Tài liệu 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại lớp Cao học khóa 12 chuyên ngành Khoa học máy tính tại Trƣờng Công nghệ thông tin – Truyền thông Đại học Thái Nguyên, tôi đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong Trƣờng 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 Trƣờng 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 hƣớng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp và ngƣời 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 đƣợc 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 đƣợc hoàn thiện hơn. Tôi xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 11 tháng 6 năm 2015 Đặng Quang Phúc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do tôi tự sƣu tầm, tra cứu và sắp xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu của đề tài. Nội dung luận văn này chƣa từng đƣợc công bố hay xuất bản dƣới bất kỳ hình thức nào và cũng không đƣợc 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 thƣ viện chuẩn và các thuật toán đƣợc 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 Ngƣời cam đoan Đặng Quang Phúc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v 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 Chƣơng 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 lƣợc 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. Hƣớng giải quyết bài toán .......................................................................12 Chƣơng 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. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng chuyển động .....................................................26 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi 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 phƣơng pháp trung bình ...................................42 2.4. Kỹ thuật phỏng cử chỉ múa theo các điểm điều khiển........................................ 42 2.4.1. Xƣơng, khung xƣơng là gì? .....................................................................42 2.4.2. Tạo khung xƣơng cho đối tƣợng .............................................................42 2.5. Các kỹ thuật điều khiển chuyển động của xƣơng ................................................ 45 2.5.1. Kỹ thuật điều khiển tiến FK (forward kinematics) ..................................46 2.5.2. Kỹ thuật điều khiển ngƣợc IK (inverse kinematics) ................................ 47 2.5.3. Phƣơng pháp heuristic của FABRIK. [14] [15].......................................54 Chƣơng 3. CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM ........................................................68 3.1. Mục đích và yêu cầu bài toán .................................................................................. 68 3.1.1. Thực trạng giảng dạy chuyên ngành Múa trƣờng 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 đƣợc ........................................................................................... 70 3.3.1. Giao diện của chƣơng trình .....................................................................70 3.3.2. Một số kết quả đạt đƣợc ..........................................................................71 3.3. Một số đánh giá nhận xét ......................................................................................... 74 KẾT LUẬN ...............................................................................................................75 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................76 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 ngƣợc 6 HW Hardware Phần cứng 7 SW Software Phần Mềm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii 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 đƣờng 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 bƣớc .........................................................................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 trƣng 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 ƣớc lƣợng 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 phƣơng pháp lặp của fabrik cho trƣờng hợp điều khiển một cấu trúc có 4 khớp nối và một điểm đích t duy nhất. ................................................... 55 Hình 2.20: Một ví dụ minh họa một cấu trúc Có nhiều end effector và nhiều sub-base .. 60 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ix Hình 2.21: một đồ thị minh họa việc cài đặt các rang buộc và miêu tả giới hạn các phép quay bất thƣờng. ............................................................................................... 62 Hình 2.22: các ràng buộc về hƣớng quay và góc quay đƣợc 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 chƣơng trình nội suy ...........................................................70 Hình 3.6: kết quả nội suy ảnh điệu múa bắt ..............................................................72 Hình 3.7: hình ảnh nhận đƣợc từ phép thay thế ảnh .................................................73 Hình 3.8: kết quả thu đƣợc nội suy ảnh ....................................................................73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 MỞ ĐẦU Nghệ thuật múa Việt Nam từ khi hình thành đã mang dấu ấn của cƣ 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 thƣờng đi vào múa đƣợc cách điệu hay đúng hơn là nghệ thuật hoá bằng tài năng của ngƣời 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, đƣợc thể hiện rõ nét qua điệu múa, vì nó không phải là sự diễn tấu của một ngƣời mà là hoạt động của một nhóm ngƣời 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 trƣớc kia, nay đã có khả năng phát triển và đã đạt đƣợc 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 phƣơng tiện hiện đại để xây dựng một thế giới mô phỏng bằng máy tính – môi trƣờng ảo (Virtual Environment). Trong thế giới ảo, ngƣời sử dụng không còn đƣợc xem nhƣ ngƣời quan sát bên ngoài mà đã thực sự trở thành một phần của hệ thống. [3] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 Mặc dù khái niệm về thực tại ảo đã xuất hiện từ khá lâu nhƣng do nhiều lý do về mặt công nghệ, phải mất nhiều thời gian và nỗ lực để Thực tại ảo có đƣợc những thành tựu nhƣ 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 tƣợng. Việc tạo chuyển động của đối tƣợng góp phần không nhỏ vào việc làm cho hệ thống trở nên sinh động và giống thực hơn. Nhƣng việc điều khiển và tạo chúng sao cho chân thật, tự nhiên lại là một vấn đề phức tạp. Công việc này đòi hỏi ngƣời tạo chuyển động nắm rõ đối tƣợng 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 Chƣơng 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 tƣơng tác với máy tính đƣợc thực hiện thông qua các thiết bị nhƣ 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 phƣơng pháp này giao tiếp mới đƣợc phát triển cho phép ngƣời sử dụng tƣơng 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 phƣơng tiện để xây dựng một thế giới mô phỏng (môi trƣờng ảo) bằng máy vi tính để đƣa ngƣời ta vào một thế giới nhân tạo với không gian nhƣ thật. Ngƣời sử dụng không còn đƣợc xem nhƣ ngƣời 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 ngƣời sử dụng (nhờ hành động, lời nói,...). Ngƣời 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. Ngƣợc lại, môi trƣờng ảo lại có những phản ứng tƣơng ứng với mỗi hành động của ngƣời sử dụng, tác động vào các giác quan nhƣ thị giác, thính giác, xúc giác của ngƣời sử dụng trong thời gian thực và tuân theo quy tác vật lý tự nhiên, làm con ngƣời ta cảm giác nhƣ đang tồn tại trong thế giới thực. Mục tiêu này là đƣa 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, phƣơng pháp và công cụ phần mềm phổ biến tạo ra mô hình VR. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 1.1.1. Sơ lược lịch sử phát triển Mặc dù Thực tại ảo đƣợc mô tả nhƣ một công nghệ mới mang tính cách mạng, nhƣng ý tƣởng về việc những ngƣời sử dụng vào một môi trƣờng nhân tạo đã ra đời từ rất sớm. Thực tại ảo có thể xem nhƣ một sự tiếp nối của ý tƣởng đã lâu nhƣ hệ thống mô phỏng bay (Flight Simulation), rạp chiếu phim màn ảnh rộng nhƣ (Cinerama hay IMAX), sử dụng các hệ thống nhƣ vậy, ngƣời ta quan sát các hình ảnh sống động ngay trƣớc 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 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) ngƣời 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 ngƣời sử dụng. Bộ giao diện cử chỉ nhƣ găng tay dữ liệu (để ngƣời sử dụng có thể điều khiển đối tƣợng…) - Các thiết bị đầu ra: Gồm hiển thị đồ họa (màn hình, mũ đội đầu có màn hiển thị) để nhìn đƣợc đối tƣợng 3D; thiết bị âm thanh (loa) để nghe đƣợc âm thanh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 5 vòm (nhƣ Hi-Fi, surround,...); bộ phản hồi cảm giác (găng tay) để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tƣợng; bộ phản hồi xung lực để tạo lực tác động nhƣ khi cƣỡi ngựa, khi lái xe… + SW (phần mềm): Phần mềm luôn là linh hồn của VR cũng nhƣ 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 tƣợng của VR. Ví dụ nhƣ các ngôn 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 công dụng chính: tạo hình và mô phỏng. Các đối tƣợng của VR đƣợc mô hình hóa nhờ chính phần mềm này hay chuyển sang từ các mô hình 3D (thiết kế nhờ các phần mềm CAD khác nhƣ 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 tƣợng. [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, nhƣng 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 đƣợc những thành tịu nhƣ 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 hƣớng phát triển mạnh mẽ nhất trong thời gian gần đây. a. Giải trí Giải trí hiện nay, đây là ngành đạt đƣợc 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 ngƣời ta đã có thể xây dựng các bộ phim 3D. Khi xem các phim này các bạn sẽ có cảm giác nhƣ 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 nhƣ đang thực sự tham gia vào một vai diễn mà bạn đảm nhiệm trong trò chơi. Số lƣợng ngƣời bị cuốn hút Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 6 theo các trò chơi nhƣ vậy. Đặc biệt là giới trẻ tăng theo cấp số nhân, đánh dấu tiềm năng thƣơng 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 đƣợc AMD giới thiệu gọi là LiquidVR - một bộ các công nghệ ảo hóa hƣớng 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 đƣợc đối với ngƣời phát triển (lập trình viên, đồ họa viên…) thì nó còn mang lại khả năng tƣơng 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 bƣớc 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 tƣơng tác thực tế. Trong thế giới Thực tế ảo, các chi tiết đƣợc trình chiếu đều đƣợc giả lập lại và đƣợc làm cho giống thật nhất không chỉ về những gì hiển thị mà còn là những cử động khác. Để có thể phát triển đƣợc 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 tƣơng tác với ngƣời dùng cuối. Nói cách khác, để ra mắt đƣợc các ứng dụng thực tế ảo thành công hay hấp dẫn thì cần hai yếu tố chính là khả năng tƣơng 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 nhƣ 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] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 tƣơng tác ba chiều là mô hình sinh thể ảo cho phép ngƣời sử dụng thực hiện các thao tác giải phẫu thông qua các dụng cụ giải phẫu ảo; Khối giao diện ngƣời dùng hai chiều cung cấp những thông tin phản hồi trực quan từ mô hình trong quá trình giải phẫu cũng nhƣ những thông tin hƣớng dẫn trong phiên đào tạo. Hình 1.3: Ứng dụng công nghệ VR trong đào tạo phẫu thuật ảo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 8 Phƣơng pháp đào tạo có tính tƣơng tác cao này mang nhiều ƣu điểm so với các phƣơng pháp truyền thống nhƣ thực hành trên mô hình plastic hay trên bệnh nhân thực. Thứ nhất, khác với phƣơng 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 nhƣ một sinh thể sống thực, chẳng hạn nhƣ 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 thƣơng tổn thực trên cơ thể ngƣời 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. Phƣơng 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 trƣớc 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 vƣợt trội. Cho ngƣời sử dụng cảm nhận sự hiện diện của mình trong môi trƣờng do máy tính tạo ra bằng khả năng tƣơng tác, tự trị (Autonomy) của ngƣời dùng trong môi trƣờng ảo, cũng nhƣ bằng những phản hồi tức thời, trực quan từ phía môi trƣờng ảo tới các giác quan của ngƣời sử dụng. Vì vậy Thực tại ảo đã đang trở thành một công cụ hữu hiệu trong giáo dục, đặc biệt là một phƣơng 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 nhƣ: 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 sƣ nhận các phản hồi từ sinh viên về nội dung bài giảng trên lớp. Hệ thống thực tế ảo (AR) với màn hình gắn trƣớc mắt cho phép một giảng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 sƣ Telmo Zarraonandia của Đại học Carlos III tại Madrid. Chỉ bằng cách nhìn vào biểu tƣợng hiển thị trên đầu mỗi sinh viên, giáo sƣ đứng lớp có thể nắm đƣợc tình hình tổng quan và hiểu đƣợc thông điệp của từng ngƣời. Hệ thống cũng cung cấp cho sinh viên một phƣơng thức giao tiếp mới, cho phép họ giữ liên lạc với giáo sƣ ngay tức thời và hết sức riêng tƣ mà không phải làm gián đoạn cả lớp học. Phát biểu trong thông cáo báo chí của trƣờng đại học, nhà khoa học máy tính Ignacio Aedo cho hay kênh liên lạc sẽ giúp sinh viên vƣợt qua những vấn đề thƣờng gặp trong giao tiếp với giáo sƣ, nhƣ quá nhút nhát hoặc e ngại phải nói chuyện trƣớc 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 đƣợc nâng cao, làm tăng sự hứng thú trong học tập cũng nhƣ khả năng ghi nhớ các khái niệm quan trọng trong bài giảng. Từ đó, học viên nắm bắt đƣợc nhanh chóng và có ý thức hơn với những tình huống đã đƣợc học. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 dƣờng nhƣ đáp ứng một cách tự nhiên mục tiêu của ngành thiết kế kiến trúc, đƣa ra mô hình trực quan nhất có thể về hình ảnh công trình mong muốn trong tƣơng 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 tƣờng, cùng với khả năng cho phép khách hàng tự do thăm quan, khảo sát căn hộ của họ trong tƣơng 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 tƣợng của cuộc sống. Nguồn gốc của nghệ thuật múa chính là những hành động của con ngƣời 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 đƣợc gọi bằng các tên khác nhau nhƣ: nhảy, múa, khiêu vũ… trong đó khiêu vũ thƣờng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 11 hƣớng đến dùng hoạt động cơ thể để diễn đạt theo âm nhạc nhằm chuyển tải những nội dung, tình cảm, suy nghĩ và ý tƣởng. Vậy mô phỏng cử chỉ múa là mô tả, biểu diễn một đối tƣợng trong thế giới thực bao gồm hình dạng bề mặt và hoạt động của đối tƣợng. Ví dụ nhƣ chi tiết các cơ quan, bộ phận trên cơ thể con ngƣời 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 nhƣ thực trên máy tính. Từ đó giúp con ngƣời có thể quan sát các sự vật, hiện tƣợng 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 trƣớc đây chỉ có thể quan sát thông qua những tranh ảnh đƣợc chụp ở nhiều góc độ khác nhau. Phần mềm mô phỏng có thể giúp giải thích rõ ràng hơn các bƣớc, 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 thƣớc, vận tốc … cho các animation (đối tƣợng) và cho chúng chuyển động tự nhiên hoặc tuân theo một quy luật nào đó để tạo thành các hiệu ứng 3D trong môi trƣờng Thực tại ảo. Các hiệu ứng animation đƣợc tạo ra nhằm miêu tả các Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/