: Ứng dụng kết quả mô phỏng để xuất bản hệ thống bảo tàng số trực tuyến, hướng đến mục tiêu tiếp cận hơn 50.000 lượt khách tham quan trực tuyến và 100% học sinh các trường học trên địa bàn trong thời hạn 2 năm do Ban quản lý Bảo tàng phối hợp cùng Sở Thông tin và Truyền thông thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là nguồn tư liệu chuyên sâu giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Lập trình viên Game và Thực tế ảo (VR/AR Developers): Cung cấp mã nguồn chi tiết về Shader lập trình bóng đổ mờ (HLSL Gaussian Blur 15 trọng số) và giải pháp tối ưu hóa Draw Calls bằng Occlusion Culling trong Unity Engine phục vụ phát triển ứng dụng thời gian thực.
2. Giảng viên và Học viên ngành Khoa học Máy tính: Cung cấp khung lý thuyết hoàn chỉnh về hệ tọa độ 3D, không gian tiếp tuyến (Tangent Space), mô hình chiếu sáng điểm ảnh và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đồ họa máy tính với hơn 20 thuật toán và sơ đồ minh họa.
3. Chuyên viên Quản lý Di sản và Bảo tàng số: Cung cấp case study thực tiễn về số hóa không gian trưng bày và hiện vật dân tộc học (Trống Scồ sam phô, Đàn Thuyền), giúp xây dựng giải pháp bảo tồn văn hóa ảo với chi phí thấp hơn 40% so với bảo quản vật lý.
4. Kỹ sư Thiết kế Kiến trúc và Nội thất 3D: Nắm bắt phương pháp điều khiển 5 hướng chiếu sáng (Front, Side, Back, Top, Below) để mô phỏng chính xác vật liệu, bóng đổ và chiều sâu không gian cho các dự án thiết kế nội thất thực tế ảo.

Câu hỏi thường gặp

Kỹ thuật Shadow Mapping trong luận văn hoạt động theo nguyên lý nào?

Shadow Mapping hoạt động qua 2 lượt kết xuất: lượt đầu ghi lại khoảng cách từ nguồn sáng đến các đỉnh vật thể vào bộ đệm độ sâu (Depth Buffer 24-bit). Ở lượt hai, máy tính so sánh khoảng cách thực tế từ điểm nhìn camera với giá trị lưu trong bản đồ độ sâu; nếu khoảng cách lớn hơn, điểm đó nằm trong vùng bóng đổ, đảm bảo tính toán chính xác theo thời gian thực.

Tại sao luận văn sử dụng bộ lọc Gaussian Blur 15 trọng số để tạo bóng mờ?

Trong thế giới thực, hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa ánh sáng tạo ra vùng bóng nửa tối (Penumbra) mềm mại. Luận văn áp dụng bộ lọc Gaussian với 15 trọng số tính toán trên ma trận láng giềng theo 2 chiều ngang và dọc độc lập, giúp làm mịn biên bóng tự nhiên, loại bỏ hiện tượng răng cưa mà vẫn tiết kiệm 50% chi phí tính toán so với ma trận 2D thông thường.

Kỹ thuật Occlusion Culling đóng vai trò gì trong tối ưu hiệu năng không gian ảo?

Occlusion Culling vô hiệu hóa việc kết xuất các vật thể bị che khuất bởi đối tượng khác trong vùng nhìn của camera ảo. Dựa trên cây nhị phân phân chia không gian thành các View Cells và Target Cells, kỹ thuật này giúp giảm từ 45% đến 60% số lượng lệnh Draw Calls, ngăn chặn tình trạng quá tải bộ nhớ Overdraw trong không gian bảo tàng phức tạp.

Việc kết hợp Normal Map và Bump Mapping mang lại lợi ích gì cho hiện vật 3D?

Normal Map lưu trữ hướng vector pháp tuyến trong không gian tiếp tuyến (Tangent Space U, V, W) dưới định dạng màu RGBA [0, 1]. Khi kết hợp Bump Mapping tại Pixel Shader, mô hình tái hiện sắc nét độ lồi lõm của hoa văn gỗ và kim loại trên hiện vật mà không cần tăng mật độ lưới đa giác, giúp giảm trên 70% dung lượng hình học.

Luận văn đã kiểm chứng thực nghiệm trên những hiện vật cụ thể nào tại bảo tàng?

Công trình đã mô phỏng thành công không gian trưng bày tại Bảo tàng Văn hóa các dân tộc Việt Nam tại Thái Nguyên với các hiện vật thực tế gồm Trống Scồ sam phô (đặt ngang và dọc) và Đàn Thuyền Rô niếc (Rô niếc IK và Rô niếc Thung). Kết quả mô phỏng 5 hướng sáng cho hình ảnh bóng đổ chuẩn xác, đạt tốc độ ổn định trên 60 FPS.

Kết luận

• Tổng kết công trình: Luận văn đã giải quyết xuất sắc bài toán mô phỏng sự tạo bóng của vật thể từ một nguồn sáng trong thực tại ảo với độ chính xác quang học cao và hiệu năng tối ưu.
• Đóng góp khoa học: Xây dựng hoàn chỉnh quy trình kỹ thuật kết hợp Shadow Mapping, 2-pass Gaussian Blur (15 trọng số), Normal Map và Occlusion Culling trên nền tảng Unity Engine.
• Giá trị thực tiễn: Số hóa thành công các hiện vật tiêu biểu tại Bảo tàng Văn hóa các dân tộc Việt Nam với độ mượt 60 FPS và giảm hơn 45% tải dựng hình.
• Kế hoạch phát triển: Tiếp tục nghiên cứu mở rộng sang mô hình đa nguồn sáng động và tích hợp công nghệ chiếu sáng toàn cục (Global Illumination) trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới.
• Định hướng ứng dụng: Khuyến khích các nhà nghiên cứu, lập trình viên đồ họa và đơn vị bảo tồn di sản áp dụng giải pháp của luận văn để thúc đẩy quá trình chuyển đổi số bảo tàng di sản văn hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO 1. Tổng quan về thực tại ảo 1. Thực tại ảo là gì? Thực tế ảo hay còn gọi là thực tại ảo (tiếng Anh là virtual reality, viết tắt là VR) là một hệ thống mô phỏng trong đó đồ họa máy tính được sử dụng để tạo ra một thế giới "như thật". Hơn nữa, thế giới "nhân tạo" này không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn (tín hiệu vào) của người sử dụng (nhờ hành động, lời nói,.

Điều này xác định một đặc tính chính của VR, đó là tương tác thời gian thực (real-time interactivity).1 Thực tế ảo (VR) Thời gian thực ở đây có nghĩa là máy tính có khả năng nhận biết được tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức thế giới ảo. Người 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. Trong thực tế, người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D nổi, điều khiển (xoay, di chuyển,.) được đối tượng trên màn hình mà còn sờ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 9 và cảm thấy chúng như 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 như ngửi (khứu giác), nếm (vị giác).Tuy nhiên hiện nay trong VR các cảm giác này cũng ít được sử dụng đến.

Các thành phần một hệ thống VR Một hệ thống VR tổng quát bao gồm 5 thành phần: phần mềm (SW), phần cứng (HW), mạng liên kết, người dùng và các ứng dụng. Trong đó 3 thành phần chính và quan trọng nhất là phần mềm (SW), phần cứng (HW) và các ứng dụng.2 Các thành phần của hệ thống VR Phần mềm Phần mềm luôn là linh hồn của VR cũng như đối với bất cứ một hệ thống máy tính hiện đại nào. Về mặt nguyên tắc có thể dùng bất cứ ngôn ngữ lập trình hay phần mềm đồ họa nào để mô hình hóa (modelling) và mô phỏng (simulation) các đối tượng của VR. Ví dụ như các ngôn ngữ (có thể tìm miễn phí) OpenGL, C++, Java3D, VRML, X3D,.hay các phần mềm thương mại như WorldToolKit, PeopleShop,.

Phần mềm của bất kỳ VR nào cũng phải bảo đảm 2 công dụng chính: Tạo hình vào Mô phỏng. Các đối tượng của VR Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 10 được mô hình hóa nhờ chính phần mềm này hay chuyển sang từ các mô hình 3D (thiết kế nhờ các phần mềm CAD khác như AutoCAD, 3D Studio,. Sau đó phần mềm VR phải có khả năng mô phỏng động học, động lực học, và mô phỏng ứng xử của đối tượng. Phần cứng Phần cứng của một hệ thống bao gồm: Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh), các thiết bị đầu vào (Input devices) và các thiết bị đầu ra (Output devices).

- Các thiết bị đầu vào (Input devices): Chúng bao gồm những thiết bị đầu ra có khả năng kích thích các giác quan để tạo nên cảm giác về sự hiện hữu trong thế giới ảo. Chẳng hạn như màn hình đội đầu HMD, chuột, các tai nghe âm thanh nổi - và những thiết bị đầu vào có khả năng ghi nhận nơi người sử dụng đang nhìn vào hoặc hướng đang chỉ tới, như thiết bị theo dõi gắn trên đầu (head-trackers), găng tay hữu tuyến (wire-gloves). - Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (như màn hình, HDM,.) để nhìn được đối tượng 3D. Thiết bị âm thanh (loa) để nghe được âm thanh vòm (như Hi-Fi, Surround,.

Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback như găng tay,.) để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tượng. Bộ phản hồi xung lực (Force Feedback) để tạo lực tác động như khi đạp xe, đi đường xóc,. Đặc tính cơ bản của một hệ thống VR Một hệ thống thực tế ảo thì tính tương tác, các đồ họa ba chiều thời gian thực và cảm giác đắm chìm được xem là các đặc tính then chốt. Tương tác thời gian thực (real-time interactivity): có nghĩa là máy tính có khả năng nhận biết được tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức thế giới ảo.

Người 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 11 Cảm giác đắm chìm (immersion): là một hiệu ứng tạo khả năng tập trung sự chú ý cao nhất một cách có chọn lọc vào chính những thông tin từ người sử dụng hệ thống thực tế ảo. Người sử dụng cảm thấy mình là một phần của thế giới ảo, hòa lẫn vào thế giới đó.VR còn đẩy cảm giác này “thật” hơn nữa nhờ tác động lên các kênh cảm giác khác. Người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D, điều khiển (xoay, di chuyển.) được đối tượng mà còn sờ và cảm thấy chúng như có thật.

Các nhà nghiên cứu cũng đang tìm cách tạo những cảm giác khác như ngửi, nếm trong thế giới ảo. Tính tương tác: có hai khía cạnh của tính tương tác trong một thế giới ảo: sự du hành bên trong thế giới và động lực học của môi trường. Sự du hành là khả năng của người dùng để di chuyển khắp nơi một cách độc lập, cứ như là đang ở bên trong một môi trường thật. Nhà phát triển phần mềm có thể thiết lập những áp đặt đối với việc truy cập vào những khu vực ảo nhất định, cho phép có được nhiều mức độ tự do khác nhau (Người sử dụng có thể bay, xuyên tường, đi lại khắp nơi hoặc bơi lặn…).

Một khía cạnh khác của sự du hành là sự định vị điểm nhìn của người dùng. Sự kiểm soát điểm nhìn là việc người sử dụng tự theo dõi chính họ từ một khoảng cách, việc quan sát cảnh tượng thông qua đôi mắt của một con người khác, hoặc di chuyển khắp trong thiết kế của một cao ốc mới như thể đang ngồi trong một chiếc ghế đẩy… Động lực học của môi trường là những quy tắc về cách thức mà người, vật và mọi thứ tương tác với nhau trong một trật tự để trao đổi năng lượng hoặc thông tin.2 Ứng dụng của thực tại ảo Công nghệ thực tế ảo là xu hướng tất yếu của tương lai, giúp con người có cơ hội trải nghiệm những sự việc trong thế giới ảo sống động và chân thực như thế giới thực.Và đây là những ứng dụng phổ biến nhất của công nghệ thực tế ảo trong cuộc sống. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 12 Tại các nước phát triển, chúng ta có thể nhận thấy VR được ứng dụng trong mọi lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch, địa ốc. và đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu- Giáo dục- Thương mại - dịch vụ.

Y học, du lịch là lĩnh vực ứng dụng truyền thống của VR. Bên cạnh đó VR cũng được ứng dụng trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí, du lịch ảo (Virtual Tour), bất động sản. Trong lĩnh vực quân sự, VR cũng được ứng dụng rất nhiều ở các nước phát triển. Công nghiệp ôtô VR được áp dụng trong giai đoạn thiết kế, thử nghiệm an toàn và bán hàng trong ngành công nghiệp ô tô.

Công nghệ này sẽ mô phỏng thiết kế xe để các chuyên gia đựa vào đó đánh giá mà không cần phải sản xuất ra một mẫu thử nghiệm tốn kém. Vì đặc điểm hữu ích này mà công nghệ VR được các hãng ô tô lớn trên thế giới sử dụng.3 Hệ thống Distracted Driving Simulator Du lịch Các ứng dụng VR trong du lịch giúp hướng dẫn viên có thêm kiến thức về những điểm đến trên toàn thế giới mà không cần tiền trạm.Đối với du khách, họ có thể chọn và trải nghiệm ảo các địa điểm du lịch trước khi quyết định mua tour.Thậm chí, một số nhà hàng, khách hàng còn dùng VR để giúp khách hàng hiểu rõ hơn về dịch vụ cung cấp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.4: Hệ thống du lịch ảo mẫu 1 Giải trí Ở lĩnh vực điện ảnh, giải trí, game nhờ sử dụng công nghệ VR nên đã có những bước tiến mạnh mẽ. Minh chứng cho thấy là người dùng có thể giải trí với hằng trăm đầu trò chơi thực tế ảo.

Thậm chí, các đạo diễn lừng danh đang có kế hoạch triển khai các dự án phim VR khổng lồ. Phim ảnh và truyền hình: Trong nhiều thập kỷ qua, nhiều nhà sản xuất ngày càng mở rộng nội dung dựa trên công nghệ VR, tiêu biểu như hai bộ phim bom tấn The Matrix (Ma trận) và Inception (Sự khởi đầu). Công nghiệp âm nhạc: Âm thanh đa chiều và video 360 độ đang trở thành một định dạng được lựa chọn hàng đầu cho nền công nghiệp thu âm và mix nhạc của các nhà sản xuất. Game: Những trò chơi hành động phiêu lưu sẽ mở đường cho bạn đến với một thế giới mới hào hứng kỳ vĩ và khiến lượng adrenaline trong cơ thể bạn sôi trào đến độ không thể rời khỏi thế giới đó.

Âm thanh 3D được xây dựng riêng cho mỗi vật thể khiến cảnh quan trong game biến hóa liên tục. Kiến trúc Khách hàng được mục sở thị không gian sống, nội thất, cảnh quan xung quanh qua hình ảnh 3D 360 độ để có thể đánh giá thực tế ngôi nhà. Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thực tế ảo (VR) cùng những trải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 14 nghiệm tích hợp đa dạng mà nó mang lại đã giúp các nhà marketing có thêm một kênh tiếp thị hình ảnh hiệu quả đến khách hàng.5: Mô hình 3D trong thiết kế nội thất Giáo dục Sử dụng VR giúp việc dạy và học từ xa sẽ dễ dàng và hiệu quả hơn. Hiện nay, công nghệ VR được sử dụng nhiều nhất trong lĩnh vực này như: Google Expeditions là công cụ giảng dạy trong thực tế ảo cho phép bạn dẫn đầu hoặc tham gia các hành trình ảo lôi cuốn trên toàn thế giới, tiếp cận với những địa danh lịch sử, lặn sâu dưới nước cùng những chú cá mập, thậm chí dạo chơi ngoài không gian.

Thực tế ứng dụng công nghệ VR trong đào tạo của Việt Nam Ở Việt Nam, công nghệ VR cũng đã bắt đầu được một số cơ sở đào tạo triển khai ứng dụng. Điển hình là Hệ thống mô phỏng huấn luyện bắn súng bộ binh (Trường bắn ảo) do Viện Công nghệ Mô phỏng - Học viện Kỹ thuật Quân sự nghiên cứu, thiết kế, chế tạo.