Mô phỏng cử chỉ múa dựa vào công nghệ thực tại ảo

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

MÔ PHỎNG CỬ CHỈ MÚA DỰA VÀO CÔNG NGHỆ THỰC TẠI ẢO

Đặng Quang Phúc

Thái Nguyên, 2015


3

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại lớp Cao học khóa 12 chuyên
ngành Khoa học máy tính tại Trường Công nghệ thông tin – Truyền thông Đại học
Thái Nguyên, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo
trong Trường Công nghệ thông tin – Truyền thông và Viện công nghệ thông tin Đại
học Quốc gia Hà Nội và phòng Thực tại ảo của viện Công nghệ Thông tin Việt
Nam. Các thầy, cô luôn giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập. Tôi
xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy, cô giáo trong Trường Công
nghệ thông tin – Truyền thông, phòng Thực tại ảo của viện Công nghệ Thông tin
Việt Nam và Viện Công nghệ thông tin Đại học Quốc gia Hà Nội. Đặc biệt thầy
giáo PGS.TS Đỗ Năng Toàn đã hướng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành
luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp và người thân đã động viên, giúp đỡ tôi
trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn. Quá trình thực hiện đề tài không
tránh khỏi thiếu sót tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô
giáo và các bạn đồng nghiệp đối với đề tài nghiên cứu của tôi để đề tài được hoàn
thiện hơn.

Tôi xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 11 tháng 6 năm 2015

Đặng Quang Phúc


4

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do tôi tự sưu tầm, tra
cứu và sắp xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu của 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 ứng dụng đều do tôi tự thiết kế và xây dựng, trong đó có sử dụng
một số thư viện chuẩn và các thuật toán được các tác giả xuất bản công khai và
miễn phí trên mạng Internet.
Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Thái Nguyên, ngày 11 tháng 6 năm 2015
Người cam đoan

Đặng Quang Phúc


5

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................iv
MỤC LỤC...................................................................................................................v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT........................................... vii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ............................................................................. viii
MỞ

ĐẦU

.....................................................................................................................1
Chương 1. KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ BÀI TOÁN MÔ PHỎNG CỬ
CHỈ MÚA....................................................................................................................3
1.1. Khái quát về Thực tại ảo ............................................................................................ 3
1.1.1. Sơ lược lịch sử phát triển ...........................................................................4
1.1.2. Các lĩnh vực ứng dụng của Thực tại ảo .....................................................5
1.2. Bài toán mô phỏng cử chỉ múa ............................................................................... 10
1.2.1. Bài toán mô phỏng cử chỉ múa là gì? ......................................................10
1.2.2. Tạo hiệu ứng Animation trong mô phỏng cử chỉ múa.............................11
1.2.3. Các vấn đề giải quyết trong quá trình nghiên cứu ...................................12
1.2.4. Hướng giải quyết bài toán .......................................................................12
Chương 2. MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG MÔ PHỎNG CỬ CHỈ ..............................13
2.1. Một số loại hình cử chỉ múa dân gian.................................................................... 13
2.1.1. Động tác tay Chíp (hay còn gọi là bắt) ....................................................13
2.1.2. Phong cách tay Rồn (còn gọi là che). ......................................................13
2.1.3. Phong cách tay Chòn-ôl (còn gọi là động tác chỉ)...................................13
....................................................................... 14
2.2.1. Nội suy song khối (Bicubic Interpolation) ..............................................14
2.2.2. Nội suy tuyến tính (linear interpolation) .................................................16
2.2.3. Nội suy song tuyến (bilinear interpolation) .............................................18
2.2.4. Nội suy tam tuyến tính (trilinear) ............................................................21
2.2.5. Các phép nội suy không gian ...................................................................23
2.2.6. Phương pháp ước lượng chuyển động .....................................................26

6

2.2.7. Phép nội suy thời gian và bù chuyển động ..............................................28
.... 33
2.3.1. Nắn chỉnh hình thu nhận ảnh ...................................................................34
2.3.2. Chức năng nội suy ảnh (Morphing) .........................................................41
2.3.3. Chức năng chấp nhận ảnh nội suy ...........................................................41
2.3.4. Chức năng thêm ảnh (Addimage) hay sinh ra các ảnh trung gian...........41
2.3.5. Chức năng lọc ảnh bằng phương pháp trung bình ...................................42
2.4. Kỹ thuật phỏng cử chỉ múa theo các điểm điều khiển........................................ 42
2.4.1. Xương, khung xương là gì? .....................................................................42
2.4.2. Tạo khung xương cho đối tượng .............................................................42
2.5. Các kỹ thuật điều khiển chuyển động của xương................................................ 45
2.5.1. Kỹ thuật điều khiển tiến FK (forward kinematics) ..................................46
2.5.2. Kỹ thuật điều khiển ngược IK (inverse kinematics) ................................47
2.5.3. Phương pháp heuristic của FABRIK. [14] [15].......................................54
Chương 3. CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM........................................................68
3.1. Mục đích và yêu cầu bài toán .................................................................................. 68
3.1.1. Thực trạng giảng dạy chuyên ngành Múa trường Cao đẳng Văn hóa
Nghệ thuật và Du lịch ........................................................................................68
3.1.2. Mô tả bài toán ..........................................................................................70
3.2. Một số kết quả đạt được ........................................................................................... 70
3.3.1. Giao diện của chương trình .....................................................................70
3.3.2. Một số kết quả đạt được ..........................................................................71
3.3. Một số đánh giá nhận xét ......................................................................................... 74
KẾT LUẬN ...............................................................................................................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................76


vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT

Ký hiệu/
Chữ viết tắt

Viết đầy đủ

Ý nghĩa

1

VR

Virtual Reality

Thực tại ảo

2

3D

3 Dimentional

3 Chiều

3

2D

2 Dimentional

2 Chiều

4

FK

Forward kinematics

Điều khiển tiến

5

IK

Inverse kinematics

Điều khiển ngược

6

HW

Hardware

Phần cứng

7

SW

Software

Phần Mềm


8

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1: Một số cử chỉ múa dân gian ..........................................................................1
Hình 1.1: Phần cứng của một vr..................................................................................4
Hình 1.2: Ứng dụng thực tại ảo vào trong lĩnh vực giải trí.........................................7
Hình 1.3: Ứng dụng công nghệ vr trong đào tạo phẫu thuật ảo ..................................7
Hình 1.4: Ứng dụng thực tại ảo vào trong lĩnh vực giáo dục và đào tạo (ảnh:
redorbit).... 9
Hình 1.5: Ứng dụng thực tại ảo trong thiết kế kiến trúc ...........................................10
Hình 2.1: Thể hiện các điểm dữ liệu nội suy theo đường thẳng ...............................16
Hình 2.2: Nội suy tái tạo những hình ảnh song song ................................................17
Hình 2.3: Minh họa phép nội suy bilinear ................................................................18
Hình 2.4: 8 điểm góc ở hình khối trên bao quanh điểm nội suy c ............................22
Hình 2.5: Biểu diễn định giá fc (x,y) bằng nội suy song tuyến .................................24
Hình 2.6: Ảnh tịnh tiến với di chuyển dx, dy .............................................................27
Hình 2.7: Nội suy sinh khung trung gian f (n1 , n2 , t) ................................................28
Hình 2.8: Mô tả nội suy theo thời gian .....................................................................29
Hình 2.9: Tái tạo cảnh theo ba bước .........................................................................30
Hình 2.10.a: Hình ảnh nắn hỉnh ............................................................... .................34
Hình 2.10.b: Hình ảnh nội suy sau nắn chỉnh ...........................................................34
Hình 2.11: Các điểm đặc trưng và điểm m ...............................................................35

Hình 2.12. Hình ảnh nội suy sau khi nắn chỉnh ........................................................38
Hình 2.13: Mô phỏng các khung hình trung gian .....................................................39
Hình 2.14: Khung hình trung gian sinh ra bằng việc ước lượng chênh lệch ............40
Hình 2.15: Sử dụng một giải pháp ik để làm cho bàn tay của một nhân vật đạt ......48
Hình 2.16: Một liên kết ik đơn ..................................................................................50
Hình 2.17: Chuỗi liên kết đôi ....................................................................................51
Hình 2.18: Một ik có nhiều hơn một giải pháp .........................................................54
2.19: Một ví dụ áp dụng phương pháp lặp của fabrik cho trường hợp điều
khiển một cấu trúc có 4 khớp nối và một điểm đích t duy nhất.
................................................... 55


9

Hình 2.20: Một ví dụ minh họa một cấu trúc Có nhiều end effector và nhiều subbase.. 60


Hình 2.21: một đồ thị minh họa việc cài đặt các rang buộc và miêu tả giới hạn các
phép quay bất thường. ...............................................................................................62
Hình 2.22: các ràng buộc về hướng quay và góc quay được kết hợp Chặt chẽ trong
fabrik. ........................................................................................................................................ 66
Hình 3.1: động tác giơlơvê ............................................................... .........................69
Hình 3.2: động tác giơlơvê lăng ................................................................................69
Hình 3.3: vị trí khu đờ piê .........................................................................................70
Hình 3.4: po pra thế sáu ............................................................... .............................70
Hình 3.5: giao diện của chương trình nội suy ...........................................................70
Hình 3.6: kết quả nội suy ảnh điệu múa bắt ..............................................................72
Hình 3.7: hình ảnh nhận được từ phép thay thế ảnh .................................................73
Hình 3.8: kết quả thu được nội suy ảnh ....................................................................73

1

MỞ ĐẦU
Nghệ thuật múa Việt Nam từ khi hình thành đã mang dấu ấn của cư dân nông
nghiệp gắn bó với thiên nhiên, muông thú với các vũ điệu tả cảnh lao động sản xuất,
săn bắn. Những hình ảnh đời thường đi vào múa được cách điệu hay đúng hơn là
nghệ thuật hoá bằng tài năng của người nghệ sĩ. Cho nên nghệ thuật múa giữ vị trí
quan trọng và là một thành tố trong văn hoá Việt Nam. Đời sống cộng đồng, được
thể hiện rõ nét qua điệu múa, vì nó không phải là sự diễn tấu của một người mà là
hoạt động của một nhóm người sử dụng nghệ thuật để phục vụ quần chúng. [1]

Hình 1: Một số cử chỉ múa dân gian
. Những ứng dụng của nó ngày càng
phong phú, đa dạng và thiết thực hơn. Sự phát triển không ngừng của sức mạnh máy
tính đã làm cho một số lĩnh vực khó phát triển trước kia, nay đã có khả năng phát
triển và đã đạt được những thành tựu đáng kể. Chúng ta có thể kể đến hệ chuyên
gia, các hệ xử lý thời gian thực... và một lĩnh vực khác cũng cần phải nói là Thực tại
ảo (Virtual reality) và những ứng dụng của nó trong công nghệ.
Thực tại ảo là công nghệ sử dụng các kỹ thuật mô hình hóa không gian ba
chiều với sự hỗ trợ của các thiết bị đa phương tiện hiện đại để xây dựng một thế
giới mô phỏng bằng máy tính – môi trường ảo (Virtual Environment). Trong thế
giới ảo, người sử dụng không còn được xem như người quan sát bên ngoài mà đã
thực sự trở thành một phần của hệ thống. [3]


2

Mặc dù khái niệm về thực tại ảo đã xuất hiện từ khá lâu nhưng do nhiều lý
do về mặt công nghệ, phải mất nhiều thời gian và nỗ lực để Thực tại ảo có được

những thành tựu như ngày nay. Hiện nay trong thế giới ảo vẫn là lĩnh vực công
nghệ nhiều tiềm năng xét về khía cạnh ứng dụng.
Trong đó, không thể không kể tới lĩnh vực mô phỏng sự chuyển động của
các mô hình, đối tượng. Việc tạo chuyển động của đối tượng góp phần không nhỏ
vào việc làm cho hệ thống trở nên sinh động và giống thực hơn. Nhưng việc điều
khiển và tạo chúng sao cho chân thật, tự nhiên lại là một vấn đề phức tạp. Công việc
này đòi hỏi người tạo chuyển động nắm rõ đối tượng cần mô phỏng trong thực tế và
có những kiến thức về việc tạo chuyển động trong máy tính.
Xuất phát từ thực tế, muốn bảo tồn, phát huy và ứng dụng công nghệ mới
trong huấn luyện và đào tạo múa, tôi lựa chọn đề tài “MÔ PHỎNG CỬ CHỈ MÚA
DỰA VÀO CÔNG NGHỆ THỰC TẠI ẢO” nhằm mô hình hóa một số động tác
múa dân gian cơ bản bằng công nghệ Thực tại ảo.


3

Chương 1
KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO
VÀ BÀI TOÁN MÔ PHỎNG CỬ CHỈ MÚA
Chương mở đầu, tôi xin khái quát về Thực tại ảo và bài toán mô phỏng cử chỉ múa
nêu lên khái niệm, sơ lược lịch sử phát triển của Thực tại ảo và các ứng dụng của Thực tại
ảo trong công cuộc xây dựng phát triển trong giai đoạn hiện nay cũng như trong tương lai.

1.1. Khái quát về Thực tại ảo
Theo cách truyền thống, việc tương tác với máy tính được thực hiện thông
qua các thiết bị như bàn phím, chuột hay các thiết bị ngoại vi để cung cấp thông tin
đầu vào và sử dụng khối hiển thị trực quan (Video Display Unit-VDU) để nhận
thông tin từ đầu ra của hệ thống. Với sự ra đời của hệ thống Thực tại ảo (Virtual
Reality-VR), các phương pháp này giao tiếp mới được phát triển cho phép người sử
dụng tương tác một cách tích cực với máy tính.

Thực tại ảo (VR-Virtual Reality) là công nghệ sử dụng các kỹ thuật mô hình
hóa không gian với sự hỗ trợ của các thiết bị đa phương tiện để xây dựng một thế
giới mô phỏng (môi trường ảo) bằng máy vi tính để đưa người ta vào một thế giới
nhân tạo với không gian như thật. Người sử dụng không còn được xem như người
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 (tín hiệu vào) của
người sử dụng (nhờ hành động, lời nói,...). Người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi
trên màn hình ngay theo ý muốn của họ và bị thu hút và cảm nhận bằng các giác
quan bởi sự mô phỏng này. Ngược lại, môi trường ảo lại có những phản ứng tương
ứng với mỗi hành động của người sử dụng, tác động vào các giác quan như thị giác,
thính giác, xúc giác của người sử dụng trong thời gian thực và tuân theo quy tác vật
lý tự nhiên, làm con người ta cảm giác như đang tồn tại trong thế giới thực.
Mục tiêu này là đưa ra một số nét tổng quan về công nghệ Thực tại ảo, trong
đó bao gồm: Một số nét chính trong lịch sử hình thành, các lĩnh vực ứng dụng, phân
loại hệ thống, phương pháp và công cụ phần mềm phổ biến tạo ra mô hình VR.


4

1.1.1. Sơ lược lịch sử phát triển
Mặc dù Thực tại ảo được mô tả như một công nghệ mới mang tính cách
mạng, nhưng ý tưởng về việc những người sử dụng vào một môi trường nhân tạo đã
ra đời từ rất sớm. Thực tại ảo có thể xem như một sự tiếp nối của ý tưởng đã lâu
như hệ thống mô phỏng bay (Flight Simulation), rạp chiếu phim màn ảnh rộng như
(Cinerama hay IMAX), sử dụng các hệ thống như vậy, người ta quan sát các hình
ảnh sống động ngay trước mắt mình. Do vậy VR không phải là một phát minh mới,
mà ngay từ năm 1962 Morton Heilig (Mỹ) đã phát minh ra thiết bị mô phỏng
SENSORAMA. Tuy nhiên cũng như nhiều ngành công nghệ khác, VR chỉ thực sự
được phát triển ứng dụng rộng rãi trong những năm gần đây nhờ vào sự phát triển
của tin học (phần mềm) và máy tính (phần cứng) người dùng và các ứng dụng.

Hình 1.1: Phần cứng của một VR
+ HW (phần cứng) bao gồm:
- Máy tính với cấu hình đồ họa mạnh
- Các thiết bị đầu vào: Là các thiết bị có khả năng kích thích các giác quan để
tạo nên cảm giác hiện hữu trong thế giới ảo gồm có: bộ dò vị trí để xác định vị trí
quan sát; bộ giao diện định vị để di chuyển vị trí người sử dụng. Bộ giao diện cử chỉ
như găng tay dữ liệu (để người sử dụng có thể điều khiển đối tượng…)
- Các thiết bị đầu ra: Gồm hiển thị đồ họa (màn hình, mũ đội đầu có màn
hiển thị) để nhìn được đối tượng 3D; thiết bị âm thanh (loa) để nghe được âm thanh


5

vòm (như Hi-Fi, surround,...); bộ phản hồi cảm giác (găng tay) để tạo xúc giác khi
sờ, nắm đối tượng; bộ phản hồi xung lực để tạo lực tác động như khi cưỡi ngựa, khi
lái xe…
+ SW (phần mềm): 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 (Modelling) và mô phỏng
(Simulation) các đối tượng của VR. Ví dụ như các ngôn ngữ (có thể tìm miễn phí)
OpenGL, C++,
Java3D, VRML, X3D,...hay các phần mềm thương mại như WorldToolKit,
PeopleShop... Phần mềm của bất kỳ VR nào cũng phải bảo đảm 2 công dụng chính:
tạo hình và mô phỏng. Các đối tượng của VR được mô hình hóa nhờ chính phần
mềm này hay chuyển sang từ các mô hình 3D (thiết kế nhờ các phần mềm CAD
khác như AutoCAD, 3D Studio,...). 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]
1.1.2. Các lĩnh vực ứng dụng của Thực tại ảo
Khái niệm về Thực tại ảo đã xuất hiện từ khá lâu, nhưng do nhiều lý do về

mặt công nghệ (cơ sở phần cứng phát triển, nghiên cứu, chi phí), phải mất nhiều
thời gian và nỗ lực Thực tế ảo có được những thành tịu như ngày nay. Hiện tại đây
vẫn là lĩnh vực công nghệ nhiều tiềm năng xét về khía cạnh ứng dụng. Một số lĩnh
vực có khuynh hướng phát triển mạnh mẽ nhất trong thời gian gần đây.
a. Giải trí
Giải trí hiện nay, đây là ngành đạt được nhiều thành tựu và lợi nhuận về tài
chính. Trong giải trí nó có thể chia làm hai lĩnh vực chính đó là điện ảnh và game.
Trong điện ảnh ngày nay với sự phát triển của kỹ thuật và công nghệ mô phỏng
người ta đã có thể xây dựng các bộ phim 3D. Khi xem các phim này các bạn sẽ có
cảm giác như thể bạn là một nhân vật của bộ phim chứ không phải bạn đang xem
phim.
Trong lĩnh vực Game có rất nhiều công ty đang sản xuất ra các trò chơi có sử
dụng công nghệ VR. Các trò chơi sẽ cho bạn có cảm giác như đang thực sự tham
gia vào một vai diễn mà bạn đảm nhiệm trong trò chơi. Số lượng người bị cuốn hút


6

theo các trò chơi như vậy. Đặc biệt là giới trẻ tăng theo cấp số nhân, đánh dấu tiềm
năng thương mại to lớn của công nghệ VR trong lĩnh vực này.
Tại hội thảo các nhà phát triển game ở San Francisco (California, Mỹ), AMD
đã chính thức giới thiệu về những trải nghiệm mới trên nền tảng công nghệ của
AMD và các đối tác khác. Nền tảng công nghệ mới và đầu tiên được AMD giới
thiệu gọi là LiquidVR - một bộ các công nghệ ảo hóa hướng đến việc phát triển các
nội dung Thực tế ảo dựa trên phần cứng của AMD. Theo AMD, ngoài việc gia tăng
sự thoải mái cùng hiệu năng đạt được đối với người phát triển (lập trình viên, đồ
họa viên…) thì nó còn mang lại khả năng tương thích tốt hơn cho cả các thiết bị đầu
cuối. Bộ SDK (công cụ hỗ trợ phát triển) sắp chính thức ra mắt sẽ có hàng loạt công
nghệ giúp kết hợp nhiều nhà phát triển lại cùng lúc theo hình thức hợp tác từng
bước theo trình tự. Từ đó, nhà phát triển có thể dễ dàng cho ra đời các thành phẩm

kết hợp giữa game, ứng dụng và cả hình ảnh tương tác thực tế.
Trong thế giới Thực tế ảo, các chi tiết được trình chiếu đều được giả lập lại
và được làm cho giống thật nhất không chỉ về những gì hiển thị mà còn là những cử
động khác. Để có thể phát triển được các chuyển động thành hành động một cách cụ
thể thì nhà phát triển cần rất nhiều thời gian để phân định về thời gian hoạt động,
thời gian chờ và vấn đề tương tác với người dùng cuối. Nói cách khác, để ra mắt
được các ứng dụng thực tế ảo thành công hay hấp dẫn thì cần hai yếu tố chính là
khả năng tương tác và khả năng hoạt động chính xác. Dùng GPU làm trung tâm
phần cứng và phát triển thêm hệ thống phần mềm nền tảng như LiquidVR giúp các
nhà phát triển thao tác mọi thứ nhanh, gọn và tất nhiên là thời gian hoàn chỉnh một
ứng dụng, một sản phẩm thực tế ảo sẽ nhanh hơn [7]


7

Hình 1.2: Ứng dụng Thực tại ảo vào trong Lĩnh vực giải trí
b. Lĩnh vực Y học
Y học là một trong những lĩnh vực ứng dụng có tiềm năng trong công nghệ
Thực tế ảo. Cho đến nay, lĩnh vực nổi bật trong y học áp dụng thành công công
nghệ Thực tại ảo là giả lập giải phẫu (Surgical Simulation).
Trên cơ sở các kỹ thuật đồ họa máy tính và Thực tại ảo, hệ thống đào tạo y
học này bao gồm hai bộ phận cơ bản: Khối tương tác ba chiều là mô hình sinh thể
ảo cho phép người sử dụng thực hiện các thao tác giải phẫu thông qua các dụng cụ
giải phẫu ảo; Khối giao diện người dùng hai chiều cung cấp những thông tin phản
hồi trực quan từ mô hình trong quá trình giải phẫu cũng như những thông tin hướng
dẫn trong phiên đào tạo.

Hình 1.3: Ứng dụng công nghệ VR trong đào tạo phẫu thuật ảo

8

Phương pháp đào tạo có tính tương tác cao này mang nhiều ưu điểm so với
các phương pháp truyền thống như thực hành trên mô hình plastic hay trên bệnh
nhân thực. Thứ nhất, khác với phương pháp dùng mô hình plastic, sinh thể giải phẫu
ảo có khả năng cung cấp những thông tin phản hồi sinh học một cách tự nhiên như
một sinh thể sống thực, chẳng hạn như sự thay đổi về nhịp tim, huyết áp,… Điều
này tạo cho học viên có cảm giác đang trải qua một ca mổ trong một tình huống
thực. Thứ hai, khác với thực hành trên bệnh nhân thật, những sai lầm của học viên
trong quá trình thực tập không phải trả giá bằng những thương tổn thực trên cơ thể
người bệnh. Điều này cũng làm giảm áp lực lên học viên khi thực hiện phẫu thuật
ảo. Từ đó, giúp họ tự tin và chủ động hơn trong học tập.
Phương pháp này còn cho phép các bác sĩ không ngừng nâng cao trình độ
tay nghề, kỹ năng đặt ra những giả định về tình huống bệnh nhân, cập nhật
những dữ liệu bệnh lý mới để thực hiện kỹ thuật mới trong điều trị. Bác sĩ cũng
có thể tự lập kế hoạch mổ thử trên bệnh nhân ảo trước khi mổ trên bệnh nhân thật
do đó làm tăng mức độ an toàn và hiệu quả điều trị, giảm thiểu sai lầm rủi ro đáng
tiếc xảy ra.
c. 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 vượt trội. Cho người sử dụng cảm nhận sự
hiện diện của mình trong môi trường do máy tính tạo ra bằng khả năng tương tác, tự
trị (Autonomy) của người dùng trong môi trường ảo, cũng như bằng những phản hồi
tức thời, trực quan từ phía môi trường ảo tới các giác quan của người sử dụng. Vì
vậy Thực tại ảo đã đang trở thành một công cụ hữu hiệu trong giáo dục, đặc biệt là
một phương 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 như: Huấn luyện tập nhảy
dù, tập lái xe... thì việc ứng dụng VR là cực kỳ cần thiết.
Các nhà nghiên cứu Tây Ban Nha vừa giới thiệu một hệ thống sử dụng kính
thông minh, cho phép giáo sư nhận các phản hồi từ sinh viên về nội dung bài giảng

trên lớp. Hệ thống thực tế ảo (AR) với màn hình gắn trước mắt cho phép một giảng


9

viên thấy những ký hiệu lơ lửng trên mỗi sinh viên, biểu thị mức độ hiểu và tiếp thu
bài vở của họ.

Hình 1.4: Ứng dụng Thực tại ảo vào trong Lĩnh vực Giáo dục và đào tạo
(Ảnh: RedOrbit)
“Những biểu tượng trên do chính các sinh viên kích hoạt qua điện thoại di
động và được sử dụng để báo cho giáo sư biết rằng họ hiểu hay không hiểu bài
giảng vừa rồi, hoặc cần giảng chậm hơn một chút…”, RedOrbit dẫn lời Giáo sư
Telmo Zarraonandia của Đại học Carlos III tại Madrid. Chỉ bằng cách nhìn vào biểu
tượng hiển thị trên đầu mỗi sinh viên, giáo sư đứng lớp có thể nắm được tình hình
tổng quan và hiểu được thông điệp của từng người. Hệ thống cũng cung cấp cho
sinh viên một phương thức giao tiếp mới, cho phép họ giữ liên lạc với giáo sư ngay
tức thời và hết sức riêng tư mà không phải làm gián đoạn cả lớp học. Phát biểu
trong thông cáo báo chí của trường đại học, nhà khoa học máy tính Ignacio Aedo
cho hay kênh liên lạc sẽ giúp sinh viên vượt qua những vấn đề thường gặp trong
giao tiếp với giáo sư, như quá nhút nhát hoặc e ngại phải nói chuyện trước đám
đông. [9]
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 được
nâng cao, làm tăng sự hứng thú trong học tập cũng như khả năng ghi nhớ các khái
niệm quan trọng trong bài giảng. Từ đó, học viên nắm bắt được nhanh chóng và có
ý thức hơn với những tình huống đã được học.


10

d. Kiến trúc và thiết kế thiết bị công nghệ
Một trong những lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu nhất của Thực tại ảo là thiết kế
kiến trúc. Khả năng mô hình hóa thế giới thực của công nghệ Thực tại ảo dường
như đáp ứng một cách tự nhiên mục tiêu của ngành thiết kế kiến trúc, đưa ra mô
hình trực quan nhất có thể về hình ảnh công trình mong muốn trong tương lai.

Hình 1.5: Ứng dụng Thực tại ảo trong thiết kế kiến trúc
Việc xây dựng mô hình không gian kiến trúc bằng hình ảnh lập thể 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 trí hoa văn cửa sổ hay mầu sơn của tường, cùng với khả năng cho
phép khách hàng tự do thăm quan, khảo sát căn hộ của họ trong tương 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 công nghệ này. [7] [9]
1.2. Bài toán mô phỏng cử chỉ múa
1.2.1 Bài toán mô phỏng cử chỉ múa là gì?
Múa là một bộ môn nghệ thuật biểu diễn sử dụng ngôn ngữ hình thể để phản
ánh tình cảm, hiện tượng của cuộc sống. Nguồn gốc của nghệ thuật múa chính là
những hành động của con người trong đời sống, trong quá trình lao động cộng với
sự quan sát thiên nhiên. Từ đó, các động tác múa có những thay đổi, cải tiến, đi đến
khái quát nghệ thuật. Trong tiếng Việt, tùy tính chất của một loại hình được gọi
bằng các tên khác nhau như: nhảy, múa, khiêu vũ… trong đó khiêu vũ thường


11

hướng đến dùng hoạt động cơ thể để diễn đạt theo âm nhạc nhằm chuyển tải những
nội dung, tình cảm, suy nghĩ và ý tưởng.
Vậy mô phỏng cử chỉ múa là mô tả, biểu diễn một đối tượng trong thế giới
thực bao gồm hình dạng bề mặt và hoạt động của đối tượng.

Ví dụ như chi tiết các cơ quan, bộ phận trên cơ thể con người và sự hoạt
động của chúng…
Mức cao nhất của việc tạo mô hình là tạo ra cả một khung cảnh hay không
gian giống như thực trên máy tính. Từ đó giúp con người có thể quan sát các sự vật,
hiện tượng trong thực tế một cách chân thực hơn trên máy tính.
Xây dựng phần mềm “mô phỏng cử chỉ múa dựa vào công nghệ thực tại ảo”
với phần mềm này, giảng viên, sinh viên có điều kiện quan sát kỹ hơn, có thể xem
xét từng thành phần bộ phận của bàn tay, quan sát ở nhiều góc độ khác nhau với
một mẫu vật, mà đáng lẽ trước đây chỉ có thể quan sát thông qua những tranh ảnh
được chụp ở nhiều góc độ khác nhau. Phần mềm mô phỏng có thể giúp giải thích rõ
ràng hơn các bước, quá trình thực hiện, hoặc chỉ cho chúng ta thấy các kỹ thuật thực
hiện các thao tác y giảng v.v..
Trong việc học cử chỉ múa cần xây dụng hình ảnh của tất cả các cơ quan bộ
phận trên bàn tay. Đồng thời có thể tách rời các cơ quan bộ phận ra để quan sát một
cách chi tiết để mô tả, xác định những mốc chính, những chi tiết quan trọng để xác
định và vận dụng vào thực tế. Mô phỏng các ngón tay để xây dựng thành các bài
giảng giúp cho sinh viên học tập và nghiên cứu, đặc biệt liên quan đến công tác đào
tạo cho cán bộ cơ sở có đầy đủ kiến thức và thực hành động tác và sẵn sàng góp
phần vào công tác phong trào cho các đơn vị để phục vụ quần chúng nhân dân.
1.2.2 Tạo hiệu ứng Animation trong mô phỏng cử chỉ múa
Tạo hiệu ứng ở đây chúng ta hiểu nó là việc sử dụng rất nhiều các cử chỉ,
hành động có thể giống và khác nhau, chúng ta có thể thiết lập, thay đổ các cơ, ngón
tay, kích thước, vận tốc … cho các animation (đối tượng) và cho chúng chuyển
động tự nhiên hoặc tuân theo một quy luật nào đó để tạo thành các hiệu ứng 3D
trong môi trường Thực tại ảo. Các hiệu ứng animation được tạo ra nhằm miêu tả các


12

hoạt động hay cử chỉ của đối tượng mà ở đây luận văn đề cập cụ thể lên cử chỉ của

động tác múa. Ví dụ: Khi thực hiện động tác xoay cổ tay khi xoay cổ tay theo chiều
thuận thì vận tốc sẽ nhanh hơn, còn khi thực hiện động tác xoay ngược lại thì vận
tốc của động tác sẽ giảm.
1.2.3 Các vấn đề giải quyết trong quá trình nghiên cứu
Thực tại ảo là một trong những vấn đề khá mới mẻ đối với Việt Nam chúng
ta nói cung và bản thân học viên khi làm luận văn này nói riêng. Chính vì vậy mà
trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và cài đặt học viên gặp rất nhiều khó khăn, đặc
biệt là nguồn tài liệu tham khảo.
1.2.4. Hướng giải quyết bài toán
Tìm hiểu dựa trên những tài liệu có liên quan tới Thực tại ảo. Tài liệu sẽ
được tác giả chỉ dẫn cụ thể, tìm hiểu trạng thái cử chỉ di chuyển nói chung và các
trạng thái cử động nói riêng của cử chỉ múa trong một động tác cụ thể.
Có thể sử dụng các ảnh của cử chỉ động tác múa với các điểm rời ghép chúng
lại để xây dựng lên hình tượng cử chỉ động tác. Sau đó lập trình điều khiển để tạo ra
các trình tự hành động của động tác đối với mỗi trạng thái cụ thể. Đây chính là một
giải pháp có thể nói là rất hiệu quả và tiết kiệm thời gian.


13

Chương 2
MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG MÔ PHỎNG CỬ CHỈ
Trong phần chương này, tôi có đề cập tới một số kỹ thuật mô phỏng nhưng đi
sâu vào trình bày một số điệu múa dân gian người Khmer dựa trên những kiến thức
cơ bản về nội suy.
2.1. Một số loại hình cử chỉ múa dân gian
2.1.1. Động tác tay Chíp (hay còn gọi là bắt)
Người múa đưa lòng bàn tay ngửa lên trên, chỉ dùng ngón tay cái và ngón trỏ
áp xát vào nhau bằng một lực đủ căng ba ngón kia ra hướng ngược lại với hai ngón
Chíp, khi ấy cổ tay căng mạnh vào. Ý nghĩa của động tác này là thể hiện sự khéo

léo, đẹp đẽ nhẹ nhàng, dịu dàng kín đáo và cẩn thận… phù hợp với nội dung của
từng bài múa khi diễn tả hành động muốn bắt một vật nào đó.
2.1.2. Phong cách tay Rồn (còn gọi là che)
Dùng một lực áp xát các ngón vào nhau như tư thế che nắng, lòng bàn tay
che thay vì bình thường là dùng lưng bàn tay che. Đầu các ngón tay đối với người
con gái ngang mí mắt và ngang chân mài, cánh tay mở rộng đối với người con trai
và toàn bộ cánh tay cong theo vòng cung.
2.1.3. Phong cách tay Chòn-ôl (còn gọi là động tác chỉ)
Người múa sử dụng động tác này là ngón út cong và bị áp xát bởi ngón cái.
Ngón chính ở động tác này là ngón trỏ chỉ thẳng, các ngón còn lại cong theo hình
bậc thang đồng thời căng mạnh cổ tay về phía người như động tác Khuôn. Ý nghĩa
của động tác này là: chỉ trỏ, mách bảo cho biết tâm tư. Chẳng hạn như dùng để chỉ
bông hoa hay một vật nào đó. Đây là một động tác thật sự khéo léo vừa mạnh mẽ ở
tư thế chỉ thẳng ngang (chỉ câm hận, câm phẫn) nhưng lại vừa mềm mại trong thể
hiện tính cách nhu mì, hiền thục của người con gái Khmer ở tư thế chỉ lên (chỉ yêu).


14

2.2.

kiến thức cơ bản về

2.2.1. Nội suy song khối (Bicubic Interpolation)
2.2.1.1. Phép nội suy song khối
Đây là phương pháp nội suy cho ra kết quả tốt nhất và được hầu hết các phần
mềm xử lý ảnh, máy ảnh số và máy in sử dụng. Điểm ảnh mới được tạo ra sẽ có giá
trị trung bình của 16 điểm ảnh gốc gần nhất (4 x 4). Vì tái tạo chi tiết màu từ nhiều
điểm ảnh gốc nên quy trình này sẽ tốn nhiều thời gian và bộ nhớ trong xử lý hơn.
Trong toán học, phép nội suy song khối (Bicubic Interpolation) là mở rộng

của nội suy khối (nội suy bậc ba) cho nội suy điểm dữ liệu trên hai chiều lưới. Bề
mặt đã nội suy trơn nhẵn hơn bề mặt tương ứng đạt được của nội suy song tuyến
tính (bilinear interpolation) hoặc nội suy các điểm gần nhất (Nearest Neighbor
Interpolation). Nội suy song khối có thể sử dụng đa thức Lagrange, thuật toán cubic
splines (đường bậc ba) hoặc thuật toán cubic convolution (khối cuộn).
Trong biến đổi ảnh, lấy mẫu ảnh, khi tốc độ không phải là một vấn đề thì nội
suy song khối thường được lựa chọn hơn nội suy song tuyến tính hoặc nội suy 2
điểm gần nhất, với nội suy song khối hình ảnh đã được lấy mẫu thì trơn hơn và có ít
hình ảnh nội suy hơn.
Nội suy song khối (Bicubic interpolation) với ma trận vuông [0,3]x[0,3] gồm
có 9 đơn vị khối vuông ghép với nhau.
2.2.1.2. Giải thuật nội suy song khối (Bicubic)
Giả thiết những giá trị hàm f và dẫn xuất fx, fy và fxy được biết tại bốn
góc (0, 0), (1, 0), (0, 1), và (1, 1) của đơn vị thẳng góc. Chèn thêm bề mặt có thể
được viết.
p( x, y)

3

3

a ii

i

x y

j

i 0 j 0

Vấn đề nội suy gồm có việc xác định 16 hệ số aij. Sự Thích ứng P(x,y) với
những giá trị của hàm thực hiện bốn phương trình sau:
1.

f (0,0)

p(0,0)

a 00

2.

f (1,0)

p(1,0)

a 00

a 10

a 20 a

30


3.

f (0,1)

4. f
(1,1)

p(0,1)

a 00 a01
3

p(1,1
)

3

a 02

a

03

aij

i 0 j 0

Giống như vậy, Tám phương trình sau cho những dẫn xuất trong x hướng
và y hướng.
1

f x (0,0)

2. f x

(1,0)

p x (0,0)

a 10
2a 20

p z (1,0) a

a11

10

3. f x
(0,1)

3a30
a12

a13

a21

a 31

p x (0,1) a
10

4. f x
(1,1)

3

px
(1,1)

3

aij j

i 0 j 0

5.

f y (0,0) p y (0,0) a01

6. f y
(1,0)

py
(1,0)

7. f y
(0,1)

p y (0,1)

8. f y
(1,1)

py
(1,1)

a01

a11

a01

2a02

3

3

3a03

aij j

i 0 j 0

Và bốn phương trình cho dẫn xuất xy
1.

f xy (0,0) p xy (0,0) a11

2. f xy
(1,0)

p xy

(1,0)

3. f xy
(0,1)

p xy (0,1)

4. f xy
(1,1)

p xy
(1,1)

a11 2a21

3a31

a11 2a12

3a13

3

3

aij ij

i 0 j 0

Các biểu thức nói trên đã sử dụng các căn cứ nhận dạng sau đây

p x ( x, y)

3

3

a ij ixi 1 y j


p y ( x, y)
p xy ( x, y)

i 0 j 0
3
3

a ij ixi

i 0 j 0
3
3
i 0 j 0

jy

j 1

aij ixi 1 jy j 1 .