nghiên cứu một số kỹ thuật biểu diễn trạng thái khuôn mặt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG









MAI TIẾN DŨNG





NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT BIỂU DIỄN TRẠNG
THÁI KHUÔN MẶT





LUẬN VĂN THẠC SỸ: KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên - 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG









MAI TIẾN DŨNG





NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT BIỂU DIỄN TRẠNG
THÁI KHUÔN MẶT

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH
MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60 48 01




LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH




HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS ĐỖ NĂNG TOÀN








Thái Nguyên - 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Lời cảm ơn
Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Đỗ Năng Toàn, người
thầy đã trực tiếp hướng dẫn tôi suốt thời gian nghiên cứu và phát triển luận văn.
Thầy đã luôn nhiệt tình, tận tâm chỉ bảo cho tôi những kiến thức bổ ích, những

nhận xét quý giá kịp thời. Thầy là người trực tiếp giúp đỡ tôi tìm hiểu và hoàn
thành đề tài, trong khi lĩnh vực mà tôi nghiên cứu hoàn toàn là một lĩnh vực mới.
Xin cảm ơn trường Đại học Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông, Viện
Công Nghệ Thông Tin đã mang lại cho tôi những điều kiện học tập tốt nhất. Có thể
nói đây là môi trường học tập tốt cho tôi, giúp tôi nghiên cứu và tìm hiểu nhiều tri
thức có giá trị cho chuyên môn công nghệ thông tin của mình cũng như các kỹ năng
khác. Ở môi trường đào tạo này tôi đã gặp được những người thầy hết sức tận tâm,
có tác phong làm việc khoa học chuyện nghiệp, giúp tôi học hỏi được nhiều điều
quý giá. Đặc biệt xin cảm ơn các anh chị ở Viên công nghệ thông tin đã hỗ trợ giúp
đỡ để tôi hoàn thành sản phẩm đề mô.
Xin chân thành cảm ơn các bạn cùng lớp, đồng nghiệp và đơn vị nơi tôi
công tác đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này.
Xin gửi lời cảm ơn tới gia đình tôi đã động viên tôi trong suốt quá trình
học và hoàn thành luận văn.
Thanh Hóa, tháng 10 năm 2011


Mai Tiến Dũng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Lời cam đoan
Dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Đỗ Năng Toàn, với tinh thần làm việc nghiêm
túc, sau một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, đề tài “Nghiên cứu một số kỹ thuật
biểu diễn trạng thái khuôn mặt” hoàn thành đúng kế hoạch đăng ký làm luận văn
cao học.
Trong quá trình hoàn thành luận văn, tôi đã tìm hiểu, nghiên cứu, tổng hợp
nhiều nguồn tài liệu khác nhau, với sự chỉ đạo, giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn,
kết quả của đề tài là sản phẩm lao động của cá nhân tôi và sự. Các nguồn tài liệu
sử dụng được trích dẫn rõ ràng, khoa học.
Tôi xin cam đoan những điều trên là hoàn toàn đúng.
Thanh Hóa, tháng 10 năm 2011

Mai Tiến Dũng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
i
MỤC LỤC
MỤC LỤC i
DẠNH MỤC CÁC HÌNH ii
MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ KỸ THUẬT XÂY DỰNG
MÔ PHỎNG KHUÔN MẶT NGƢỜI 4
1.1 Khái quát về thực tại ảo 4
1.1.1. Thực tại ảo là gì? 5
1.1.2. Các ứng dụng cơ bản của thực tại ảo 11
1.2. Biểu diễn khuôn mặt trong thực tại ảo 23
1.2.1. Mô hình hóa khuôn mặt 23
1.2.2. Hoạt hóa khuôn mặt 29
CHƢƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT BIỂU DIỄN TRẠNG THÁI KHUÔN MẶT
NGƢỜI 31
2.1. Các trạng thái cơ bản khuôn mặt 31
2.2. Biểu diễn trạng thái khuôn mặt nhờ hàm biến đổi 33
2.3. Biểu diễn trạng thái khuôn mặt nhờ kỹ thuật hoạt hóa 43
CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM 50
3.1. Bài toán 50
3.2. Phân tích bài toán 51
3.3. Chƣơng trình biểu diễn trạng thái cơ bản của khuôn mặt 52
PHẦN KẾT LUẬN: TÓM TẮT KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC, HƢỚNG PHÁT TRIỂN
CỦA ĐỀ TÀI 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ii
DẠNH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. JWARS Mô phỏng không gian chiến trƣờng thực - ảo 12
Hình 1.2. Một số phần cứng trong hệ thống hiện thực tại ảo 14
Hinh 1.3. Mô phỏng không gian nội thất bằng phần mềm autocad 16
Hình 1.4. Mô phỏng gƣơng mặt bệnh nhân trƣớc và sau phẫu thuật 17
Hình 1.5. Mô hình cơ cánh tay 18
Hình 1.6. Phòng học trực tuyến topica đƣợc thiết kể trong thế giới ảo 19
Hình 1.7. Phòng thí nghiệm vẽ 3D trên mặt phẳng 2 chiều 20
Hình 1.8. Huấn luyện lính tăng bằng hệ mô phỏng 22
Hình 1.9. Mô hình khu đô thị Mỹ Đình – Từ Liêm –Hà Nội 23
Hình 1.10. Găng tay cảm xúc 25
Hình 1.11. Mô phỏng bảo tàng Chăm 26
Hình 1.12: Đắm chìm trong thế giới ảo của game 3D 27
Hình 1.13. Phòng họp hội thảo từ xa, trực tuyến 28
Hình 1.14. Các cảm xúc cơ bản thể hiên trên nét mặt 30
Hình 1.15. Mô phỏng khuôn mặt 3D từ ảnh 2D 31
Hình 1.16. Mô hình mặt theo CANDIDE và GRETA 32
Hình 1.17. Tô bóng theo Gaurund 33
Hình 1.18. Bề mặt B-spline 35
Hình 2.1. Trạng thái vui 37
Hình 2.2. Trạng thái buồn 37
Hình 2.3: Trạng thái căm gét 38
Hình 2.4. Trạng thái sợ 38
Hình 2.5. Trạng thái ngạc nhiên 39

Hình 2.6 Trạng thái giận 39
Hình 2.7. Phép nội suy tuyến tính thực hiện trên các giá trị kết hợp cơ mặt 41
Hình 2.8. Các điểm đặc trƣng trong MPEG-4 45
Hình 2.9. Một số FAP 46
Hinh 2.10. Các đơn vị tham số hoạt ảnh khuôn mặt 47
Hình 2.11. Lƣợc đồ hoạt ảnh theo chuẩn MPEG-4 48
Hình 2.12. Mô hình khuôn mặt có thể morphing do Blanz và Vetter đƣa ra 50
Hình 2.13. Các cơ chính trên mặt 51
Hình 2.14. Mô hình da ba tầng đƣợc sử dụng bởi Terzopoulos và Waters. 52
Hình 2.15. Một số đơn vị hành động 54
Hình 3.1. Khung hình khuôn mặt 3D ban đầu 60
Hình 3.2. Khung hình khuôn mặt nhìn nghiêng. 61
Hình 3.3. Trạng thái mỉm cƣời của khuôn mặt. 62
Hình 3.4. Trạng thái ngạc nhiên của khuôn mặt. 63

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1
MỞ ĐẦU
Thế giới luôn luôn vận động phát triển, và tất nhiên công nghệ thông tin cũng trong
trào lƣu đó. Trong quá trình vận động, ngành công nghệ thông tin có những bƣớc
phát triển mang tính cách mạng, từ việc lập trình bằng ngôn ngữ bậc thấp chuyển
sang ngôn ngữ bậc cao thông minh, từ việc dùng hệ điều hành MS- Dos chuyển
sang dùng hệ điều hành Windows một trong những cuộc cách mạng của công nghệ
thông tin đó là phát triển môi trƣờng đồ họa trong máy tính. Đồ họa máy tính có
tính ứng dụng rộng rãi trong công nghệ thông tin nhƣ hỗ trợ thiết kế, biểu diễn
thông tin, ứng dụng trong giải trí - nghệ thuật, giáo dục - đào tạo, hỗ trợ giao tiếp
ngƣời và máy tính…
Tất cả ứng dụng đồ họa đều có giao diện giao tiếp với ngƣời dùng, các giao diện
đồ họa tạo nên sự thuận tiện và thoải mái trong quá trình giao tiếp ngƣời – máy. Các
ứng dụng chạy trên hệ điều hành MS Windows là một minh họa mang tính

thuyết phục, trực quan về đóng góp của đồ họa máy tính. Các chức năng, thay vì
thể hiện qua các yêu cầu, dòng lệnh phức tạp, ngày nay nó đƣợc thể hiện qua các
biểu tƣợng do đồ họa hỗ trợ, việc thực hiện các chức năng chỉ cần thông qua các
thao tác cơ bản của của con trỏ chuột. Với sự hỗ trợ của đồ họa, việc hỗ trợ tối đa
trong không gian biểu diễn là hoàn toàn có thể đƣợc, sẽ giúp ngƣời dùng dễ dàng
sử dụng hơn.
Mô phỏng thế giới thực tại, và đƣa ra những quyết định mang tính chuyên gia
luôn luôn là mục tiêu của các hệ thống thông minh có hỗ trợ đồ họa. Điều đó sẽ làm
cho tính ứng dụng mềm mại hơn, có hiệu quả và thực sự hữu ích hơn, giải quyết
triệt để hạn chế của các ứng dụng đồ họa hiện nay. Thực tế, nhiều ứng dụng với
quá trình tƣơng tác ngƣời máy thông qua các thiết bị hỗ trợ nhƣ chuột, bàn phím,
màn hình, các núm cầm, từ các thao tác trên các thiết bị đó sẽ là thông tin đầu vào
ra quyết định thực hiện chức năng trên giao diện đồ họa. Việc mà ngƣời dùng quan
tâm đó là tìm hiểu chức năng của các biểu tƣợng, và làm thế nào để thao tác nhanh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2
với các thiết bị cung cấp dữ liệu vào cho máy tính. Máy tính thật sự vẫn phải
chờ đợi dữ liệu mang tính thao tác cơ học của ngƣời dùng, thực tế các trạng thái
cảm xúc chƣa có vai trò thông tin để máy tính xử lý. Tiếp nhận thông tin cảm xúc
con ngƣời và thể hiện thông tin cảm xúc đó vẫn còn là hạn chế.
Vấn đề biểu diễn khuôn mặt trong thực tại ảo là rất khó khăn, vì ngoài phần
khung xƣơng còn có các mô, phần mềm của khuôn mặt. Nhiều khuôn mặt, về
cấu trúc xƣơng là giống nhau, nhƣng phần mềm trên khuôn mặt, có sự khác nhau,
dẫn đến khuôn mặt có sự khác nhau. Điều này rất khó trong quá trình thể hiện.
Chính vì thế, giải pháp sử dụng máy tính để mô phỏng, cho phép tạo ra các kiểu mặt
khác nhau trong một cấu trúc, từ đó so sánh với mô tả từ đời sống thực để nhận
dạng. Nhận dạng khuôn mặt có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, nhất là trong khoa
học hình sự và trong y học.
Xây dựng thƣ viện khuôn mặt là một việc khó, thể hiện trạng thái khuôn mặt lại

càng khó hơn. Chúng ta có thể xây dựng cho kết cấu khung xƣơng của khuôn mặt,
nhƣng việc đắp phần mềm cho khuôn mặt theo mô tả là rất khó. Từ đó, xác định
trạng thái của khuôn mặt, thể hiện những thông tin cảm xúc càng khó hơn. Tuy
nhiên nếu xác định rõ trạng thái cảm xúc trên khuôn mặt, sẽ giúp chúng ta có những
kết luận chính xác trong cuộc sống để hỗ trợ nhiều vấn đề nhƣ khám chữa bệnh cho
ngƣời bệnh từ xa, hay đàm phán kinh doanh, hoặc tìm hiểu tâm lý.
Xuất phát trong hoàn cảnh đó việc nghiên cứu một số kỹ thuật biểu diễn trạng thái
khuôn mặt trong thực tại ảo là vấn đề không chỉ có ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thời
sự mà còn mang đậm tính thực tiễn.
Luận văn đƣợc tổ chức gồm 3 chƣơng, trong đó chƣơng 1 giới thiệu về thực tại ảo
và các ứng dụng của thực tại ảo, từ khung nhìn tổng quan của thực tại ảo, để
tiếp cận nghiên cứu biểu diễn khuôn mặt trong thực tại ảo. Chƣơng 2 nghiên cứu
một số kỹ thuật biểu diễn khuôn mặt, tập trung miêu tả các trạng thái cơ bản của
khuôn mặt, dùng một số kỹ thuật điền hình để biểu diễn trạng thái khuôn mặt.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3
Chƣơng 3 cài đặt ứng dụng thử nghiệm, biểu diễn trạng thái cơ bản của khuôn mặt.
Phần kết luận sẽ tổng kết những kết quả nghiên cứu và phân tích ƣu điểm, nhƣợc
điểm và đề xuất hƣớng nghiên cứu và cải tiến trong tƣơng lai cho sự nghiên cứu
này.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4
CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ KỸ THUẬT XÂY DỰNG
MÔ PHỎNG KHUÔN MẶT NGƢỜI
Công nghệ thông tin ra đời đánh dấu một cuộc cách mạng lớn về công nghệ.
Ngày nay công nghệ thông tin đƣợc áp dụng hầu hết trong các lĩnh vực của xã hội.
Mục tiên của các ứng dụng công nghệ thông tin là tự động hóa các vấn đề trong
thực tế, một ứng dụng thông minh là ứng dụng hỗ trợ tối đa, linh hoạt với

ngƣời dùng. Thực tại ảo là một lĩnh vực trong công nghệ thông tin, với sứ mệnh lớn
lao là mô phỏng các hệ thống thông minh, có tính tƣơng tác linh hoạt, sinh động
nhƣ thế giới thực, điều mà các nhà khoa học luôn mong muốn, vì thực sự đó là cái
đích phục vụ hiệu quả mà công nghệ thông tin mang lại cho con ngƣời.
1.1 Khái quát về thực tại ảo
Thực tại ảo là một ngành công nghệ có nhiều tiềm năng và ứng dụng vô cùng to lớn.
Ra đời vào những năm đầu thập kỷ 90, khái niệm thực tai ảo xuất hiện vào năm
1950, với sự ra đời của hệ thống ảo nguyên sơ đầu tiên do Morton Heilig thiết kế.
Mƣời năm sau, giáo sƣ Sutherland đã quản lý xây dựng thành công hệ thống
thực tại ảo cơ bản đầu tiên có tên gọi là “Sword of Damocles” [15] trên máy vi tính.
“Sword of Damocles” bao gồm: một màn hình máy tính, một hệ thống máy
điều chỉnh, một máy tính để làm mọi thứ. Thành công của hệ thống này, là đã
đƣa ra khái niệm làm việc cơ bản của hệ thống thực tại ảo, tƣơng tác với ngƣời xem
và thuyết phục ngƣời xem bằng các cảm giác thực trong một hệ thống mô phỏng
với đầu ra có tính tƣơng tác. Tiếp sau thành công đó, các nhà nghiên cứu và
phát triển đã tiến hành xây dựng các thiết bị hỗ trợ hệ thống, sử dụng không gian để
mô phỏng, hệ thống thực tại ảo luôn đƣợc thúc đẩy nghiên cứu, xây dựng và
áp dụng.
Ngày nay, việc áp dụng thực tại ảo luôn đƣợc áp dụng rông rãi, đi đầu trong
lĩnh vực này là Mỹ và Châu Âu, việc áp dụng thực tại ảo ở Việt Nam cũng đang
đƣợc phát triển, và hy vọng sẽ đƣợc áp dụng rộng rãi và phát huy vai trò thực sự

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5
góp phần phát triển khoa học – kỹ thuật, giáo dục-đào tạo, kinh tế - xã hội Không
ai, phủ nhận vai trò của thực tại ảo trong quá trình phát triển và áp dụng, ngay cả
trong tƣơng lai, thực tại ảo vẫn đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống.
Nghiên cứu về thực tại ảo là rất phức tạp và đòi hỏi hệ thống có sự phối hợp đồng
bộ. Bản chất thực tế ảo là một hệ thống mô phỏng trong đó đồ họa máy tính đƣợc
sử dụng để mô phỏng thế giới với sự tƣơng tác thật, ta có thể gọi đó là thế giới ảo.

1.1.1. Thực tại ảo là gì?
Thực tại ảo là một lĩnh vực mô phỏng môi trƣờng thế giới thực trong không gian
ba chiều thể hiện trên máy tính. Trong thế giới mô phỏng (thế giới ảo), bằng việc
quan sát và thực hiện những tƣơng tác con ngƣời có thể làm thay đổi thế giới đó
theo mong muốn giống nhƣ tƣơng tác với thế giới thực. Thông qua thiết bị đầu vào,
hệ thống sẽ mô phỏng và biến đổi môi trƣờng thế giới ảo, con ngƣời có thể quan sát
và cảm nhận sự biến đổi thông qua các thiết bị đầu ra.
Thế giới ảo là một hệ thống mô phỏng sinh động, tuy nhiên nó không hạn chế nhƣ
một bộ phim để con ngƣời chỉ cảm nhận và chiêm ngƣỡng, nó là một hệ thống có
tính tƣơng tác phong phú, cho phép con ngƣời có thể xây dựng và phát triển hệ
thống đó, bản thân hệ thống cũng có trí tuệ, nó có thể tạo nên những sản phẩm
mô phỏng, hoặc cung cấp những quyết định, mô phỏng tình huống theo yêu cầu
đầu vào. Với đặc tính tƣơng tác thông minh, hệ thống thực tại ảo, thực chất có
vai trò lớn với những lĩnh vực có tính giả định và đòi hỏi rút trích tri thức
thực nghiệm cao.
Hệ thống thực tại ảo là hệ thống tƣơng tác thời gian thực. Bản thân thế giới ảo, có
thể thay đổi khi nhận tín hiệu vào, chủ yếu tín hiệu vào qua hệ thống máy tính.
Đối tƣợng tƣơng tác sẽ thấy hệ thống thay đổi ngay khi đối tƣợng cung cấp tín hiệu
cho hệ thống. Đặc tính này mang đến cho hệ thống sự sinh động của một thế giới
thể hiện tƣơng tác linh hoạt, nó cho phép đối tƣợng tƣơng tác có thể biến đổi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
thế giới ảo theo ý tƣởng định hình sẵn, trong mô hình chủ đề đã đƣợc tạo nên của
hệ thống.

Hình 1.1. JWARS Mô phỏng không gian chiến trƣờng thực - ảo
Tính tƣơng tác của hệ thống mang đến sự cuốn hút kỳ lạ, điều này làm cho
đối tƣợng tƣơng tác có sự chú ý và hài lòng về thế giới ảo. Hệ thống hiển thị
thế giới ảo thông qua màn hình hiển thị, tuy nhiên hệ thống không bị hạn chế bởi

không gian và kích thƣớc vật lý của màn hình hiển thị, bản thân ngƣời tƣơng tác sẽ
cảm thấy đắm chìm thực sự trong thế giới ảo, vì đơn giản thế giới ảo tác động
hầu hết các giác quan của đối tƣợng tƣơng tác. Trong thực tế ngƣời dùng
không những nhìn thấy các đối tƣơng 3D, mà còn sờ, điều khiển, cảm nhận đƣợc
các đối tƣợng. Ngoài các khả năng nhìn, nghe và hơn nữa là sờ, đó là một khả năng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7
cơ bản trong các hệ thống 3D, các nhà nghiên cứu không dừng ở đó, họ còn tạo nên
các cảm giác phức tạp khác nhƣ ngửi, nếm…
Tập trung vào các đặc tính của thực tế ảo, có nhiều ý kiến đƣa ra khái quát về
công nghệ này. Một trong những định nghĩa có tính chính xác, thực tế và hay dùng,
đó là của C. Burdea và P. Coiffet. Theo C. Burdea và P. Coiffet thực tế ảo là một
hệ thống giao diện cấp cao giữa ngƣời sử dụng và máy tính [13]. Hệ thống này mô
phỏng các sự vật và hiện tƣợng theo thời gian thực và tƣơng tác với ngƣời sử dụng
qua tổng hợp các kênh cảm giác. Đó là ngũ giác gồm: thị giác, thính giác, xúc giác,
khứu giác, vị giác.
Ngoài đặc tính Tƣơng tác và Đắm chìm hệ thống thực tại ảo còn có đặc tính
tƣởng tƣợng, đó là một đặc tính mà ít ngƣời để ý tới, nhƣng chính đặc tính này giúp
con ngƣời có những phỏng đoán và suy luận tốt cho thực tế. Thực tế ảo 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 thực tế ảo thiết kế, điều này phụ thuộc rất nhiều vào khả năng
tƣởng tƣợng của con ngƣời. Tri thức tƣởng tƣợng của con ngƣời thực chất là các
giả định khó có thể áp dụng trong thực tiễn, và điều cần thiết là có một môi trƣờng
để biểu diễn các giả định đó dƣới dạng mô phỏng, và từ đó có thể quan sát để rút ra
các kết luận, hoặc có thể xây dựng mô hình kịch bản thật cho thực tế Tùy vào các
lĩnh vực mà sự mô phỏng này có tính đa dạng riêng, những bài toán mô phỏng có
giá trị hữu ích giúp đối tƣợng tƣơng tác tập huấn trƣớc khi thực hiện trong
thế giới thực, nhằm tránh các rủi ro do tri thức thực tế chƣa rõ ràng.

Hệ thống thực tại ảo gồm nhiều thành phần nhƣ: môi trƣờng không gian ba chiều,
mô hình tạo trên máy tính, sự tƣơng tác, các thiết bị vào, ra. Những gì cần thiết của
thế giới thực sẽ đƣợc tái tạo trên máy tính, đó là môi trƣờng cơ bản đầu tiên của hệ
thống thực tại ảo. Với sự hỗ trợ của các thiết bị đầu vào, con ngƣời có thể chìm đắm
trong môi trƣờng không gian ba chiều, quan sát và với môi trƣờng ảo đó.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8
Hệ thống thực tại ảo với phần mềm quản lý thông minh, sẽ xử lý yêu cầu đầu vào
của con ngƣời thông qua thiết bị đầu vào, và thể hiện sự biến đổi của hệ thống nhƣ
thế giới thực bằng các thiết bị đầu ra, cho con ngƣời cảm giác trải nghiệm nhƣ
thế giới thực, mặc dầu đó là một thế giới mô phỏng diễn ra trong không gian ba
chiều.

Hình 1.2. Một số phần cứng trong hệ thống hiện thực tại ảo
Có thể khái quát, các thành phần trong hệ thống thực tại ảo là phần cứng,
phần mềm, mạng liên kết, ngƣời dùng. Điều đáng quan tâm nhất trong hệ thống đó
là phần cứng và phần mềm, đó là các thành phần cơ bản nhất của hệ thống.
Thành phần cơ bản nhất của phần cứng trong hệ thống thực tại ảo là máy với một
cấu hình đồ họa đủ mạnh để thể hiện rõ nét và linh hoạt hệ thống tƣơng tác 3D. Các
thiết bị kết nối với máy tính hết sức phong phú và đa dạng, hỗ trợ tối đa sự tƣơng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9
tác linh hoạt. Các thiết bị đầu vào (Input devices) : 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 (data glove) để ngƣời sử dụng có thể điều khiển đối tƣợng. Các thiết bị
đầu ra (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (nhƣ màn hình, HDM, ) để nhìn đƣợc
đối tƣợng 3D nổi. 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,…
Nằm trong hệ thống phần cứng phức tạp đó là phần mềm (Software). Cũng nhƣ
bất kỳ hệ thống nào liên quan tới máy tính, phần mềm luôn là linh hồn của hệ thống
đó. Một hệ thống thực tại ảo, muốn đạt đƣợc tính hiệu quả và khả năng thể hiện cao,
đòi hỏi phần mềm đƣợc thiết kế với yêu cầu chặt chẽ, phức tạp, thể hiện việc
mô phỏng và tƣơng tác sinh động, thực tế đó là những phần mềm có chất lƣợng,
đòi hỏi sự gia công, đầu tƣ xây dựng tốt. 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 tƣợng của trong hệ thống thực tại ảo. Từ các
ngôn ngữ miễn phí OpenGL, C++, Java3D, VRML, X3D, …đến các phần mềm
thƣơng mại nhƣ WorldToolKit, PeopleShop,… đều cho phép các chuyên gia
thiết kế đƣợc hệ thống thực tại ảo. Việc sử dụng ngôn ngữ thể hiện nào, phụ thuộc
vào ý định của các chuyên gia, nhƣng dù sử dụng ngôn ngữ nào, thì phần mềm của
hệt thống thực tại ảo phải bảo đảm 2 công dụng chính: Tạo hình vào Mô phỏng.
Các đối tƣợng của hệ thống thực tại ảo đƣợc mô hình hóa nhờ chính phần mềm, hay
chuyển sang từ các mô hình 3D đƣợc thiết kế nhờ các phần mềm chuyên đồ họa
nhƣ AutoCAD, 3D Studio…

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
10

Hinh 1.3. Mô phỏng không gian nội thất bằng phần mềm autocad
Khả năng tƣơng tác của các đối tƣợng 3D, là thể hiện của quá trình mô phỏng
động học, động lực học, và mô phỏng ứng xử của đối tƣợng. Phần mềm thực chất là
tập các xây dựng, miêu tả và biểu diễn đối tƣợng trong thực tại ảo. Một hệ thống
càng sinh động, tƣơng tác phức tạp, thì yêu cầu xây dựng hệ thống 3D và thể hiện,
mô phỏng hệ thống đó càng cao. Bản chất quá trình xây dựng hệ thống là cần
xác định cụ thể các tình huống và phỏng đoán chặt chẽ các tình huống khả thi.

Chính vì thế hệ thống thực tại ảo, là một hệ thống hết sức sinh động, và luôn
phát triển để tiệm cận với thực tiễn cuộc sống, nó thực sự đƣợc ứng dụng trong rất
nhiều lĩnh vực, từ những vấn đề thực tế cho tới những vấn đề giả tƣởng, đều coi
thực tế ảo là một phƣơng tiện hữu ích để hỗ trợ, mô phỏng, tƣơng tác.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11
1.1.2. Các ứng dụng cơ bản của thực tại ảo
Hiện nay, việc ứng dụng thực tại ảo đã trở nên rộng rãi với các quốc gia. Tuy nhiên,
việc thiết kế và xây dựng một hệ thống thực tại ảo không phải là đơn giản. Tại các
nƣớc phát triển hệ thống thực tại ảo đƣợc ứng dụng trong mọi lĩnh vực: khoa học,
kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giáo dục, y tế, giải trí…và đáp ứng mọi nhu cầu: nghiên
cứu, giáo dục, thƣơng mại
Y học là lĩnh vực truyền thống của thực tại ảo. Các bác sỹ có thể sử dụng
môi trƣờng ảo cho việc đào tạo và tập rƣợt tất cả các tình huống, giai đoạn trong
phẫu thuật y học giúp chuẩn đoán một bệnh nhân.

Hình 1.4. Mô phỏng gƣơng mặt bệnh nhân trƣớc và sau phẫu thuật
Môi trƣờng thực tại ảo cho phép mô phỏng bệnh nhân dƣới dạng các mô hình
thay thế đầy đủ các chức năng nhƣ thật, tại đó các mô hình này là công cụ giáo dục,
đào tạo hữu ích, thay thế các mẫu thí nghiệm thật ngày càng ít trong ngân hàng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
12
y học. Thay vì dùng một quả tim thật để phẫu thuật, thay vì nhìn dƣới góc soi nhỏ
hẹp khó quan sát, ngày nay các bác sỹ tƣơng lai, khi đang còn ngồi trên giảng
đƣờng, đã đƣợc quan sát các mô hình rất sinh động, hoàn toàn theo đúng nguyên lý
sinh học thật. Tháng 11 năm 1993, tại Châu Âu triển khai dự án nghiên cứu xây
dựng lại mô hình cánh tay của con ngƣời trong không gian 3D từ những dữ liệu
hình ảnh trong y học [1]. Quá trình mô phỏng sẽ thể hiện sự thay đổi có thể có của

các bộ phân nhƣ sự co giãn cơ.

Hình 1.5. Mô hình cơ cánh tay
Không phải lúc nào các bác sỹ cũng có mẫu thực hành phong phú và là mẫu thực
hành thật. Thiếu mẫu nghiên cứu, luôn là vấn đề quan tâm của ngành y học, do đó
việc ứng dụng thực tại ảo mang đến giải pháp tích cực. Quá trình phẫu thuật của
bác sỹ, chữa trị các vùng nghiêm trọng, đòi hỏi tính chính xác cao, để nâng cao
kinh nghiệm và tính chuẩn xác trong chữa trị của bác sỹ, thực tại ảo cho phép
tập huấn các tình huống một cách thành thạo trƣớc khi áp dụng vào thực tiễn.
Sử dụng thực tại ảo, góp phần đáng kể trong giải pháp điều trị tâm lý. Môi trƣờng
thực tại ảo, đóng vài trò là môi trƣờng tiếp xúc của các bệnh nhân, kích ứng
bệnh nhân vào các tình huống thực tiễn. Trong môi trƣờng thực tại ảo, cảm giác
đắm chìm đƣa bệnh nhân vào những trải nghiệm nhƣ môi trƣơng thực tế, tạo nên
những kích ứng hoàn toàn thật diễn ra trong quá trình đắm chìm đó. Lợi thế của
việc ứng dụng này, cho phép các bác sỹ thu đƣợc các dữ liệu từ bệnh nhân, mà
không cần phải xảy ra điều đó thực sự trong hiện thực. Việc thu thập các thông tin,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
13
đƣa tới những pháp đồ điều trị hiệu quả, ngay cả các pháp đồ sẽ linh hoạt đƣợc
điều chỉnh trong quá trình khảo nghiệm bệnh nhân qua thế giới thực tại ảo.
Luôn luôn có thể lấy đƣợc ví dụ đơn giản cho đến phức tạp để chứng minh
thực tại ảo luôn đƣợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ việc mô phỏng tới việc thiết
lập các kịch bản thực nghiệm. Thực tại ảo đƣợc ứng dụng rộng rãi trong giáo dục,
nghệ thuật, giải trí.
Ngày nay việc đào tạo giáo dục con ngƣời luôn luôn đƣợc chú trọng, đó là vấn đề
hàng đầu của mỗi quốc gia. Cùng với sự phát triển văn minh của nhận loại, việc
đào tạo con ngƣời cũng có nhiều cải tiến, với sự hỗ trợ công nghệ hiện đại. Thay vì
giáo dục theo truyền thống hoàn toàn bị động và phụ thuộc vào sách vở, giáo dục
ngày nay dễ dàng thiết kế bài giảng với cách thể hiện chứng minh tƣờng minh,

quan sát đƣợc, góp phần tăng khả năng tƣởng tƣợng và tƣ duy của con ngƣời
nâng cao hiệu quả giáo dục.

Hình 1.6. Phòng học trực tuyến topica đƣợc thiết kể trong thế giới ảo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
14
Áp dụng công nghệ thông tin trong giáo dục là một công việc phổ biến ngày nay.
Việc xây dựng mô hình thực tại ảo trên máy vi tính nhằm cung cấp các môi trƣờng
học tập và nghiên cứu cho học viên rất đƣợc quan tâm nghiên cứu, phát triển,
ứng dụng. Các mô hình đƣợc xây dựng hoàn toàn chuyển tải đƣợc thực tế vào môi
trƣờng mô phỏng đó, cho phép các học viên tƣơng tác với thế giới ảo, quan sát và
đƣa ra những kết luận về tri thức, giúp cho việc giảng dạy đạt hiệu quả cao. Tại
nƣớc Mỹ, khi tìm hiểu về sinh học các em học sinh không cần tới viện hải dƣơng
học, cũng có thể đƣợc quan sát các loài thủy, hải sản phong phú, thấy đƣợc quá
trình phát triển và sinh sản của loài, thông qua màn hình thể hiện của hệ thống thực
tại ảo. Ngay trong thời điểm quan sát, các học sinh hoàn toàn có thể tƣơng tác với
màn hình của hệ thống để tạo nên những loài theo mong muốn. Thực tại ảo, giúp
cho các học sinh có thể làm thí nghiệm một cách đơn giản, hiệu quả, chính xác và
an toàn.
Hình 1.7. Phòng thí nghiệm vẽ 3D trên mặt phẳng 2 chiều
Hệ thống thí nghiệm đƣợc mô tả trực quan trên màn hình tƣơng tác, các học sinh có
thể trực tiếp thiết lập dữ liệu thí nghiệm trên màn hình bằng các thao tác cơ bản nhƣ
chọn, dịch chuyển các vật dụng thí nghiệm trong hệ thống mô phỏng, quá trình

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
15
thí nghiệm sẽ đƣợc thể hiện sinh động cho các học sinh quan sát. Và ngay tại thời
điểm đó, các tiến trình, kết quả của thí nghiệm đƣợc mô tả bằng hình ảnh 3D nhƣ
thế giới thực.

Rất nhiều các ví dụ trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí thƣờng xuyên đƣợc
con ngƣời biết tới, vì thực tế con ngƣời hay sử dụng tới nó. Hệ thống mô phỏng có
thể giúp con ngƣời có thể đi du lịch tại chỗ, hoặc chiêm ngƣởng những tác phẩm
điêu khắc, hội họa, những bộ phim hết sức thú vị. Thực tế cho thấy, hệ thống
mô phỏng trong trong giáo dục, nghệ thuật và giải chí luôn mang lại những
trải nhiệm nhiều cảm xúc cho phần đông con ngƣời, vì nó áp dụng rộng rãi trong
thực tế. Hệ thống thực tại ảo, áp dụng trong các lĩnh vực này dễ cài đặt hơn việc
mô phòng những dữ liệu chƣa có, hoặc chƣa trải nghiệm trong thực tế nhƣ y học,
quân sự…
Trong lĩnh vực quân sự, thực tại ảo đƣợc ứng dụng rất nhiều. Mục đích cơ bản của
mô phỏng trong thực tại ảo là làm thử để có kinh nghệm thật, đảm bảo an ninh cho
con ngƣời. Việc nghiên cứu, thao tác trên thiết bị mô phỏng cho phép rút ra những
kết luận phục vụ cho nhiều hoạt động dân sự cũng nhƣ quân sự. Công nghệ
mô phỏng là những công nghệ tạo ra những mô hình hoạt động gần giống nhƣ
những sự vật, hiện tƣợng, quá trình xảy ra trong thực tế. Áp dụng thực tế ảo sẽ
tiết kiệm thời gian, kinh phí, nguyên vật liệu, tránh đƣợc những trƣờng hợp rủi ro,
nguy hiểm trong điều kiện thực, giảm tác động xấu tới môi trƣờng…chất lƣợng
công việc sẽ cao hơn, thậm chí có thể làm đƣợc cái không thể làm trong
điều kiện thực.
Thực tiễn, thực tại ảo giúp con ngƣời mô phỏng đƣợc ứng dụng rộng rãi để
nghiên cứu các hoạt động tác chiến (trận chiến đấu, chiến dịch, hoạt động bảo đảm
hậu cần, kỹ thuật…) và quá trình thiết kế, chế tạo, thử nghiệm, sử dụng vũ khí,
trang bị kỹ thuật mới. Mô phỏng cho phép tái hiện nhiều lần hoạt động quân sự đã
và sẽ xảy ra; nghiên cứu các điều kiện tiến hành nó và rút ra các kết luận về

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
16
khả năng, quyết tâm chiến đấu của cả hai bên tham chiến, chọn phƣơng án giải
quyết tối ƣu….

Hình 1.8. Huấn luyện lính tăng bằng hệ mô phỏng
Huấn luyện quân sự có đặc thù là phải tiến hành theo các phƣơng án, tình huống
giả định và mô phỏng là một công nghệ có nhiều ƣu thế trong tái tạo cũng nhƣ
tạo mới đáp ứng tốt đặc thù đó. Khi ứng dụng trong huấn luyện quân sự, mô phỏng
phát huy tối đa vai trò và hiệu quả, trở thành phƣơng tiện huấn luyện hữu hiệu nhất,
nó có thể tạo dựng các hành động quân sự mà trên thực tế thời bình không thể
thử nghiệm đƣợc (vì lí do tài chính, môi trƣờng, an toàn). Đặc biệt, khi chiến tranh
càng lùi xa, số lƣợng cán bộ trải qua chiến đấu ngày càng giảm, thì việc ứng dụng
mô phỏng là rất cần thiết: mô phỏng có thể tái hiện lại các trận đánh nhằm
truyền thụ kinh nghiệm chiến đấu cho lớp trẻ; đồng thời mô phỏng cho phép
nghiên cứu các điều kiện có thể xảy ra trong chiến tranh hiện đại, nên đáp ứng đƣợc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
17
yêu cầu phòng chống và nghiên cứu giải pháp đánh bại cuộc chiến tranh bằng
vũ khí công nghệ cao.
Hiện nay, có rất nhiều phần mềm đồ họa mạnh nhất chủ yếu đƣợc phục vụ trong
lĩnh vực thiết kế và xây dựng nhƣ AUCAD, AUTODEST, 3DMAX, SHAPRE,…
Từ những phần mềm chuyên nghiệp đó, các kỹ sƣ xây dựng, kiến trúc… hoàn toàn
dễ dàng triển khai các mô hình với các yêu cầu kỹ thuật trên máy tính.

Hình 1.9. Mô hình khu đô thị Mỹ Đình – Từ Liêm –Hà Nội
Quá trình thiết kế trở nên đơn giản hơn, tốn ít thời gian hơn, yêu cầu kỹ thuật đƣợc
đáp ứng, độ chính xác cao. Từ bản vẽ 2D, xây dựng lên mô hình 3D là hoàn toàn
đơn giản, việc mô phỏng trực quan, sinh động không gian xây dựng thật trong
tƣơng lai là điều dễ dàng. Ngƣời ta có thể nhìn thấy ngay hình dáng toàn nhà sẽ
đƣợc xây dựng, có thể nhìn thấy một sân vận động với các khán giả, cầu thủ một

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
18

cách sống động…trên màn hình máy tính, mặc dù đó là sản phẩm xây dựng của
tƣơng lai, khi mà tất cả tuân thủ xây dựng theo bản vẽ đƣợc thiết kế trên phần mềm.
Nhìn thấy trực quan những gì sẽ xây dựng trong tƣơng lai là một điều thú vị, có lẽ
trí tƣởng tƣợng của ngƣời xem cũng không thể hình dung phong phú đƣợc
không gian, phối cảnh… trong xây dựng khi mà chƣa đƣợc nhìn thấy công trình đó.
Việc xây dựng các bản thiết kế, các mô hình trên bản thiết kế, mang lại sự
chính xác, hiệu quả cao trong xây dựng, và thật sự giúp cho con ngƣời hoàn toàn
có thể biết đƣợc kết quả của thực tế, điều mà không còn gì mong đợi hơn nữa.
Trong những năm gần đây, Công nghệ thông tin phát triển mạnh, và các ứng dụng
của nó vào lĩnh vực này càng trở nên rộng rãi. Để trợ giúp, đào tạo phi công,
ngƣời ta xây dựng rất nhiều chƣơng trình mô phỏng cho phi công tập luyện kết hợp
với các thiết bị phần cứng để tạo ra một môi trƣờng làm cho con ngƣời tƣởng nhƣ ở
trên một chiếc máy bay thật và mọi thứ diễn ra giống nhƣ thực tế. Một chƣơng trình
máy tính tạo ra không gian 3D kết hợp với thiết bị phần cứng cho phép ngƣời
phi công thực hiện những chuyến bay đến các sân bay đã đƣợc xây dựng sẵn với các
tình huống khác nhau nhằm nâng cao kỹ năng xử lý tình huống nhƣ trong thực tế
cho phi công. Với cách làm này quá trình đạo tạo phi công đã giảm thiểu đƣợc
thời gian đào tạo, chi phí đào tạo và nâng cao tính toán an toàn của mỗi chuyến bay,
và hệ thống này có tính sử dụng cao, sử dụng nhiều lần, góp phần nâng vào tần suất
đào tạo.
Khi tham quan các viện bảo tàng truyền thống chúng ta thƣờng chỉ đứng ngắm nhìn
từ bên ngoài. Để bảo vệ cho các hiện vật trong bảo tàng, ngƣời ta thƣờng để chúng
trong các tủ kính, hoặc phía xa ngƣời ngắm nhìn. Nhìn là một trạng thái chủ yếu của
khách tham quan. Khắc phục hạn chế đó, phòng trƣng bày Fisher của Đại học Nam
California (USC) ở Los Angeles (Mỹ) với sự hỗ trợ của máy tính, đã cho phép
ngƣời dùng cảm nhận đƣợc các vật trƣng bày bằng xúc giác [12]. Ngƣời sử dụng
không chỉ đƣợc thấy, nghe, mà còn chạm và cảm nhận đƣợc hiện vật.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
19

Ngƣời dùng đeo một chiếc găng tay cảm ứng, là thiết bị giao tiếp với máy tính qua
cổng USB. Găng tay cảm xúc cho phép ngƣời dùng chạm vào, cảm nhận những gì
đƣợc lƣu trữ trong máy tính. Việc sờ nắm các vật trƣng bày ảo cho những cảm xúc
thật qua sự hỗ trợ của gang tay cảm xúc. Đây là công nghệ mới do Trung tâm
Hệ thống truyền thông tích hợp của USC tạo ra. Trung tâm Hệ thống truyền thông
tích hợp của USC đã tạo ra một phần mềm thuật toán cho phép nhiều loại phần
cứng xúc giác khác nhau tiếp xúc với nhau qua một mạng máy tính.
Theo các kỹ sƣ tại trung tâm Hệ thống truyền thông tích hợp của USC thì việc
tiếp xúc bằng xúc giác qua mạng có mang đến một cách thức giao tiếp tiến bộ của
con ngƣời với máy tính [12]. Công nghệ này tƣơng lai sẽ rất phát triển và có tác
động lớn tới nhiều lĩnh vực của cuộc sống, ví dụ nhƣ ngƣời mua hàng sẽ sờ và cảm
nhận đƣợc hàng hóa qua mạng, các game thủ sẽ trải qua những trạng thái thật hơn
trong thế giới game, các tác phẩm văn học khi xây dựng trên công nghệ 3D tiên tiến
này sẽ mang tới những trải nhiệm hết sức thú vị, mang tới những cảm xúc rất thật,
nhờ đó mà tính nghệ thuật của các tác phẩm nghệ thuật sẽ cao hơn, nhiều ngƣời sẽ
hiểu và quan tâm tới nghệ thuật hơn, kể
cả các tác phẩm nghệ thuật quý hiếm
trong bảo tàng cũng đƣợc ngƣời xem
cảm nhận với cảm giác thật. Công nghệ
này khi đƣợc ứng dụng trong các
bảo tàng sẽ có tính giáo dục rất cao. Với
việc sử dụng găng tay cảm xúc, các
du khách và ngƣời khảo cứu sẽ
cảm nhận đƣợc tác phẩm nghệ thuật mà
họ không gây tác hại gì cho các tác phẩm mà việc tiếp xúc bằng tay sẽ gây ra.
Quá trình xây dựng sản phẩm 3D mô phỏng các việc bảo tàng rất công phu, yêu cầu
kết hợp của nhiều kỹ thuật nhƣ kiến trúc, phối cảnh, nghệ thuật, âm thanh, màu sắc.
Đó là một môi trƣờng nhúng yêu cầu yếu tố nghệ thuật cao, vì vậy để thành công