(Luận văn thạc sĩ) mô phỏng sự tạo bóng của vật thể từ một nguồn sáng trong thực tại ảo

1

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

HÀ THỊ CHUN

MƠ PHỎNG SỰ TẠO BĨNG CỦA VẬT THỂ TỪ
MỘT NGUỒN SÁNG TRONG THỰC TẠI ẢO
Ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 8 48 01 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KHOA HỌC MÁY TÍNH

THÁI NGUN - 2019

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




2
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 6
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO........................................................ 8
1.1. Tổng quan về thực tại ảo ................................................................................... 8
1.1.1. Thực tại ảo là gì? ........................................................................................ 8
1.1.2 Ứng dụng của thực tại ảo ........................................................................... 11
1.1.3. Lịch sử phát triển của Thực tại ảo ............................................................ 16
1.2. Môi trường và ngơn ngữ lập trình cho đồ họa 3D ........................................... 18

1.2.1. Mơ phỏng khơng gian 3D ......................................................................... 18
1.2.2. Mơ hình hóa mơ hình 3D .......................................................................... 19
1.2.3 . Bài tốn mơ phỏng thực tại ảo ................................................................. 24
1.3 Thế giới 3D ....................................................................................................... 25
1.4. Kết luận ........................................................................................................... 27
CHƯƠNG II CÁC KỸ THUẬT XÁC ĐỊNH VÀ BIỂU DIỄN BÓNG ................... 29
2.1 Ánh sáng ....................................................................................................... 29
2.2. Kỹ thuật hiển thị mơ hình Occlusion culling............................................... 37
2.3. Kỹ thuật hiển thị mơ hình Bump Mapping .................................................. 40
2.4. Kỹ thuật biểu diễn bóng đổ ......................................................................... 44
2.5. Một số thuật tốn chiếu sáng tồn cục ............................................................... 50
CHƯƠNG III CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM ............................................... 57
3.1 Công cụ Unity engine......................................................................................... 57
3.2. Yêu cầu thực nghiệm, ứng dụng...................................................................... 67
3.2.1. Yêu cầu với thực nghiệm ......................................................................... 68
3.2.2. Kiểm tra các mơ hình đầu vào.................................................................. 68
3.3. Các chức năng của chương trình thực nghiệm ................................................ 71
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 75

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




3
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Thực tế ảo (VR) ............................................................................................ 8
Hình 1.2 Các thành phần của hệ thống VR................................................................. 9
Hình 1.3 Hệ thống Distracted Driving Simulator ..................................................... 12

Hình 1.4: Hệ thống du lịch ảo mẫu 1 ........................................................................ 13
Hình 1.5: Mơ hình 3D trong thiết kế nội thất ........................................................... 14
Hình 1.6: Mơ hình VR mơ phỏng cơ thể người ......................................................... 15
Hình 1.7: Ứng dụng VR của Panasonic Eco Solutions ............................................ 16
Hình 1.8: Thiết bị mơ phỏng SENSORAMA ............................................................. 17
Hình 1.9 Jaron Lanier người đưa ra thuật ngữ VR .................................................. 18
Hình 1.10: World space và Local space. .................................................................. 26
Hình 2.1 Bước sóng sánh sáng (nm) ........................................................................ 30
Hình 2.2 Chiếu sáng chính diện (Front lighting)...................................................... 31
Hình 2.3 Nguồn sáng bên (Side Lighting)................................................................. 32
Hình 2.4Nguồn sáng phía sau (Back lighting) .......................................................... 33
Hình 2.5 Chiếu sáng từ phía trên (Top Lighting) ..................................................... 34
Hình 2.6 Chiếu sáng từ phía dưới (Below Lighting) ................................................ 35
Hình 2.7: Bóng cung cấp thơng tin về vị trí tương đối của vật thể........................... 36
Hình 2.8: Bóng cung cấp thơng tin về dạng hình học của mặt tiếp nhận. ............... 36
Hình 2.9 Đánh dấu đối tượng. .................................................................................. 38
Hình 2.10 Thẻ Object trong cơng cụ Occlusion........................................................ 39
Hình 2.11Thẻ Bake trong cơng cụ Occlusion ........................................................... 39
Hình 2.12 Thẻ Visualization trong cơng cụ Occlusion ............................................. 39
Hình 2.13 Vùng và các ơ áp dụng Occlsion Culling. ................................................ 40
Hình 2.14 Tạo normal map từ hight map .................................................................. 42
Hình 2.15 Bóng đổ mờ .............................................................................................. 47
Hình 2.16: Minh họa q trình sinh và dị tia của ray tracing ................................. 51
Hình 2.17. Các bước xử lý trong giải thuật Ray tracing .......................................... 53
Hình 2.18: So sanh giữa Scan line và ray tracing .................................................... 53
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

4

Hình 2.19: Chiếu sáng bằng photon mapping .......................................................... 54
Hình 2.20 Các bước xử lý trong giải thuật Scan line. .............................................. 56
Hình 3.1 logo của Unity engine ................................................................................ 57
Hình 3.2 Giao diện của Unity. .................................................................................. 62
Hình 3.3 Các nút chức năng cho cửa sổ Scene. ........................................................ 63
Hình 3.4 Cửa sổ Hierarchy. ...................................................................................... 64
Hình 3.5 Cửa sổ Inspector. ....................................................................................... 65
Hình 3.6 Cửa sổ Project............................................................................................ 66
Hình 3.7 Trống “ Scồ sam phơ ” ngang ................................................................... 69
Hình 3.8 Trống “ Scồ sam phơ ” dọc ....................................................................... 69
Hình 3.9 Đàn Cồng ................................................................................................... 70
Hình 3.10 Đàn Thuyền – “Rô niếc IK và Rô niếc Thung” ....................................... 70
Hình 3.11: Tồn cảnh khơng gian trưng bày ............................................................ 71
Hình 3.12 Hiển thị riêng 1 đối tượng. ...................................................................... 73

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




5
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Hà Thị Chuyên
Sinh ngày: 27/08/1987
Học viên lớp cao học CHK16A - Trường Đại học Công nghệ Thông
tin & Truyền thông - Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Viễn thông Bắc Kạn
Xin cam đoan: Đề tài “Mơ phỏng sự tạo bóng của vật thể từ một nguồn

sáng trong thực tại ảo” do TS. Vũ Đức Thái hướng dẫn là cơng trình nghiên
cứu của riêng tơi. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như
nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu sai tơi
hồn tồn chịu trách nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật.
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 05 năm 2019
Tác giả luận văn

Hà Thị Chuyên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




6
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và rèn luyện tại khoa Công nghệ thông tin - Đại
học Thái Nguyên, đến nay em đã kết thúc khóa học 2 năm và hoàn thành luận
văn tốt nghiệp. Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn, em đã
nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ góp ý nhiệt tình của quý thầy cô trường Đại
học Công nghệ Thông tin và Truyền thơng – Đại học Thái Ngun.
Để có được kết quả này em xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa
Công nghệ thông tin cùng các thầy, cô giáo đã giảng dạy, quan tâm và tạo
điều kiện thuận lợi để chúng em học tập và rèn luyện trong suốt thời gian theo
học tại trường.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Vũ Đức Thái đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn.
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 05 năm 2019
Tác giả luận văn

Hà Thị Chuyên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




7
ĐẶT VẤN ĐỀ
Đồ họa máy tính là một lĩnh vực phát triển nhất trong tin học. Nó được
áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác trong thực tiễn.
Bóng (Shadow) là một vùng tối nằm giữa một vùng được chiếu sáng,
bóng xuất hiện khi một vật thể được chiếu sáng tồn bộ hoặc một phần, bóng
là một trong những yếu tố quan trọng nhất của tri giác con người về việc nhận
biết các vật thể trong thế giới 3 chiều.
Đề tài tập trung nghiên cứu các thuật toán, kỹ thuật thể hiện bóng của
vật thể tạo ra bởi một nguồn sáng đảm bảo phản ánh đúng với thực tế. Phạm
vi nghiên cứu tập trung vào vấn đề xác định và mơ phỏng bóng của một vật
thể được chiếu từ một nguồn sáng, và sự thay đổi của bóng khi thay dổi
nguồn sáng.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là: Lựa chọn công cụ phù hợp nhất cho
việc cài đặt, lựa chọn các vật thể và khơng gian thích hợp để phân tích các
hình ảnh thực tiễn làm cơ sở đối chứng cho kết quả cài đặt, vận dụng thuật
toán cài đặt chương trình mơ phỏng thể hiện hiệu ứng tạo bóng của một số
vật thể dưới tác động của một nguồn sáng, cuối cùng là đánh giá rút kinh
nghiệm về thuật tốn để có thể cải tiến việc mơ phỏng tốt hơn.
Tôi đã lựa chọn đề tài:" Mô phỏng sự tạo bóng của vật thể từ một
nguồn sáng trong thực tại ảo" để cài đặt mô phỏng cho một số hiện vật trong
Nhà bảo tàng văn hóa các dân tộc Việt Nam tại thành phố Thái Nguyên.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




8
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO
1.1. Tổng quan về thực tại ảo
1.1.1. Thực tại ảo là gì?
Thực tế ảo hay còn gọi là thực tại ảo (tiếng Anh là virtual reality, viết
tắt là VR) là một hệ thống mô phỏng trong đó đồ họa máy tính được sử dụng
để tạo ra một thế giới "như thật". Hơn nữa, thế giới "nhân tạo" này không tĩnh
tại, mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn (tín hiệu vào) của người sử dụng
(nhờ hành động, lời nói,..). Điều này xác định một đặc tính chính của VR, đó
là tương tác thời gian thực (real-time interactivity).

Hình 1.1 Thực tế ảo (VR)
Thời gian thực ở đây có nghĩa là máy tính có khả năng nhận biết được
tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức thế giới ảo. Người sử
dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ và bị
thu hút bởi sự mô phỏng này.
Trong thực tế, người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D
nổi, điều khiển (xoay, di chuyển,..) được đối tượng trên màn hình mà cịn sờ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN

9
và cảm thấy chúng như có thật. Ngồi khả năng nhìn (thị giác), nghe (thính
giác), sờ (xúc giác), các nhà nghiên cứu cũng đã nghiên cứu để tạo các cảm
giác khác như ngửi (khứu giác), nếm (vị giác).Tuy nhiên hiện nay trong VR
các cảm giác này cũng ít được sử dụng đến.
Các thành phần một hệ thống VR
Một hệ thống VR tổng quát bao gồm 5 thành phần: phần mềm (SW),
phần cứng (HW), mạng liên kết, người dùng và các ứng dụng. Trong đó 3
thành phần chính và quan trọng nhất là phần mềm (SW), phần cứng (HW) và
các ứng dụng.

Hình 1.2 Các thành phần của hệ thống VR
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 ngun tắc có thể dùng bất cứ ngơn ngữ
lập trình hay phần mềm đồ họa nào để mơ hình hóa (modelling) và mơ phỏng
(simulation) các đối tượng của VR. Ví dụ như các ngơn 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 cơng dụng chính: Tạo hình vào Mơ phỏng. Các đối tượng của VR
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




10
được mơ hình hóa nhờ chính phần mềm này hay chuyển sang từ các mơ hình
3D (thiết kế nhờ các phần mềm CAD khác như AutoCAD, 3D Studio,..). Sau
đó phần mềm VR phải có khả năng mơ phỏng động học, động lực học, và mô

phỏng ứng xử của đối tượng.
Phần cứng
Phần cứng của một hệ thống bao gồm: Máy tính (PC hay Workstation
với cấu hình đồ họa mạnh), các thiết bị đầu vào (Input devices) và các thiết bị
đầu ra (Output devices).
- Các thiết bị đầu vào (Input devices): Chúng bao gồm những thiết bị
đầu ra có khả năng kích thích các giác quan để tạo nên cảm giác về sự hiện
hữu trong thế giới ảo. Chẳng hạn như màn hình đội đầu HMD, chuột, các tai
nghe âm thanh nổi - và những thiết bị đầu vào có khả năng ghi nhận nơi người
sử dụng đang nhìn vào hoặc hướng đang chỉ tới, như thiết bị theo dõi gắn trên
đầu (head-trackers), găng tay hữu tuyến (wire-gloves).
- Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (như màn
hình, HDM,..) để nhìn được đối tượng 3D. Thiết bị âm thanh (loa) để nghe
được âm thanh vòm (như Hi-Fi, Surround,..). Bộ phản hồi cảm giác (Haptic
feedback như găng tay,..) để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tượng. Bộ phản hồi
xung lực (Force Feedback) để tạo lực tác động như khi đạp xe, đi đường
xóc,...
Đặc tính cơ bản của một hệ thống VR
Một hệ thống thực tế ảo thì tính tương tác, các đồ họa ba chiều thời
gian thực và cảm giác đắm chìm được xem là các đặc tính then chốt.
Tương tác thời gian thực (real-time interactivity): có nghĩa là máy tính
có khả năng nhận biết được tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay
lập tức thế giới ảo. Người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình
ngay theo ý muốn của họ và bị thu hút bởi sự mơ phỏng này.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




11

Cảm giác đắm chìm (immersion): là một hiệu ứng tạo khả năng tập
trung sự chú ý cao nhất một cách có chọn lọc vào chính những thơng tin từ
người sử dụng hệ thống thực tế ảo. Người sử dụng cảm thấy mình là một phần
của thế giới ảo, hịa lẫn vào thế giới đó.VR cịn đẩy cảm giác này “thật” hơn
nữa nhờ tác động lên các kênh cảm giác khác. Người dùng khơng những nhìn
thấy đối tượng đồ họa 3D, điều khiển (xoay, di chuyển..) được đối tượng mà
còn sờ và cảm thấy chúng như có thật. Các nhà nghiên cứu cũng đang tìm
cách tạo những cảm giác khác như ngửi, nếm trong thế giới ảo.
Tính tương tác: có hai khía cạnh của tính tương tác trong một thế giới
ảo: sự du hành bên trong thế giới và động lực học của môi trường. Sự du hành
là khả năng của người dùng để di chuyển khắp nơi một cách độc lập, cứ như
là đang ở bên trong một môi trường thật. Nhà phát triển phần mềm có thể
thiết lập những áp đặt đối với việc truy cập vào những khu vực ảo nhất định,
cho phép có được nhiều mức độ tự do khác nhau (Người sử dụng có thể bay,
xuyên tường, đi lại khắp nơi hoặc bơi lặn…). Một khía cạnh khác của sự du
hành là sự định vị điểm nhìn của người dùng. Sự kiểm sốt điểm nhìn là việc
người sử dụng tự theo dõi chính họ từ một khoảng cách, việc quan sát cảnh
tượng thông qua đôi mắt của một con người khác, hoặc di chuyển khắp trong
thiết kế của một cao ốc mới như thể đang ngồi trong một chiếc ghế đẩy…
Động lực học của môi trường là những quy tắc về cách thức mà người, vật và
mọi thứ tương tác với nhau trong một trật tự để trao đổi năng lượng hoặc
thông tin.
1.1.2 Ứng dụng của thực tại ảo
Công nghệ thực tế ảo là xu hướng tất yếu của tương lai, giúp con người
có cơ hội trải nghiệm những sự việc trong thế giới ảo sống động và chân thực
như thế giới thực.Và đây là những ứng dụng phổ biến nhất của công nghệ
thực tế ảo trong cuộc sống.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

12
Tại các nước phát triển, chúng ta có thể nhận thấy VR 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- Giáo dục- Thương mại - dịch vụ.
Y học, du lịch là lĩnh vực ứng dụng truyền thống của VR. Bên cạnh đó VR
cũng được ứng dụng trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí, du lịch ảo (Virtual
Tour), bất động sản... Trong lĩnh vực quân sự, VR cũng được ứng dụng rất
nhiều ở các nước phát triển.
Công nghiệp ôtô
VR được áp dụng trong giai đoạn thiết kế, thử nghiệm an toàn và bán
hàng trong ngành công nghiệp ô tô. Công nghệ này sẽ mô phỏng thiết kế xe
để các chuyên gia đựa vào đó đánh giá mà khơng cần phải sản xuất ra một
mẫu thử nghiệm tốn kém. Vì đặc điểm hữu ích này mà công nghệ VR được
các hãng ô tô lớn trên thế giới sử dụng.

Hình 1.3 Hệ thống Distracted Driving Simulator
Du lịch
Các ứng dụng VR trong du lịch giúp hướng dẫn viên có thêm kiến thức
về những điểm đến trên tồn thế giới mà khơng cần tiền trạm.Đối với du
khách, họ có thể chọn và trải nghiệm ảo các địa điểm du lịch trước khi quyết
định mua tour.Thậm chí, một số nhà hàng, khách hàng còn dùng VR để giúp
khách hàng hiểu rõ hơn về dịch vụ cung cấp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN




13

Hình 1.4: Hệ thống du lịch ảo mẫu 1
Giải trí
Ở lĩnh vực điện ảnh, giải trí, game nhờ sử dụng cơng nghệ VR nên đã
có những bước tiến mạnh mẽ. Minh chứng cho thấy là người dùng có thể giải
trí với hằng trăm đầu trò chơi thực tế ảo. Thậm chí, các đạo diễn lừng danh
đang có kế hoạch triển khai các dự án phim VR khổng lồ.
Phim ảnh và truyền hình: Trong nhiều thập kỷ qua, nhiều nhà sản xuất
ngày càng mở rộng nội dung dựa trên công nghệ VR, tiêu biểu như hai bộ
phim bom tấn The Matrix (Ma trận) và Inception (Sự khởi đầu).
Công nghiệp âm nhạc: Âm thanh đa chiều và video 360 độ đang trở
thành một định dạng được lựa chọn hàng đầu cho nền công nghiệp thu âm và
mix nhạc của các nhà sản xuất.
Game: Những trò chơi hành động phiêu lưu sẽ mở đường cho bạn đến
với một thế giới mới hào hứng kỳ vĩ và khiến lượng adrenaline trong cơ thể
bạn sôi trào đến độ khơng thể rời khỏi thế giới đó. Âm thanh 3D được xây
dựng riêng cho mỗi vật thể khiến cảnh quan trong game biến hóa liên tục.
Kiến trúc
Khách hàng được mục sở thị không gian sống, nội thất, cảnh quan xung
quanh qua hình ảnh 3D 360 độ để có thể đánh giá thực tế ngơi nhà.
Sự phát triển nhanh chóng của cơng nghệ thực tế ảo (VR) cùng những trải
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




14
nghiệm tích hợp đa dạng mà nó mang lại đã giúp các nhà marketing có thêm
một kênh tiếp thị hình ảnh hiệu quả đến khách hàng.

Hình 1.5: Mơ hình 3D trong thiết kế nội thất
Giáo dục
Sử dụng VR giúp việc dạy và học từ xa sẽ dễ dàng và hiệu quả hơn.
Hiện nay, công nghệ VR được sử dụng nhiều nhất trong lĩnh vực này như:
Google Expeditions là công cụ giảng dạy trong thực tế ảo cho phép bạn
dẫn đầu hoặc tham gia các hành trình ảo lơi cuốn trên toàn thế giới, tiếp cận
với những địa danh lịch sử, lặn sâu dưới nước cùng những chú cá mập, thậm
chí dạo
chơi ngồi khơng gian.
Thực tế ứng dụng cơng nghệ VR trong đào tạo của Việt Nam
Ở Việt Nam, công nghệ VR cũng đã bắt đầu được một số cơ sở đào tạo
triển khai ứng dụng. Điển hình là Hệ thống mô phỏng huấn luyện bắn súng bộ
binh (Trường bắn ảo) do Viện Công nghệ Mô phỏng - Học viện Kỹ
thuật Quân sự nghiên cứu, thiết kế, chế tạo. Hệ thống được sử dụng để huấn
luyện bắn và bắn kiểm tra súng bộ binh dựa trên công nghệ mô phỏng nhằm
tăng cường kỹ năng ngắm bắn cho bộ đội trước khi thực hiện bắn đạn
thật trên thao trường. Hệ thống mô phỏng các đối tượng mục tiêu, thực
địa trong môi trường 3D, mơ phỏng âm thanh, hình ảnh q trình tương tác
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




15
thực - ảo, mô phỏng hiện tượng giật của súng như khi bắn đạn thật.Bên
cạnh việc tránh được những rủi ro, hệ thống này giúp giảm thời gian và chi
phí huấn luyện trên vũ khí thật.
Trong lĩnh vực y học, Khoa Y - Trường Đại học Duy Tân, Đà Nẵng đã
áp dụng công nghệ VR để mô phỏng cơ thể ảo phục vụ công tác giảng dạy,
học tập, nghiên cứu cho Bộ mơn Giải phẫu. Mơ hình mơ phỏng các bộ

phận chính của cơ thể con người như hệ xương, hệ cơ, hệ thần kinh, hệ tiêu
hố. Thơng qua mơ hình và hệ thống phần cứng điều khiển, tương tác, sinh
viên làm quen với việc thực hành trên các thiết bị nội soi và thực hành
giải phẫu thay vì học trực tiếp trên xác, tiêu bản hoặc tranh. Mơ hình này đã
được triển khai tuy sinh viên còn bỡ ngỡ vì đang quen với cách học truyền
thống nhưng các em rất hứng thú với cơng nghệ mới này.

Hình 1.6: Mơ hình VR mơ phỏng cơ thể người
Ứng dụng VR của PESVN dựng lên một không gian ba chiều, trong
không gian đó, tất cả những thiết bị điện của PESVN cũng được trang bị và
thể hiện theo kích thước, hình dạng và màu sắc thực tế. Khách hàng có thể
quan sát các thiết bị này ở mọi góc nhìn. Họ có thể sử dụng thử các loại cơng
tắc, ổ cắm… có thể trực quan nhìn được ánh sáng, màu sắc của các loại đèn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




16
LED, đèn treo tường cũng như cảm nhận được hoạt động của các thiết bị phụ
trợ như quạt điện, quạt hút, máy lọc khơng khí…

Hình 1.7: Ứng dụng VR của Panasonic Eco Solutions
Công cụ thực tại ảo này sẽ giúp ích rất nhiều cho khách hàng trong
việc suy tính và lựa chọn những sản phẩm cần thiết, phù hợp với sở thích và
mơi trường của họ trước khi ra quyết định mua.Điều này là một tiến bộ vượt
trội mà trước đây chưa bao giờ có.
1.1.3. Lịch sử phát triển của Thực tại ảo
Vào giữa những năm 50 Morton Helig đã phát minh ra thiết bị mô

phỏng SENSORAMA. Đây là một thiết bị điều khiển gồm có: một màn hình
thực thể kính, quạt,máy tạo mùi, loa âm thanh và một chiếc ghế di chuyển
được. Ơng cũng phát minh ra màn hình truyền hình được gắn vào thiết bị để
xem phim 3D.Đây được xem là tiền đề cho sự phát triển của VR sau này.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




17

Hình 1.8: Thiết bị mơ phỏng SENSORAMA
Năm 1961 những kĩ sư của công ty Philco đã phát triển một chiếc mũ
đội hiển thị (Head mounted display – HMD). Nó bao gồm một màn ảnh và hệ
thống theo dõi video đã được những kĩ sư liên kết tới một hệ thống camera.
HMD được sử dụng trong những tình huống nguy hiểm của quân sự, hỗ trợ
cho các phi công trong môi trường thiếu ánh sáng.
Năm 1965, một nhà khoa học máy tính tên là Ivan Sutherland hình
dung ra một điều mà ông gọi là "Ultimate Display". Khi sử dụng hiển thị này,
một người có thể thấy một thế giới ảo hiện ra như thế giới vật lý thật.Điều này
đã định hướng tồn bộ tầm nhìn về VR. Khái niệm của Suntherland bao gồm:


Một thế giới giới ảo mà ta có thể quan sát thơng qua một HMD



Một máy tính để duy trì các mơ hình trong thời gian thực

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




18



Các khả năng cho người sử dụng để thao tác những đối tượng thực

tế một cách trực quan nhất.

Hình 1.9 Jaron Lanier người đưa ra thuật ngữ VR
1.2. Môi trường và ngơn ngữ lập trình cho đồ họa 3D
1.2.1. Mơ phỏng không gian 3D
Với phát triển mạnh mẽ của công nghệ mơ phỏng, người sử dụng hồn
tồn có thể xây dựng lại môi trường làm việc gần tương đương với thực tế để
nhìn xem ứng xử của vật liệu hoặc sản phẩm mình thiết kế trong mơi trường
tính tốn ảo trên máy tính. Nền tảng của cơng nghệ này là phương pháp phần
tử hữu hạn và thể tích hữu hạn.
Có 3 bước cơ bản để xây dựng tính tốn mơ phỏng: Tiền xử lý(Pre Pro
cessing), Tính tốn(Processing), xuất kết quả (Post Processing)
Tiền xử lý (Pre Processing): Nhập vào máy tính các thơng số của bài
tốn: mơ hình CAD 3D, vật liệu, mơi trường vật lý, chia lưới..
Tính tốn(Processing): Khi các thông số đầy đủ, các phần phềm CAD
– CAE sẽ thực hiện các giải thuật để quy bài tốn mơ hình về hệ phương trình
vi phân để giải và xuất kết quả.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN

19
Xuất kết quả(Post Processing): Các kết quả thường được lưu trên máy
tính với các thơng tin về: trường chuyển vị, trường ứng xuất, hình ảnh chuyển
động của mơ hình,..
1.2.2. Mơ hình hóa mơ hình 3D
Khi thiết kế một sản phẩm thao tác dựng mơ hình 3D là bước đầu tiên
và quan trọng nhất.Hiện nay có rất nhiều phần mềm thiết kế được sử dụng
rộng rãi, mỗi phần mềm đều có những điểm hay và thú vị riêng. Nhìn chung
lại hầu hết đều có chung một kỹ thuật vẽ khá giống nhau. Một vật thể bất kỳ
được xây dựng dựa trên: điểm, đường thẳng, mặt phẳng và cuối cùng là dùng
các phép dựng hình 3D để tạo nên vật thể. Sau khi có một mơ hình 3D thì
cơng việc tiếp theo là tinh chỉnh sao cho sản phẩm đạt yêu cầu nhất.

Một vật thể 3D bất kỳ là sự tổ hợp của các phép dựng hình được xây
dựng sẵn trong các chương trình vẽ 3D. Mặc dù với tên gọi mỗi chức năng ở
mỗi phần mềm có thể khác nhau đơi chút nhưng đều có các chức năng cơ bản
như sau:


Kỹ thuật dựng hình dựa trên hình phẳng cơ sở kết hợp với phép tịnh

tiến theo đường thẳng( Extruded): với một hình phẳng 2D được vẽ bất kỳ sau
khi tịnh tiến tạo một khối 3D.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

20



Kỹ thuật tạo vật thể bằng cách quay mặt cơ sở theo một trục cố định

(Revolved): tạo mặt cơ sở với biên khép kính bất kỳ, sau đó vẽ trục làm tâm
quay để tạo vật thể



Kỹ thuật dựng hình dựa trên hình phẳng cơ sở kết hợp với phép tịnh

tiến theo đường cong bất kỳ ( swept): với một hình phẳng 2D được vẽ bất kỳ
sau khi tịnh tiến cong tạo một khối 3D.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




21



Kỹ thuật dựng hình dựa trên nhiều mặt phẳng cơ sở (lofted): tạo 2

hay nhiều mặt phẳng song song trên mỗi mặt tạo biên kính riêng, tạo mặt
phẳng xây dựng từ các mặt phẳng trên.



Nếu như các kỹ thuật Extruded/ Revolved/ Swept.. tạo thể tích cho

vật thể thì các chức năng Extruded Cut / Revolved Cut / Swept Cut giúp
chúng ta làm rỗng phần thể tích được thao tác:



Để tạo thẩm mỹ cho sản phẩm cũng như an toàn cho người dùng

hầu hết vật thể đều được gọt nhẵn ở các cạnh biên, có hai phương pháp vát
cạnh: vát theo góc nghiêng hoặc bo trịn.

Tạo nhanh một vật thể bằng cách lấy đối xứng qua mặt phẳng (Mirror):

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




22



Như vậy, một mơ hình 3D được dựng lên một cách dễ dàng bằng

các phép chiếu 3D. Do đó việc xây dựng các hình phẳng 2D chính là cơ sở
cho các phép chiếu. Nói cách khác để xây dựng vật thể 3D chúng ta phải dựng
những đường nét cơ bản từ 2D trước sau đó mới dựng mơ hình 3D.
Đường nét cơ bản trong vẽ 2D gồm các chức năng vẽ: điểm, đường thẳng,
đường trịn, hình chữ nhật, đường cong (Spline), lục giác, …Ngồi ra cịn có
các hình dạng đặc biệt khác thường dùng trong thiết kế: dạng then, chuỗi ký
tự…



Sau khi phát thảo đường nét chính của vật thể, chúng ta dùng các

thước đo của phần mềm để tinh chỉnh chiều dài theo ý muốn.


Để việc thiết kế được nhanh hơn, người ta còn xây dựng các chức

năng cắt tỉa đường nét 2D (TRIM), việc này được thực hiện một cách khá dễ
dàng với ý tưởng như hình:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




23

Có ba cách phổ biến để thể hiện một mơ hình:


Mơ hình hóa đa giác - Các điểm trong khơng gian 3D, được gọi

là các đỉnh, được kết nối bởi các đoạn đường để tạo thành một lưới đa giác.
Phần lớn các mơ hình 3D ngày nay được xây dựng dưới dạng mơ hình đa giác
có kết cấu, bởi vì chúng linh hoạt và vì máy tính có thể hiển thị chúng rất
nhanh. Tuy nhiên, đa giác là mặt phẳng và chỉ có thể xấp xỉ các bề mặt cong
bằng nhiều đa giác.


Mơ hình đường cong - Bề mặt được xác định bởi các đường cong, bị

ảnh hưởng bởi các điểm kiểm sốt có trọng số. Đường cong theo sau (nhưng
không nhất thiết phải nội suy) các điểm. Tăng trọng lượng cho một điểm sẽ
kéo đường cong lại gần điểm đó. Các loại đường cong bao gồm B-spline hợp
lý khơng đồng nhất (NURBS), spline, miếng vá và nguyên thủy hình học


Điêu khắc kỹ thuật số - Vẫn là một phương pháp mơ hình khá mới,

điêu khắc 3D đã trở nên rất phổ biến trong vài năm qua. Hiện tại có ba loại
điêu khắc kỹ thuật số: Dịch chuyển, được sử dụng rộng rãi nhất trong số các
ứng dụng tại thời điểm này, sử dụng mơ hình dày đặc (thường được tạo bởi
các bề mặt phân chia của lưới điều khiển đa giác) và lưu trữ vị trí mới cho
đỉnh vị trí thơng qua việc sử dụng bản đồ hình ảnh lưu trữ các vị trí được điều
chỉnh. Thể tích, dựa trên voxels lỏng lẻo, có khả năng tương tự như sự dịch
chuyển nhưng không bị kéo dài đa giác khi khơng có đủ đa giác trong một
vùng để đạt được biến dạng. Tính năng động tương tự như voxel nhưng phân
chia bề mặt bằng cách sử dụng tam giác để duy trì bề mặt mịn và cho phép
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

24
các chi tiết mịn hơn. Các phương pháp này cho phép khám phá rất nghệ thuật
vì mơ hình sẽ có một cấu trúc liên kết mới được tạo ra trên nó một khi mơ
hình hình thành và có thể các chi tiết đã được điêu khắc. Lưới mới thường sẽ
có thơng tin lưới có độ phân giải cao ban đầu được truyền vào dữ liệu dịch
chuyển hoặc dữ liệu bản đồ thơng thường nếu dành cho cơng cụ trị chơi.
1.2.3 . Bài tốn mơ phỏng thực tại ảo
Đồ họa máy tính là một lĩnh vực phát triển nhất trong tin học. Nó được
áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: điện ảnh, hoạt hình,
kiến trúc và các ứng dụng xây dựng các mơ hình thực tại ảo…Hiện nay đồ
họa 3D đã được phát triển ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn
Bóng (Shadow) là một vùng tối nằm giữa một vùng được chiếu sáng,
bóng xuất hiện khi một vật thể được chiếu sáng toàn bộ hoặc một phần, bóng
là một trong những yếu tố quan trọng nhất của tri giác con người về việc nhận
biết các vật thể trong thế giới 3 chiều. Bóng giúp cho ta nhận biết được vị trí
tương đối của vật đổ bóng (occlude) với mặt nhận bóng (receiver), nhận biết
được kích thước và dạng hình học của cả vật đổ bóng và mặt nhận bóng.
Bóng là một thuộc tính quan trọng của vật thể trong tự nhiên, nhất là
khi tạo hình trong mơ phỏng (video, phim hoạt hình…với các hình ảnh động),
nếu mơ phỏng không đúng sẽ gây hiệu ứng sai hoặc giả tạo đối với thực tiễn
(độ dài bóng, hướng, sự di chuyển bóng của một vật di động).
Nhận biết được sự quan trọng của bóng, với mục đích mơ phỏng được
sự ảnh hưởng của các nguồn sáng tạo ra bóng của đối tượng ba chiều trên cơ
sở đó mơ phỏng một số hiện vật một cách trung thực trưng bày trong không
gian bảo tàng. Tôi đã lựa chọn đề tài:” Mô phỏng sự tạo bóng của vật thể từ
MỘT nguồn sáng trong thực tại ảo”. Đề tài nghiên cứu các thuật tốn để cài
đặt mơ phỏng cho một số hiện vật trong Nhà bảo tàng văn hóa các dân tộc

Việt Nam tại thành phố Thái Nguyên.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




25
Ứng dụng kết quả đã nghiên cứu vào xây dựng một phần mềm trưng
bày ảo cho một số hiện vật tại Bảo tàng Văn hóa các dân tộc Việt Nam tại TP
Thái Nguyên với các lý thuyết phân tích về tác động của môi trường lên hiện
vật.
1.3 Thế giới 3D

Hệ trục tọa độ (coordinates)
Trong một ứng dụng 3D, chúng ta sẽ thấy thông tin của một đối tượng nằm
trong định dạng X, Y, Z gọi là hệ trục Cartesian.
Không gian cục bộ và khơng gian tồn cục (Local Space và World Space)
Trong mọi thế giới 3D đều có một điểm gốc, thường được gọi là Zero
(khơng), vì nó được đại diện bởi vị trí (0, 0, 0).Tất cả các vị trí của đối tượng
trong khơng gian 3D (tồn cục) đều có mối quan hệ với điểm gốc Zero. Tuy
nhiên, để đơn giản hơn, chúng ta cũng sử dụng không gian cục bộ (Local
Space – được biết như là không gian riêng của đối tượng) để xác định vị trí
của đối tượng có liên hệ với một đối tượng khác.
Khơng gian cục bộ giả định rằng mỗi đối tượng đều có điềm gốc Zero
riêng biệt.Điểm này thường là điểm trung tâm của đối tượng, và bằng cách tạo
ra mối quan hệ giữa các đối tượng, chúng ta có thể so sánh vị trí của chúng
trong mối quan hệ với một đối tượng khác.Chúng ta có thể tính tốn khoảng
cách từ một đối tượng khác bằng cách sử dụng không gian cục bộ, với vị trí
của đối tượng cha trở thành điểm gốc cho tất cả các đối tượng con.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN