Chương 1 – Tổng quan về thực tại ảo Chương này trình bày tổng quan về thực tại ảo, đặc điểm, cấu trúc và ứng dụng của nó. Nhưng trước tiên ta phải biết thực tại ảo là gì ngay sau đây.1 Thực tại ảo là gì ? Các nhà khoa học đã nghiên cứu thực tại ảo từ nhiều năm nay và đã thừa nhận thực tại ảo là một công nghệ có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn. Nhiều bài báo, chương trình giới thiệu trên ti vi, hội thảo, … đã miêu tả thực tại ảo theo nhiều cách khác nhau. Điều này dẫn tới sự ngộ nhận về khái niệm thực tại ảo như kiểu “thầy bói xem voi”, thậm chí ngay cả trong các bài báo chuyên ngành.
Với sự phát triển vũ bão của công nghệ máy tính, khả năng và ứng dụng của nó càng được mở rộng. Con người có thể “huấn luyện” để máy tính có thể mô phỏng thế giới và mô phỏng ngày càng chính xác. Như vậy, nhân loại có một kênh mới, kênh thứ hai, để nhận thức thế giới, nhận thức xã hội thông qua máy tính mô phỏng. Kênh nhận thức thế giới qua máy tính rất thuận lợi, chính xác và rất nhiều sáng tạo phong phú làm cho nhân loại thêm nguồn trí tuệ mới.
Người sử dụng có thể tương tác với môi trường do máy tính mô phỏng. Môi trường ở đây hiểu là hiện tượng, sự vật của thế giới được máy tính mô phỏng trong một khung cảnh nhất định. Công nghệ tạo ra điều kiện để người sử dụng có thể tương tác, cụ thể là quan sát và điều khiển hoặc trao đổi, với môi trường do máy tính mô phỏng, được gọi là công nghệ thực tại ảo mà tên tiếng Anh là Virtual Reality (VR). Từ này có nghĩa : đó là môi trường có thực và được máy tính mô phỏng theo ; hoặc là môi trường được sáng tạo bằng bộ phần mềm, tác động qua máy tính.
Như vậy, công nghệ thực tại ảo có tác dụng làm cho con người có thể nhận thức, tương tác với môi trường do máy tính mô phỏng. Thuật ngữ “Virtual Reality” được đưa ra bởi Jaron Lanier (người sáng lập công ty VPL Research, tại Redwood – California, một trong những công ty đầu tiên cung cấp các sản phẩm cho môi trường ảo, Virtual Environment). Hiện nay, có nhiều định nghĩa về thực tại ảo, một trong các định nghĩa được chấp nhận rộng rãi là của C. Coiffet thì có thể hiểu VR tương đối chính xác như sau : “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 và hiện tượng theo thời gian thực LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.co PTA, K15Đ1 -3- UET (coltech), VNU 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.2 Thực tại ảo có đặc điểm gì ? Tính tương tác : 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, …). Người sử dụng tương tác với mô hình ảo, trong đó tương tác được mô phỏng từ thao tác với các đối tượng 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 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. Điều này chúng ta có thể nhận thấy ngay khi quan sát trẻ nhỏ chơi video game.
Theo báo Bild (Đức), có hai trẻ nhỏ ở Anh bị thu hút và mải mê chơi game điện tử Nintendo đến nỗi ngay cả khi nhà chúng đang bị cháy cũng không hề hay biết ! Tính đắm chìm : Các phương pháp hiển thị có độ phân giải và tốc độ cao lôi cuốn người sử dụng tạo cảm giác như trong thực tế. 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 người sử dụng đang trải nghiệm. Nhưng VR còn đẩy cảm giác này “thật” hơn nữa nhờ tác động lên tất cả các kênh cảm giác của con người. Trong thực tế, người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D nổi (thấy được chiều sâu của ảnh), điều khiển (xoay, di chuyển, …) được đối tượng trên màn hình (như trong video game), mà còn sờ và cảm thấy chúng như có thật.
Ngoài khả năng nhìn (thị giác), nghe (thính giác), sờ (xúc giác), nhiều nghiên cứu hiện nay 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. Như trên đã trình bày, hai đặc tính chính của VR là Tương tác và Đắm chìm, đây là hai “I” (Interactive, Immersion) mà nhiều người đã biết. Tuy nhiên VR còn có 1 đặc tính thứ ba mà ít người để ý tới.
VR không chỉ là một hệ thống tương tác Người – 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 Tưởng tượng của con người, đó chính là đặc tính “I” (Imagination) thứ 3 của VR. Do LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.co PTA, K15Đ1 -4- UET (coltech), VNU đó có thể coi VR là tổng hợp của ba yếu tố : Tương tác – Đắm chìm – Tưởng tượng, (3I trong tiếng Anh : Interactive – Immersion – Imagination).3 Thực tại ảo gồm những gì ? Trước khi nói về những ứng dụng vô cùng phong phú của công nghệ VR, cần phải giới thiệu các trang, thiết bị chủ yếu cần có, để thực hiện VR. Hệ thống VR bao gồm ba thành phần chính sau : bộ giả lập thực tế (reality simulator), phần cứng (hardware), phần mềm ứng dụng (application). Ngoài ra còn có thành phần phụ như mạng liên kết.1 Bộ giả lập thực tế Là trái tim của hệ thống thực tại ảo.
Ðể tiến hành thực hiện công nghệ VR phải chọn địa điểm thích hợp, thường là một phòng kín, gọi là phòng môi trường ảo tự động (Cave Automatic Virtual Environment – CAVE), trong đó đặt các trang thiết bị cần thiết, mà trước hết là các máy tính chuyên dụng để thực hiện việc mô phỏng, đưa kết quả lên màn hiển thị các môi trường thế giới 3D, cung cấp cho bộ tác động những thông tin giác quan cần thiết. Trong hệ thống mô phỏng cabin lái, thì mô hình cabin là thành phần này.2 Phần cứng Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh). Các thiết bị đầu vào (input devices) : gồm những thiết bị đầu vào có khả năng ghi nhận nơi người sử dụng đang nhìn vào hoặc hướng đang chỉ tới gọi là bộ giao diện cử chỉ (gesture interfaces). Chẳng hạn như thiết bị theo dõi gắn trên đầu (head-trackers), găng tay dữ liệu (data wire-gloves) để người sử dụng có thể điều khiển đối tượng, chuột, … Ngoài ra còn có 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 người sử dụng.
Các thiết bị đầu ra (output devices) : 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. Thiết bị hiển thị đồ họa (mũ đội đầu có màn hiển thị HDM) để nhìn được đối tượng 3D. Thiết bị âm thanh (tai nghe âm thanh nổi) để nghe được âm thanh vòm (Hi-Fi Surround). Bộ phản hồi cảm giác (găng tay Haptic Feedback) 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, … LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.co PTA, K15Đ1 -5- UET (coltech), VNU Một số phần cứng quan trọng : Công cụ quan trọng là mũ đội đầu có màn hiển thị (Head-Mounted Display – HMD). Mũ này có màn hình điều hướng (Binocular Omni Orientation Monitor – BOOM). Người sử dụng đội mũ, nhìn trực tiếp lên màn hình của mũ đội đầu nối với máy tính mô phỏng, thấy rõ môi trường 3D. Khi quay đầu sẽ thấy môi trường biến động theo chiều quay như trong thực tiễn.1 : Mũ đội đầu có màn hiển thị trong thực tại ảo Bộ đôi găng tay dữ liệu sẽ tác động, khi các ngón tay của người sử dụng chạm vào các bộ cảm biến, ra các lệnh điều khiển các đối tượng trên màn hình mô phỏng.2 : Găng tay trong thực tại ảo Còn có nhiều công cụ tinh vi khác, tùy theo nhu cầu tác động lên môi trường VR, làm cho hoạt động hết sức phong phú.3 : Các thiết bị khác trong thực tại ảo LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.co PTA, K15Đ1 -6- UET (coltech), VNU 1.3 Phần mềm ứng dụng 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 (modeling) và mô phỏng (simulation) các đối tượng của VR. Ví dụ như các ngôn ngữ (có thể tìm miễn phí) Open GL, Open Scene Graph, Open SG, C++, Java 3D, VRML, X3D, … hay các phần mềm thương mại như World Tool Kit, People Shop, VeGa, … Phần mềm của bất kỳ VR nào cũng phải bảo đảm hai công dụng chính : tạo hình và mô phỏng các đối tượng hình học (geometry). Thành phần này bao gồm những thông tin mô tả các thuộc tính vật lý (hình dạng, màu sắc, vị trí, …) của các đối tượng trong môi trường ảo. Thông thường, các đối tượng hình học được xây dựng bởi các phần mềm CAD, sau đó dữ liệu có thể được chuyển qua một trong số các định dạng tệp tin khác phù hợp với việc thể hiện trong ứng dụng.
Sau đó phần mềm VR phải có khả năng mô phỏng động học, động lực học, và mô phỏng ứng xử của đối tượng.4 Ứng dụng thực tại ảo ở đâu ? Trên thế giới việc ứng dụng công nghệ VR thường có hai lĩnh vực lớn, hoặc là thuộc tầm quan trọng quốc tế, hoặc là thuộc tầm quốc gia.