Nghiên cứu một số kỹ thuật tương tác dựa vào sự kiện và chuyển động trong thực tại ảo và ứng dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
PHAN BÁ TIỆPCÔNG NGHỆ THÔNG TIN2014-2016

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT TƯƠNG TÁC
DỰA VÀO SỰ KIỆN VÀ CHUYỂN ĐỘNG
TRONG THỰC TẠI ẢO VÀ ỨNG DỤNG

PHAN BÁ TIỆP

HÀ NỘI – 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT TƯƠNG TÁC
DỰA VÀO SỰ KIỆN VÀ CHUYỂN ĐỘNG
TRONG THỰC TẠI ẢO VÀ ỨNG DỤNG

PHAN BÁ TIỆP
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
MÃ SỐ: 60480201

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. ĐỖ NĂNG TOÀN

HÀ NỘI – 2016


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do tôi tự nghiên
cứu và tham khảo nhiều nguồn thông tin để có được nội dung phù hợp với yêu
cầu đề tài.
Nội dung luận văn này chưa từng được công bố hay xuất bản dưới bất kỳ
hình thức nào và cũng không được sao chép từ bất kỳ một công trình nghiên cứu
nào.
Tất cả phần mã nguồn của chương trình đều do tôi tự thiết kế và xây dựng,
trong đó có sử dụng các thự viện tài nguyên công khai và miễn phí trên mạng
Internet.
Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, Ngày 25 tháng 12 năm 2016
Tác giả luận văn

Phan Bá Tiệp

i


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian làm luận văn, em đã gặp rất nhiều khó khăn, nhiều vấn đề
phức tạp mà bài toán phát sinh. Đặc biết lĩnh vực nghiên cứu lại khá mới tại Việt
Nam, do vậy lượng tài nguyên để tham khảo là rất hạn chế.
Sau nhiều ngày nghiên cứu và tìm tòi, với sự giúp đỡ tận tình của PGS.TS
Đỗ Năng Toàn – Viện trưởng Viện Công Nghệ Thông Tin – Đại Học Quốc Gia Hà
Nội,
Luận văn của em đã hoàn thành đúng theo kế hoạch.

Xin trân thành cảm ơn các thầy, cô, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ nhiệt
tình, tư vấn và phản biện nghiêm túc mọi vấn đề trong quá trình xây dựng đề tài.
Hà Nội, ngày 25 tháng 12 năm 2016
Tác giả

Phan Bá Tiệp

i


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. I
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ I
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT ....................................... IV
DANH MỤC CÁC HÌNH ..................................................................................... V
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................... VII
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT THỰC TẠI ẢO VÀ BÀI TOÁN TƯƠNG TÁC ..... 1
1.1. Khái quát thực tải ảo ......................................................................................... 1
1.1.1. Thế nào là thực tại ảo? ............................................................................... 1
1.1.2. Các đặc điểm của thực tại ảo ..................................................................... 2
1.2. Thành phần chính trong thực tại ảo ................................................................... 3
1.2.1. Phần cứng .................................................................................................. 4
1.2.2. Bộ giả lập thực tại ...................................................................................... 4
1.2.3. Ứng dụng ................................................................................................... 4
1.2.4. Không gian trong thế giới ảo ...................................................................... 5
1.2.5. Cơ sở dữ liệu cho thế giới ảo ...................................................................... 5
1.3. Ứng dụng thực tại ảo vào thực tế ...................................................................... 6
1.3.1. Lĩnh vực khoa học quân sự ......................................................................... 6
1.3.2. Lĩnh vực y học ............................................................................................ 7
1.3.3. Lĩnh vực giáo dục ....................................................................................... 8

1.3.4. Lĩnh vực giải trí ........................................................................................ 10
1.3.5. Lĩnh vực xây dựng .................................................................................... 11
1.3.6. Lĩnh vực Thương mại du lịch .................................................................... 12
1.3.7. Lĩnh vực hàng không vũ trụ ...................................................................... 13
1.3.8. Lĩnh vực khoa học cơ bản ......................................................................... 14
1.4. Bài toán mô phỏng tương tác trong thực tại ảo ................................................ 15
CHƯƠNG 2. MỘT SỐ KỸ THUẬT TƯƠNG TÁC TRONG THỰC TẠI ẢO ... 17
2.1. Kỹ thuật phát hiện và tính toán va chạm ......................................................... 17
2.1.1. Khái quát phương pháp phát hiện va chạm............................................... 17
2.1.2. Kỹ thuật phát hiện va chạm dựa vào hộp AABB........................................ 19
ii


2.1.3. Kỹ thuật phát hiện va chạm dựa vào hộp bao theo hướng ......................... 21
2.1.4. Kỹ thuật phát hiện va chạm dựa vào khối bao cầu .................................... 23
2.1.5. Kỹ thuật phát hiện va chạm dựa vào hộp bao elip .................................... 30
2.1.6. Kỹ thuật phát hiện va chạm dựa vào hộp bao đa diện lồi (k-Dop) ............ 35
2.1.7. Phát hiện va chạm sử dụng BVH .............................................................. 37
2.2. Kỹ thuật tương tác dựa vào cảm biến .............................................................. 42
2.2.1. Cảm biến là gì? ........................................................................................ 42
2.2.2. Một số cảm biến được ứng dụng trong thực tại ảo .................................... 42
CHƯƠNG 3. CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM.............................................. 45
3.1. Mô tả bài toán ................................................................................................. 45
3.2. Yêu cầu bài toán ............................................................................................. 45
3.2.1. Yêu cầu chính ........................................................................................... 45
3.2.2. Khảo sát ................................................................................................... 46
3.2.3. Lựa chọn một số công cụ mô phỏng.......................................................... 46
3.2.4. Các bước thực hiện .................................................................................. 47
3.2.5 Một số kết quả thu được ............................................................................ 55
KẾT LUẬN ............................................................................................................. 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 61

iii


DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tiếng Anh

Tiếng Việt

VR

Virtual Reality

Thực tại ảo

3D

3 Dimenstions

3 Chiều

Ss

Sensor

Cảm biến

ST

SensorTime

Cảm biến thời gian

W3C

WorldWideWeb Consortium

Tiêu chuẩn Web

VRML

Virtual Reality Modeling Language Ngôn ngữ mô hình ảo

BB

Bouding Box

Hộp bao

BS

Bouding Sphere

Khối bao cầu

BVH

Bouding Volume Hirearchy

Khối bao cấu trúc cây

AABBs

Axis – Aligned Bounding Boxes

Hộp bao cạnh song song

OBBs

Oriented Bounding Boxes

Hộp bao theo hướng

RAM

Random Access Memory

Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên

CPU

Central Processing Unit

Đơn vị xử lý trung tâm

Direct X

Microsoft Direct X

Xử lý tác vụ đa phương tiện

OpenGL

Open Graphics Library

Tiêu chuẩn kỹ thuật đồ họa

HW

Hardware

Phần Cứng

SW

Software

Phần Mềm

RS

Reality Simulator

Bộ giả lập thực tại

CSDL

Cơ sở dữ liệu

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Mô phỏng công nghệ thực tại ảo ............................................................ 1
Hình 1.2: Mô phỏng sự tương tác thiết bị thực tại ảo ............................................. 2
Hình 1.3: Hình mô tả đặc điểm công nghệ thực tại ảo............................................ 3
Hình 1.4: Mô tả thành phần trong công nghệ thực tại ảo ........................................ 4
Hình 1.5: Mô phỏng binh lính nhảy dù với công nghệ ảo....................................... 7
Hình 1.6: Mô phỏng tim người nhờ công nghệ ảo.................................................. 8
Hình 1.7: Hình ảnh mô phỏng lớp học thực hành công nghệ ảo ............................. 9
Hình 1.8: Hình ảnh trong phim Shrek 4D của hãng Universal Studio .................. 10
Hình 1.9: Mô phỏng biệt thự ảo trong xây dựng .................................................. 11
Hình 1.10: Hình mô phỏng khu du lịch Hồ núi cốc – Thái Nguyên...................... 13
Hình 1.11: Hình ảnh mô phỏng vũ trụ khởi động bay vào không gian ................. 14
Hình 1.12: Hình ảnh mô phỏng va chạm trái đất .................................................. 15
Hình 2.1: Bounding Box, Bounding Sphere và những đặc tính của chúng ........... 18
Hình 2.2: Khối được bao bởi khối bao cầu, khối AABB, khối OBB và k-Dop ..... 18
Hình 2.3: Hộp bao AABB ................................................................................... 19
Hình 2.4: Xây dựng hộp bao AABB .................................................................... 20
Hình 2.5: Hợp nhất và kiểm tra va chạm giữa AABB .......................................... 20
Hình 2.6: Phát hiện va chạm giữa 2 hộp bao theo trục ......................................... 21
Hình 2.7: Hộp bao OBB ...................................................................................... 22
Hình 2.8: Hình chiếu các đối tượng lên các trục tọa độ ........................................ 23
Hình 2.9: Khối bao cầu ........................................................................................ 24
Hình 2.10: Hợp nhất và kiểm tra va chạm giữa 2 khối bao cầu ............................ 24
Hình 2.11: Xây dựng khối bao cầu ..................................................................... 25
Hình 2.12: Hai khối cầu xảy ra va chạm .............................................................. 28
Hình 12.13: Hộp bao dạng đa diện lồi ................................................................. 35
Hình 2.14: Minh họa một số hộp bao K-Dop ....................................................... 36

Hình 2.15: Độ phức tạp trong tính toán đối với các hộp bao ................................ 37
Hình 2.16: Mô hình BVH với khối bao cầu ......................................................... 38
Hình 13: Các đặc điểm của cây phân cấp ............................................................. 38
v


Hình 14: Cây phân cấp 4 đối tượng sử dụng top –down, bottom –up và chèn ...... 40
Hình 3.1: Mô hình ứng dụng Game Unity3D ....................................................... 47
Hình 3.2: Nhìn phòng tranh ở vị trí góc ngang bên ngoài..................................... 48
Hình 3.3: Mô hình tổng quan nhìn từ bên ngoài vào phòng tranh......................... 48
Hình 3.4: Bên trong phòng tranh chưa đặt hiện vật trên nền ................................ 49
Hình 3.5 Đặt hiện vật chiếc bình cổ vào phòng tranh ........................................... 49
Hình 3.6: Mô hình thiết kế xương của chiếc bình cổ ............................................ 50
Hình 3.7: Các đồ vật được đặt vào phòng tranh ................................................... 50
Hình 3.8: Mô hình nhân vật người xem xanh được tạo ra .................................... 51
Hình 3.9: Mô hình chi tiết cấu thành nhân vật xem tranh ..................................... 51
Hình 3.10: Trạng thái chuyển động của nhân vật xem tranh ................................ 52
Hình 3.11: Mô phỏng va chạm giữa hai khối hộp chứa đối tượng ........................ 53
Hình 3.12 Mô phỏng giữa đối tượng người xem với bức tranh ............................ 54
Hình 3.13 Mô phỏng va chạm giữa đối tượng người với chậu cây trong phòng ... 55
Hình 3.14: Mô tả quang cảnh phòng tranh nghệ thuật .......................................... 56
Hình 3.15: Mô tả cảnh người xem tiến đến gần bức tranh .................................... 57
Hình 3.16 Mô tả người xem tiến gần đến bình cổ ................................................ 57
Hình 3.17: Mô tả sự quan sát của người xem đứng từ xa ..................................... 58
Hình 3.18: Mô tả chân tường của phòng tranh nghệ thuật .................................... 58
Hình 3.19: Mô phỏng cửa đi vào phòng tranh ...................................................... 59
Hình 3.20 Mô phỏng phòng tranh nhìn từ trên cao xuống .................................... 59

vi

LỜI MỞ ĐẦU
Công nghệ thông tin đóng vai trò quan trọng trong sự nghiệp phát triển của
xã hội trong thời đại ngày nay. Việc nhanh chóng đưa ứng dụng công nghệ thông
tin vào quá trình tự động hóa trong sản xuất kinh doanh là vấn đề đang, đã và sẽ
luôn được quan tâm bởi lẽ công nghệ thông tin có vai trò rất lớn trong các hoạt động
kinh tế, sản xuất kinh doanh, bán hàng, xúc tiến thương mại và quản trị doanh
nghiệp. Nhờ có sự phát triển mạnh của công nghệ thông tin mà nhiều lĩnh vực khó
phát triển trước kia nay đã được triển khai và rất thành công. Rất nhiều công nghệ ra
đời và được ứng dụng hiệu quả. Một trong những công nghệ cần phải nói đến đó là
công nghệ thực tại ảo.
Công nghệ thực tại ảo chính là một môi trường ba chiều được được tổng hợp
và điều khiển thông qua máy tính với mục đích mô phỏng lại thế giới thực theo sự
tưởng tượng của con người, là công nghệ giúp con người có thể cảm nhận không
gian mô phỏng một cách chân thực hơn đối trong mô hình 3D như hình ảnh, âm
thanh… Nó cho phép người dùng sử dụng các thiết bị ngoại vi tương tác với các sự
vật, hiện tượng của thế giới ảo giống như thật.
Sau hơn nửa thế kỷ phát triển, công nghệ thực tại ảo đã trở thành một ngành
công nghiệp thực sự hiệu quả tại các nước phát triển với nhiều ứng dụng trong đủ
các lĩnh vực từ giải trí, du lịch, địa ốc, y học, kiến trúc, giáo dục cho đến cả khoa
học kỹ thuật và quân sự.
Điều làm cho công nghệ này trở nên khác biệt đó là tính tương tác giữa các
đồ họa ba chiều thời gian thực, với cảm giác đắm chìm trong thế giới ảo.
Công nghệ thực tại ảo 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 như Y
học, du lịch v.v.
Hiện nay, nhu cầu được xem và cảm nhận những bức tranh, vật dụng có giá
trị nghệ thuật và niên hạn lịch sử lâu năm là rất lớn. Để giúp các phòng triển lãm,
bảo tàng duy trì, phục dựng quản lý bằng kỹ thuật số hóa dựa trên công nghệ thực
tại ảo là rất cần thiết. Mở ra cơ hội lớn cho nhiều người không có điều kiện đến tận

nơi để thăm quan và thưởng thức nghệ thuật. Giờ đây có thể ngồi tại nhà với chiếc
vii


máy tính được kết nối internet hoặc trên các thiết bị di động cũng có thể thỏa mãn
đam mê trong lĩnh vực này.
Từ những khả năng ứng dụng của công nghệ thực tại ảo trong cuộc sống, tôi
quyết định lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu một số kỹ thuật tương tác dựa vào sự
kiện và chuyển động trong thực tại ảo và ứng dụng”.
Luận văn Phần mở đầu, Phần kết luận và 3 chương như sau:
Chương 1: Khái quát về công nghệ thực tại ảo và bài toán tương tác
Đây là chương mở đầu tìm hiểu các khái niệm, các đặc điểm và cấu trúc cơ
bản của một hệ thống thực tại ảo cũng như lợi ích có được và các ứng dụng của thực
tại ảo.
Chương 2: Một số kỹ thuật tương tác trong thực tại ảo
Ở chương này nói đến các kỹ thuật tương tác giữa các đối tượng trong thực
tại ảo, thường dùng trong lập trình mô phỏng thực tại ảo bao gồm các kỹ thuật về đồ
họa 3 chiều, xử lý âm thanh, ánh sáng, giao tác vật lý và trí tuệ nhân tạo.
Chương 3: Chương trình thử nghiệm thăm quan phòng tranh nghệ
thuật
Đây là chương cuối thể hiện các kết quả nghiên cứu của các phần trên, áp
dụng xây dựng một ứng dụng cụ thể mô phỏng thực tại ảo qua sự tương tác thời
gian thực.

viii


CHƯƠNG
NG 1. KHÁI QUÁT THỰC TẠI ẢO
O VÀ BÀI

TOÁN TƯƠNG TÁC
1.1. Khái quát thực tảải ảo
1.1.1. Thế nào là thựcc tại
t ảo?
Công nghệ thực tại ảo
o là một
m khái niệm được xuất hiện vào thậpp niên 90 tr
trở lại
đây. Là thuật ngữ miêu tả
t môi trường mô phỏng bằng
ng máy tính ho
hoặc các thiết bị
chuyên dụng khác. Đaa ph
phần các môi trường thực tại ảo chủ yếuu là hình ảnh hiển thị
trên màn hình máy tính hay thông qua kính nhìn ba chiều,
chi
tuy nhiên m
một vài mô
phỏng cũng có thêm
êm các lo
loại giác quan khác như âm thanh hay xúc giác.

Hình 1.1:Mô phỏng công nghệ thực tại ảo

Với công nghệ thự
ực tại ảo này, các hình ảnh
nh trên máy tính ho
hoặc các thiết bị
chuyên dụng sẽ đượcc mô tả
t ra ngoài giống hệt như thật. Không nhữ

ững thế các hình
ảnh mô phỏng còn có thểể tương tác trực tiếp theo tín hiệu của ngườ
ời sử dụng bằng
các hành động, lời nói vờ
ời thời gian xảy ra hoàn toàn khớp với thờii gian th
thực.

1


Hình 1.2:Mô phỏng
ph
sự tương tác thiết bị thực tạii ảo

Các hệ thống ảo
o phải
ph xử lý một khối lượng lớn thông tin từ các đối tượng 3D
bởi vậy bộ nhớ và thờii gian xxử lý là thời gian thực. Vì vậy yêu cầuu phải
ph có lượng bộ
nhớ RAM và CPU cũng
ũng như
nh thiết bị vào ra phải có tốc độ cao.
Thực tại ảo sử dụng
ng nh
những phần mềm cho phép truy cập trựcc ti
tiếp vào bộ nhớ
và điều khiển bộ tăng tốcc đồ họa. Hiện nay một số chuẩn phần mềm
m được sử dụng
nhiều như: Directx,
irectx, OpenGL…Bên

OpenGL
cạnh đó các ứng dụng mạng
ng trong công ngh
nghệ
thực tại ảo đã được tổ chứ
ức W3C đưa ra mô hình chuẩn đó là mô hình
ình VRML.

1.1.2. Các đặc điểm của
a th
thực tại ảo
Trong thực tại ảoo có hai đặc điểm chính đó là tương tácvà
và đđắm chìm mà
nhiều người đã biết.
t. Tuy nhiên còn một
m đặc điểm thứ ba chúng ta ít để ý tới, nó
không chỉ là một hệ thống
ng ttương tác giữa Người vớii Máy tính, mà các ứng dụng nó
còn liên quan tới việcc giải
gi quyết những vấn đề thực tế trong kỹ thu
thuật, y học, quân
sự… Các ứng dụng
ng này do nhà phát triển
tri thiết kế, điều này phụ thuộcc vào nhi
nhiều khả
năng tưởng tượng củaa con ng
người. Bởi vậy đặc điểm thứ ba chính là sự
ự tưởng tượng.

1.1.2.1. Sự đắm chìm

Là một hiệu ứng tạ
tạo khả năng tập trung sự chú ý cao nhất
ất mộ
một cách có chọn
lọc vào chính những
ng thông tin ttừ người sử dụng hệ thống thực tại ảo. Ng
Người sử dụng
tự cảm thấy mình là một
ột phần
ph của thế giới ảo, hòa lẫn với thế giới
ới đđó. Đây là đặc
tính quan trọng bậc nhất,
ất, thông qua cảm
c giác chìm sâu vào thế giới
ới ảo.
2


1.1.2.2. Tính tương tác
Là khả năng
ng du hành
h
của người dùng để di chuyển khắp nơi
ơi m
một cách độc
lập, cảm giác như bên ngoài môi tr
trường thật với các hành động
ng th
thường thấy hiện
tại. Hệ thống mô phỏng

ỏng trong đó đồ họa máy tính được sử dụng để ttạo ra một thế
giới "như thật". Hơn nữa,
ữa, thế
th giới "nhân tạo" này không tĩnh tại,
ại, mà
m lại phản ứng,
thay đổi theo ý muốnn tín hi
hiệu vào của người sử dụng nhờ hành động,
ộng, lời
l nói, điều
khiển qua các hệ giao tiếp
ếp ng
người máy khác,.... Thời gian thực ở đây có ngh
nghĩa là máy
tính có khả năng nhận
ận biế
biết được tín hiệu vào của người sử dụng vàà thay đổi ngay
lập tức thế giới ảo.

1.1.2.3. Tưởng tượng
Như trên đãã trình bày, 2 đặc tính chính của thực tại ảo là Tươ
ương tác và Đắm
chìm, đây là hai đặcc tính mà nhiều người đã biết. Tuy nhiên thựcc tại ảo
ả cần có một
đặc tính thứ ba đó là sự
ự tưởng
t
tượng, đối tượng đượcc sao chép từ đố
đối tượng thật
hoặc do người thiết kế tư

ưởng tượng ra. Các đối tượng, cảnh vật này
ày được
đư mô hình
hóa trong
ng không gian ba chi
chiều và được kết hợp xây dựng nên thếế giới ảo.
ả

Hình 1.3: Hình mô tả
t đặc điểm công nghệ thực tại ảảo

1.2. Thành phần
n chính trong thực
th tại ảo
Hệ thống thực tạii ảo bao gồm ba thành phầnn chính sau: HW ( Hardware ), bbộ
giả lập thực tại ( reality simulator), ứng dụng
ng ( Application), Môi trư
trường ảo, Cơ sở
dữ liệu

3


Hình 1.4: Mô tả
t thành phần trong công nghệ thực tạii ảo

1.2.1. Phần cứng
Các thiết bị đầuu vào chúng bao gồm những thiết bị có khả nă
năng kích thích
giác quan để tạo nên cảm

m giác về
v sự hiện hữu trong thế giới ảo. Chẳng
ng hhạn như màn
hình đội đầu, chuột,
t, các tai nghe âm thanh nổi
n và những thiết bị có kh
khả năng ghi
nhận nơi người sử dụng
ng đang
đ
nhìn vào hoặc hướng đang chỉ tới,
i, như thiết bị theo
dõi gắn trên đầu, găng
ng tay hữu
h tuyến.
Các thiết bị đầu
u ra dùng hiển thị đồ họa như màn hình…, đểể nhìn được đối
tượng 3D. Thiết bị âm thanh để nghe được âm thanh vòm…Bộ phảản hồi cảm như
găng tay…để tạoo xúc giác khi ssờ, nắm đối tượng. Bộ phản hồii xung để tạo lực tác
động như khi đạp xe, đi đường
đư
xóc.

1.2.2. Bộ giả lập thực tạại
Là trái tim của hệệ thống thực tại ảo, bao gồm hệ thống
ng máy tính và ph
phần
cứng ngoại vi, thiết bị đồ
ồ họa và đa phương tiện, cung cấp cho bộ tác động những
thông tin giác quan cầnn thiết.

thi Trong hệ thống mô phỏng
ng cabin lái, thì mô hình cabin
là thành phần này.

1.2.3. Ứng dụng
Phần mềm
m luôn là linh hhồn của VR cũng như đối với bất cứ
ứ một hệ thống
máy tính hiện đại nào. Vềề mặt nguyên tắc có thể dùng bất cứ ngôn ng
ngữ lập trình hay

4


phần mềm đồ họa nào để mô hình hóa và mô phỏng các đối tượng của VR. Ví dụ
như các ngôn ngữ Open GL, Java 3D v.v.
Phần mềm của bất kỳ VR nào cũng phải bảo đảm hai công dụng chính là:
Tào hình và mô phỏng. Các đối tượng hình học đây là thành phần bao gồm những
thông tin mô tả các thuộc tính vật lý như 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 xử lýảnh, sau đó dữ liệu có thể được chuyển qua một số các định
dạng file 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.

1.2.4. Không gian trong thế giới ảo
Bản thân thế giới ảo cũng cần được định rõ trong một không gian gọi là
World space. Do bản chất tự nhiên của thế giới ảo là một mô phỏng máy tính, nên
thế giới ảo có hạn chế nhất định. Vị trí của mỗi điểm thuộc mỗi đối tượng trong thế
giới đó đều phải được gán một giá trị số tọa độ. Các tọa độ này thường được mô tả

trong hệ tọa độ Đề các với các thứ nguyên X, Y và Z. Cũng có thể sử dụng các hệ
tọa độ khác như hệ tọa độ cầu, nhưng hệ tọa độ Đề các vẫn là chuẩn cho hầu hết các
ứng dụng. Sự chuyển đổi giữa các hệ tọa độ này cũng khá đơn giản.

1.2.5. Cơ sở dữ liệu cho thế giới ảo
Lưu trữ thông tin về các đối tượng và thế giới ảo là một phần quan trọng
trong việc thiết kế hệ thống thực tại ảo VR. Những thông tin chính được lưu trữ
trong World Database là các đối tượng ở trong thế giới đó, các kịch bản mô tả các
hành động của các đối tượng hoặc người sử dụng, ánh sáng, các điều khiển chương
trình, và hỗ trợ thiết bị phần cứng. Có nhiều cách lưu trữ thông tin về thế giới ảo.
Phương pháp sử dụng nhiều file là một trong những hướng tiếp cận thường gặp nhất
trong những gói phát triển thực tại ảo. Mỗi đối tượng có một hoặc nhiều file, một số
file toàn cục sử dụng chung cho thế giới ảo đó có tác dụng nạp file khác. Một số hệ
thống còn bao gồm cả một file cấu hình định nghĩa về các kết nối giao diện phần
cứng. Đôi khi toàn bộ cơ sở dữ liệu được load trong chương trình khởi động, các hệ
thống khác chỉ việc đọc file mà hệ thống cần tại thời điểm đó. Với cách tiếp cận về
5


sau, một hệ thống cơ sở dữ liệu thực sẽ giúp ích rất nhiều. Một CSDL OOD sẽ thích
hợp nhất cho một hệ thống thực tại ảo. Các file dữ liệu đa phần thường được lưu trữ
dưới dạng các file văn bản sử dụng mã ASCII. Tuy nhiên trong nhiều hệ thống, các
file này được thay thế bởi các file lưu trữ dưới dạng mã nhị phân. Một số hệ thống
dịch trực tiếp các thông tin về thế giới ảo đó vào ứng dụng luôn.

1.3. Ứng dụng thực tại ảo vào thực tế
Hiện nay công nghệ thực tại ảo đã được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực
trong cuộc sống như:

1.3.1. Lĩnh vực khoa học quân sự

Đây là lĩnh vực đặt nền móng cho sự nghiên cứu của thực tại ảo. Hiện nay,
những ứng dụng của thực tại ảo trong lĩnh vực này là rất phong phú, ví dụ như huấn
luyện quân lính, thử nghiệm các loại vũ khí, các phương tiện chiến tranh, bản đồ
hóa từng khu vực.
Các vấn đề môi trường, điều kiện kinh tế, kỹ thuật an toàn về tính mạng con
người là những vấn đề khó khăn hàng đầu trong quân sự của các quốc gia. Thự tế
không phải lúc nào cũng diễn ra chiến tranh thật, bởi vậy môi trường chiến tranh
thật để rèn luyện, trải nghiệm chỉ có thể là môi trường ảo. Người ta đã giải quyết
vấn đề trên một cách thực sự hiệu quả khi ứng dụng thực tại ảo. Điều này được thấy
rõ ở một số quốc gia có nền quốc phòng phát triên như Mỹ, Nga…người ta đã xây
dựng hệ thống mô phỏng phục vụ cho việc tập luyện của bộ binh hay những hệ
thống an ninh, trận địa, xây dựng phương pháp chiến đấu một cách hiệu quả.

6


Hình 1.5: Mô phỏng
ph
binh lính nhảy dù với công nghệ ảo

Thực tại ảo đượcc ứng dụng trong việc đào tạoo các tân binh ti
tiếp xúc với các
vũ khí, trải nghiệm
m qua các môi trường
tr
chiến đấu khác nhau.

1.3.2. Lĩnh vực y học
Đây là lĩnh vựcc hứa
h hẹn nhiều triển vọng của thực tại ảo.

o. Hi
Hiện nay trên thế
giới, việc ứng dụng thựcc ttại ảo vào y học khá phong phú. Đặc biệt ở các nước phát
triển, các bác sĩ đã tiếnn hành các ca phẫu
ph thuật trong môi trường ảo,
o, không ccần có
bệnh nhân mà vẫn như
ư đang
đ
phẫu thuật cho một bệnh nhân thật.
t. Ngoài ra còn ti
tiến
hành các cuộc phẫu thuậật từ xa thông qua các thiết bị thực tại ảo.
o. Trong llĩnh vực
điều trị tâm thần, ngườii ta đã áp dụng công nghệ thực tại ảo để chữ
ữa trị các chứng
bệnh như sợ bóng tối, sợ
ợ đông người…Họ đưa người bệnh
nh vào môi tr
trường ảo và
đắm chìm, cảm nhận nỗii sợ
s hãi dựa trên hiệu ứng hình ảnh
nh và âm thanh, ccảm giác
của người bệnh sẽ đượcc điều
đ
chỉnh theo mức độ tăng dần. Từ đó bệnh
nh nhân ssẽ vượt
qua nỗi sợ hãi trong cuộcc sống.
s

7


Hình 1.6: Mô phỏng tim người nhờ công nghệ ảo

1.3.3. Lĩnh vực giáo dục
Để có một kết quả học tập cao nhất phải sử dụng nhiều phương pháp học tập
khác nhau, trong đó có phương pháp trực quan. Thực tế cho thấy, học bằng hình ảnh
trực quan thì nhanh hơn bằng các phương pháp khác. Vì vậy, thực tại ảo đã, đang và
sẽ trở thành một công cụ hữu hiệu trong giáo dục, đặc biệt là với trẻ em. Ngoài ra
nó cũng là một phương tiện giáo dục rất mạnh đối với một số ngành nghề đòi hỏi
phải thực hành. Ví dụ như: huận luyện phi công, lái xe….Một số trường đào tạo lái
xe của Việt Nam hiện nay cũng đang sử dụng các phương tiện học cho phép học
viên thực hành trên cơ sở thực tại ảo.
Cứ theo cách giáo dục truyền thống, nhiều khi không thể cung cấp được môi
trường nghiên cứu học tập lý tưởng, không khơi dậy được niềm say mê, hứng thú
học tập và khả năng sáng tạo của người học. Do đó, không thể phát huy được hết
khả năng tưởng tượng và tư duy của con người. Vì vậy hiệu quả giáo dục không
cao.
8


Thực tế đãchứng
chứng minh,
minh những chương trình nhằm rèn luyện tư duy nói
chung, rèn luyện khả năng tưởng tượng
tượng, cung cấp mô hình thực nghiệm và kích
thích trí tò mò.v. là chưa nhiều,
nhiều hay có thể nói là chưa có hiệu quả
quả. Các chương

trình này hầu như chưa có khả năng phát huy được hết sự cảm nhận của con người
trong nhận thức, chưa gây được ấn tượng sâu sắc của vấn đề cho đối tượng cần
truyền đạt, không gây được trí tò mò,
mò hay niềm đam mê của người học
học.
Hiện nay, xu hướng
ng mới
m của việc ứng dụng tin họcc trong giáo ddục rất được
quan tâm là xây dựng
ng các mô hình thực
th tại trên máy tính nhằm
m cung ccấp môi trường
học tập và nghiên cứu
u cho người
ng
sử dụng. Những mô hình đượcc đư
đưa mô phỏng,
cung cấp khả năng tương
ương tác của
c con người, gây kích thích và hứ
ứng thú cao với
ngườii tham gia, cho phép chia sẻ
s tài nguyên về môi trường qua mạng
ng internet.

Hình 1.7: Hình ảnh mô phỏng lớp học thựcc hành công nghệ
ngh ảo

Các lớp học ảo đư
được xây dựng nhằm cung cấp lượng kiến thứcc từ

t các chuyên
gia trong các ngành giúp sinh viên giảm
gi
thiểu đượcc chi phí tham gia hhọc. Tiếp cận
kiến thức đa dạng và hiệuu quả
qu hơn nhờ công nghệ hỗ trợ.
9


1.3.4. Lĩnh vực giải trí
Thông qua việc mô phỏng, các mô hình 3D nhằm cung cấp các dịch vụ phục
vụ tương tác của người trong môi trường ảo. Các hình ảnh tuyệt vời kết hợp với âm
thanh nổi, các thiết bị vào ra làm cho con người ta ở trong môi trường ảo mà như ở
môi trường thực. Điều hấp dẫn hơn là trong môi trường đó con người có thể thực
hiện những điều mà trên thực tế họ không thể thực hiện được. Với khả năng kết hợp
với các thiết bị vào ra, các hiệu ứng đồ hoạ chỉ có thể thấy được trên máy tính, thực
tại ảo nhanh chóng trở thành một ứng dụng không thể thiếu trong các trò chơi.
Những trò game giải trí 3D thu lợi nhuận khổng lồ, ví dụ như các nước Mỹ, Anh,
Nhật, Hàn Quốc, Trung quốc.

Hình 1.8: Hình ảnh trong phim Shrek 4D của hãng Universal Studio

Điện ảnh ngày nay, con người có thể dựng được những thước phim tưởng
chừng như không thể dựng được với các kỹ sảo điện ảnh thông thường, ví dụ trong
một số cảnh phim “Shrek 4Dcủa hãngUniversal Studio”. Các phim thực tại ảo ba
chiều cũng được sản xuất và trình chiếu tại các rạp chiếu phim ba chiều. Người xem
các phim này sẽ có cảm giác như đang sống trong chính bộ phim chứ không phải
10

đang xem phim, thậm chí có nơi còn áp dụng cho khán giả thấy mùi của các loài
hoa xuất hiện trên phim.

1.3.5. Lĩnh vực xây dựng
Thực tại ảo có vai trò quan trọng với thị trường nhà đất bởi nó cho phép
người mua nhà có thể dễ dàng khám phá và xem toàn bộ ngóc ngách của căn nhà họ
muốn mua thông qua showroom ảo, có thể xem từ xa mà không cần phải mất công
di chuyển tới tận nơi.
Người ta cũng có thể thiết kế các tòa nhà, các cao ốc, các khu thể thao hay
các khu du lịch sinh thái, trang bị những tiện nghi, mời khách hàng đi thăm quan
mọi nơi trong tòa nhà tương lai của mình, có thể tính toán chi tiết một công trình
xây dựng hoặc mô phỏng các sự cố, hiện tượng có thể xảy ra đối với ngôi nhà của
bạn trên máy tính. Đưa ra những lựa chọn, lời khuyên.v.v.

Hình 1.9: Mô phỏng biệt thự ảo trong xây dựng

Với sự trợ giúp của thực tại ảo, những thiết kế giờ đây không chỉ đơn thuần
là những thiết kế nữa mà nó đã tiến gần tới sản phẩm thực. Không những con người
có thể xem được hình ảnh trực quan của thiết bị cần thiết kế mà thậm chí người ta
còn có khả năng sử dụng các thiết bị đó.

11


Với một cái ôtô, người sử dụng không những xem được mọi ngóc ngách của
nó mà còn có thể thử lái nó trong môi trường ảo. Với một bản thiết kế xây dựng,
không những khách hàng có thể nhìn thấy các hình ảnh của nó mà còn có thể đi lại
xem chi tiết từng phòng, từng khu vực của kiến trúc đó với mọi góc nhìn có thể.
Trong thiết kế xây dựng hiện nay đã có những chương trình đồ hoạ mạnh
nhất như AUTOCAD, AUTODESK, 3DMAX, SHARP,…Những chương trình này

đã giúp các nhà thiết kế xây dựng giảm được rất nhiều chi phí về thời gian và công
sức. Song, hầu hết các chương trình này vẫn chỉ dừng lại ở mức các bản vẽ chứ
chưa thực sự tạo ra cho người ta cảm giác, hay một cái nhìn về những công trình mà
họ thiết kế ra trên thực tế sẽ như thế nào.
Thực tế ảo tạo ra cho người ta cảm giác chìm đắm trong một khoảng không
gian như trên thực tế. Bằng các hình ảnh được xây dựng trên máy vi tính sẽ giúp
con người có thể có một cái nhìn chi tiết về công trình đã được thiết kế.

1.3.6. Lĩnh vực Thương mại du lịch
Trong thương mại, đặc biệt là trong ngành quảng cáo, thực tế ảo đang có một
vị trí quan trọng. Nó giúp khách hàng tiếp cận gần hơn với hàng hoá để có thể đánh
giá chất lượng mà không cần có hàng trực tiếp..v..v.. Trong du lịch, với hỗ trợ thực
tại ảo khách hàng có thể đến và xem xét cảnh quan của mọi nơi mà họ sẽ đến để
chắc chắn có một chuyến du lịch thú vị. Chẳng hạn, nhiều người tham gi đi du lịch
theo tuour tới một khu du lịch nào đó. Người ta sẽ tìm hiểu địa danh đó nhờ công
nghệ mô phỏng toàn cảnh khu du lịch. Chỉ cần ngồi tại máy tính có kết nối internet
là hoàn toàn có thể trải nghiệm đầy đủ thông tin về địa danh du lịch nổi tiếng.
Khách du lịch có thể chủ động và chuẩn bị cho chuyến đi hiệu quả nhất.

12


Hình 1.10: Hình mô phỏng khu du lịch Hồ núi cốc – Thái Nguyên

1.3.7. Lĩnh vực hàng không vũ trụ
Không thể đầu tư một chiếc tàu vũ trụ để phóng thử nghiệm vào không gian,
không thể giao một chiếc máy bay cho một phi công chưa qua huấn luyện.
Trên thực tế, người ta làm thế nào để giải quyết vấn đề đó? Khi chưa có các
ứng dụng tin học thì người ta buộc tất cả các học viên phải trau dồi lý thuyết thật
nhuần nhuyễn trước khi bước lên máy bay, nhằm giảm thiểu những thiệt hại, song

cách giải quyết này đòi hỏi quá nhiều thời gian và kinh phí đào tạo.
Người ta đã xây dựng rất nhiều chương trình mô phỏng cho phi công tập
luyện kết hợp với các thiết bị thực tại ảo để tạo ra một môi trường làm cho con
người tưởng như một chiếc máy bay thật và mọi thứ diễn ra như ngoài thực tế. Một
chương trình máy tính tạo ra không gian 3D kết hợp với thiết bị phần cứng cho
phép người phi công thực hiện những chuyến bay đến các sân bay đã được xây
dựng sẵn với các tình huống nhằm nâng cao kỹ năng xử lý tình huống trong thực tế.
Với cách này, người ta sẽ giảm thiểu được thời gian, chi phí đào tạo và nâng cao
tính an toàn của mỗi chuyến bay.
Có một ứng dụng quan trọng của ngành hàng không vũ trụ đó là sự thám
hiểm, khảo sát các hành tinh, thông qua các máy quay và các robot điều khiển từ xa,
đang tiến hành tại Nasa Ames.
13


Hình 1.11: Hình ảnh mô phỏng vũ trụ khởi động bay vào không gian

1.3.8. Lĩnh vực khoa học cơ bản
Nói chung, hầu hết các ngành khoa học đều có thể ứng dụng thực tại ảo, đặc
biệt là trong các ngành như môi trường, vật lý, hoá học, khảo cổ, sinh học, vũ trụ.
Trong môi trường có thể ứng dụng thực tại ảo để quan trắc các địa hình ô nhiễm
nặng nguy hiểm sức khỏe của con người, trong vật lý, người ta có thể mô phỏng lại
chính xác các hiện tượng vật lý một cách trực quan.
Trong khảo cổ học, thực tại giúp người ta dựng lại các kiến trúc đã bị chôn
vùi, mô phỏng lại các thời kỳ của tự nhiên. Ví dụ như: mô phỏng lại hoạt động của
các loài sinh vật đã bị tuyệt chủng như các bộ phim khoa học về khủng long, về
biển..v.v.

14