Tài liệu Luongthingocthuy@lvths

i LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, tác giả đã hoàn thành luận văn thạc sĩ chuyên ngành Công nghệ thông tin với đề tài: “Mô phỏng dòng điện trong chất điện phân bằng công nghệ thực tại ảo”. Chân thành cảm ơn PGS.TS. Đỗ Năng Toàn, đã dành thời gian quý báu tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn. Chân thành cảm ơn quý Thầy Cô khoa Sau đại học, khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Lạc Hồng và quý thầy cô đã tham gia giảng dạy, tận tình truyền đạt kiến thức vô cùng quý giá trong những ngày qua. Tác giả xin cảm ơn gia đình và các bạn hữu đã đóng góp những ý kiến quý báu./. Tác giả luận văn Lương Thị Ngọc Thúy ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng đề tài nghiên cứu này là do chính bản thân tôi nghiên cứu và thực hiện, với sự hỗ trợ rất tận tình của Thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS Đỗ Năng Toàn. Các dữ liệu được thu thập từ những nguồn hợp pháp; sử dụng mã nguồn mở; nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực. Tác giả luận văn Lương Thị Ngọc Thúy iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn gồm Phần mở đầu, Phần kết luận và 3 chương, nội dung cụ thể như sau:
Chương 1: Khái quát về thực tại ảo và mô phỏng điện tích Chương này trình bày khái quát về thực tại ảo và ứng dụng, những khái niệm cơ bản về điện thích và bài toán mô phỏng điện tích.
Chương 2: Mô phỏng điện tích bằng kỹ thuật particle Trong chương này luận văn trình bày các vấn đề cơ bản trong việc mô phỏng bằng kỹ thuật Particle và mô phỏng điện tích bằng kỹ thuật này trong thực tại ảo.
Chương 3: Chương trình thử nghiệm Chương này trình bày chương trình thử nghiệm cho bài toán mô phỏng dòng điện trong chất điện phân, kịch bản thí nghiệm và chương trình thử nghiệm mô phỏng điện tích. iv MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................ii TÓM TẮT LUẬN VĂN .......................................................................................iii MỤC LỤC ........................................................................................................... iv DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................... vi DANH MỤC CÔNG THỨC ............................................................................... vii PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1i CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO & MÔ PHỎNG ĐIỆN TÍCH ............. 3 1.1. Khái quát về thực tại ảo .................................................................................... 4 1.1.1. Thực tại ảo là gì ........................................................................................ 4 1.1.2. Thực tại ảo và các đặc tính ........................................................................ 6 1.1.2. Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo ............................................ 8 1.1.3. Một số ứng dụng chính của thực tại ảo .................................................... 11 1.2. Điện tích và mô phỏng điện tích ..................................................................... 13 1.2.1. Điện tích, các loại điện tích ..................................................................... 13 1.2.2. Mô phỏng điện tích và ứng dụng .............................................................. 16 CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG ĐIỆN TÍCH BẰNG PHƯƠNG PHÁP PARTICLE ......... 18 2.1. Cơ sở lý thuyết để xây dựng kỹ thuật mô phỏng điện tích ............................... 19 2.1.1. Định nghĩa Particle System ..................................................................... 19 2.1.2. Đặc tính của Particle System ................................................................... 19 2.1.3 Mô hình mô phỏng bằng phương pháp Partical ........................................ 20 2.1.3.1. Sự khởi tạo ra các particle.................................................................. 21 2.1.3.2. Các thuộc tính của particle ................................................................. 23 2.1.3.3. Chuyển động của các particle............................................................. 25 2.1.3.4. Render particle ................................................................................... 25 2.1.3.5. Sự phân cấp của Particle System ........................................................ 26 2.1.3.6. Sự chết của particle ............................................................................ 27 2.2. Mô phỏng điện tích bằng phương pháp Particle .............................................. 27 2.2.1. Mô hình mô phỏng điện tích .................................................................... 27 v 2.2.2. Khởi tạo hình dạng và màu sắc cho Particle điện tích ............................. 28 2.2.3. Tính chất của Particle điện tích và Particle System cho mô phỏng điện tích ............................................................................................................ 30 2.2.4. Các phương thức của Particle System mô phỏng điện tích ....................... 31 CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM ................................................. 35 3.1. Các kịch bản thí nghiệm ................................................................................. 36 3.1.1. Tạo ra dòng điện trong chất điện phân .................................................... 36 3.1.2. Hiện tượng điện phân .............................................................................. 39 3.2. Phân tích thiết kế thí nghiệm mô phỏng .......................................................... 40 3.2.1. Bài toán ................................................................................................... 40 3.2.2. Phân tích chương trình ............................................................................ 41 3.3. Một số kết quả chương trình ........................................................................... 43 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 47 1. Tầm quan trọng của mô phỏng điện tích ............................................................ 47 2. Các vấn đề đã làm được ..................................................................................... 47 3. Hướng phát triển của luận văn ........................................................................... 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... viii PHỤ LỤC............................................................................................................... ix vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Hệ thống HMD ............................................................................... 5 Hình 1.2. Hệ thống BOOM ............................................................................ 5 Hình 1.3. Sử dụng tay điều khiển và mũ chụp ảo............................................ 7 Hình 1.4. Mô phỏng nội thất 3D ..................................................................... 7 Hình 1.5. Tổng hợp ba yếu tố của thực tại ảo ................................................. 8 Hình 1.6 Các trang phục ảo, găng tay ảo, kính ảo ......................................... 11 Hình 1.7. Hệ thống tập lái xe ảo 3D ............................................................. 12 Hình 1.8. Sự chuyển động của các ion khi chưa có điện trường.................... 14 Hình 1.9. Sự chuyển động của các ion khi có điện trường ............................ 15 Hình 1.10. Hệ thống nạp quang điện ............................................................ 16 Hình 1.11. Mô phỏng ống phóng Electron .................................................... 16 Hình 1.12. Mô phỏng hiện tượng quang điện ............................................... 17 Hình 2.1. Particle System với hình dạng thế hệ cầu ...................................... 24 Hình 2.2. Kỹ thuật Anti-Aliased ................................................................... 26 Hình 2.3. Cộng ảnh Alpha Channel vào ảnh để tạo mặt nạ ........................... 29 Hình 3.1 Thí nghiệm dòng điện trong nước nguyên chất .............................. 36 Hình 3.2. Thí nghiệm dòng điện trong dung dịch NaCl ................................ 37 Hình 3.3 Ion dương và Ion âm trong dung dịch NaCl ................................... 37 Hình 3.4 Sự dịch chuyển của các ion khi có điện trường .............................. 38 Hình 3.5. Thí nghiệm mô phỏng hiện tượng cực dương tan .......................... 39 Hình 3.6. Thí nghiệm mô phỏng hiện tượng cho nhận Electron .................... 40 Hình 3.7. Sơ đồ thí nghiệm dòng điện trong chất điện phân ......................... 41 Hình 3.8. Biểu đồ phân tích chức năng của thí nghiệm mô phỏng dòng điện trong chất điện phân ..................................................................................... 42 Hình 3.9. Chuyển động tự do của các ion ..................................................... 44 Hình 3.10. Chuyển động tự do của các ion ở một góc quan sát..................... 44 Hình 3.11. Các ion đang chuyển động về phía điện cực trái dấu ................... 45 vii Hình 3.12. Các ion chuyển động về các điện cực ở một góc quan sát ........... 45 Hình 3.13. Hình ảnh các ion bám vào các điện cực trái dấu.......................... 46 Hình 3.14. Hình ảnh các ion bám vào điện cực từ một góc quan sát ............. 46 viii DANH MỤC CÔNG THỨC Trang Công thức (1) ........................................................................................................ 22 Công thức (2) ........................................................................................................ 22 Công thức (3) ........................................................................................................ 22 Công thức (4) ........................................................................................................ 22 Công thức (5) ........................................................................................................ 24 Công thức (6) ........................................................................................................ 24 1 PHẦN MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây công nghệ thông tin đã đạt được những bước phát triển nhảy vọt cả về phần cứng lẫn phần mềm. Những ứng dụng của nó vào cuộc sống ngày càng phong phú, đa dạng và thiết thực hơn. Từ các lĩnh vực cơ bản như khoa học cơ bản, kinh tế kỹ thuật cho đến các lĩnh vực như: giải trí, du lịch, không lĩnh vực nào không có sự ứng dụng thiết thực và hiệu quả của công nghệ thông tin. Sự phát triển không ngừng của sức mạnh máy tính đã làm cho một số lĩnh vực khó phát triển trước kia nay đã có khả năng phát triển và đã đạt được những thành tựu đáng kể. Chúng ta có thể kể đến cả các lĩnh vực như: các hệ chuyên gia, các hệ xử lý thời gian thực, một lĩnh vực khác cũng cần phải nói là Thực tại ảo (Virtual reality) và một lĩnh vực đang được phát triển mạnh trên thế giới đó là công nghệ mô phỏng. Thực tại ảo là một môi trường ba chiều được phát sinh, tổng hợp và điều khiển thông qua máy vi tính nhằm mục đích mô phỏng lại thế giới thực hoặc một thế giới theo tưởng tượng của con người. Nó cho phép người dùng thông qua các thiết bị ngoại vi tương tác với các sự vật, hiện tượng của thế giới ảo giống như tương tác với các sự vật, hiện tượng của thế giới thực. Hiện nay, chúng ta chỉ thấy tin học trong các chương trình quản lý, kế toán, hay các trang web mà ít thấy tin học có sự phát triển theo chiều sâu, phục vụ các ngành công nghiệp sản xuất như: Tự động hoá điều khiển, khai thác, thăm dò, hàng không, quân sự... Đặc biệt là trong giáo dục người ta chỉ chú trọng vào việc phát triển các tư duy tin học thuần tuý, mà không thể đưa ra một mô hình để áp dụng tin học trong nhà trường, nhằm phát triển tư duy con người một cách toàn diện và có khả năng sáng tạo. Bên cạnh sự phát triển của công nghệ mô phỏng trên thế giới, việc xây dựng các bài giảng điện tử đã và đang được cổ vũ và phát triển mạnh mẽ trong điều kiện thực tế ở Việt Nam. Yêu cầu về đổi mới phương pháp giảng dạy đang được chú trọng nhằm nâng cao chất lượng dạy và học trong các trường học, nhất là các trường phổ thông hiện nay. Trong giáo dục phổ thông, điện tích là một khái niệm rất quan trọng liên quan đến nhiều khái niệm, hiện tượng trong tự nhiên và là cơ sở cho những nghiên cứu khoa học về điện, năng lượng hạt nhân,… Ứng dụng công nghệ thực tại ảo trong việc mô phỏng các quá trình sinh trưởng hay các 2 thí nghiệm ảo có khả năng tương tác sẽ giúp học sinh, sinh viên dễ hình dung và nắm bắt vấn đề mà lý thuyết đưa ra. Với những thí nghiệm đòi hỏi nhiều thiết bị, mẫu vật đắt tiền và những hóa chất độc hại thì việc mô phỏng thí nghiệm là một sự lựa chọn tốt. Việc nghiên cứu và ứng dụng vào việc mô phỏng điện tích cũng có rất nhiều phương thức nghiên cứu như: Phương thức khởi tạo một particle điện tích âm; Phương thức khởi tạo một particle điện tích dương; Phương thức khởi tạo cho particle system. Đề tài “Mô phỏng dòng điện trong chất điện phân bằng công nghệ thực tại ảo” được xây dựng nhằm mục đích đi sâu nghiên cứu về một phương thức đặc biệt sử dụng trong mô phỏng nói chung cũng như mô phỏng điện tích nói riêng, hiểu rõ kỹ thuật mô hình hóa 3D trong thực tại ảo và mô phỏng dòng điện trong chất điện phân bằng công nghệ thực tại ảo. Xây dựng một số thí nghiệm ảo có liên quan tới điện tích, phục vụ việc giảng dạy trong nhà trường phổ thông. Với mục đích đó đề tài gồm các chương cơ bản sau đây: Chương 1: Khái quát về thực tại ảo và mô phỏng điện tích. Chương này trình bày khái quát về thực tại ảo và ứng dụng, những khái niệm cơ bản về điện tích và bài toán mô phỏng điện tích. Chương 2: Mô phỏng điện tích bằng kỹ thuật particle. Trong chương này luận văn trình bày các vấn đề cơ bản trong việc mô phỏng bằng kỹ thuật Particle và mô phỏng điện tích bằng kỹ thuật này trong thực tại ảo. Chương 3: Chương trình thử nghiệm. Chương này trình bày chương trình thử nghiệm cho bài toán mô phỏng dòng điện trong chất điện phân, kịch bản thí nghiệm và chương trình thử nghiệm mô phỏng điện tích. Hy vọng đề tài này sẽ đem lại một số kiến thức và ứng dụng thực tế của mô phỏng điện tích vào những thí nghiệm giảng dạy trong nhà trường cũng như công nghệ giải trí, nghiên cứu khoa học. Vì thời gian và khả năng có hạn, nên trong nội dung nghiên cứu cũng như trong chương trình thử nghiệm không thể tránh được những sai sót. Rất mong nhận được sự quan tâm, giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các thầy cô, bạn bè để người nghiên cứu có thể áp dụng được đề tài vào nhiều lĩnh vực thiết thực trong cuộc sống. 3 CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG ĐIỆN TÍCH  Khái quát về thực tại ảo  Điện tích và mô phỏng điện tích 4 1.1. Khái quát về thực tại ảo 1.1.1. Thực tại ảo là gì Thực tại ảo là một môi trường ba chiều được phát sinh, tổng hợp và điều khiển thông qua máy vi tính nhằm mục đích mô phỏng lại thế giới thực hoặc một thế giới theo tưởng tượng của con người. Nó cho phép người dùng thông qua các thiết bị ngoại vi và bộ chuyển đổi tương tác với những sự vật, hành động của thế giới ảo giống như tương tác với các sự kiện, hành động của thế giới thực. Ví dụ : Người sử dụng có thể dịch chuyển một vật trong thế giới ảo, hoặc có thể cảm nhận được một vật khi chạm vào nó… Trong đó thiết bị ngoại vi sẽ làm nhiệm vụ chuyển những hoạt động của người sử dụng vào bộ chuyển đổi, sau đó bộ chuyển đổi sẽ chuyển những tín hiệu này thành các tương tác vào môi trường ảo, đồng thời môi trường cũng chuyển những tác dụng của nó đến bộ chuyển đổi và bộ chuyển đổi chuyển đến các thiết bị ngoại vi, sau đó các thiết bị ngoại vi sẽ tác động đến người sử dụng. Vì vậy, người sử dụng sẽ có khả năng tương tác với môi trường ảo như là tương tác trong chính môi trường thực. Ngoài thuật ngữ thực tại ảo (Virtual reality) người ta cũng hay đề cập tới thuật ngữ thế giới ảo (Virtual world). Thực chất đây là hai khái niệm tương đồng để chỉ một không gian ảo mà trong không gian này những người sử dụng có thể tương tác với các đối tượng của không gian ảo, hoặc những người sử dụng có thể tương tác với nhau trong không gian đó. Nói chung, các hệ thống thực tại ảo phải xử lý một khối lượng lớn thông tin đa phần là các thông tin của các đối tượng 3D do đó tốn bộ nhớ và đòi hỏi thời gian xử lý là thời gian thực vì thế nó yêu cầu một lượng bộ nhớ RAM lớn và bộ xử lý cùng các thiết bị vào ra có tốc độ cao. Vì vậy, mặc dù bắt đầu được nghiên cứu từ khá lâu, nhưng trong một số năm gần đây thực tại ảo mới có được sự phát triển và ứng dụng mở rộng đáng kể. Các thiết bị ngoại vi sử dụng trong lĩnh vực thực tại ảo ngày càng hiện đại và đa dạng. Một trong những thiết bị phải kể đến là hệ thống HMD (Head-Mounted Display). Đây là một trong những hệ thống được phát triển đầu tiên để phục vụ trong lĩnh vực này. Ngày nay, nó vẫn là một hệ thống không thể thiếu được trong lĩnh vực thực tại ảo. Hệ thống này gồm có hai màn hình gắn trực tiếp vào hai mắt, 5 cho phép bạn nhìn, cảm nhận thế giới ảo như là không gian trong thế giới thực và một thiết bị rất nhạy nhằm xác định vị trí góc quay của HMD như hình 1.1. Từ đó, hệ thống sẽ tính toán góc nhìn và vị trí của bạn trong thế giới ảo. Hình 1.1. Hệ thống HMD Ngoài hệ thống HMD, thiết bị ngoại vi sử dụng trong lĩnh vực thực tại ảo còn có BOOM và CAVE. BOOM (Binocular Omni-orientation Monitor) và CAVE (Cave Automatic Virtual Environment) là hai hệ thống tương tự như HMD, song chúng có một vài điểm khác, ví dụ như BOOM không dùng mũ gắn trên đầu mà dùng một cái cần gắn màn hình vào một đầu có tay cầm ở màn hình. Khi bạn nhìn vào màn hình dịch chuyển nó, lập tức thiết bị nháy cũng dịch chuyển và theo góc nhìn, vị trí nhìn của bạn cũng thay đổi như hình 1.2. Hình 1.2. Hệ thống BOOM 6 Ngày nay, các thiết bị trên đã và đang được phát triển hoàn thiện hơn, đồng thời trong mỗi ngành ứng dụng người ta đã phát triển các hệ thống thiết bị đặc trưng cho các ứng dụng đó. Công nghệ mới ngày càng đưa ra nhiều thiết bị hiện đại hơn cho phép con người tiến gần tới thực tại ảo hơn. Ví dụ như: găng tay dữ liệu (data gloves), áo dữ liệu… Và các thiết bị đầu vào ba chiều như máy quét 3 chiều, máy quay 3 chiều... Thực tại ảo là một môi trường 3D trên máy vi tính, nó sử dụng một lượng lớn các thông tin đồ hoạ và các thông tin này luôn luôn biến đổi. Do đó, nó không thể dùng các phương pháp thông thường để truy cập bộ nhớ đồ họa (vì tốc độ chậm), mà phải dùng phương pháp truy cập trực tiếp bộ nhớ và sử dụng bộ tăng tốc đồ hoạ. Vì vậy, người ta cần một phần mềm cho phép truy cập trực tiếp bộ nhớ và điều khiển bộ tăng tốc đồ hoạ. Hiện nay một số chuẩn phần mềm được sử dụng nhiều như: Directx, OpenGL, MiniGL... Hiện nay thực tại ảo đã được sử dụng rộng rãi, các ứng dụng trên mạng của nó ngày càng nhiều nên tổ chức W3C đưa ra một mô hình chuẩn trên mạng cho thực tại ảo. Đó là mô hình VRML (Virtual Reality Modeling Language). 1.1.2. Thực tại ảo và các đặc tính Khả năng đắm chìm (Immersion): Một hiệu ứng hết sức mạnh mẽ của nó là khả năng tập trung sự chú ý của người sử dụng. Sự đắm chìm có nghĩa là ngăn chặn sự xao nhãng và tập trung một cách có chọn lọc vào chính thông tin với những gì mà ta muốn làm. Khả năng tập trung vào công việc dường như là điều kiện tiên quyết đối với sự thành công. Một thuộc tính then chốt khác của sự đắm chìm là nó có thể tác động như một thấu kính mạnh để khai thác kiến thức từ dữ kiện bằng cách biến đổi nó thành kinh nghiệm. Năng lực này chính là lý do khiến cho rất nhiều ngành công nghiệp đang ráo riết khai phá cách sử dụng các môi trường ảo. 7 Hình 1.3. Sử dụng tay điều khiển và mũ chụp ảo Sự tương tác (Interactive): Có hai khía cạnh là sự điều hướng và động lực học. Sự điều hướng (navigation) chỉ là khả năng của người dùng để di chuyển khắp nơi một cách độc lập, người ta có thể thiết lập những áp đặt đối với việc truy cập vào các khu vực ảo nhất định, cho phép có được nhiều mức độ tự do khác nhau hay định vị điểm nhìn của người dùng, kiểm soát điểm nhìn, hoặc di chuyển trong khắp thiết kế. Hình 1.4. Mô phỏng nội thất 3D Tính tưởng tượng (Imagination): Thực tại ảo không chỉ là một hệ thống tương tác người - máy tính, mà các ứng dụng của nó còn 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 thực tại ảo thiết kế, điều này phụ thuộc rất nhiều vào khả năng 8 tưởng tượng của con người, đó chính là đặc tính "I" (Imagination) thứ ba của thực tại ảo. Do đó có thể coi Thực tại ảo là tổng hợp của ba yếu tố: tương tác đắm chìm -tưởng tượng. Hình 1.5. Tổng hợp ba yếu tố của thực tại ảo 1.1.2. Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo Hệ thống thực tại ảo bao gồm 3 thành phần chính sau: Phần cứng (Hardware); Bộ giả lập thực tại (Reality simulator); Ứng dụng (Application).  Phần cứng (Hardware) Phần cứng của một VR bao gồm: Các thiết bị đầu vào (Input devices): Chúng bao gồm những thiết bị đầu ra có khả năng kích thích các giác quan để tạo nên cảm giác về sự hiện hữu trong thế giới ảo. Chẳng hạn như màn hình đội đầu HMD, chuột, các tai nghe âm thanh nổi - và những thiết bị đầu vào có khả năng ghi nhận nơi người sử dụng đang nhìn vào hoặc hướng đang chỉ tới, như thiết bị theo dõi gắn trên đầu (Headtrackers), găng tay hữu tuyến (Wire-gloves). Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (như màn hình, HDM,..) để nhìn được đối tượng 3D. Thiết bị âm thanh (loa) để nghe được âm thanh vòm (như Hi-Fi, Surround,..). Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback như găng tay,..) để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tượng. Bộ phản hồi xung lực (Force Feedback) để tạo lực tác động như khi đạp xe, đi đường xóc...  Bộ giả lập thực tại (Reality simulator) Là trái tim của hệ thống thực tại ảo, bao gồm hệ thống máy tính và phần cứng ngoại vi, thiết bị đồ hoạ và multimedia; cung cấp cho bộ tác động những thông tin 9 giác quan cần thiết. Trong hệ thống mô phỏng cabin lái, thì mô hình cabin là thành phần này.  Ứng dụng (Application) Phần mềm luôn là linh hồn của VR cũng như đối với bất cứ một hệ thống máy tính hiện đại nào. Về mặt nguyên tắc có thể dùng bất cứ ngôn ngữ lập trình hay phần mềm đồ họa nào để mô hình hóa (Modelling) và mô phỏng (Simulation) các đối tượng của VR. Ví dụ như các ngôn ngữ (có thể tìm miễn phí) Open GL, Open Scene Graph?, Open SG?, C++, Java 3 D?, VRML, X 3 D?... hay các phần mềm thương mại như World Tool Kit?, People Shop?, Ve Ga?... Phần mềm của bất kỳ VR nào cũng phải bảo đảm 2 công dụng chính: Tạo hình và Mô phỏng. Các đối tượng hình học (Geometry). Thành phần này bao gồm những thông tin mô tả các thuộc tính vật lý (hình dạng, màu sắc, vị trí...) của các đối tượng trong môi trường ảo. Thông thường, các đối tượng hình học được xây dựng bởi các phần mềm CAD, sau đó dữ liệu có thể được chuyển qua một trong số các định dạng file khác phù hợp với việc thể hiện trong ứng dụng. Sau đó phần mềm VR phải có khả năng mô phỏng động học, động lực học, và mô phỏng ứng xử của đối tượng. Không gian trong thế giới ảo (World Space) Bản thân thế giới ảo cũng cần được định rõ trong một không gian gọi là “world space”. Do bản chất tự nhiên của thế giới ảo là một mô phỏng máy tính, nên thế giới ảo có hạn chế nhất định. Vị trí của mỗi điểm của mỗi đối tượng trong thế giới đó đều phải được gán cho một giá trị số (toạ độ). Các toạ độ này thường được mô tả trong hệ toạ độ Đê-các-tơ với các thứ nguyên X, Y và Z (biểu diễn độ dài, độ cao, độ sâu). Cũng có thể sử dụng các hệ toạ độ khác như hệ toạ độ cầu, nhưng hệ toạ độ Đê-các-tơ vẫn là chuẩn cho hầu hết các ứng dụng. Sự chuyển đổi giữa các hệ toạ độ này cũng khá đơn giản. Cơ sở dữ liệu cho thế giới ảo (World Database) Lưu trữ thông tin về các đối tượng và thế giới ảo là một phần quan trọng trong việc thiết kế hệ thống thực tại ảo VR. Những thông tin chính được lưu trữ trong World Database (hoặc World Description Files) là các đối tượng ở trong thế giới đó, các kịch bản (scripts) mô tả các hành động của các đối tượng hoặc người sử dụng (những kịch bản, phản ứng xảy ra đối với người sử dụng), ánh sáng, các điều khiển chương trình, và hỗ trợ thiết bị phần cứng. Có nhiều cách lưu trữ 10 thông tin về thế giới ảo: một file đơn, một tập các file, hoặc là cả một cơ sở dữ liệu. Phương pháp sử dụng nhiều file là một trong những hướng tiếp cận thường gặp nhất trong những package phát triển về thực tại ảo. Mỗi một đối tượng có một hoặc nhiều file (file lưu trữ về hình dạng hình học, file lưu trữ scripts...) và có một số file toàn cục sử dụng chung cho thế giới ảo đó có tác dụng load các file khác. Một số hệ thống còn bao gồm cả một file cấu hình định nghĩa về các kết nối giao diện phần cứng. Đôi khi toàn bộ cơ sở dữ liệu được load trong khi chương trình khởi động, các hệ thống khác chỉ việc đọc các file mà hệ thống cần tại thời điểm đó. Với cách tiếp cận về sau (các thông tin được lưu trữ trong một cơ sở dữ liệu), một hệ thống cơ sở dữ liệu thực sẽ giúp ích rất nhiều. Một cơ sở dữ liệu hướng đối tượng (Object Oriented Database) sẽ thích hợp nhất cho một hệ thống thực tại ảo, nhưng chưa thấy có một dự án nào sử dụng cách tiếp cận này. Các file dữ liệu đa phần thường được lưu trữ dưới dạng các file văn bản sử dụng mã ASCII (con người có thể đọc được). Tuy nhiên, trong nhiều hệ thống, các file này được thay thế bởi các file lưu trữ dưới dạng mã nhị phân (máy tính có thể đọc được). Một số hệ thống dịch trực tiếp các thông tin về thế giới ảo đó vào ứng dụng. Phần cứng của hệ thống thực tại ảo Các hệ thống thực tại ảo xét ở góc độ phần cứng được phân chia thành một số mức như sau: Mức độ tiếp nhận (Entry VR - EVR), là một máy tính cá nhân hay một máy trạm thực hiện như một hệ thống WOW?. Hệ thống này có thể chạy trên nền IBM, Apple Macintosh... Hệ thống cơ bản (Basic VR - BVR), được phát triển từ một hệ thống EVR với sự bổ sung các tương tác cơ bản và nâng cao chất lượng thể hiện. Các thành phần bổ sung có thể là những thiết bị đặc biệt như kính, joystick... Hệ thống nâng cao (Advanced VR - AVR), trong hệ thống này, cùng với thiết bị tăng tốc đồ hoạ, quá trình xử lý còn được nâng lên một bước với các bộ xử lý song song. Hệ thống thực tại ảo Immersion (Immersion VR - IVR), trong hệ thống này, với các thiết bị như HMD, các màn hình cực lớn tạo cảm giác chìm đắm, người sử dụng có thể cảm nhận các giác quan như xúc giác, thính giác, cơ chế tương tác có phản hồi với thế giới ảo. 11 Các thiết bị mô phỏng cabin (Cockpit Simulators), đây là các hệ thống khá thông dụng cho phép mô phỏng cabin lái máy bay, ô tô, tàu biển hay các phương tiện giao thông nói chung. Một hệ thống như vậy có thể tạo ra một môi trường ảo, trong đó người sử dụng điều khiển thiết bị giả lập và nhận được cảm giác như khi thao tác ở môi trường thực tế. Ví dụ về một hệ thống loại này sẽ được phân tích kỹ trong phần sau. Các hệ thống mô phỏng quân sự qua mạng máy tính được phát triển chưa nhiều do độ phức tạp và khả năng công nghệ. Chúng cho phép mô phỏng các trận đánh trong đó thể hiện cả ý đồ chiến thuật, nghệ thuật quân sự. SIMNET là một hệ thống điển hình của ủy ban quản lý các dự án nghiên cứu cao cấp Bộ quốc phòng Mỹ (DARPA). 1.1.3. Một số ứng dụng chính của thực tại ảo Thực tại ảo có rất nhiều ứng dụng trong hầu như tất cả các lĩnh vực: - Giải trí: Với sự phát triển của kỹ thuật và công nghệ mô phỏng người ta đã có thể xây dựng các bộ phim hoạt hình 3D, mô phỏng hình dạng cây cối, đồ vật, cử động của con người kết nối với các nhân vật ảo trong máy tính, tạo dựng các kỹ xảo điện ảnh, các cảnh quay sống động, chân thật mà giảm bớt được rất nhiều thời gian và tiền bạc. Hình 1.6 Các trang phục ảo, găng tay ảo, kính ảo - Giáo dục: Mô phỏng các thí nghiệm, các phản ứng hóa học. Xây dựng các phần mềm mô phỏng như phần mềm tập lái ôtô 3D, tạo cho người học có được những cảm giác như khi lái xe thật, xử lý các tình huống thông thường, qua đó sẽ học hỏi được các kinh nghiệm, tránh được các rủi do không mong muốn khi đi xe thật. 12 Hình 1.7. Hệ thống tập lái xe ảo 3D - Y học : Việc tìm kiếm các mẫu, mô hình làm thí nghiệm (nhất là đối với cơ thể người) là vấn đề khó khăn, do kinh phí đắt, hoặc do không có các bộ phận, hoặc về vấn đề văn hóa dân tộc… nên việc lập các chương trình, phần mềm để mô phỏng các bộ phận cơ thể người, các quá trình giải phẫu, các bệnh là một nhu cầu rất cần thiết, nó không chỉ cung cấp thư viện thông tin dữ liệu cần thiết mà thông qua đó cũng giúp cho không chỉ sinh viên, bác sĩ, mà ngay cả những người bệnh nếu muốn cũng có thể tìm hiểu, vì vấn đề được trực quan hóa nên dễ hiểu và dễ được nắm bắt. - Xây dựng: Người ta cũng có thể thiết kế các tòa nhà, các cao ốc, các khu thể thao hay các khu du lịch sinh thái, hay trang bị cho bạn một hệ thống tiện nghi, mời bạn đi thăm thú các nơi trong tòa nhà tương lai của mình, hay tính toán chi tiết một công trình xây dựng, hoặc mô phỏng các sự cố, hiện tượng có thể xảy ra đối với nhà của bạn trên máy tính. Đưa cho bạn những lựa chọn, hay những lời khuyên về công trình của bạn. - Quốc phòng: Để binh lính không bị xa lạ, bỡ ngỡ với chiến trận thì cần phải thường xuyên có những lần tập trận, mà chi phí cho việc đó là rất cao. Nếu sử dụng các mô hình thay thế, kèm theo âm thanh và tiếng động cũng có thể tạo ra được một trận tập kích mà hiệu quả đạt được là như thật và chi phí thì rất ít. Bên cạnh đó, để cho binh lính có thể tiếp xúc và hiểu biết về các máy móc và thiết bị đắt tiền thì nên xây dựng các mô hình về thiết bị đó, máy móc đó như vậy sẽ đảm bảo được tính phổ dụng rộng rãi.