Tài liệu Nghiên cứu kỹ thuật mô phỏng hệ hô hấp bằng công nghệ thực tại ảo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ QUYÊN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MÔ PHỎNG HỆ HÔ HẤP BẰNG CÔNG NGHỆ THỰC TẠI ẢO LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội - Năm 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ QUYÊN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MÔ PHỎNG HỆ HÔ HẤP BẰNG CÔNG NGHỆ THỰC TẠI ẢO Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 60 48 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. ĐỖ NĂNG TOÀN Hà Nội - Năm 2013 1 MỤC LỤC Mục lục .......................................................................................................... 3 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt .......................................................... 5 Danh mục hình vẽ ......................................................................................... 6 MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 8 Chƣơng 1. KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ BÀI TOÁN MÔ PHỎNG HỆ HÔ HẤP ........................................................................................ 10 1.1. Khái quát về thực tại ảo .................................................................. 10 1.1.1. Thực tại ảo là gì? ................................................................. 10 1.1.2. Đặc điểm của một hệ thống thực tại ảo ............................... 11 1.1.3. Một số loại hệ thống thực tại ảo .......................................... 12 1.1.4. Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo ...................... 13 1.1.5. Một số ứng dụng chính của VR ........................................... 15 1.2. Bài toán mô phỏng hệ hô hấp ......................................................... 22 1.2.1. Cấu tạo của hệ hô hấp .......................................................... 22 1.2.2. Mô phỏng cấu tạo của hệ hô hấp ......................................... 23 1.2.2.1. Hệ thống dẫn khí .................................................... 23 1.2.2.2. Hệ thống trao đổi khí .............................................. 26 Chƣơng 2. MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG MÔ PHỎNG CẤU TRÚC 3D .......... 29 2.1. Công cụ xây dựng mô hình hóa 3D ............................................... 29 2.2. Các kỹ thuật dựng hình chính ........................................................ 31 2.3. Các kỹ thuật tạo đối tƣợng ............................................................. 32 2.3.1. Các loại mô hình tạo đối tƣợng ........................................... 32 2.3.1.1. Mô hình đa giác (Polygon) ..................................... 32 2.3.1.2. Mô hình dựa trên kết nối đƣờng cong (NUBRS) ... 37 2.3.1.3. Chia nhỏ bề mặt (Subdivision Surface) ................. 41 2.3.2. Hai hƣớng tạo mô hình ........................................................ 43 2.3.2.1. Tạo mô hình theo hƣớng liên tục ........................... 43 2.3.2.2. Tạo mô hình theo hƣớng rời rạc ............................. 44 2 2.3.2.3. Kết hợp hai hƣớng trên .......................................... 48 2.3.3. Nghệ thuật tạo mô hình ...................................................... 48 2.4. Kỹ thuật tạo kết xuất ...................................................................... 49 2.4.1. Thiết lập vật liệu và texture .................................................. 49 2.4.2. Ảnh Texture ......................................................................... 50 2.4.3. Kết xuất................................................................................. 51 Chƣơng 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM ................................................. 52 3.1. Bài toán............................................................................................ 52 3.2. Chƣơng trình thử nghiệm ............................................................... 57 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ................................................. 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 63 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu/ Chữ viết tắt 1 VR Virtual Reality Thực tại ảo 2 3D 3 Dimentional 3 Chiều 3 HMD Head Mounted Displays Mũ đội đầu có màn hiển thị 4 CV Control vertex Điểm điều khiển 5 EP Edit point Điểm nằm trên đƣờng cong Viết đầy đủ Ý nghĩa 4 DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Giao diện giữa ngƣời sử dụng và hệ thống máy tính 3D ............ 10 Hình 1.2. Thiết bị mô phỏng HMD-1960 ................................................... 12 Hình 1.3. Đền Ngọc Sơn đƣợc tái hiện bằng công nghệ VR ...................... 16 Hình 1.4. Mô phỏng trong thiết kế kiến trúc Flamingo Đại Lải Resort ..... 16 Hình 1.5. Hệ thống tập lái xe ảo 3D ........................................................... 17 Hình 1.6. Hệ thống mô phỏng phẫu thuật ảo .............................................. 18 Hình 1.7. Hệ thống mô phỏng các binh sĩ đang tập bắn súng .................... 19 Hình 1.8. Ứng dụng công nghệ VR trong Du lịch ...................................... 20 Hình 1.9. Phòng trƣợt tuyết ảo tại Nhật Bản .............................................. 21 Hình 1.10. Các logo phim dùng 3D ảo ....................................................... 21 Hình 1.11. Hệ thống trong lĩnh vực giải trí ................................................. 22 Hình 1.12. Các phần của hệ hô hấp ............................................................ 23 Hình 1.13. Các sụn thanh quản ................................................................... 25 Hình 1.14. Khí quản .................................................................................... 26 Hình 1.15. Cấu tạo phổi ở ngƣời ................................................................. 27 Hình 2.1. Từ trái sang phải là các thao tác dịch chuyển, xoay, co giãn, ứng với mỗi trục toạ độ là một màu ........................................................................... 30 Hình 2.2. Các khung nhìn khác nhau .......................................................... 31 Hình 2.3.1. Khung dựng của một quả bóng, đƣợc tạo ra sau bƣớc tạo mô hình ...................................................................................................................... 32 Hình 2.3.2. Quả bóng sau khi đã qua bƣớc thể hiện ................................... 32 Hình 2.4. Điểm, cạnh, mặt .......................................................................... 33 Hình 2.5. Các đối tƣợng nguyên thuỷ của polygon .................................... 34 Hình 2.6. Các kiểu làm trơn cho Polygon ................................................... 35 Hình 2.7.1-2.7.2. Minh họa tiến trình dựng một chiếc búa bằng mô hình Polygon ................................................................................................................ 35 Hình 2.8. Mặt phẳng Nurbs và Polygons .................................................... 36 Hình 2.9. So sánh số điểm điều khiển giữa mô hình polygon và Nurbs ... 37 Hình 2.10. Các thành phần chính của một đƣờng cong Nurbs ................... 38 5 Hình 2.11. Bề mặt Nurbs ............................................................................. 39 Hình 2.12. Minh họa tiến trình dựng một chiếc cốc đơn giản bằng Nurbs 40 Hình 2.13. Các đối tƣợng nguyên thủy của Nubrs ...................................... 41 Hình 2.14. Minh hoạ một quá trình tạo một bàn tay bằng subdivision surface ................................................................................................................. 42 Hình 2.15.1-2.15.4. Minh họa cách tạo bàn tay theo hƣớng liên tục .......... 44 Hình 2.16.1-2.16.7. Minh họa mô hình ngƣời theo hƣớng rời rạc ....... 45-47 Hình 2.17. Tạo khuôn mặt .......................................................................... 47 Hình 2.18. Tạo các ngón tay ....................................................................... 47 Hình 2.19. Tạo bàn tay ................................................................................ 48 Hình 2.20. Tạo không gian .......................................................................... 49 Hình 2.21. Texture 2D ................................................................................ 51 Hình 2.22. Texture 3D ................................................................................ 51 Hình 3.1. Lƣu đồ bài toán ........................................................................... 53 Hình 3.2. Mô hình Màng phổi phải biểu diễn dƣới dạng lƣới các đa giác . 55 Hình 3.3. Mô hình lá phổi ........................................................................... 55 Hình 3.4. Hệ hô hấp 3D biểu diễn dƣới dạng lƣới ...................................... 56 Hình 3.5. Ảnh bề mặt cho đối tƣợng ........................................................... 57 Hình 3.6. Hình ảnh mặt trƣớc của lá phổi ................................................... 58 Hình 3.7. Hình ảnh mặt sau lá phổi ............................................................ 58 Hình 3.8: Hình ảnh mặt trong lá phổi ......................................................... 59 Hình 3.9. Hình ảnh mặt trong lá phổi phải và mặt ngoài lá phổi trái ......... 59 Hình 3.10. Hình ảnh lá phổi ở một góc quan sát ......................................... 60 Hình 3.11. Hình ảnh lá phổi khi đang thực hiện thao tác xoay .................. 60 6 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin đã đƣợc ứng dụng mạnh mẽ đã đem lại những thành tựu đáng kể cho nhiều lĩnh vực nhƣ y tế, giáo dục, kiến trúc, du lịch, giải trí, … Sự phát triển của công nghệ thông tin đã làm cho một số lĩnh vực trƣớc đây khó phát triển, nay đã có khả năng phát triển và đã đạt đƣợc những thành tựu đáng kể, nhƣ các hệ chuyên gia, các hệ xử lý thời gian thực v.v.. và một lĩnh vực đang đƣợc phát triển mạnh trên thế giới, đó là công nghệ thực tại ảo. Công nghệ thực tại ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện khoảng thập kỷ 90, nhƣng thực sự phát triển mạnh trong vòng những năm trở lại đây. Trên thế giới, công nghệ thực tại ảo đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực nhƣ giáo dục, quân sự, y học... và đặc biệt là lĩnh vực giải trí nhƣ game, đồ họa ,.... Đối với Việt Nam, công nghệ thực tại ảo đã có những ứng dụng tích cực, nhiều bài toán mô phỏng đã đƣợc triển khai và ứng dụng nhƣ việc tái tạo các khu di tích, đền thờ, các danh lam thắng cảnh, các tình huống giao đông, các kịch bản quân sự... Khi chúng ta muốn hiểu toàn bộ công nghệ thì phải nắm đƣợc phƣơng pháp thể hiện hay mô phỏng đối tƣợng trong môi trƣờng thực tại ảo. Bên cạnh sự phát triển của công nghệ thực tại ảo trên thế giới, việc xây dựng các phần mềm y khoa đã và đang đƣợc cổ vũ và phát triển mạnh mẽ trong điều kiện thực tế ở Việt Nam. Hiện nay, ở nƣớc ta giáo dục trong y học vẫn còn tình trạng giảng chay, thiếu điều kiện thực hành quan sát. Nhất là trong thực hành, không phải lúc nào cũng có điều kiện thực hành để nâng cao trình độ, kỹ năng và kinh nghiệm, đặc biệt là ngoại khoa. Hiện nay, các sinh viên ngành y dƣợc đang phải thực hành nhiều trên động vật, mô hình bằng nhựa và những xác ngƣời chết đã qua xử lý, một số bộ phận không còn chính xác. Và cũng không có nhiều xác để cho sinh viên học tập nên sinh viên khó hình dung chính xác đƣợc một số bộ phận trên cơ thể ngƣời. Chính vì vậy, việc áp dụng công nghệ thực tại ảo trong việc mô phỏng các bộ phận cơ thể ngƣời, các quá trình giải phẫu, các bệnh là một nhu cầu rất cần thiết. Với những phần mềm này nó không chỉ hỗ trợ cho giảng viên, sinh viên có điều kiện quan sát kỹ hơn, có thể xem xét từng thành phần bộ phận, có thể 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 ảnh 2D đƣợc chụp ở nhiều góc độ khác nhau. Ngoài ra, các mô hình ảo này sẽ giúp bác sỹ rèn luyện các kỹ năng lâm sàng, phục vụ số đông sinh viên, tiết kiệm đƣợc chi phí 7 và giúp sinh viên tiếp thu kiến thức một cách dễ hiểu và trực quan hơn các kỹ thuật thực hành trong nghành y tế. Xuất phát từ những vấn đề nêu trên tôi đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật mô phỏng hệ hô hấp bằng công nghệ thực tại ảo” nhằm nghiên cứu một số kỹ thuật mô phỏng hệ hô hấp, phục vụ trong việc giảng dạy và học tập của sinh viên nghành y khoa. Luâ ̣n văn gồm phần mở đầu, phần kết luận và 3 chƣơng nội dung Chƣơng 1: Khái quát về thực tại ảo và bài toán mô phỏng hệ hô hấp Trong chƣơng này chúng ta sẽ tìm hiểu một cách khái quát về thực tại ảo, phân loại các hệ thống, các thành phần và ứng dụng của hệ thống thực tại ảo, tìm hiểu về cấu tạo của hệ hô hấp nói chung và hệ hô hấp phổi nói riêng. Chƣơng 2: Một số vấn đề trong mô phỏng cấu trúc 3D Chƣơng này nghiên cứu một số kỹ thuật xây dựng mô hình 3D trên cơ sở 2 phần mềm tạo mô hình 3 chiều thông dụng hiện nay là Maya và 3DS Max, đó là kỹ thuật tạo mô hình (modelling), kỹ thuật kết xuất (rendering). Trong đó, luận văn tập trung tìm hiểu các kĩ thuật tạo đối tƣợng và kết xuất. Chƣơng 3: Chƣơng trình thử nghiệm Từ cơ sở trình bày lý thuyết ở chƣơng 2 em ứng dụng vào để xây dựng mô phỏng hệ hô hấp bao gồm có bài toán và chƣơng trình thử nghiệm. Do thời gian và khả năng có hạn, hơn nữa đây là lần đầu tiên nghiên cứu về lĩnh vực thực tại ảo nên luận văn cũng nhƣ chƣơng trình thử nghiệm không thể tránh khỏi thiếu sót. Rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và bạn bè để tôi có thể phát triển thêm hƣớng nghiên cứu mới, đó là tìm hiểu về các kỹ thuật tạo đối tƣợng có xƣơng để xây dựng hình ảnh mô phỏng các các bộ phận khác trên cơ thể ngƣời đáp ứng cho việc giảng dạy môn “Giải phẫu” ở trƣờng ĐHSP Hà Nội 2. 8 Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ BÀI TOÁN MÔ PHỎNG HỆ HÔ HẤP 1.1. Khái quát về thực tại ảo 1.1.1. Thực tại ảo là gì? Thực tế ảo hay còn gọi là thực tại ảo (VR - Virtual Reality) 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. Ở Mỹ và châu Âu, VR đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ tiềm năng kinh tế và 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, … Thuật ngữ "virtual reality" - thực tại ảo - đƣợc đƣa ra bởi Jaron Lanier, ngƣời sáng lập công ty VPL Research, tại Redwood California, một trong những công ty đầu tiên cung cấp các sản phẩm cho môi trƣờng ảo. Hiện nay, có khá nhiều định nghĩa về thực tại ảo, tuy nhiên định nghĩa sau đây của C. Burdea và P. Coiffet là tƣơng đối chính xác và đƣợc chấp nhận rộng rãi: VR- Thực tế ảo là một hệ thống giao diện cấp cao giữa người sử dụng và máy tính. Hệ thống này mô phỏng các sự vật và hiện tượng theo thời gian thực và có tương tác với người sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác. Đó là ngũ giác gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác, vị giác [6]. Hình 1.1. Giao diện giữa ngƣời sử dụng và hệ thống máy tính 3D Hay nói một cách cụ thể VR là công nghệ sử dụng các kỹ thuật mô hình hoá 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) để đƣa ngƣời ta vào một thế giới nhân tạo với không gian nhƣ 9 thật. Trong thế giới ảo này, 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 của ngƣời sử dụng nhờ những cử chỉ, hành động, ... Tức là ngƣời sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ. Một cách lý tƣởng, ngƣời sử dụng có thể tự do chuyển động trong không gian ba chiều, tƣơng tác với các vật thể ảo, quan sát và khảo cứu thế giới ảo ở những góc độ khác nhau về mặt không gian. 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 những quy tắc vật lý rất tự nhiên, làm ngƣời sử dụng có cảm giác nhƣ đang tồn tại trong một thế giới thực [7] 1.1.2. Đặc điểm của một hệ thống thực tại ảo Chỉ bằng một hệ thống mô phỏng có sử dụng đồ họa máy tính, công nghệ VR có thể đƣa ngƣời ta vào một thế giới nhân tạo với không gian 3 chiều “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, … Ngƣời sử dụng tƣơng tác với mô hình ảo, trong đó tƣơng tác đƣợc mô phỏng từ thao tác với các đối tƣợng thực. Điều này xác định một đặc tính chính của VR, đó là tương 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 mô phỏng này. Điều này chúng ta có thể nhận thấy ngay khi quan sát trẻ nhỏ chơi video game. 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 không những nhìn thấy đối tƣợng đồ họa 3D nổi, điều khiển (xoay, di chuyển, …) đƣợc đối tƣợng trên màn hình nhƣ trong game, mà còn sờ và cảm thấy chúng nhƣ có thật. Ngoài 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. Nhƣ đã trình bày ở trên, hai đặc tính chính của VR là “tƣơng tác” và “đắm chìm”, đây là hai "I" (Interactive, Immersion) mà nhiều ngƣời đã biết. Tuy nhiên 10 VR cần có một đặc tính thứ ba mà ít ngƣời để ý tới. VR không chỉ là một hệ thống tƣơng tác ngƣời - 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 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 ba của VR. Do đó có thể coi VR là tổng hợp của ba yếu tố: Tƣơng tác - Đắm chìm Tƣởng tƣợng (Interactive - Immersion - Imagination). 1.1.3. Một số loại hệ thống thực tại ảo Hệ thống Window on a World còn gọi là Desktop VR, là các chƣơng trình thực tại ảo chạy trên các máy tính cá nhân. Các hệ thống này ra đời từ rất sớm, tuy nhiên chúng chỉ là các ứng dụng đồ họa máy tính nhỏ luôn gặp phải khó khăn là làm thế nào để hình ảnh, âm thanh và các đối tƣợng hoạt động nhƣ trong thực tế. Hình 1.2. Thiết bị mô phỏng HMD-1960 Hệ thống kết hợp các hình ảnh video với các hình ảnh đồ hoạ 2D làm cho chúng ta có cảm giác ngƣời đƣợc quay video đang tƣơng tác với các đối tƣợng. Phƣơng pháp này đƣợc áp dụng từ cuối những năm 1960 và đƣợc mô tả chi tiết trong 2 cuốn sách "Artificial Reality" và "Artificial Reality II" của Myron Kruger. Nó đã đƣợc áp dụng vào hệ thống thƣơng mại Mandala của kênh truyền hình cáp Nickelodeon cho chƣơng trình giải trí mà trong đó những ngƣời dự thi xuất hiện với những hình ảnh rất lớn và ngộ nghĩnh. Hệ thống immersive là các hệ thống mà ngƣời sử dụng dùng thiết bị đặc biệt nhƣ màn hình gắn trên đầu (head-mounted display HMD), kính đặc biệt, các bộ cảm ứng và đắm chìm vào bên trong thế giới ảo do các thiết bị này tạo ra. Hệ thống quan sát từ xa (telepresence systems) kết nối các bộ cảm biến từ xa đặt trong thế giới thực với các giác quan của ngƣời vận hành. Ví dụ, chúng ta gắn các bộ cảm biến vào các cơ quan trên cơ thể và đeo một chiếc kính thực tại ảo. 11 Chiếc kính này nhận các tín hiệu quan sát đƣợc từ vị trí của một robot ở một khoảng cách xa và chúng ta sẽ thấy những gì mà robot thấy để rồi có các phản ứng nhƣ chính ta đang nhìn thấy các hình ảnh đó. Các phản ứng này, theo các bộ cảm biến đƣợc nối với máy tính sẽ chuyển đến các bộ phận tƣơng ứng của robot, kết quả là robot sẽ bắt chƣớc các hoạt động của chúng ta. Điều này thực sự ý nghĩa nếu robot đƣợc đặt trên một hành tinh xa xôi hay trong lòng núi lửa. 1.1.4. Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo Hệ thống thực tại ảo bao gồm ba thành phần chính sau: Phần cứng (Hardware), bộ giả lập thực tại (reality simulator), phần mềm (Software)  Phần cứng Phần cứng của một VR bao gồ m: Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh). Các thiết bị đầu vào (Input devices): là các thiết bị có khả năng kích thích các giác quan để tạo nên cảm giác về sự hiện hữu trong thế giới ảo. Chẳng hạn nhƣ bộ dò 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, chuột, bàn phím,… Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm thiết bị hiển thị đồ họa (nhƣ kính mắt Shutter Glasses, màn hình rộng, thiết bị HDM, …) để nhìn đƣợc đối tƣợng 3D. 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 đạp xe, đi đƣờng 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 họa và multimedia; cung cấp cho bộ tác động những thông tin giác quan cần thiết. Trong hệ thống mô phỏng cabin lái, thì mô hình cabin là thành phần này.  Phần mềm (Software) 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. 12 Các đối tƣợng của VR đƣợc mô hình hóa (modelling) tức là tạo dựng mô hình nhờ chính phần mềm này hay mô hình hóa từ mô hình 2D thành mô hình 3D nhờ công cụ đặc biệt từ các phần mềm nhƣ Maya, 3D Max. Mô phỏng (simulation) là quá trình “bắt chƣớc” hay mô tả các sự vật hiện tƣợng, cảnh vật có thực trong thiên nhiên hoặc trong trí tƣởng tƣợng của con ngƣời. Cho đến nay, nhìn chung có 2 xu hƣớng để thực hiện mô phỏng mô hình 3D: - Phƣơng pháp thứ nhất: Thể hiện các mô hình 3D nhờ các ngôn ngữ lập trình. Ví dụ nhƣ: C, C++, Java 3D, Open GL, Open Scene Graph, VRML, X3D, People Shop, … Cách này không đòi hỏi cấu hình mạnh của phấn cứng , hơn nữa nó có thể thực hiện các dạng mô phỏng phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao. Tuy nhiên nó không đƣợc nhiều ngƣời sử dụng vì nó không phải là công việc đơn giản, nó đòi hỏi độ lập trình cao, các thuật toán phức tạp, mất nhiều thời gian. Do vậy ít đƣợc ƣa thích nhƣng đôi khi nó lại là lựa chọn duy nhất cho những ai muốn mô phỏng chính xác các đối tƣợng đúng với bản chất của nó. Nó chỉ phù hợp với những mô phỏng có quy mô nhỏ, phù hợp với việc học tập. - Phƣơng pháp thứ hai: Sử dụng các công cụ mô phỏng đã đƣợc xây dựng sẵn. Cách này không đòi hỏi trình độ lập trình cao, không tốn nhiều thời gian thực hiện, nó phù hợp với các mô phỏng có tính chất mô hình không yêu cầu độ chính xác cao. Một nhƣợc điểm là nó yêu cầu cấu hình hệ thống mạnh để cài đặt và chạy chƣơng trình, nhất là khi kết xuất (Rendering). Một số bộ công cụ mô phỏng thông dụng nhƣ là: 3DS Max, Maya, Autocad, Flash, … Đang rất phổ biến, rất đƣợc ƣa chuộng trong các công việc làm Game 3D, Web 3D, Phim 3D. Tóm lại, một hệ mô phỏng đƣợc thiết kế tốt, kết hợp với các thiết bị trình chiếu hiện đại và các thiết bị tƣơng tác ngoại vi sẽ giúp con ngƣời tiếp cận đƣợc với thế giới ảo đó nhƣ đang ở trong thế giới thực. Việc tạo ra các mô hình đối tƣợng có độ chân thực và sức hấp dẫn hoàn toàn phụ thuộc vào cách ta lựa chọn phƣơng pháp để thể hiện chúng. Mỗi phƣơng pháp có những ƣu điểm và nhƣợc điểm riêng, vì thế tùy vào mức độ quan trọng của đối tƣợng trọng hệ mà ta có thể chọn phƣơng pháp phù hợp để xây dựng.  Không gian trong thế giới ảo (World Space) Bản thân thế giới ảo cũng cần đƣợc 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 tƣợng trong 13 thế giới đó đều phải đƣợc gán cho một giá trị số (toạ độ). Các toạ độ này thƣờng đƣợc 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 nhƣ hệ toạ độ cầu, nhƣng hệ toạ độ Đê-các-tơ vẫn là chuẩn cho hầu hết các ứng dụng.  Cơ sở dữ liệu cho thế giới ảo (World Database) Lƣu trữ thông tin về các đối tƣợng và thế giới ảo là một phần quan trọng trong việc thiết kế hệ thống thực tại ảo VR. Những thông tin chính đƣợc lƣu trữ trong World Database (hoặc World Description Files) là các đối tƣợng ở trong thế giới đó, các kịch bản (scripts) mô tả các hành động của các đối tƣợng hoặc ngƣời sử dụng (những kịch bản, phản ứng xảy ra đối với ngƣời sử dụng), ánh sáng, các điều khiển chƣơng trình, và hỗ trợ thiết bị phần cứng. Có nhiều cách lƣu trữ thông tin về thế giới ảo: một file đơn, một tập các file, hoặc là cả một cơ sở dữ liệu. Phƣơng pháp sử dụng nhiều file là một trong những hƣớng tiếp cận thƣờng gặp nhất trong những package phát triển về thực tại ảo. Mỗi một đối tƣợng có một hoặc nhiều file: file lƣu trữ về hình dạng hình học, file lƣu trữ scripts, v.v... 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 đƣợc load trong khi chƣơng 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 đƣợc lƣu 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 hƣớng đối tƣợng (Object Oriented Database) sẽ thích hợp nhất cho một hệ thống thực tại ảo, nhƣng chƣa thấy có một dự án nào sử dụng cách tiếp cận này. Các file dữ liệu đa phần thƣờng đƣợc lƣu trữ dƣới dạng các file văn bản sử dụng mã ASCII (con ngƣời có thể đọc đƣợc). Tuy nhiên, trong nhiều hệ thống, các file này đƣợc thay thế bởi các file lƣu trữ dƣới dạng mã nhị phân (máy tính có thể đọc đƣợc). Một số hệ thống dịch trực tiếp các thông tin về thế giới ảo đó vào ứng dụng. 1.1.5. Một số ứng dụng chính của VR Ngày nay, ứng dụng của thực tại ảo có thể thấy đƣợc rất nhiều trong thế giới hàng ngày của chúng ta. Từ các trò chơi 3D cực kì sống động đến những mô phỏng phức tạp trong công nghiệp (mô phỏng các vụ thử hạt nhân, mô phỏng thế giới ảo dùng để huấn luyện phi công …). Hay việc mô phỏng các phát thanh viên ảo, diễn viên ảo, tái tạo các khu di tích, đền thờ, văn miếu, … từ những trƣờng hợp đơn giản đến các trƣờng hợp cực kỳ quan trọng. Bên cạnh những ứng dụng ở trên, cũng có một số ứng dụng thực tại ảo ngày nay có 14 khuynh hƣớng phát triển nhanh và mạnh chúng ta phải kể đến, đó là xây dựng và thiết kế kiến trúc, giáo dục và đào tạo, y học, quân sự và quốc phòng, thƣơng mại và du lịch, giải trí, … Hình 1.3. Đền Ngọc Sơn đƣợc tái hiện bằng công nghệ VR  Xây dựng và thiết kế kiến trúc Một trong những lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu nhất của VR mà chúng ta phải kể đến đó là xây dựng và thiết kế kiến trúc. Khả năng mô hình hoá thế giới thực của công nghệ VR 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 những công trình cần thiết kế. Ngƣời 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 tƣơng lai của mình, hay tính toán chi tiết một công trình xây dựng. Sau đây là một ví dụ về công trình thiết kế khu du lịch Flamingo Đại Lải Resort do công ty cổ phần kiến trúc và xây dựng E5 thiết kế trong tƣơng lai. Hình 1.4. Mô phỏng trong thiết kế kiến trúc Flamingo Đại Lải Resort 15 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, cách bố trí nội thất bên trong, thậm chí hoa văn hay màu sắc của từng vật, cùng với khả năng cho phép khách hàng tự do thăm quan, khảo sát khuôn viên của họ trong tƣơng lai theo nhiều góc độ và vị trí khác nhau thực sự đem lại hiệu quả trực quan mang tính cách mạng trong lĩnh vực mang nhiều đặc điểm nghệ thuật này.  Giáo dục và đào tạo Trong giáo dục, việc ứng dụng công nghệ thực tại ảo trong việc mô phỏng về cấu trúc giải phẫu hay các thí nghiệm ảo có khả năng tƣơng tác không những kích thích sự hứng thú trong học tập mà còn giúp cho học sinh, sinh viên dễ hình dung và nắm bắt nhanh hơn các vấn đề mà lý thuyết đƣa ra. Trong lĩnh vực này, ứng dụng của thực tại ảo lại trở nên vô cùng hữu hiệu đối với việc đòi hỏi chi phí tốn kém và nguy hiểm khi thực hành nhƣ: huấn luyện tập nhảy dù, tập lái máy bay, lái tàu, lái xe, … Xây dựng các phần mềm mô phỏng nhƣ phần mềm tập lái ô tô 3D, tạo cho ngƣời học có đƣợc những cảm giác nhƣ khi đang lái xe thật, xử lý các tình huống thông thƣờng, qua đó sẽ học hỏi đƣợc các kinh nghiệm, tránh đƣợc các rủi ro không mong muốn khi đi xe thật. Hình 1.5. Hệ thống tập lái xe ảo 3D  Y học Ngày nay, công nghệ hình ảnh mô phỏng 3D đang thu hút sự chú ý của nhiều ngƣời và lĩnh vực y học cũng không phải là một ngoại lệ. Y học là một trong những lĩnh vực ứng dụng truyền thống và đầy tiềm năng của công nghệ 16 VR. Trên thế giới, ứng dụng của VR vào y học khá là phong phú nhƣ mô phỏng bệnh nhân ảo, khám chữa bệnh từ xa, xong nổi bật và thiết thực nhất là việc áp dụng công nghệ VR trong 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 1.6. Hệ thống mô phỏng phẫu thuật ảo 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, rõ ràng 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. 17 Phƣơng pháp 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 trƣớc khi thực hiện ca phẫu thuật trên cơ thể con ngƣời, đây còn là cơ hội để cho phép các bác sĩ có thể thử nghiệm phẫu thuật trên những bệnh nhân mô phỏng mà không còn cảm giác lo sợ về hậu quả rủi ro xảy ra. Có nhƣ vậy, các bác sĩ vừa 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, vừa giảm nguy hiểm cho ngƣời bệnh. 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.  Trong quân sự, quốc phòng Với việc phát triển của VR, các binh sĩ sẽ đƣợc huấn luyện một cách trực quan nhất các kĩ năng cần thiết nhƣ: lái máy bay, lái xe tăng… trƣớc khi tham gia công việc thực tế. Điều này vừa bảo đảm an toàn cho binh sĩ, vừa tiết kiệm đƣợc chi phí cho các huấn luyện thực tế. Quân đội Mỹ đã phát triển một game đặc biệt nhằm huấn luyện binh sĩ chống lại khủng bố dƣới dạng chiến thuật thực tại ảo. Đây sẽ là một game rất sống động, có tính hành động cao với môi trƣờng và bối cảnh bám sát với thực tế. Những ngƣời lính sẽ phải vận dụng tất cả những kỹ năng đã đƣợc rèn giũa trong quân đội. Hình 1.7. Hệ thống mô phỏng các binh sĩ đang tập bắn súng  Thƣơng mại - du lịch Trong thƣơng mại đặc biệt là trong nghành quảng cáo công nghệ VR đang có một vị trí quan trọng. Nó giúp khách hàng tiếp cận gần hơn tới hàng hóa để có thể đánh giá chất lƣợng mà không cần có hàng trực tiếp, … Chẳng hạn khi tiến hành mua ô tô qua mạng, ngƣời mua rất cần thấy đƣợc hình ảnh trực quan 18 của chiếc ô tô cần mua, quan sát từ nhiều góc độ, thậm chí có thể thử độ rung xóc, các hiệu ứng khi vận hành xe. Trong du lịch các công ty du lịch có thể cho khách xem trƣớc khách sạn, nhà hàng và ngắm nhìn một phần quang cảnh địa phƣơng nơi khách sắp đến du lịch … Tiêu biểu là Công ty Giải pháp CNTT & Truyền thông DAGINET là Công ty tại việt nam cung cấp ra thị trƣờng Việt Nam Giải pháp VR - Virtual Reality 360 trên trang web http://www.vr360.vn Hình 1.8. Ứng dụng công nghệ VR trong Du lịch  Giải trí Thị trƣờng giải trí cũng là một ứng dụng tiêu biểu khác của các môi trƣờng thực tại ảo. Trên thực tế, đây là nghành đạt đƣợc nhiều thành tựu và lợi nhuận về tài chính. Tại Nhật Bản, ngƣời ta đã xây dựng những "phòng trượt tuyết ảo". Tới đó, ngƣời chơi không chỉ đƣợc trƣợt tuyết thỏa thích mà còn tha hồ lựa chọn những bãi tuyết đẹp trên thế giới. Còn ở Việt Nam, cũng không ít những công trình đƣợc đƣa vào phục vụ cho ngành giải trí. Đầu tiên phải nhắc đến là công viên văn hóa Đầm Sen, TP.Hồ Chí Minh - nơi đầu tiên đƣa công nghệ thực tại ảo vào khai thác cho nhu cầu giải trí - đã thu hút lƣợng lớn khách vào tham quan.