Tài liệu Billboard và giả lập mô hình 3D trong thực tại ảo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Trần Trung Billboard và giả lập mô hình 3D trong thực tại ảo LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2007 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Trần Trung Billboard và giả lập mô hình 3D trong thực tại ảo Ngành: Mã số: Công Nghệ Thông tin 60.48.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Đỗ Năng Toàn Hà Nội - 2007 1 LỜI CAM ĐOAN Nội dung luận văn này chưa từng được công bố hay xuất bản dưới bất kỳ hình thức nào và cũng không được sao chép từ bất kỳ một công trình nghiên cứu nào. Tất cả phần mã nguồn của chương trình đều do tôi tự thiết kế và xây dựng, trong đó có sử dụng một số thư viện chuẩn và các thuật toán được các tác giả xuất bản công khai và miễn phí trên mạng Internet. Nếu sai tôi xin tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà nội, ngày 15 tháng 9 năm 2008 Người cam đoan Nguyễn Trần Trung 2 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn này, em luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy giáo, PGS. TS. Đỗ Năng Toàn, Viện Công nghệ Thông tin thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam là cán bộ trực tiếp hướng dẫn khoa học cho em. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó. Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong khoa Công nghệ thông tin và các cán bộ, nhân viên các phòng Đào tạo Sau đại học, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã luôn nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho em trong suốt quá trình học tập tại trường. Xin chân thành cảm ơn các anh, các chị và các bạn học viên lớp Cao học K12T2 - trường Đại học Công nghệ thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội đã luôn động viên, giúp đỡ và nhiệt tình chia sẻ với tôi những kinh nghiệm học tập, công tác trong suốt khoá học. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các vị lãnh đạo và các bạn đồng nghiệp tại trường Đại học Dân lập Hải Phòng đã luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành tốt đẹp khoá học Cao học này. Hà Nội, ngày 15 tháng 9 năm 2008 Nguyễn Trần Trung 3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ 1 LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... 2 MỤC LỤC ..................................................................................................... 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................. 4 PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................. 5 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ ĐỒ HỌA 3D .............. 7 1.1. Thực tại ảo và ứng dụng........................................................................... 7 1.1.1. Thực tại ảo là gì? .................................................................................................... 7 1.1.2. Sơ lƣợc lịch sử phát triển ..................................................................................... 10 1.1.3. Các ứng dụng cơ bản của Thực tại ảo ................................................................ 11 1.1.3.1. Kiến trúc và thiết kế thiết bị công nghệ ........................................................... 11 1.1.3.2. Giải trí .............................................................................................................. 13 1.1.3.3. Giáo dục và Đào tạo ........................................................................................ 14 1.1.3.4. Y học ............................................................................................................... 15 1.2. Biểu diễn mô hình 3D ............................................................................. 17 1.2.1. Sơ lƣợc về quy trình hiển thị ............................................................................... 17 1.2.2. Mô hình khung nối kết (Wireframe Model) ....................................................... 19 1.2.2.1. Khái niệm ........................................................................................................ 19 1.2.2.2. Biểu diễn các vật thể ba chiều bằng mô hình khung nối kết ........................... 19 1.2.2.3. Vẽ các đối tượng theo mô hình khung nối kết bằng cách sử dụng các phép chiếu ............................................................................................................................. 21 1.2.3. Biểu diễn đối tƣợng ba chiều ............................................................................... 27 1.2.3.1. Biểu diễn mặt đa giác ...................................................................................... 28 1.3. Tổng quan về Billboard .......................................................................... 35 CHƢƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT TẠO LẬP BILLBOARD .......................... 37 2.1. Các kỹ thuật billboard trụ ..................................................................... 37 2.1.1. Kỹ thuật giả billboard trụ .................................................................................... 37 2.1.2. Billboard trụ thực sự ............................................................................................ 41 2.1.3. Ƣu điểm và những hạn chế của phƣơng pháp billboard trụ ............................ 45 2.2. Các kỹ thuật billboard cầu..................................................................... 46 2.2.1. Kỹ thuật giả billboard cầu ................................................................................... 46 2.2.2. Billboard cầu thực sự ........................................................................................... 51 2.2.3. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của phƣơng pháp billboard cầu ................................ 54 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG BILLBOARD TRONG GIẢ LẬP ĐỐI TƢỢNG 3D ................................................................................................... 56 3.1. Mô tả ứng dụng ....................................................................................... 56 3.2. Một số kết quả ......................................................................................... 57 PHẦN KẾT LUẬN ............................................................................................ 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 63 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 1.1 Ứng dụng thực tại ảo trong thiết kế kiến trúc ............................................................ 11 1.2 Ứng dụng công nghệ Thực tại ảo trong thiết kế thiết bị công nghệ .......................... 12 1.3 Ứng dụng thực tại ảo trong lĩnh vực giải trí .............................................................. 13 1.4 Mô hình huấn luyện bay sử dụng công nghệ Thực tại ảo .......................................... 14 1.5 Phẫu thuật ảo – Phương pháp đào tạo phẫu thuật mới dùng công nghệ Thực tại ảo . 16 1.6 Quy trình hiển thị đối tượng ba chiều ........................................................................ 17 1.7 Vật thể ba chiều được biểu diễn bằng mô hình khung nối kết .................................. 20 1.8 Phép chiếu song song (a) và phép chiếu phối cảnh (b) ............................................ 22 1.9 Phép chiếu trực giao .................................................................................................. 23 1.10 Kết quả của ba phép chiếu trực giao........................................................................ 24 1.11 Phép chiếu xiên........................................................................................................ 24 1.12 Phép chiếu phối cảnh đơn giản ................................................................................ 25 1.13 Mô hình wireframe của một hình trụ ....................................................................... 28 1.14 Vector pháp tuyến của mặt phẳng ........................................................................... 31 1.15 Vector pháp tuyến hướng từ trong ra ngoài ............................................................. 31 1.16 Minh họa cách xác định mặt phẳng ......................................................................... 33 1.17 Cách tạo ra một patch .............................................................................................. 34 1.18 Strip và quadrilateral mesh ...................................................................................... 34 2.1 Cách quay đối tượng trong kỹ thuật billboard trụ thực sự......................................... 41 2.2 Xác định góc quay trong billboard trụ thực sự (a)..................................................... 42 2.3 Xác định góc quay trong billboard trụ thực sự (b) .................................................... 43 2.4 Xác định góc quay trong billboard trụ thực sự (c)..................................................... 43 2.5 Phương pháp giả billboard cầu .................................................................................. 47 2.6 Bản chất của phương pháp giả billboard cầu ............................................................. 47 2.7 Phép quay đối tượng quanh right vector.................................................................... 51 3.1 Những cái cây khi chưa áp dụng kỹ thuật billboard .................................................. 57 3.2 Những cái cây sau khi áp dụng kỹ thuật giả billboard trụ ......................................... 57 3.3 Áp dụng phương pháp giả billboard trụ .................................................................... 58 3.4 Áp dụng phương pháp billboard trụ thực sự.............................................................. 58 3.5 Áp dụng phương pháp giả billboard cầu ................................................................... 60 3.6 Áp dụng phương pháp billboard cầu thực sự ............................................................ 60 5 PHẦN MỞ ĐẦU Ngày nay trước sự phát triển mạnh của các ngành khoa học kỹ thuật và những ứng dụng của khoa học kỹ thuật vào cuộc sống đã mang lại hiệu quả to lớn đặc biệt là Công nghệ thông tin. Bất kỳ đâu và bất kể lĩnh vực nào của cuộc sống Công nghệ thông tin đều có mặt, hiệu quả mà Công nghệ thông tin mang lại thật to lớn và là điều được tất cả mọi người quan tâm. Hiện nay, Công nghệ thông tin ở nước ta đã phát triển khá mạnh mẽ, hiệu quả kinh tế mà Công nghệ thông tin mang lại cũng rất to lớn nhưng chúng ta thường chỉ thấy Công nghệ thông tin trong các chương trình quản lý, kế toán, ngân hàng, hay trên các ứng dụng trang web mà chưa thấy rõ Công nghệ thông tin phát triển theo chiều sâu, phục vụ các ngành công nghiệp sản xuất như: Tự động hóa, khai thác, thăm dò, hàng không, quân sự. Vì vậy chúng ta cần phải có những nghiên cứu và phát triển Công nghệ thông tin theo chiều sâu hoặc theo khía cạnh nào đó. Sự phát triển của công nghệ thông tin đã đẩy nhanh sự phát triển nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội. Với sự phát triển của phần cứng về cả phương diện thu nhận và hiển thị đã mở ra nhiều hướng mới cho sự phát triển của phần mềm. Trong số đó phải kể đến lĩnh vực thể hiện hình ảnh 3 chiều và thực tại ảo. Có nhiều phương pháp khác nhau để tạo dựng cũng như biểu diễn các đối tượng trong không gian 3D như sử dụng mô hình khung lưới hoặc sử dụng ảnh chụp của đối tượng từ các góc độ khác nhau, kết hợp với các phép biến đổi đồ họa để dựng lại hình 3D từ các hình 2D… Với sự phát triển không ngừng của công nghệ chế tạo phần cứng, máy tính ngày càng trở lên mạnh mẽ và đáp ứng tốt hơn những yêu cầu tính toán, xử lý thông tin của con người. Tuy nhiên trong lĩnh vực đồ họa máy tính, đặc biệt là đồ họa 3D – lĩnh vực đòi hỏi phải xử lý một số lượng lớn các đối tượng đồ họa có kích thước lớn, nhưng vẫn phải đảm bảo thỏa mãn các yêu cầu về mặt 6 thời gian thì thực sự máy tính cũng chưa thể đáp ứng một cách đầy đủ “không gian” cho việc xử lý hình ảnh. Vấn đề đặt ra là cần giảm thiểu không gian lưu trữ đối tượng, để có thể tích hợp đối tượng vào những không gian lớn phục vụ cho việc điều khiển sau này. Hiện nay với sự phát triển của phần cứng đã thúc đẩy sự phát triển của nhiều lĩnh vực khác, đặc biệt là xử lý ảnh và đồ hoạ 3 chiều. Những kết quả này hiện nay ở Việt Nam chưa nhiều. Xuất phát từ những lý do trên, dưới sự gợi ý của thầy hướng dẫn, em đã chọn đề tài “Billboard và giả lập mô hình 3D trong thực tại ảo”. Bố cục của luận văn gồm Phần mở đầu, Phần kết luận, Tài liệu tham khảo và 3 chương nội dung, cụ thể: Chương 1: Tổng quan về Thực tại ảo và đồ họa 3D Trình bày tổng quan về thực tại ảo, các lĩnh vực ứng dụng cơ bản của thực tại ảo, các kỹ thuật biểu diễn bề mặt trong xây dựng mô hình và đặt ra nhiệm vụ của luận văn là nghiên cứu các kỹ thuật billboard và ứng dụng trong giả lập mô hình 3D. Chương 2: Các kỹ thuật tạo lập Billboard Trình bày hai phương pháp tạo lập billboard là billboard cầu và billboard trụ, ứng với mỗi phương pháp là các kỹ thuật giả billboard và kỹ thuật billboard thực sự. Chương 3: Ứng dụng trong xây dựng mô hình 3D Xây dựng chương trình áp dụng các kỹ thuật tạo lập billboard để giả lập đối tượng 3D bằng hình ảnh 2D. 7 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ ĐỒ HỌA 3D Công nghệ thông tin đã và đang xuất hiện trong mọi lĩnh vực của xã hội. Tuy nhiên phần lớn các mô hình được xây dựng trên máy tính là hai chiều và con người không thể tương tác với các đối tượng trong mô hình đó như là ở trong thế giới thực, những chương trình nghiên cứu khắc phục nhược điểm này đã dẫn đến việc xuất hiện một lĩnh vực mới của Công nghệ thông tin đó là thực tại ảo. 1.1. Thực tại ảo và ứng dụng Thực tại ảo là một lĩnh vực mới ở nước ta và có ít công trình nghiên cứu về lĩnh vực mới này tuy nhiên những ứng dụng và hiệu quả của thực tại ảo là vô cùng to lớn ví dụ chúng ta có thể điều khiển một cái máy bay mà không cần có bất kỳ một chiếc máy bay nào hay là thực tập một ca mổ mà không cần phải sử dụng đến các đối tượng thực. 1.1.1. Thực tại ảo là gì? Thực tại ảo (tiếng Anh là virtual reality, viết tắt là VR) là thuật ngữ miêu tả một môi trường mô phỏng bằng máy tính. Đa phần các môi trường thực tại ảo chủ yếu là hình ảnh hiển thị trên màn hình máy tính hay thông qua kính nhìn ba chiều, tuy nhiên một vài mô phỏng cũng có thêm các loại giác quan khác như âm thanh hay xúc giác. Theo Bách Khoa Toàn Thư Mở tiếng Việt (http://vi.wikipedia.org), bằng một hệ thống mô phỏng có sử dụng đồ họa máy tính, công nghệ VR có thể đưa người ta vào một thế giới nhân tạo với không gian 3 chiều như thật. Thế giới này không tĩnh tại mà phản ứng, thay đổi theo ý muốn của người sử dụng (nhờ hành động, lời nói). Một đặc tính chính của thực tại ảo là tương tác theo thời gian thực (Real Time Interactivity), nghĩa là hệ thống có khả năng nhận biết 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 theo ý muốn của họ và bị thu hút. 8 Đặc tính chính thứ hai của VR là tạo cảm giác đắm chìm (Immersion). Người sử dụng cảm thấy mình là một phần của thế giới ảo, hòa lẫn vào thế giới đó. VR còn đẩy cảm giác này "thật" hơn nữa nhờ tác động lên các kênh cảm giác khác. Người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D, điều khiển (xoay, di chuyển..) được đối tượng như trong game, 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 (khứu giác), nếm (vị giác) trong thế giới ảo. Năm 2005, công ty Sony cho biết họ đang nghiên cứu việc sử dụng sóng siêu âm ở những tần số khác nhau tác động vào não người để tạo ra cảm giác thật về mùi và vị. Nếu có thêm công nghệ này, thực tại ảo sẽ cực kỳ sống động và chúng ta có thể trải nghiệm những chuyện li kỳ như trong phim "Ma trận" (Matrix) của anh em nhà Wachowski. Để thật sự cảm nhận thực tại ảo, chỉ màn hình máy tính không đủ mà cần cả một hệ thống trình chiếu, các thiết bị cảm ứng, mũ và kính đặc dụng... VR có tiềm năng ứng dụng rất lớn. Giới quân sự sử dụng công nghệ VR để mô phỏng chiến địa, tạo các thiết bị và môi trường ảo giúp tập bắn, tập lái xe tăng, lái máy bay... Với một máy tính cài phần mềm xem thực tại ảo, các kiến trúc sư có thể giúp khách hàng của mình nhìn ngắm bên ngoài, xem xét bên trong ngôi nhà mà họ... sắp xây. Khách hàng còn có thể tải thử các loại đồ nội thất ảo từ server của một nhà cung cấp về bố trí trong nhà ảo xem có ưng ý hay không. 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 người bệnh. Các công ty du lịch có thể cho khách xem trước khách sạn và một phần quang cảnh địa phương nơi khách sắp đến du lịch. Thời gian gần đây, VR đã được ứng dụng nhiều trong sản xuất, chế tạo robot, hiển thị thông tin (thăm dò dầu mỏ, dự báo thời tiết), giáo dục, thương mại, bất kỳ lĩnh vực nào. Những ứng dụng đó phụ thuộc rất nhiều vào khả năng tưởng tượng của con người. Trí tưởng tượng (Imagination), được coi là một đặc tính của VR. 9 Ấn tượng nhất có lẽ là ứng dụng VR trong giải trí. Tại Nhật Bản, người ta đã xây dựng những "phòng trượt tuyết ảo". Tới đó, người chơi không chỉ được trượt tuyết thỏa thích mà còn tha hồ lựa chọn những bãi tuyết đẹp trên thế giới. Nếu bạn muốn thử nhảy dù từ một độ cao thật đáng sợ, VR sẽ giúp bạn trải nghiệm cảm giác đó. VR cũng có thể đặt chúng ta vào những môi trường giả tưởng, hoàn toàn khác thế giới thực nhưng lại rất thực theo cảm nhận của các giác quan. Theo hướng này, sự ly kỳ của những game nhập vai trong thực tại ảo có lẽ chỉ còn phụ thuộc vào biên độ của trí tưởng tượng. Tại TP.Hồ Chí Minh, công viên văn hóa Đầm Sen – nơi đầu tiên đưa công nghệ thực tại ảo vào khai thác cho nhu cầu giải trí - đã thu hút lượng lớn khách vào tham quan; không chỉ có trẻ em mà ngay những người lớn cũng thích nhìn thế giới của loài khủng long xưa trong thế giới ảo mà như thực . Có vẻ như công nghệ không chỉ góp phần làm thế giới "phẳng" ra, mà còn đang phá vỡ những mảng tường chắn giữa thế giới thực và thế giới tưởng tượng. Mặc dù trong thời điểm hiện tại, chi phí để phát triển và đưa thiết bị, dịch vụ VR đến người dùng còn cao, nhưng tiềm năng ứng dụng của nó thật khó có thể bỏ qua. Theo cách truyền thống, việc tương tác với máy tính được thực hiện thông qua các thiết bị như bàn phím, chuột hay joystick/trackball để cung cấp thông tin đầu vào và sử dụng khối hiển thị trực quan (VDU) để nhận thông tin đầu ra từ hệ thống. Với sự ra đời của các hệ thống Thực tại ảo (Virtual RealityVR), các phương thức giao tiếp mới được phát triển cho phép người sử dụng tương tác một cách tích cực với máy tính. Thực tại ảo là công nghệ sử dụng các kỹ thuật mô hình hoá không gian ba chiều với sự hỗ trợ của các thiết bị đa phương tiện hiện đại để xây dựng một thế giới mô phỏng bằng máy tính – môi trường ảo (virtual environment). Trong thế giới ảo này, người sử dụng không còn được xem như người quan sát bên ngoài, mà đã thực sự trở thành một phần của hệ thống. Một cách lý tưởng, 10 người sử dụng có thể tự do chuyển động trong không gian ba chiều, tương tác với các vật thể ảo, quan sát và khảo cứu thế giới ảo ở những góc độ khác nhau về mặt không gian. Ngược lại, môi trường ảo lại có những phản ứng tương ứng với mỗi hành động của người sử dụng, tác động vào các giác quan như thị giác, thính giác, xúc giác của người sử dụng trong thời gian thực và tuân theo những quy tắc vật lý rất tự nhiên, làm anh ta có cảm giác như đang tồn tại trong một thế giới thực. 1.1.2. Sơ lƣợc lịch sử phát triển Mặc dù Thực tại ảo được mô tả như một công nghệ mới mang tính cách mạng, nhưng ý tưởng về việc nhúng người sử dụng vào một môi trường nhân tạo không còn mới. Thực tại ảo có thể được xem như một sự mở rộng của những ý tưởng đã ra đời khá lâu như hệ thống mô phỏng bay (flight simulation), rạp chiếu phim màn ảnh rộng (như Cinerama hay IMAX). Sử dụng các hệ thống như vậy, người dùng được quan sát hình ảnh trong một màn hình có trường nhìn rộng lớn cho họ cảm giác như đang tồn tại trong trường không gian đó. Sự ra đời của các máy điện toán mini và bài báo khoa học của Ivan Sutherland có tên “Màn hình tối tân” (Ultimate Display) vào năm 1965 được xem là hai bước đột phá lớn vào những năm 1960 cho công nghệ Thực tại ảo. Trong bài báo của mình, Sutherland đã tiên đoán sự phát triển của Thiết bị Hiển thị đội đầu (Head Mounted Display-HMD) đầu tiên, mà sau đó chính ông đã tạo ra một thiết bị như vậy, có tên là “Thanh kiếm của Damocles” (The Sword of Damocles). Sutherland cũng nhận ra tiềm năng của máy điện toán trong việc tạo lập hình ảnh cho hệ thống mô phỏng bay, trong khi những hình ảnh này trước đó được xây dựng bằng video camera. Những ý tưởng này được hai nhà khoa học Mỹ ở NASA là Fisher và McGreevy kết hợp lại trong một dự án có tên là “trạm làm việc ảo” (visual workstation) vào năm 1984. Cũng từ đó NASA phát triển thiết bị Hiển thị đội đầu có tính thương mại đầu tiên, được gọi là 11 màn hình môi trường trực quan (visual environment display - VIVED), thiết kế dựa trên mẫu hình mặt nạ lặn với các màn hình quang học mà hình ảnh được cung cấp bởi hai thiết bị truyền hình cầm tay Sony Watchman. Sự phát triển của thiết bị này đã thành công ngoài dự đoán, bởi NASA đã sản xuất được một thiết bị HMD có giá chấp nhận được trên thị trường, và như vậy ngành công nghiệp Thực tại ảo đã ra đời. 1.1.3. Các ứng dụng cơ bản của Thực tại ảo Mặc dù khái niệm về Thực tại ảo đã xuất hiện từ khá lâu, nhưng do nhiều lý do về mặt công nghệ (kéo theo chi phí cho nghiên cứu và phát triển), phải mất nhiều thời gian và nỗ lực để Thực tại ảo có được những thành tựu như ngày nay. Hiện tại đây vẫn là lĩnh vực công nghệ nhiều tiềm năng xét về khía cạnh ứng dụng. Dưới đây là những lĩnh vực ứng dụng chính có khuynh hướng phát triển mạnh mẽ nhất trong thời gian gần đây. 1.1.3.1. 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 hoá thế giới thực của công nghệ Thực tại ảo dường như đáp ứng một cách tự nhiên mục tiêu của ngành thiết kế kiến trúc: Đưa ra mô hình trực quan nhất có thể về hình ảnh công trình kiến trúc mong muốn trong tương lai. 1.1 Ứng dụng thực tại ảo trong thiết kế kiến trúc 12 Việc xây dựng các 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 chí hoa văn cửa sổ hay màu sơn của tường, cùng với khả năng cho phép khách hàng tự do tham quan, khảo sát căn nhà của họ trong tương lai theo nhiều góc độ và vị trí, từ phòng này sang phòng khác thực sự đem lại hiệu quả trực quan mang tính cách mạng trong lĩnh vực mang nhiều đặc điểm nghệ thuật này. Tương tự như trong kiến trúc, với các ngành sản xuất thiết bị mà trong đó công đoạn thiết kế đóng vai trò quan trọng như thiết kế động cơ, thiết kế ô tô, tàu biển, hay thậm chí tàu vũ trụ, hình dạng và cách bố trí các chi tiết không chỉ đơn thuần mang tính thẩm mỹ, tính kỹ thuật mà đôi khi còn ảnh hưởng tới sức sống của thiết bị xét về khía cạnh thương mại. Khả năng mô hình hoá bằng hình ảnh lập thể của công nghệ Thực tại ảo cho phép người thiết kế thể hiện được một cách trực quan nhất ý tưởng thiết kế của mình, đánh giá cơ bản về hiệu năng của thiết bị dựa trên những thử nghiệm mô phỏng trên thiết bị ảo, từ đó có những hiệu chỉnh cần thiết trước khi thiết bị thực sự được sản xuất. Điều này rõ ràng góp phần không nhỏ trong thành công của thiết bị công nghệ, giảm bớt những chi phí phát sinh. 1.2 Ứng dụng công nghệ Thực tại ảo trong thiết kế thiết bị công nghệ 13 1.1.3.2. Giải trí Thị trường giải trí cũng là một ứng dụng tiêu biểu khác của các môi trường Thực tại ảo. Trên thực tế, đây là lĩnh vực ứng dụng lớn nhất xét theo khía cạnh lợi ích về tài chính. Rất nhiều công ty đang sản xuất ra các trò chơi có sử dụng các nguyên lý Thực tại ảo. Số lượng người bị cuốn hút theo các trò chơi như vậy, đặc biệt là giới trẻ, tăng theo cấp số nhân đánh dấu tiềm năng thương mại to lớn của công nghệ Thực tại ảo trong lĩnh vực này. 1.3 Ứng dụng thực tại ảo trong lĩnh vực giải trí Hơn thế, ngành công nghiệp trò chơi điện tử có những ảnh hưởng to lớn tới lĩnh vực Thực tại ảo. Nó tạo ra động lực cần thiết để thúc đẩy sự phát triển của rất nhiều phần cứng Thực tại ảo, chẳng hạn như card tăng tốc đồ hoạ (graphic accelerator cards). Nếu như chúng ta trở lại khoảng 10 năm về trước, thật khó có thể tìm thấy một card tăng tốc đồ hoạ có đủ năng lực tính toán cần thiết cho phép tạo ra các ứng dụng Thực tại ảo thời gian thực. Tại thời điểm đó, những chiếc card như vậy trị giá hàng ngàn đô-la và chỉ đủ khả năng sinh 100.000 đa giác/giây ở mức độ phân giải trung bình. Những thiết bị phần cứng khác như Găng tay dữ liệu (DataGloves) và Thiết bị hiển thị đội đầu (Head Mounted Displays-HMD) cũng chịu ảnh hưởng phần nào của công nghiệp giải trí. Tóm lại, chúng ta có thể nói rằng các ứng dụng Thực tại ảo 14 trong giải trí đã và đang đóng một vai trò quan trọng trong việc định hướng đi cho công nghiệp Thực tại ảo. 1.1.3.3. Giáo dục và Đào tạo Phát triển trên nền công nghệ và kỹ thuật cao, Thực tại ảo tích hợp những đặc tính làm cho bản thân nó có những tiềm năng vượt trội so với các công nghệ đa phương tiện truyền thống khác, cho người sử dụng cảm nhận sự hiện diện của mình trong môi trường do máy tính tạo ra bằng khả năng tương tác, tự trị (autonomy) của người dùng trong môi trường ảo, cũng như bằng những phản hồi tức thời, trực quan từ phía môi trường ảo tới các giác quan của người sử dụng. Hơn thế nữa, công nghệ Thực tại ảo cho phép mô phỏng những môi trường nguy hiểm hay tốn kém như buồng lái máy bay, phòng thí nghiệm hoá chất v.v.. 1.4 Mô hình huấn luyện bay sử dụng công nghệ Thực tại ảo Tất cả những đặc tính này khiến công nghệ Thực tại ảo trở nên rất phù hợp cho các ứng dụng có tính chất giáo dục hay đào tạo. Trong đó, những mô hình trình diễn lập thể đóng vai trò quan trọng. Các vật thể trong thế giới ảo được biểu diễn chính xác hơn nhiều so với các đối tượng phẳng (hình ảnh hai chiều) do được bổ sung thêm chiều sâu. Kết quả là các trình diễn minh hoạ hay những thí nghiệm cũng được mô phỏng chính xác hơn do có thể quan sát từ nhiều góc 15 độ khác nhau về mặt không gian, điều mà thế giới phẳng hai chiều không làm được. Tính chất trực quan của bài giảng được nâng cao một bước làm tăng sự hứng thú trong học tập cũng như khả năng ghi nhớ các khái niệm quan trọng trong bài giảng. Xét về mặt này, khả năng tương tác với môi trường ảo là một khía cạnh đáng lưu ý. Nếu thiếu đi khả năng tương tác (hai chiều) giữa môi trường ảo và người tham dự, Thực tại ảo không gì khác hơn là một giao diện lập thể ấn tượng nhưng không có sự sống. Trong các phòng thí nghiệm hay huấn luyện ảo, thực hiện các thao tác trên các đối tượng trong môi trường ảo, nhận được những phản hồi kịp thời và có nghĩa từ các vật thể và môi trường là một trong những yếu tố tiên quyết khiến cho học viên có cảm nhận đang được trải nghiệm trong những tình huống thực. Từ đó, học viên nắm bắt được nhanh chóng và có ý thức hơn với những tính huống được học. 1.1.3.4. Y học Y học là một trong những lĩnh vực ứng dụng tiềm năng trong công nghệ Thực tại ảo và là một trong số ít lĩnh vực ứng dụng thuộc ngành khoa học của Thực tại 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 hoạ máy tính và Thực tại ảo, hệ thống đào tạo y học này bao gồm hai bộ phận cơ bản: Khối tương tác ba chiều là mô hình sinh thể ảo cho phép người sử dụng thực hiện các thao tác giải phẫu thông qua các dụng cụ giải phẫu ảo; Khối giao diện người dùng hai chiều cung cấp những thông tin phản hồi trực quan từ mô hình trong quá trình giải phẫu cũng như những thông tin hướng dẫn trong phiên đào tạo. 16 1.5 Phẫu thuật ảo – Phƣơng pháp đào tạo phẫu thuật mới dùng công nghệ Thực tại ảo Phương pháp đào tạo có tính tương tác cao này mang nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống như thực hành trên mô hình plastic hay trên bệnh nhân thực. Thứ nhất, khác với phương pháp dùng mô hình plastic, sinh thể giải phẫu ảo có khả năng cung cấp những thông tin phản hồi sinh học một cách tự nhiên như một sinh thể sống thực, dưới tác động giải phẫu của bác sỹ mổ, chẳng hạn như sự thay đổi về nhịp tim, huyết áp,… Điều này tạo cho học viên có cảm giác đang trải qua một ca mổ trong một tình huống thực. Thứ hai, khác với thực hành trên bệnh nhân thật, rõ ràng sai lầm của học viên trong quá trình thực tập không phải trả giá bằng những thương tổn thực trên cơ thể người bệnh. Điều này cũng làm giảm áp lực lên học viên khi thực hiện phẫu thuật ảo. Từ đó, giúp họ tự tin và chủ động hơn trong học tập. Phương pháp này không chỉ cho phép các học viên y khoa thực hành các ca phẫu thuật trong tình huống thực, đem lại cho họ những kinh nghiệm cần thiết trước khi thực hiện phẫu thuật trên cơ thể con người, đây còn là cơ hội để các bác sỹ mổ nâng cao kỹ thuật giải phẫu và kỹ năng phối hợp làm việc theo nhóm trong phòng mổ. Điều này đặc biệt quan trọng trong các tình huống phẫu thuật nguy hiểm và nhạy cảm. Các kỹ thuật Thực tại ảo cũng được sử dụng để hỗ trợ bác sỹ mổ trong giai đoạn lập kế hoạch tiền phẫu thuật (preoperative planning). Trước khi 17 thực hiện quy trình giải phẫu trên bệnh nhân thực, người bác sỹ có thể thử nghiệm các phương pháp tiến hành phẫu thuật khác nhau trên mô hình ảo của người bệnh. Mô hình này mô phỏng đầy đủ các đặc điểm bệnh lý của người bệnh thật. Theo cách này, người bác sỹ sẽ lựa chọn ra được cách thức an toàn nhất, hiệu quả nhất và tốn ít thời gian nhất trong phòng phẫu thuật, hạn chế những biến cố trong quá trình giải phẫu. 1.2. Biểu diễn mô hình 3D 1.2.1. Sơ lƣợc về quy trình hiển thị Quy trình xử lí thông tin trong đồ họa ba chiều là một chuỗi các bước nối tiếp nhau, kết quả của mỗi bước sẽ là đầu vào của bước tiếp theo. 1.6 Quy trình hiển thị đối tƣợng ba chiều Quy trình bắt đầu bằng việc xây dựng các mô hình đối tượng. Các mô hình này thường được mô tả trong không gian ba chiều (x,y,z). Các mô hình thường thể hiện vật thể (solid) hoặc bề mặt (boundaries) của đối tượng. Như vậy ta có hai kiểu mô hình hóa. Trong solid modeling các đối tượng đồ họa cơ sở thường 18 được dùng để mô tả các đối tượng có thể tích (volume). Trong boundary representations(B-reps), các đối tượng được định nghĩa bởi bề mặt của chúng. Các mô hình thường được biểu diễn trong một hệ tọa độ cục bộ, mà ta gọi là hệ tọa độ đối tượng. Trong hệ tọa độ này chỉ có bản thân đối tượng được định nghĩa, vì vậy gốc tọa độ và đơn vị đo lường thường được chọn sao cho việc biểu diễn đối tượng tiện lợi nhất. Bước đầu tiên trong quy trình hiển thị là biến đổi đối tượng từ không gian đối tượng (object-space) vào một không gian chung gọi là không gian thực (world space). Trong không gian này các đối tượng, nguồn sáng, và người quan sát cùng tồn tại. Bước này được gọi là giai đoạn biến đổi mô hình (modeling transformation). Bước tiếp theo là một bước tối ưu hóa. Trong giai đoạn loại bỏ đơn giản (trivial rejection) ta cần loại trừ tất cả các đối tượng không thể nhìn thấy. Điều này giúp chúng ta tránh được việc xử lí một số phần không cần thiết của cảnh (scene) mà ta đang chuẩn bị hiển thị ở các bước sau. Tiếp theo ta phải chiếu sáng (illumination) các đối tượng có thể nhìn thấy được bằng cách gán cho chúng màu sắc dựa trên các đặc tính của các chất tạo nên vật và các nguồn sáng tồn tại trong cảnh. Sau khi chiếu sáng, ta phải thực hiện một phép biến đổi hệ tọa độ để đặt vị trí quan sát (viewing position) về gốc tọa độ và mặt phẳng quan sát (viewing plane) về một vị trí mong ước. Bước này gọi là bước đổi hệ quan sát. Sau bước này, các đối tượng được chuyển từ không gian thực sang không gian quan sát (eye space). Trong không gian quan sát, ta phải thực hiện việc xén các đối tượng trong cảnh để cảnh nằm gọn trong một phần không gian chóp cụt mà ta gọi là viewing frustum. Bước này sẽ loại bỏ hoàn toàn các đối tượng (các mảnh đối tượng) không nhìn thấy được trong ảnh.