Mô hình hóa 3d hệ tiêu hóa trong thực tại ảo

...
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG

NGUYỄN TIẾN CƠNG

MƠ HÌNH HĨA 3D HỆ TIÊU HÓA TRONG
THỰC TẠI ẢO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Ngun - 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Tên đề tài :
MƠ HÌNH HĨA 3D HỆ TIÊU HĨA TRONG THỰC TẠI ẢO
(3D MODELING DIGESTIVE SYSTEM IN VIRTUAL REALITY)
Giáo viên hƣớng dẫn : TS. Nguyễn Văn Huân
Học viên thực hiện :

Nguyễn Tiến Cơng

Lớp : Cao học Khóa 12 (CHK12C)
Cơ sở đào tạo : Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông (Đại học Thái Nguyên)
Chuyên ngành : Khoa học máy tính
Mã số chun ngành : 60.48.0101

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan tồn bộ nội dung bản luận văn này là do tôi tự bản
thân sƣu tầm, tìm hiểu, nghiên cứu phân tích dƣới sự hƣớng dẫn của thày giáo
hƣớng dẫn để hoàn thành.
Phần mã nguồn của chƣơng trình đều do tơi tự thiết kế và xây dựng,
trong đó có sử dụng một số thƣ viện chuẩn và các thuật toán đƣợc các tác giả
xuất bản cơng khai và miễn phí trên mạng Internet.
Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm về tính pháp lý q trình nghiên cứu
khoa học của luận văn này.

Thái Nguyên - Tháng 6 năm 2015.
NGƢỜI CAM ĐOAN

Nguyễn Tiến Cơng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

LỜI CÁM ƠN

Trƣớc hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn tới thày giáo hƣớng dẫn, ngƣời
đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo và cung cấp những tài liệu rất hữu ích để em
có thể hồn thành luận văn.
Xin cảm ơn Ban Giám hiệu, bộ phận Sau đại học thuộc Phịng Đào tạo

và các thày, cơ giáo Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ, hƣớng dẫn em về mọi mặt
trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thày, cô giáo Viện Công nghệ Thông
tin quốc gia, Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại
học Thái Nguyên đã truyền đạt kiến thức và phƣơng pháp nghiên cứu khoa
học trong suốt thời gian học vừa qua.
Xin chân thành cảm ơn các anh chị em học viên Cao học K12C
và các bạn đồng nghiệp đã động viên, khích lệ tơi trong q trình học
tập, nghiên cứu.
Và tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến gia đình, ngƣời thân, những
ngƣời ln động viên, khuyến khích và giúp đỡ về mọi mặt để tơi có thể hồn
thành cơng việc nghiên cứu và hồn thành bản luận văn./.

Thái Nguyên - Tháng 6 năm 2015.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Tiến Cơng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

MỤC LỤC
Nội dung

Stt

Chƣơng 1
1.1

Trang

Phần mở đầu ...........................................................................

1

KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MƠ HÌNH HĨA 3D

4

Khái qt về thực tại ảo ............................................

4

1.1.1 Sơ lƣợc lịch sử hình thành và phát triển ....................................

4

1.1.2 Một số ứng dụng cơ bản của thực tại ảo ........................................

9

1.2
Chƣơng 2
2.1

Mơ hình hóa 3D trong thực tại ảo ......................................................

10

MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG MƠ HÌNH HĨA 3D HỆ TIÊU HĨA

17

Hệ tiêu hóa .........................................

17

2.1.1 Mơ tả cấu tạo hệ tiêu hóa của ngƣời ..............................

17

2.1.2 Mơ phỏng cấu tạo hệ tiêu hóa của ngƣời .................................

17

Cơng cụ mơ hình hóa 3D ...................................................

2.2

28

2.2.1 Tổng quan về mơ hình hóa 3D ..............................

28

2.2.2 Mơ hình hóa 3D .................................

28

2.2.3 Các kỹ thuật dựng hình chính 3D .................................

30

Các kỹ thuật tạo đối tượng ...................................................

2.3

33

2.3.1 Các lọai mơ hình tạo đối tƣợng ..............................

33

2.3.2 Hai kỹ thuật tạo mơ hình .................................

41

2.3.2.1 Tạo mơ hình theo hướng liên tục

42

2.3.2.2 Tạo mơ hình theo hướng rời rạc

43

2.3.3 Nghệ thuật tạo mơ hình .................................

47

Hồn thiện bề mặt mơ hình (Texturing) ..........................................

2.4

48

2.4.1 Thêm tính chất bề mặt cho mơ hình (Texturing) ..............................

48

2.4.2 Kết xuất(Rendering) .................................

50

Chƣơng 3

CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM

52

3.1

Yêu cầu bài tốn .................................

52

3.2

Phân tích, lựa chọn cơng cụ .....................................................

52

3.3

Một số kết quả của chương trình thử nghiệm ..................................

54

3.4

Phân tích đánh giá kết quả ................................................................

57

Kết luận ........................................................................................

59

Tài liệu tham khảo ............................................................................

61

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

DANH MỤC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN
Thứ tự

Chú thích hình

Trang

Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3

Một hệ thống VR tại Viện Fraunhofer (CHLB Đức)
Ba đặc tính của VR
Các thành phần một VR

7
7
8

Hình 1.4

Cơng nghệ cho phép phục chế những di sản đang gặp nguy hiểm,
với bầu khơng khí và bối cảnh của các tịa nhà thuộc thời đại đó

11

Hình 1.5

Bảo tàng 3D ở gần cơng viên quốc gia Mures Floodplain
(Romania)

12

Hình 2.1

Hình 2.2

Đền Ngọc Sơn (bên hồ Hồn Kiếm) đƣợc tái hiện bằng cơng nghệ
thực tại ảo
Sơ đồ mơ phỏng hệ tiêu hóa của ngƣời
Thiết đồ cắt đứng dọc qua đầu và cổ thể hiện ống tiêu hóa

Hình 2.3
Hình 2.4

Cấu tạo của dạ dày
Cấu tạo của đại tràng

Hình 1.6

13
19
20
24
28

Hình 2.6
Hình 2.7

Từ trái sang phải là các thao tác dịch chuyển, xoay, co giãn, ứng
với mỗi trục toạ độ là một màu
Các khung nhìn khác nhau
Khung dựng của một quả bóng, đƣợc tạo ra sau bƣớc tạo mơ hình

Hình 2.8

Hình 2.9
Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12

Quả bóng sau khi đã qua bƣớc thể hiện
Điểm, cạnh, mặt
Các đối tƣợng nguyên thuỷ của Polygon
Các kiểu làm trơn cho Polygon
Minh họa tiến trình dựng một chiếc búa bằng mơ hình Polygon

32
34
35
36
36

Hình 2.13 Minh họa tiến trình dựng một chiếc búa bằng mơ hình Polygon
Hình 2.14 Mặt phẳng Nurbs và Polygon
Hình 2.15 So sánh số điểm điều khiển giữa mơ hình polygon và Nurbs

36
37
38

Hình 2.5

Hình 2.16
Hình 2.17
Hình 2.18

Hình 2.19
Hình 2.20

Tạo cốc từ đƣờng cong
Các đối tƣợng nguyên thủy của Nubrs
Minh hoạ một quá trình tạo một bàn tay bằng subdivision surface
Minh họa cách tạo bàn tay theo hƣớng liên tục
Minh họa cách tạo bàn tay theo hƣớng liên tục

Hình 2.21 Minh họa cách tạo bàn tay theo hƣớng liên tục
Hình 2.22 Minh họa cách tạo bàn tay theo hƣớng liên tục
Hình 2.23 Minh họa mơ hình ngƣời theo hƣớng rời rạc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

30
31
32

39
40
41
43
43
44
44
45

/>

Hình 2.24 Minh họa mơ hình ngƣời theo hƣớng rời rạc

45

Hình 2.25 Minh họa mơ hình ngƣời theo hƣớng rời rạc
Hình 2.26 Minh họa mơ hình ngƣời theo hƣớng rời rạc

45
46

Hình 2.27 Minh họa mơ hình ngƣời theo hƣớng rời rạc

46

Hình 2.28 Minh họa mơ hình ngƣời theo hƣớng rời rạc
Hình 2.29 Minh họa mơ hình ngƣời theo hƣớng rời rạc

46
47

Hình 2.30 Tạo khn mặt
Hình 2.31 Tạo các ngón tay

47
47

Hình 2.32 Tạo bàn tay

48

Hình 2.33 Tạo khơng gian

49

Hình 2.34 Texture 2D
Hình 2.35 Texture 3D

50
50

Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4

Các khung nhìn khác nhau trên 3DSMax
Mơ hình 3D miệng
Mơ hình 3D hầu, thực quản
Mơ hình 3D dạ dày

54
55
56
56

Hình 3.5

Mơ hình 3D ruột non, ruột già và ruột thừa

57

Hình 3.6 Mơ hình 3D hệ tiêu hóa hồn chỉnh
Hình 3.7-8 Xoay và quan sát đƣợc các góc nhìn của mơ hình 3D hệ tiêu hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

57
58

/>

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề

Trong thực tế hiện nay, ngành Y nói chung và các cơ sở đào tạo y khoa,
các viện nghiên cứu, bệnh viện trên toàn quốc nói riêng đang rất cần cơ thể
ngƣời thật (xác) để phục vụ cho công tác nghiên cứu, giải phẫu, thực tập các
thao tác nội soi,... và hơn ai hết, các thày thuốc và sinh viên ngành Y là những
ngƣời cảm nhận sâu sắc về giá trị thực tiễn khi đƣợc nghiên cứu, thực hành
phẫu thuật trên cơ thể ngƣời thật trong những ca mổ, các đề tài nghiên cứu y
khoa. Để có đƣợc xác ngƣời đạt u cầu thì chủ yếu đều từ nguồn hiến xác tự
nguyện là chính. Tuy nhiên, nguồn này cũng bị hạn chế bởi nhu cầu lớn của
hàng ngàn cơ sở y tế.
Trong những năm gần đây, sự phát triển của công nghệ đồ họa máy tính
đã làm thay đổi hồn tồn việc tƣơng tác giữa ngƣời và máy. Nhờ đó mà một
loạt các ứng dụng đồ họa máy tính ra đời, đáp ứng đƣợc nhiều nhu cầu của xã
hội. Cụ thể nhƣ trong các lĩnh vực : giải trí, y tế, xây dựng, văn hóa, quân sự...
Xuất phát từ tình hình thực tế nhƣ vậy, ngành Y cũng đang triệt để ứng dụng
công nghệ thông tin (CNTT) để phục vụ cho nhu cầu của ngành mình. Trên
thế giới hiện nay đã sử dụng những cơng nghệ mơ hình hóa cơ thể ngƣời thật

trên khơng gian 3 chiều ảo để phục vụ cho nghiên cứu, thực hành phẫu thuật
và những mục đích có liên quan. Với cơng nghệ mơ phỏng trên máy tính hiện
nay, cơ thể ngƣời đã đƣợc hiện thị nhiều chiều trong không gian ảo, hay còn
gọi là thực tại ảo (VR - Virtual Reality).
Đề tài xin đề xuất hƣớng nghiên cứu mơ hình hóa 3D trong thực tại ảo
cho một trong những thành phần cơ thể của con ngƣời theo lý thuyết xử lý
ảnh, các thuật toán kỹ thuật và ứng dụng vào mơ hình thực tế đƣợc xác định là
sẽ có ý nghĩa về lý thuyết và ứng dụng trong cuộc sống nói chung, cho ngành
Y nói riêng. Vì những lý do trên, tơi chọn đề tài :
"MƠ HÌNH HĨA 3D HỆ TIÊU HĨA TRONG THỰC TẠI ẢO"
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
2.1. Đối tượng

+ Đặc tả đối tƣợng hệ thống tiêu hóa của ngƣời trên cơng nghệ 3D
+ Các thuật tốn kỹ thuật và ứng dụng thử nghiệm
+ Nghiên cứu ứng dụng xử lý ảnh 3D cho đối tƣợng
2.2. Phạm vi nghiên cứu

+ Lý thuyết:
- Nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết xử lý ảnh
- Mơ hình hóa hệ thống tiêu hóa của ngƣời trên cơng nghệ 3D
- Phân tích, biểu diễn mơ hình
+ Thực nghiệm:
- Nghiên cứu mô phỏng 3D hệ thống tiêu hóa của ngƣời.
- Biểu diễn mơ hình
3. Hƣớng nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu lý thuyết, thu thập, phân tích các tài liệu có liên quan đến
đối tƣợng của đề tài.
- Nghiên cứu, xây dựng mơ hình 3D hệ tiêu hóa của ngƣời trong thực tại
ảo (VR).
- Đánh giá, quan sát và hiệu chỉnh đối tƣợng 3D theo nhiều góc nhìn,
phóng to thu nhỏ hệ tiêu hóa nhằm phục vụ cho các yêu cầu thực tế.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu tài liệu, đọc hiểu các kiến
thức cơ bản về kỹ thuật xử lý ảnh, về mơ hình khoa học về hệ thống tiêu hóa
của ngƣời.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu, phân tích và lựa
chọn giải pháp cơng nghệ biểu diễn mơ hình hóa ảnh 3D cho hệ thống tiêu
hóa của con ngƣời.
- Phương pháp trao đổi khoa học: Trao đổi hƣớng nghiên cứu với ngƣời
hƣớng dẫn, các đối tác có liên quan để đề xuất và giải quyết các nội dung luận
văn đề ra.
- Kết quả : Kiểm tra, thử nghiệm, biểu diễn và đánh giá kết quả.
5. Mục tiêu ý nghĩa khoa học của đề tài

- Xây dựng mơ hình hóa 3D (thực tại ảo) đối tƣợng là hệ tiêu hóa của
ngƣời dựa trên lý thuyết xử lý ảnh;
- Nghiên cứu, phân tích lựa chọn cung cấp chức năng mơ hình hóa đối
tƣợng 3D, thao tác trình diễn đối tƣợng trong môi trƣờng không gian 3D;

- Là cơ sở để giải quyết vấn đề biểu diễn đƣợc mơ hình 3D tồn bộ cơ
thể con ngƣời trên mơi trƣờng ảo có ý nghĩa về khoa học và ứng dụng trong
thực tế.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Chƣơng 1
KHAI QT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MƠ HÌNH HÓA 3D
1.1. KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO

1.1.1. Sơ lƣợc lịch sử hình thành và phát triển

Thực tại ảo (tiếng Anh là virtual reality, viết tắt là VR) hay còn gọi là
thực tế ảo là thuật ngữ miêu tả một mơi trƣờng mơ phỏng bằng máy tính. Đa
phần các mơi trƣờng thực tại ảo chủ yếu là hình ảnh hiển thị trên màn hình
máy tính hay thơng qua kính nhìn 3 chiều, tuy nhiên một vài mơ phỏng cũng
có thêm các loại giác quan khác khác nhƣ âm thanh hay xúc giác.
Công nghệ thực tại ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện khoảng đầu thập
kỷ 90, nhƣng thực sự phát triển mạnh trong vòng vài năm trở lại đây. Theo dự
đoán của Gartner (tổ chức nghiên cứu thị trƣờng tồn cầu), VR đứng đầu danh
sách 10 cơng nghệ chiến lƣợc năm 2009. Tại Mỹ và châu Âu thực tại ảo (VR)
đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng
rãi trong mọi lĩnh vực (nghiên cứu và công nghiệp, giáo dục và đào tạo, du
lịch, dịch vụ bất động sản, thƣơng mại và giải trí,..) và tiềm năng kinh tế,
cũng nhƣ tính lƣỡng dụng (trong dân dụng và quân sự) của nó.
Các nhà khoa học đã nghiên cứu VR từ nhiều năm nay và đã thừa nhận
VR là một cơng nghệ có tiềm năng ứng dụng vơ cùng lớn. Nhiều bài báo,
chƣơng trình giới thiệu truyền hình, hội thảo,... đã miêu tả VR theo nhiều

cách khác nhau về ứng dụng VR vào cuộc sống.
Các yêu cầu đối với một hệ thống VR : Vậy VR nhƣ thế nào ? Trƣớc hết
chúng ta hãy giải thích nó qua khía cạnh chức năng. VR là một hệ thống mơ
phỏng trong đó đồ họa máy tính đƣợc sử dụng để tạo ra một thế giới "nhƣ
thật". Hơn nữa, thế giới "nhân tạo" này không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay
đổi theo ý muốn (tín hiệu vào) của ngƣời sử dụng (nhờ hành động, lời nói,..).
Điều này xác định một đặc tính chính của VR, đó là tƣơng tác thời gian thực
(real-time interactivity). Thời gian thực ở đây có nghĩa là máy tính có khả


năng nhận biết đƣợc tín hiệu vào của ngƣời sử dụng và thay đổi ngay lập tức
thế giới ảo. Ngƣời 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. Điều này, chúng ta có thể
nhận thấy ngay khi quan sát trẻ nhỏ chơi Video game. Theo báo Bild (Đức),
có hai trẻ nhỏ ở Anh bị thu hút và mải mê chơi Nintendo đến nỗi ngay cả khi
nhà chúng đang bị cháy cũng không hề hay biết! Tƣơng tác và khả năng thu
hút của VR góp phần lớn vào cảm giác đắm chìm (immersion), cảm giác trở
thành một phần của hành động trên màn hình mà ngƣời sử dụng đang trải
nghiệm. Nhƣng VR còn đẩy cảm giác này "thật" hơn nữa nhờ tác động lên tất
cả các kênh cảm giác của con ngƣời. Trong thực tế, ngƣời dùng khơng những
nhìn thấy đối tƣợng đồ họa 3D nổi (nhƣ hình nổi ở trang cuối báo Hoa học trò
đã đăng trƣớc kia), điều khiển (xoay, di chuyển,..) đƣợc đối tƣợng trên màn
hình (nhƣ trong game), mà cịn sờ và cảm thấy chúng nhƣ 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 nhƣ ngửi (khứu giác), nếm (vị giác).
Tuy nhiên, hiện nay trong VR các cảm giác này cũng ít đƣợc sử dụng đến.
Từ các phân tích trên, chúng ta có thể thấy định nghĩa sau đây của C.
Burdea và P.Coiffet về VR là tƣơng đối chính xác: VR-Thực tại ảo là một hệ
thống giao diện cấp cao giữa Ngƣời sử dụng và Máy tính. Hệ thống này mơ
phỏng các sự vật và hiện tƣợng theo thời gian thực và tƣơng tác với ngƣời sử

dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác. Đó là ngũ giác gồm: thị giác, thính
giác, xúc giác, khứu giác, vị giác. Khái niệm này tƣơng đối sát thực tế, tuy
nhiên "trăm nghe không bằng một thấy", cho dù bạn có tƣởng tƣợng đến đâu
cũng chỉ có thể "hình dung" chứ khơng thể "cảm thấy" một VR. Theo ý kiến
của nhiều chuyên gia, mặc dù nghiên cứu lý thuyết nhiều về VR, nhƣng chỉ
tới khi họ đƣợc thực hành trực tiếp trong một CAVE (một hệ thống VR) thì
mới cảm nhận hết một thế giới VR kỳ diệu nhƣ thế nào. Hy vọng trong tƣơng
lai gần, tại Việt nam sẽ có một hệ thống VR đầy đủ để chúng ta có thể cảm
nhận đƣợc sự sáng tạo vĩ đại của con ngƣời.


Hình 1.1. Một hệ thống VR tại Viện Fraunhofer (CHLB Đức)

Nhƣ trên đã trình bày, 2 đặc tính chính của VR là Tƣơng tác và Đắm
chìm, đây là hai "I" (Interactive, Immersion) mà nhiều ngƣời đã biết. Tuy
nhiên VR cần có 1 đặc tính thứ 3 mà ít ngƣời để ý tới. VR không chỉ là một
hệ thống tƣơng tác Ngƣời- Máy tính, mà các ứng dụng của nó cịn liên quan
tới việc giải quyết các vấn đề thật trong kỹ thuật, y học, quân sự,... Các ứng
dụng này do các nhà phát triển VR thiết kế, điều này phụ thuộc rất nhiều vào
khả năng tƣởng tƣợng của con ngƣời, đó chính là đặc tính "I" (Imagination)
thứ 3 của VR. Do đó, có thể coi VR là tổng hợp của 3 yếu tố: Tƣơng tác-Đắm
chìm-Tƣởng tƣợng, (3 chữ I trong tiếng Anh: Interactive-ImmersionImagination) nhƣ trong hình sau thể hiện.

Hình 1.2. Ba đặc tính của VR


Tổng quát một VR bao gồm những 5 thành phần sau:

Hình 1.3. Các thành phần một VR

Trong nội dung này chỉ tập chung giới thiệu vào SW (phần mềm) và HW
(phần cứng), còn các thành phần khác: Mạng liên kết, Ngƣời dùng, Các ứng
dụng sẽ không đề cập.
Phần cứng (Hardware) của một VR bao gồm:
1. Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh).
2. Các thiết bị đầu vào (Input devices): 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 dị vị trí (position tracking) để xác định vị trí quan sát. Bộ giao
diện định vị (Navigation interfaces) để di chuyển vị trí ngƣời sử dụng.
Bộ giao diện cử chỉ (Gesture interfaces) nhƣ găng tay dữ liệu (data
glove) để ngƣời sử dụng có thể điều khiển đối tƣợng.
3. Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (nhƣ màn
hình, mũ đội đầu có màn hiển thị HDM,..) để nhìn đƣợc đối tƣợng 3D
nổi. Thiết bị âm thanh (loa) để nghe đƣợc âm thanh vòm (nhƣ Hi-Fi,
Surround,..). Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback nhƣ găng tay,..)
để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tƣợng. Bộ phản hồi xung lực (Force


Feedback) để tạo lực tác động nhƣ khi cƣỡi ngựa, đạp xe, đi đƣờng
xóc,...
Phần mềm (Software) ln là linh hồn của VR cũng nhƣ 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 tƣợng của VR. Ví dụ, nhƣ các ngơn ngữ (có
thể tìm miễn phí) OpenGL, C++, Java3D, VRML, X3D,... hay các phần mềm
thƣơng mại nhƣ WorldToolKit, PeopleShop,... Phần mềm của bất kỳ VR nào
cũng phải bảo đảm 2 cơng dụng chính: Tạo hình vào Mơ phỏng. Các đối
tƣợng của VR đƣợc mơ hình hóa nhờ chính phần mềm này hay chuyển sang
từ các mơ hình 3D (thiết kế nhờ các phần mềm CAD khác nhƣ 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 tƣợng.
Bộ giả lập thực tại (reality simulator) bao gồm hệ thống máy tính, phần
cứng ngoại vi, thiết bị đồ họa và các thiết bị đa phƣơng tiện cung cấp cho bộ
tác động những thông tin giác quan cần thiết đƣợc xem là trái tim của hệ
thống thực tế ảo. Chẳng hạn, trong hệ thống mô phỏng cabin lái máy bay, ơ
tơ, tàu biển… thì mơ hình cabin là “reality simulator”. Các thiết bị mô phỏng
hệ thống cabin tạo ra một mơi trƣờng ảo, trong đó ngƣời sử dụng điều khiển
thiết bị giả lập và nhận đƣợc cảm giác nhƣ khi thao tác ở mơi trƣờng thực tế.
Thí dụ nhƣ một ngƣời sử dụng VR và có cảm nhận nhƣ đang học lái xe với
các găng tay có cảm biến điều khiển thao tác lái xe bằng cách nhìn vào màn
hình nối với hệ thống máy tính mơ phỏng đặt ở xa. Ðây là một thí dụ về ứng
dụng VR để luyện tập lái xe. Khi nào cảm thấy thành thạo mới lái trong thực
tế, nhƣ vậy rất an toàn và thành công.
Công cụ quan trọng khác là mũ đội đầu có màn hiển thị (HMD- HeadMounted Display), mũ này có bộ ống nhịm vạn năng điều hƣớng (Boom Binocular Omni Orientation Monitor). Ngƣời sử dụng đội mũ, đeo kính đặc
biệt và qua ống nhịm nhìn trực tiếp lên màn hình của mũ đội đầu nối với máy


tính mơ phỏng, thấy rõ mơi trƣờng 3D. Khi quay đầu sẽ thấy môi trƣờng biến
động theo chiều quay nhƣ trong thực tiễn.
Bộ đôi găng tay dữ liệu sẽ tác động khi các ngón tay của ngƣời sử dụng
chạm vào các bộ cảm biến, ra các lệnh điều khiển các đối tƣợng trên màn hình
mơ phỏng. Cịn có nhiều cơng cụ tinh vi khác, tùy theo nhu cầu tác động lên
môi trƣờng VR, làm cho hoạt động hết sức phong phú.
Lịch sử phát triển của VR thực tế 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 nhƣ nhiều ngành công nghệ khác, VR chỉ
thực sự đƣợc 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). Ngày nay VR
đã trở thành một ngành công nghiệp và thị trƣờng VR tăng trƣởng hàng năm
khoảng 21% và dự tính đạt khoảng 3,4 tỷ $ năm 2005 (theo Machover, 2004).

=> Theo dự đoán của Gartner (tổ chức nghiên cứu thị trƣờng tồn cầu), VR
đứng đầu danh sách 10 cơng nghệ chiến lƣợc năm 2009 và là hƣớng lựa chọn
đầu tƣ phát triển tiềm năng của tƣơng lai.
1.1.2. Một số ứng dụng cơ bản của thực tại ảo

Tại các nƣớc phát triển, chúng ta có thể nhận thấy VR đƣợc 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- Thƣơng mại-dịch vụ. Y
học, du lịch là lĩnh vực ứng dụng truyền thống của VR. Bên cạnh đó VR cũng
đƣợc ứng dụng trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí, du lịch ảo (Virtual Tour),
bất động sản... Trong lĩnh vực quân sự, VR cũng đƣợc ứng dụng rất nhiều ở
các nƣớc phát triển. Bên cạnh các ứng dụng truyền thống ở trên, cũng có một
số ứng dụng mới nổi lên trong thời gian gần đây của VR nhƣ: VR ứng dụng
trong sản xuất, VR ứng dụng trong ngành rôbốt, VR ứng dụng trong hiển thị
thông tin (thăm dị dầu mỏ, hiển thị thơng tin khối, ứng dụng cho ngành du
lịch, ứng dụng cho thị trƣờng bất động sản....) VR có tiềm năng ứng dụng vơ


cùng lớn. Có thể nói tóm lại một điều: Mọi lĩnh vực "có thật " trong cuộc sống
đều có thể ứng dụng "thực tế ảo" để nghiên cứu và phát triển hồn thiện hơn.
1.2. MƠ HÌNH HĨA 3D TRONG THỰC TẠI ẢO

Hiện nay, thực tại ảo giúp các nhà nghiên cứu khoa học về lịch sử có thể
duy trì các di sản văn hóa, cụ thể nhƣ nhóm Miralab đã phát triển các mơ hình
thực tại ảo của hai thánh đƣờng Hồi giáo Thổ Nhĩ Kỳ thuộc niên đại
OTSman, thế kỷ 16, cho phép “du khách” vãn cảnh và khám phá tịa dinh thự
trong thời gian thực. Cả hai cơng trình này đều là di sản văn hóa thể giới tại
thành phố Istanbul của Thổ Nhĩ Kỳ. Lúc mới xây dựng, cùng vào thế kỷ 6,
thánh đƣờng Hagia Sofia vốn là một nhà thờ Thiên Chúa giáo, còn thánh
đƣờng Aya Sofya từng là nhà thờ thánh Sergius và Bacchus.

Hình 1.4. Công nghệ cho phép phục chế những di sản đang gặp nguy hiểm,
với bầu khơng khí và bối cảnh của các tịa nhà thuộc thời đại đó.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng sơ đồ kiến trúc, cùng những bức ảnh và
video độ phân giải cao để tạo nên hình mẫu ảo của các thánh đƣờng. Cùng với
các tòa nhà, họ cịn tạo ra những nhân vật ảo, trong đó có cả một thầy tế, để
mơ phỏng những buổi hành lễ vào thứ sáu hàng tuần của kỷ nguyên OTSman.
Ngƣời xem có thể dùng chuột để khảo sát những mơ hình này trong thời gian
thực, zoom sát lại để nhìn ngắm chi tiết của các bức tranh khảm trên tƣờng
hoặc lùi ra xa để quan sát toàn cảnh nội thất tòa thánh đƣờng.
Từng chi tiết nhỏ nhƣ đồ nội thất, màu sắc và kết cấu của các cơng trình
đều đƣợc tạo hình trung thực với lịch sử. Thêm vào đó, khung cảnh, ánh sáng
và âm thanh cũng thay đổi theo vị trí của con trỏ.
Mục đích của dự án là cung cấp một lựa chọn mới thay cho những tấm
ảnh hoặc sơ đồ của các vật tạo tác, đồng thời giúp những ngƣời muốn tìm


hiểu lịch sử đƣợc đắm chìm trong khơng khí của quá khứ. Nedjma CadiYazli, thành viên nhóm nghiên cứu Miralab nhận xét: "Công nghệ này cho
phép phục chế những di sản đang gặp nguy hiểm, với bầu khơng khí và bối
cảnh của các tịa nhà thuộc thời đại đó. Chúng tôi đang cố gắng tạo ra ấn
tƣợng về sự du hành ngƣợc thời gian... Những minh họa này, đƣợc thể hiện
với hình ảnh ba chiều và âm thanh nổi trên màn hình lớn, sẽ giúp ngƣời xem
cảm thấy nhƣ mình đang ở trong tịa nhà”.
Nhóm Miralab cho biết, cơng trình của họ đƣa ra đƣợc phƣơng thức
chiêm nghiệm quá khứ với công nghệ thực tại ảo, trong khi việc phục chế
hồn tồn các di tích sẽ rất tốn kém, mất nhiều thời gian hoặc không thực tế.
Kiến trúc sƣ Claudiu Ionescu ngƣời Romania đã thực hiện thành công bảo
tàng ảo 3D ở gần công viên quốc gia Mures Floodplain tại thị trấn Pecica.

Hình 1.5. Bảo tàng 3D ở gần cơng viên quốc gia Mures Floodplain (Romania).

Bảo tàng 3D này thoạt trơng nhƣ một nhà thờ. Ngồi kiến trúc bất
thƣờng, bảo tàng cịn là nơi hội tụ những cơng nghệ 3D mới nhất, cho phép
khách đến tham quan có thể truy cập vào nhiều bảo tàng trên thế giới và ngắm
hầu hết hiện vật đƣợc trƣng bày trong đó.
Tạp chí Gizmag dẫn lời Claudiu Ionescu cho biết đó là một bảo tàng kỹ
thuật số, ngƣời dùng có thể truy cập vào bất kỳ bảo tàng thật nào trên thế


giới, trải qua thử nghiệm thú vị với các màn hình cảm ứng 45 inch. Chỉ với
diện tích khiêm tốn 125m2 nhƣng nhờ kỹ thuật số dễ dàng chuyển hình hiển
thị nên khách tham quan có thể ngắm đồ vật khắp nơi. Phần thân chính của
bảo tàng bằng bê tơng cốt thép, mặt tiền làm bằng nhôm, mái nhà lợp thêm
các tế bào quang năng để cung cấp năng lƣợng, tốn 160.500 USD và chỉ làm
trong 5 tháng.
Tại Việt Nam, công tác hồi sinh thành Thăng Long bằng công nghệ thực
tại ảo, chỉ cần nhấn chuột vài lần là ngƣời xem có thể zoom sát lại để ngắm
các chi tiết của đền Ngọc Sơn - một di tích lịch sử quan trọng ở Hà Nội, xem
các bức tranh khảm trên tƣờng, đồng thời cũng có thể lùi ra xa để quan sát
tồn bộ khn viên đền.

Hình 1.6. Đền Ngọc Sơn (bên hồ Hồn Kiếm) đƣợc tái hiện
bằng cơng nghệ thực tại ảo. (Ảnh: SGGP)

Đây chỉ là một ví dụ trong dự án hồi sinh thành Thăng Long bằng công
nghệ thực tại ảo, do nhóm chun gia cơng nghệ thơng tin ở Hà Nội với 12
thanh niên còn rất trẻ thực hiện. Kỹ sƣ Nguyễn Văn Trƣờng, thuộc Trung tâm
Công nghệ mô phỏng, Học viện Kỹ thuật quân sự, 1 trong 4 “hạt nhân” của
nhóm cho biết: “Chúng tơi đã bước đầu xây dựng được Chương trình sử dụng

cơng nghệ thực tại ảo để tái hiện lại hình ảnh của các di tích lịch sử tại Hà
Nội. Cơng nghệ thực tại ảo hiện đang phát triển trên thế giới và đã được ứng
dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau”. Từng chi tiết nhỏ nhƣ đồ nội thất, màu
sắc và kết cấu của các cơng trình đều đƣợc tạo hình trung thực với lịch sử.
Khung cảnh, ánh sáng và âm thanh cũng thay đổi theo vị trí quan sát... Một
thành viên của nhóm cho biết: “Chương trình mà nhóm nghiên cứu đang nỗ


lực xây dựng sẽ giúp cho người xem tương tác với di tích với cảm giác hết sức
sống động. Họ khơng chỉ được cung cấp thơng tin về di tích, mà cịn có được
rất nhiều cảm xúc “sống thực trong khơng gian ảo”. Đó là hiệu ứng của cơng
nghệ số, là điều hết sức thú vị cho khách tham quan”.
Tại nhiều nƣớc trong khu vực nhƣ Nhật Bản, Thái Lan..., công nghệ thực
tại ảo đã đem lại hiệu quả rất lớn trong công tác bảo tồn và phục chế các di
sản kiến trúc. Tuy nhiên, với nhóm nghiên cứu trẻ này của Việt Nam, hiện tại,
do nhiều hạn chế về kiến thức lịch sử, nhân lực, kinh phí... nên nhóm mới chỉ
thu thập đƣợc những thông tin về hiện trạng, mà chƣa có đƣợc những thơng
tin đầy đủ về lịch sử hình thành và tồn tại của các di tích để hoàn thiện với
mục tiêu của đề án.
Với một hệ thống thực tế ảo thì tính tƣơng tác, các đồ họa 3 chiều thời
gian thực và cảm giác đắm chìm đƣợc xem là các đặc tính then chốt.
Tƣơng tác thời gian thực (real-time interactivity): có nghĩa là máy tính
có khả năng nhận biết đƣợc tín hiệu vào của ngƣời sử dụng và thay đổi ngay
lập tức thế giới ảo. Ngƣời 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.
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 thông tin từ ngƣời sử
dụng hệ thống thực tế ảo. Ngƣời 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. Ngƣời dùng khơng những nhìn thấy đối

tƣợng đồ họa 3D, điều khiển (xoay, di chuyển..) đƣợc đối tƣợng mà còn sờ và
cảm thấy chúng nhƣ có thật. Các nhà nghiên cứu cũng đang tìm cách tạo
những cảm giác khác nhƣ ngửi, nếm trong thế giới ảo.
Tính tƣơng tác: có hai khía cạnh của tính tƣơng tác trong một thế giới ảo:
sự du hành bên trong thế giới và động lực học của môi trƣờng. Sự du hành là
khả năng của ngƣời dùng để di chuyển khắp nơi một cách độc lập, cứ nhƣ là
đang ở bên trong một môi trƣờng 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 đƣợc nhiều mức độ tự do khác nhau (Ngƣời sử dụng có thể bay,
xuyên tƣờng, đi lại khắp nơi hoặc bơi lặn…). Một khía cạnh khác của sự du
hành là sự định vị điểm nhìn của ngƣời dùng. Sự kiểm sốt điểm nhìn là việc
ngƣời sử dụng tự theo dõi chính họ từ một khoảng cách, việc quan sát cảnh
tƣợng thông qua đôi mắt của một con ngƣời khác, hoặc di chuyển khắp trong
thiết kế của một cao ốc mới nhƣ thể đang ngồi trong một chiếc ghế đẩy…
Động lực học của môi trƣờng là những quy tắc về cách thức mà ngƣời, vật và
mọi thứ tƣơng tác với nhau trong một trật tự để trao đổi năng lƣợng hoặc
thông tin.
VR không chỉ là một hệ thống tƣơng tác giữa ngƣời và máy tính, mà các
ứng dụng của nó cịn liên quan tới việc giải quyết các vấn đề thật trong kỹ
thuật, y học, quân sự,... Các ứng dụng này do các nhà phát triển VR thiết kế
và điều này phụ thuộc rất nhiều vào khả năng tƣởng tƣợng của con ngƣời để
tạo ra một hệ thống thực tế ảo hoàn chỉnh. Từ sự tƣởng tƣợng thông minh,
phong phú ấy nhà thiết kế mới có thể đƣa ra các đồ họa ba chiều thời gian
thực chính xác, bắt mắt, gây ấn tƣợng và tạo ra sự đắm chìm với ngƣời sử
dụng. VR có tiềm năng ứng dụng vơ cùng to lớn và những ứng dụng đó phụ
thuộc rất nhiều vào khả năng tƣởng tƣợng của con
ngƣời.
Từ "Ảo đến Thực", tại các nƣớc phát triển

nhƣ Mỹ và châu Âu, VR đã và đang trở thành một
công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng
rãi trong mọi lĩnh vực: khoa học kỹ thuật, kiến
trúc, quân sự, giải trí, giáo dục, thƣơng mại, y học,
sản xuất… Với một máy tính cài phần mềm xem
thực tại ảo, các kiến trúc sƣ có thể giúp khách
hàng của mình nhìn ngắm bên ngồi, xem xét bên
trong ngơi nhà mà họ... sắp xây. Khách hàng cịn có thể tải thử các loại đồ nội
thất ảo từ của một nhà cung cấp về bố trí trong nhà ảo xem có ƣng ý hay


khơng. Các bác sĩ có thể thử nghiệm phẫu thuật trên những bệnh nhân mô
phỏng, vừa nâng cao tay nghề, vừa giảm nguy hiểm cho ngƣời bệnh. Giới
quân sự sử dụng công nghệ VR để mô phỏng chiến địa, tạo các thiết bị và môi
trƣờng ảo giúp tập bắn, tập lái xe tăng, lái máy bay, nhảy dù... Các công ty du
lịch có thể cho khách xem trƣớc khách sạn và một phần quang cảnh địa
phƣơng nơi khách sắp đến du lịch. Một số ứng dụng thực tế ảo thể hiện các
hiệu ứng khó có thể đạt đƣợc trong những điều kiện thông thƣờng nhƣ việc
thể hiện các vụ thử hạt nhân, các thí nghiệm khoa học, các hệ thống điều
khiển không lƣu… Tại nhiều nƣớc trong khu vực nhƣ Nhật Bản, Thái Lan…
VR đã đem lại hiệu quả rất lớn trong công tác bảo tồn và phục chế các di sản
kiến trúc.
Ứng dụng nhiều triển vọng khác của thực tế ảo là điều trị các chứng sợ,
nhƣ sợ nói trƣớc đám đông, sợ đi máy bay, sợ độ cao, côn trùng… bằng cách
cho bệnh nhân tiếp xúc trực tiếp qua mơ hình đồ họa của vật hay sự cố mà họ
sợ hãi. Chẳng hạn nhƣ “thế giới nhện” là chƣơng trình đƣợc thiết kế để giúp
bệnh nhân trị chứng bệnh sợ nhện. Với chƣơng trình này, bệnh nhân có thể
điều khiển bàn tay ảo, dần dần tiếp cận và làm quen với nhện. Mục đích cuối
cùng là giúp bệnh nhân có cảm giác cầm đƣợc một con nhện mà trƣớc đó họ
rất sợ hãi nhƣng thật ra họ cầm một con nhện (ảo) trong bàn tay (ảo). Có thể

nói khơng q lời rằng với những ngƣời đó, thực tế ảo đã trở thành một liệu
pháp điều trị mang tính cứu giúp họ.
Một chuyến đi thực tế thông qua môi trƣờng ảo rõ ràng là thú vị, đó là
một trong những lý do của VR đang đƣợc khai thác tiềm năng trong các
ngành cơng nghiệp giải trí. Tại Nhật Bản, ngƣời ta đã xây dựng những “phòng
trƣợt tuyết ảo”. Tới đó, ngƣời chơi khơng chỉ đƣợc trƣợt tuyết thỏa thích mà
còn tha hồ lựa chọn những bãi tuyết đẹp trên thế giới.
Kết luận : Trên thực tế hiện nay, công nghệ VR đang phá vỡ những
mảng tƣờng chắn giữa thế giới thực và thế giới tƣởng tƣợng. Mặc dù, trong
thời điểm hiện tại, chi phí để phát triển và đƣa thiết bị, dịch vụ VR đến ngƣời
dùng còn cao, nhƣng tiềm năng ứng dụng của nó thật khó có thể bỏ qua. Có


thể tóm lại một điều: mọi lĩnh vực “có thật “trong cuộc sống đều có thể ứng
dụng “thực tế ảo” để nghiên cứu và phát triển hoàn thiện hơn.


Chƣơng 2
MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG MƠ HÌNH HĨA 3D HỆ TIÊU HĨA
2.1. HỆ TIÊU HĨA

2.1.1. Mơ tả cấu tạo hệ tiêu hóa của ngƣời

Hệ tiêu hóa là hệ thống các cơ quan của động vật đa bào nói chung và
của ngƣời nói riêng, với nhiệm vụ ăn, tiêu hóa thức ăn để tách lấy năng lƣợng
và dinh dƣỡng, và đẩy các chất thải cịn lại ra ngồi. Thức ăn đƣợc đƣa vào
đƣờng tiêu hóa và trải qua sự tiêu hố, là q trình phân hủy những phân tử
lớn thức ăn thành những phân tử nhỏ hơn. Tuy nhiên, những phân tử dinh
dƣỡng nhỏ phải rời khỏi hệ tiêu hóa và đi vào cơ thể ngay trƣớc khi chúng có
thể đƣợc sử dụng. Điều này đƣợc hoàn thành bằng quá trình thứ hai đƣợc gọi

là sự hấp thu, khi các phân tử thức ăn đi qua các màng huyết tƣơng của ruột
non vào máu. Q trình tiêu hóa xảy ra trong đƣờng tiêu hóa hoặc ống tiêu
hố, trải dài từ miệng đến hậu mơn.
Hệ tiêu hóa đƣợc chia thành từng phần, với mỗi phần thích nghi với từng
chức năng riêng. Ống tiêu hóa: miệng, hầu, thực quản, dạ dày, ruột non, ruột
già, trực tràng, ống hậu môn và hậu môn. Những cấu trúc phối
hợp: răng, môi, má, lƣỡi, tuyến nƣớc bọt, tuỵ, gan và túi mật.
Những thành phần của đƣờng tiêu hóa có các chức năng chuyên biệt,
nhƣng tất cả đều đƣợc tạo bằng cùng những lớp mô cơ bản giống nhau. Thành
của ống từ trong ra ngoài: niêm mạc, dƣới niêm mạc, lớp cơ và lớp thanh
mạc.
2.1.2. Mô phỏng cấu tạo hệ tiêu hóa của ngƣời

Sơ đồ mơ phỏng hệ tiêu hóa của ngƣời :


Hình 2.1. Sơ đồ mơ phỏng hệ tiêu hóa của ngƣời.

2.1.2.1. Mơ tả chung hệ tiêu hóa :
a) Cấu tạo:
Hệ tiêu hóa của ngƣời gồm hệ thống ống tiêu hóa và các tuyến tiêu hóa: