Chương 1 trình bày các cơ sở kiến thức về công nghệ thực tại ảo và robotics, giới thiệu bài toán phát hiện va chạm và tổng quan các công trình nghiên cứu nổi bật trong và ngoài nước có liên quan. Từ đó, NCS đã đưa ra những điểm còn hạn chế của những phương pháp đã được đề cập. Những phân tích này làm cơ sở nghiên cứu cho các chương tiếp theo của luận án. Giới thiệu Va chạm là hiện tượng xảy ra khi hai hoặc nhiều vật có sự tiếp xúc với nhau và tác động lên nhau trong một khoảng thời gian ngắn (khoảng từ 10-2 đến 10-5 giây) [42].
Va chạm là sự tương tác trong thời gian ngắn giữa hai hoặc nhiều vật thể đồng thời. Các mô hình vật thể trong môi trường ảo có những chuyển động riêng của nó, chuyển động đó có thể va chạm với đối tượng vật thể khác hoặc có thể va chạm với môi trường, chướng ngại vật. Bài toán phát hiện va chạm được phát biểu như sau: Cho 𝑛 đối tượng {𝑂0 , 𝑂1 , … , 𝑂𝑛−1 }, phát hiện va chạm là quá trình xác định xem các đối tượng có giao nhau hay không, tức là kiểm tra 𝑂𝑖 ∩ 𝑂𝑗 , ∀𝑖 ≠ 𝑗, 𝑖 = 0, … , 𝑛 − 1, 𝑗 = 0, … , 𝑛 − 1 và 𝑛 ∈ ℕ. Trong đó, 𝑂𝑖 = {𝑝0𝑖 , 𝑝1𝑖 , … , 𝑝𝑘𝑖 } là một tập gồm 𝑘 mặt cơ 𝑗 𝑗 𝑗 sở (primitives) và 𝑂𝑗 = {𝑝0 , 𝑝1 , … , 𝑝𝑚 } là một tập gồm 𝑚 mặt cơ sở, va chạm 𝑗 của 𝑂𝑖 và 𝑂𝑗 xảy ra khi 𝑝𝑎𝑖 ∩ 𝑝𝑏 ≠ ∅ với 𝑎 = 0, … , 𝑘, 𝑏 = 0, … , 𝑚 và 𝑘, 𝑚 ∈ ℕ.
Nếu xem xét trường hợp tự va chạm (Self-Collision) của 𝑂𝑖 thì cần kiểm tra 𝑝𝑎𝑖 ∩ 𝑝𝑏𝑖 với 𝑎, 𝑏 = 0, … , 𝑘. Các mặt cơ sở được sử dụng trong luận án này là các tam giác. Kết quả trả về của bài toán phát hiện va chạm ở dạng nhị phân Có/Không (Boolean), nếu có va chạm xảy ra thì cần tính toán các điểm tiếp xúc và thời điểm tiếp xúc. Việc phát hiện va chạm của các mô hình vật thể biến dạng được đánh giá 12 là phức tạp hơn việc phát hiện va chạm của các mô hình vật thể rắn vì còn cần phải xem xét đến quá trình biến dạng và vấn đề tự va chạm.
Phát hiện va chạm là một trong những tác vụ cơ sở của các hệ thống mô phỏng VR, đồ họa máy tính, điều khiển robotics,. Trong thời gian gần đây, các nghiên cứu về robotics đã dần chuyển hướng tập trung vào nghiên cứu các đặc điểm của sự hợp tác giữa người - máy trong các ứng dụng sản xuất công nghiệp, nhằm kết hợp độ chính xác và sức mạnh của robot với khả năng nhận thức và tính linh hoạt của con người. Với mục đích này, một thế hệ robot mới là robot cộng tác (được gọi là cobot) ra đời. Đặc điểm của cobot là làm việc cộng tác cùng con người mà không có rào chắn vật lý, do đó tính an toàn của con người luôn được đặt lên hàng đầu.
Trước đây, cobot chủ yếu được chế tạo để làm việc độc lập trong môi trường khép kín, thay thế con người thực hiện các hoạt động lặp đi lặp lại, nguy hiểm hoặc đòi hỏi độ chính xác cao. Trong bối cảnh như vậy, cobot hoạt động tách biệt khỏi con người bằng các hàng rào an toàn. Tuy nhiên, mặt hạn chế của cobot là thiếu tính linh hoạt và khả năng thích ứng giống như con người. Do đó trong thời gian gần đây, các nghiên cứu về cobot đã dần chuyển hướng tập trung vào nghiên cứu các đặc điểm của sự hợp tác giữa con người và cobot trong các ứng dụng sản xuất công nghiệp, nhằm kết hợp độ chính xác và sức mạnh của cobot với khả năng nhận thức và tính linh hoạt của con người.
Trong môi trường làm việc này, con người có thể làm việc song song với các cobot trong khoảng cách gần, mà không bị giảm đi sự an toàn hoặc hiệu quả [23]. Cobot được thiết kế để tập trung vào các hoạt động lặp đi lặp lại, nhằm giúp người điều hành có thể tập trung vào các nhiệm vụ khó. Do đặc tính chia sẻ không gian làm việc chung, khi nghiên cứu và phát triển cobot, sự an toàn của con người phải là yếu tố được xem xét đầu tiên. Cobot phải có phản ứng khi có vật thể lạ, hoặc va chạm với vật thể, con người trong quá trình làm việc.
Bên cạnh đó, không gian làm việc của cobot phải được giám sát. Phản ứng có thể ở các mức độ khác nhau tùy vào hệ thống và yêu 13 cầu làm việc. Về mặt an toàn, cần cảnh báo bằng âm thanh và ánh sáng báo động và dừng cobot khi có va chạm. Kiến thức nền tảng 1.
Thực tại ảo 1. Khái niệm Thực tại ảo đang ngày càng phát triển rộng rãi và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Do vậy có nhiều khái niệm về thực tại ảo theo các góc độ nghiên cứu khác nhau, trong đó khái niệm được đưa ra bởi Burdea [40] được sử dụng phổ biến nhất: “Thực tại ảo là một hệ thống giao diện cấp cao giữa người sử dụng và máy tính. Hệ thống này mô phỏng các sự vật, hiện tượng theo thời gian thực và tương tác với người sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác (thị giác, thính giác, xúc giác,…)”.1 mô tả một hệ thống mô phỏng tác chiến của quân đội Hoa Kỳ sử dụng công nghệ thực tại ảo để đào tạo, huấn luyện các binh sĩ thực hiện các nhiệm vụ nguy hiểm như tháo gỡ bom, mìn.
Trong đội hình tác chiến giả định, mỗi người lính tham gia thực hiện nhiệm vụ tháo gỡ bom, mìn được trang bị các thiết bị thực tại ảo cung cấp đầy đủ thông tin về mục tiêu, kế hoạch tác chiến, dữ liệu vị trí bom, mìn,. Hệ thống thực tại ảo của quân đội Hoa Kỳ phục vụ công tác huấn luyện tác chiến 14 Trong môi trường mô phỏng thực tại ảo, người sử dụng có thể trở thành một phần của hệ thống. Người sử dụng được nhập vai để có thể tự do chuyển động trong không gian 3D, tương tác với các vật thể 3D. Ngược lại, môi trường ảo có những tác động phản hồi tương ứng với các hành động của người sử dụng tuân theo những quy tắc tự nhiên, vật lý, toán học,.
làm con người có cảm giác như đang tồn tại trong một thế giới thực. Môi trường mô phỏng nhân tạo này không tĩnh tại mà có những phản ứng tức thời, thay đổi theo tín hiệu vào của người sử dụng. Điều này xác định một đặc tính chính của thực tại ảo, đó là tương tác thời gian thực (real-time interactivity), có nghĩa là hệ thống có khả năng nhận biết được tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức và người sử dụng cảm nhận thấy sự vật thay đổi trên giao diện mô phỏng ngay theo ý muốn của họ. Ở nước ta hiện nay, thực tại ảo là một trong những công nghệ đang được các cơ sở giáo dục đặc biệt quan tâm.
Ứng dụng công nghệ thực tại ảo vào giáo dục, đào tạo sẽ giúp các giảng viên nâng cao hiệu quả dạy học, hỗ trợ cho việc nêu các tình huống có vấn đề để kích thích tư duy sáng tạo của người học. Người học có thể dễ dàng lĩnh hội tri thức thông qua các hình ảnh, sự vật, hiện tượng khi tiếp xúc với chúng bằng cách trực quan sinh động như trong môi trường thực. Tất cả những sự mô phỏng này đóng vai trò rất quan trọng trong việc tiếp thu kiến thức của người học một cách hiệu quả. Có ba đặc tính chính của hệ thống thực tại ảo là tương tác (Interactive), đắm chìm (Immersion) và tưởng tượng (Imagination).
Tính tương tác là khả năng người dùng giao tiếp với hệ thống, cho phép họ có thể điều khiển hoặc làm thay đổi trạng thái của môi trường ảo bằng các hành động, thao tác. Tính đắm chìm là cảm giác như đang có mặt trong hệ thống ảo hoặc là một phần của môi trường ảo do máy tính tạo ra và hòa lẫn vào thế giới đó. Tính tưởng tượng liên quan đến việc giải quyết các vấn đề trong thế giới thực. Với những đặc tính như vậy, công nghệ thực tại ảo được nghiên cứu áp dụng và phát huy hiệu quả cho không chỉ trong lĩnh vực giáo dục và đào 15 tạo [41], mà còn được ứng dụng trong các lĩnh vực y tế, an ninh, quốc phòng, bảo tàng, thời trang, du lịch, vũ trụ và không gian,… 1.
Mô hình hóa thực tại ảo Quy trình mô hình hóa thực tại ảo bao gồm các bước: Mô hình hóa hình học (Geometric modeling), mô hình hóa chuyển động/động học (Kinematic modeling), mô hình hóa vật lý (Physical modeling), các ứng xử thông minh (Intelligent behavior) và quản lý mô hình (Model management). Run-time Simulation Physical Intelligent modeling behavior VR Authoring Kinematic Tool Model modeling management Geometric I/O Mapping modeling Hình 1. Quy trình mô hình hóa thực tại ảo Mô hình hóa hình học Mô hình hoá hình học là quá trình mô tả hình dạng của các đối tượng ảo (đa giác, tam giác, điểm, spline) cũng như bề mặt (bề mặt kết cấu, chiếu sáng bề mặt và màu sắc). Hình dạng của đối tượng ảo được mô phỏng bởi bề mặt 3D.
Bề mặt 3D có thể mô tả được bằng nhiều cách. Có hai cách 16 thường được sử dụng là lưới đa giác và bề mặt tham số. Đa số các đối tượng ảo có bề mặt được tạo từ các lưới đa giác. Lưới đa giác được ưu tiên vì chúng sử dụng các đỉnh.a minh họa các đỉnh của các cạnh cũng như các cạnh liền kề của các tam giác.
Ví dụ, cạnh nối hai đỉnh (X1, Y1, Z1) và (X2, Y2, Z2) là cạnh nằm giữa tam giác thứ nhất và tam giác thứ hai. Sử dụng lưới đa giác có thể tiết kiệm được bộ nhớ. Tuy nhiên, lưới đa giác kém hiệu quả trong việc mô tả các đối tượng có độ cong lớn và các bề mặt gồ ghề. Mô tả hình dạng đối tượng: (a) sử dụng lưới tam giác, (b) sử dụng bề mặt tham số Các đối tượng phức tạp thường được biểu diễn bằng bề mặt tham số.
Bề mặt tham số được biểu diễn bằng các điểm x(t), y(t) và z(t) như sau: 𝑥(𝑡) = 𝑎𝑥 ∙ 𝑡 3 + 𝑏𝑥 ∙ 𝑡 2 + 𝑐𝑥 ∙ 𝑡 + 𝑑𝑥 (1.3) trong đó, 𝑡 nhận giá trị trong khoảng [0, 1] và 𝑎, 𝑏, 𝑐 là các hằng số.