Chương 1: Sơ lƣợc về thực tại ảo và hiệu ứng bóng - ánh sáng. Phần này trình bầy những vấn đề cơ bản về thực tại ảo, ứng dụng thực tại ảo, đồng thời cũng đề cập đến một số lý thuyết cơ bản về ánh sáng, nguồn sáng, và các mô hình của chúng từ đó làm cơ sở cho các nội dung đƣợc trình bày trong “Chương 2”. Chương 2: Một số hiệu ứng bóng - ánh sáng trong ứng dụng thực tại ảo. Đây là chƣơng nội dung chính của luận văn.
Nó tập trung trình bày hai hiệu ứng chính của ánh sáng khi đến và tƣơng tác với bề mặt đối tƣợng đó là “hiệu ứng bóng bề mặt”, và “hiệu ứng bóng đổ”. Với mỗi loại hiệu ứng đều có những phƣơng pháp, mô hình thể hiện khác nhau, mà phần nội dung này của luận văn cũng đề cập đến. z 5 Chương 3: Chƣơng trình thử nghiệm. Đây là chƣơng học viên giới thiệu về một chƣơng trình thử nghiệm “Huấn luyện bắn súng” đƣợc xây dựng nhằm thể hiện cho các kết quả đã đƣợc trình bày, tổng hợp trong luận văn.
z 6 Chƣơng 1: SƠ LƢỢC VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ HIỆU ỨNG BÓNG - ÁNH SÁNG 1. THỰC TẠI ẢO VÀ ỨNG DỤNG 1. Khái niệm Thực tại ảo (Virtual Reality-VR) là một thuật ngữ mới xuất hiện phát triển mạnh trong vòng vài năm trở lại đây, đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực nhƣ y tế, giáo dục, kiến trúc, quân sự, du lịch, giải trí,. Hiện nay, có nhiều định nghĩa về Thực tại ảo, một trong các định nghĩa đƣợc chấp nhận rộng rãi là của C.Coiffet thì có thể hiểu VR tƣơng đối chính xác nhƣ sau: 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 có tƣơng tác với ngƣời sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác. Đó là 5 giác quan gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác và vị giác [1], [2]. 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 thật. Trong thế giới ảo này, z 7 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 qua những cử chỉ, hành động, vv. 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 làm ngƣời sử dụng có cảm giác nhƣ đang tồn tại trong một thế giới thực [1], [2].
Lịch sử phát triển Mặc dù Thực tại ảo đƣợc mô tả nhƣ một công nghệ mới mang tính cách mạng, nhƣng ý tƣởng về việc nhúng ngƣời sử dụng vào một môi trƣờng nhân tạo đã ra đời từ rất sớm. Thuật ngữ “Thực tại ảo” mới đƣợc quan tâm trong một vài năm gần đây xong nó lại có lịch sử từ khá lâu. Cách đây hơn 40 năm một nhà làm phim có tên là Morton Heilig ngƣời Mỹ đã đƣa ra một ý tƣởng tại sao không đƣa con ngƣời bƣớc sang một thế giới khác với ý tƣởng là hệ thống mô phỏng bay (Flight Simulation). Sử dụng các hệ thống này ngƣời quan sát có cảm giác ảnh đang sống động ngay trƣớc mắt mình.
Tuy nhiên, do không có sự hỗ trợ về tài chính do đó Heilig đã không thể hoàn thành ƣớc mơ của mình. Xong anh cũng đã tạo ra đƣợc một thiết bị mô phỏng, nó đƣợc gọi là "Sensorrama Simulator", thiết bị này đƣợc công bố vào khoảng đầu những năm 1960. Thiết bị mô phỏng Sensorrama-1960. Thiết bị này sử dụng hình ảnh 3D, thu đƣợc từ camera 35mm kết hợp thành một camera chính.
Nó bao gồm có một hệ thống âm thanh kết hợp với những cảnh quay 3 chiều thực sự. Ngƣời nhìn có thể cƣỡi một chiếc xe máy, có thể cảm thấy gió khi chuyển động, thậm chí họ có thể cảm thấy những đoạn đƣờng có ổ gà. Mặc dù đây là một cái máy tƣơng đối đơn giản, và thô sơ xong nó đã mở ra nhiều ý tƣởng nghiên cứu mới chƣa từng có trên thế giới. Năm 1966 Ivan Sutherland một sinh viên tốt nghiệp Trƣờng Utah tiếp tục nghiên cứu vấn đề Heilig đã bỏ dở.
Sutherland cho rằng cảnh quay tƣơng tự không đáp ứng đƣợc yêu cầu thực tế. Anh ta bắt đầu một ý tƣởng của một bộ tăng tốc đồ hoạ, một phần quan trọng trong mô phỏng thực tại hiện đại và đã chế tạo đƣợc hệ thống thiết bị hiển thị đội đầu (Head Mounted Display-HMD) có thể kết nối tới máy tính. Năm 1970, Sutherland tiếp tục phát triển phần cứng của HMD tại trƣờng đại học Utah, làm cho nó hoàn thiện hơn có màn hình là màn hình màu. Thiết bị mô phỏng HMD-1970 của Ivan Sutherland Cũng trong khoảng thời gian này Myron Kreuger đã phát triển một thiết bị có tên VIDEOPLACE.
Thiết bị này sử dụng một màn hình lớn đối diện với ngƣời dùng. Trên màn hình hiển thị cái bóng ngƣời dùng. Hệ thống cũng có khả năng hiển thị nhiều ngƣời sử dụng trên cùng một màn hình. Thiết bị VIDEOPLACE-1970 của Myron Kreuger Những ý tƣởng này đƣợc hai nhà khoa học Mỹ ở NASA là Fisher và McGreevy kết hợp lại trong một dự án có tên là “Trạm làm việc ảo” (Visual Workstation) vào năm 1984.
Cũng từ đó NASA phát triển thiết bị Hiển thị đội đầu có tính thƣơng mại đầu tiên, đƣợc gọi là màn hình môi trƣờng trực quan (Visual Environment Display), thiết kế dựa trên mẫu hình mặt nạ lặn với các màn hình quang học mà ảnh đƣợc cung cấp bởi hai thiết bị truyền hình cầm tay Sony Watchman. Sự phát triển của thiết bị này đã thành công ngoài dự đoán, bởi NASA đã sản xuất đƣợc một thiết bị HMD có giá chấp nhận đƣợc trên thị trƣờng và nhƣ vậy ngành công nghiệp Thực tại ảo đã ra đời. Thiết bị HMD-1984 của NASA Nhƣng đặc biệt công nghệ VR từ những năm 90 trở lại đây đƣợc phát triển mạnh mẽ và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực nhƣ: nghiên cứu và công nghiệp, giáo dục và đào tạo cũng nhƣ thƣơng mại, giải trí,. tiềm năng kinh tế, cũng nhƣ tính lƣỡng dụng trong dân dụng và quân sự của nó [1], [2].
Lĩnh vực ứng dụng Cũng nhƣ nhiều ngành công nghệ khác, VR chỉ thực sự đƣợc phát triển ứng dụng rộng rãi trong những năm gần đây nhờ vào sự phát triển của tin học (phần mềm và phần cứng). Ngày nay VR đã trở thành một ngành công nghiệp và thị trƣờng VR tăng trƣởng hàng năm khoảng 21% và dự tính đạt khoảng 3,4 tỷ $ năm 2005 (theo Machover, 2004). Theo thống kê của Gartner (tổ chức nghiên cứu thị trƣờng toàn cầu), VR đứng đầu danh sách 10 công nghệ chiến lƣợc năm 2009. Thị trƣờng VR tại Mỹ trong các lĩnh vực giáo dục phẫu thuật y khoa và một số lĩnh vực khác đƣợc ƣớc đạt 290 triệu USD vào năm 2010 (theo Neurovr.
Ứng dụng của thực tại ảo có thể thấy đƣợc rất nhiều trong thế giới hàng ngày của chúng ta. Xét về khía cạnh ứng dụng một số lĩnh vực ứng dụng chính đang có khuynh hƣớng phát triển mạnh mẽ nhất chúng ta có thể kể đến một số lĩnh vực sau: Xây dựng và thiết kế kiến trúc Một trong những lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu nhất của VR là thiết kế kiến trúc. Khả năng mô hình hoá thế giới thực của công nghệ VR dƣờng nhƣ đáp ứng một cách tự nhiên mục tiêu của ngành thiết kế kiến trúc đƣa ra mô hình trực quan nhất. Ví dụ, công trình thiết kế cầu mong muốn trong tƣơng lai: z 11 Hình 1.
Mô phỏng trong thiết kế kiến trúc cầu 3D Việc xây dựng các mô hình không gian kiến trúc với đầy đủ mô tả trực quan về các hình khối kiến trúc của một căn nhà, cách bố trí nội thất bên trong, thậm chí hoa văn cửa sổ hay màu sơn của tƣờng, cùng với khả năng cho phép khách hàng tự do tham quan, khảo sát căn nhà của họ trong tƣơng lai theo nhiều góc độ và vị trí, từ phòng này sang phòng khác thực sự đem lại hiệu quả trực quan mang tính cách mạng trong lĩnh vực mang nhiều đặc điểm nghệ thuật này. Mô phỏng thiết kế kiến trúc nhà ở 3D Giáo dục và Đào tạo Phát triển trên nền công nghệ và kỹ thuật cao, VR tích hợp những đặc tính làm cho bản thân nó có những tiềm năng vƣợt trội. Cho ngƣời sử dụng cảm nhận sự hiện diện của mình trong môi trƣờng do máy tính tạo ra bằng khả năng tƣơng tác, tự trị (Autonomy) của ngƣời dùng trong môi trƣờng ảo, cũng nhƣ bằng những phản hồi tức z 12 thời, trực quan từ phía môi trƣờng ảo tới các giác quan của ngƣời sử dụng. Vì vậy, thực tại ảo đã đang trở thành một công cụ hữu hiệu trong giáo dục, đặc biệt là một phƣơng tiện giáo dục và đào tạo hết sức mạnh đối với một số ngành nghề chi phí tốn kém và nguy hiểm đòi hỏi phải thực hành, ví dụ nhƣ: huấn luyện tập nhảy dù, tập lái xe,.
thì việc ứng dụng VR là cực kỳ cần thiết. Ứng dụng công nghệ VR trong huấn luyện tập nhảy dù Tất cả những đặc tính này khiến công nghệ VR trở nên rất phù hợp cho các ứng dụng có tính chất giáo dục hay đào tạo. Tính chất trực quan của bài giảng đƣợc nâng cao một bƣớc làm tăng sự hứng thú trong học tập cũng nhƣ khả năng ghi nhớ các khái niệm quan trọng trong bài giảng. Từ đó, học viên nắm bắt đƣợc nhanh chóng và có ý thức hơn với những tính huống đã đƣợc học.
Y học Y học là một trong những lĩnh vực ứng dụng nhiều tiềm năng trong công nghệ VR.