Tài liệu Nghiên cứu một số kỹ thuật biểu diễn trạng thái khuôn mặt

  • Số trang: 68 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 34 |
  • Lượt tải: 0
nhattuvisu

Đã đăng 27125 tài liệu

Mô tả:

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG MAI TIẾN DŨNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT BIỂU DIỄN TRẠNG THÁI KHUÔN MẶT LUẬN VĂN THẠC SỸ: KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG MAI TIẾN DŨNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT BIỂU DIỄN TRẠNG THÁI KHUÔN MẶT CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60 48 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐỖ NĂNG TOÀN Thái Nguyên - 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lời cảm ơn Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Đỗ Năng Toàn, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn tôi suốt thời gian nghiên cứu và phát triển luận văn. Thầy đã luôn nhiệt tình, tận tâm chỉ bảo cho tôi những kiến thức bổ ích, những nhận xét quý giá kịp thời. Thầy là người trực tiếp giúp đỡ tôi tìm hiểu và hoàn thành đề tài, trong khi lĩnh vực mà tôi nghiên cứu hoàn toàn là một lĩnh vực mới. Xin cảm ơn trường Đại học Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông, Viện Công Nghệ Thông Tin đã mang lại cho tôi những điều kiện học tập tốt nhất. Có thể nói đây là môi trường học tập tốt cho tôi, giúp tôi nghiên cứu và tìm hiểu nhiều tri thức có giá trị cho chuyên môn công nghệ thông tin của mình cũng như các kỹ năng khác. Ở môi trường đào tạo này tôi đã gặp được những người thầy hết sức tận tâm, có tác phong làm việc khoa học chuyện nghiệp, giúp tôi học hỏi được nhiều điều quý giá. Đặc biệt xin cảm ơn các anh chị ở Viên công nghệ thông tin đã hỗ trợ giúp đỡ để tôi hoàn thành sản phẩm đề mô. Xin chân thành cảm ơn các bạn cùng lớp, đồng nghiệp và đơn vị nơi tôi công tác đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này. Xin gửi lời cảm ơn tới gia đình tôi đã động viên tôi trong suốt quá trình học và hoàn thành luận văn. Thanh Hóa, tháng 10 năm 2011 Mai Tiến Dũng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lời cam đoan Dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Đỗ Năng Toàn, với tinh thần làm việc nghiêm túc, sau một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, đề tài “Nghiên cứu một số kỹ thuật biểu diễn trạng thái khuôn mặt” hoàn thành đúng kế hoạch đăng ký làm luận văn cao học. Trong quá trình hoàn thành luận văn, tôi đã tìm hiểu, nghiên cứu, tổng hợp nhiều nguồn tài liệu khác nhau, với sự chỉ đạo, giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn, kết quả của đề tài là sản phẩm lao động của cá nhân tôi và sự. Các nguồn tài liệu sử dụng được trích dẫn rõ ràng, khoa học. Tôi xin cam đoan những điều trên là hoàn toàn đúng. Thanh Hóa, tháng 10 năm 2011 Mai Tiến Dũng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................... i DẠNH MỤC CÁC HÌNH .......................................................................................... ii MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ KỸ THUẬT XÂY DỰNG MÔ PHỎNG KHUÔN MẶT NGƢỜI ........................................................................4 1.1 Khái quát về thực tại ảo .....................................................................................4 1.1.1. Thực tại ảo là gì? .......................................................................................5 1.1.2. Các ứng dụng cơ bản của thực tại ảo .......................................................11 1.2. Biểu diễn khuôn mặt trong thực tại ảo ...........................................................23 1.2.1. Mô hình hóa khuôn mặt ...........................................................................23 1.2.2. Hoạt hóa khuôn mặt .................................................................................29 CHƢƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT BIỂU DIỄN TRẠNG THÁI KHUÔN MẶT NGƢỜI ......................................................................................................................31 2.1. Các trạng thái cơ bản khuôn mặt ....................................................................31 2.2. Biểu diễn trạng thái khuôn mặt nhờ hàm biến đổi .........................................33 2.3. Biểu diễn trạng thái khuôn mặt nhờ kỹ thuật hoạt hóa ..................................43 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM ............................................................50 3.1. Bài toán ...........................................................................................................50 3.2. Phân tích bài toán ...........................................................................................51 3.3. Chƣơng trình biểu diễn trạng thái cơ bản của khuôn mặt ..............................52 PHẦN KẾT LUẬN: TÓM TẮT KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC, HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............................................................................................................59 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................61 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii DẠNH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. JWARS Mô phỏng không gian chiến trƣờng thực - ảo ....................... 12 Hình 1.2. Một số phần cứng trong hệ thống hiện thực tại ảo ............................... 14 Hinh 1.3. Mô phỏng không gian nội thất bằng phần mềm autocad ..................... 16 Hình 1.4. Mô phỏng gƣơng mặt bệnh nhân trƣớc và sau phẫu thuật ............................. 17 Hình 1.5. Mô hình cơ cánh tay ............................................................................. 18 Hình 1.6. Phòng học trực tuyến topica đƣợc thiết kể trong thế giới ảo ............... 19 Hình 1.7. Phòng thí nghiệm vẽ 3D trên mặt phẳng 2 chiều ................................. 20 Hình 1.8. Huấn luyện lính tăng bằng hệ mô phỏng ............................................. 22 Hình 1.9. Mô hình khu đô thị Mỹ Đình – Từ Liêm –Hà Nội .............................. 23 Hình 1.10. Găng tay cảm xúc ............................................................................... 25 Hình 1.11. Mô phỏng bảo tàng Chăm .................................................................. 26 Hình 1.12: Đắm chìm trong thế giới ảo của game 3D ......................................... 27 Hình 1.13. Phòng họp hội thảo từ xa, trực tuyến ................................................. 28 Hình 1.14. Các cảm xúc cơ bản thể hiên trên nét mặt ......................................... 30 Hình 1.15. Mô phỏng khuôn mặt 3D từ ảnh 2D .................................................. 31 Hình 1.16. Mô hình mặt theo CANDIDE và GRETA ......................................... 32 Hình 1.17. Tô bóng theo Gaurund ....................................................................... 33 Hình 1.18. Bề mặt B-spline .................................................................................. 35 Hình 2.1. Trạng thái vui ....................................................................................... 37 Hình 2.2. Trạng thái buồn .................................................................................... 37 Hình 2.3: Trạng thái căm gét................................................................................ 38 Hình 2.4. Trạng thái sợ......................................................................................... 38 Hình 2.5. Trạng thái ngạc nhiên ........................................................................... 39 Hình 2.6 Trạng thái giận ...................................................................................... 39 Hình 2.7. Phép nội suy tuyến tính thực hiện trên các giá trị kết hợp cơ mặt ....... 41 Hình 2.8. Các điểm đặc trƣng trong MPEG-4 ..................................................... 45 Hình 2.9. Một số FAP .......................................................................................... 46 Hinh 2.10. Các đơn vị tham số hoạt ảnh khuôn mặt ............................................ 47 Hình 2.11. Lƣợc đồ hoạt ảnh theo chuẩn MPEG-4.............................................. 48 Hình 2.12. Mô hình khuôn mặt có thể morphing do Blanz và Vetter đƣa ra ...... 50 Hình 2.13. Các cơ chính trên mặt......................................................................... 51 Hình 2.14. Mô hình da ba tầng đƣợc sử dụng bởi Terzopoulos và Waters. ........ 52 Hình 2.15. Một số đơn vị hành động ................................................................... 54 Hình 3.1. Khung hình khuôn mặt 3D ban đầu ..................................................... 60 Hình 3.2. Khung hình khuôn mặt nhìn nghiêng. .................................................. 61 Hình 3.3. Trạng thái mỉm cƣời của khuôn mặt. ................................................... 62 Hình 3.4. Trạng thái ngạc nhiên của khuôn mặt. ................................................. 63 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 MỞ ĐẦU Thế giới luôn luôn vận động phát triển, và tất nhiên công nghệ thông tin cũng trong trào lƣu đó. Trong quá trình vận động, ngành công nghệ thông tin có những bƣớc phát triển mang tính cách mạng, từ việc lập trình bằng ngôn ngữ bậc thấp chuyển sang ngôn ngữ bậc cao thông minh, từ việc dùng hệ điều hành MS- Dos chuyển sang dùng hệ điều hành Windows...một trong những cuộc cách mạng của công nghệ thông tin đó là phát triển môi trƣờng đồ họa trong máy tính. Đồ họa máy tính có tính ứng dụng rộng rãi trong công nghệ thông tin nhƣ hỗ trợ thiết kế, biểu diễn thông tin, ứng dụng trong giải trí - nghệ thuật, giáo dục - đào tạo, hỗ trợ giao tiếp ngƣời và máy tính… Tất cả ứng dụng đồ họa đều có giao diện giao tiếp với ngƣời dùng, các giao diện đồ họa tạo nên sự thuận tiện và thoải mái trong quá trình giao tiếp ngƣời – máy. Các ứng dụng chạy trên hệ điều hành MS Windows là một minh họa mang tính thuyết phục, trực quan về đóng góp của đồ họa máy tính. Các chức năng, thay vì thể hiện qua các yêu cầu, dòng lệnh phức tạp, ngày nay nó đƣợc thể hiện qua các biểu tƣợng do đồ họa hỗ trợ, việc thực hiện các chức năng chỉ cần thông qua các thao tác cơ bản của của con trỏ chuột. Với sự hỗ trợ của đồ họa, việc hỗ trợ tối đa trong không gian biểu diễn là hoàn toàn có thể đƣợc, sẽ giúp ngƣời dùng dễ dàng sử dụng hơn. Mô phỏng thế giới thực tại, và đƣa ra những quyết định mang tính chuyên gia luôn luôn là mục tiêu của các hệ thống thông minh có hỗ trợ đồ họa. Điều đó sẽ làm cho tính ứng dụng mềm mại hơn, có hiệu quả và thực sự hữu ích hơn, giải quyết triệt để hạn chế của các ứng dụng đồ họa hiện nay. Thực tế, nhiều ứng dụng với quá trình tƣơng tác ngƣời máy thông qua các thiết bị hỗ trợ nhƣ chuột, bàn phím, màn hình, các núm cầm, từ các thao tác trên các thiết bị đó sẽ là thông tin đầu vào ra quyết định thực hiện chức năng trên giao diện đồ họa. Việc mà ngƣời dùng quan tâm đó là tìm hiểu chức năng của các biểu tƣợng, và làm thế nào để thao tác nhanh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 với các thiết bị cung cấp dữ liệu vào cho máy tính. Máy tính thật sự vẫn phải chờ đợi dữ liệu mang tính thao tác cơ học của ngƣời dùng, thực tế các trạng thái cảm xúc chƣa có vai trò thông tin để máy tính xử lý. Tiếp nhận thông tin cảm xúc con ngƣời và thể hiện thông tin cảm xúc đó vẫn còn là hạn chế. Vấn đề biểu diễn khuôn mặt trong thực tại ảo là rất khó khăn, vì ngoài phần khung xƣơng còn có các mô, phần mềm của khuôn mặt. Nhiều khuôn mặt, về cấu trúc xƣơng là giống nhau, nhƣng phần mềm trên khuôn mặt, có sự khác nhau, dẫn đến khuôn mặt có sự khác nhau. Điều này rất khó trong quá trình thể hiện. Chính vì thế, giải pháp sử dụng máy tính để mô phỏng, cho phép tạo ra các kiểu mặt khác nhau trong một cấu trúc, từ đó so sánh với mô tả từ đời sống thực để nhận dạng. Nhận dạng khuôn mặt có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, nhất là trong khoa học hình sự và trong y học. Xây dựng thƣ viện khuôn mặt là một việc khó, thể hiện trạng thái khuôn mặt lại càng khó hơn. Chúng ta có thể xây dựng cho kết cấu khung xƣơng của khuôn mặt, nhƣng việc đắp phần mềm cho khuôn mặt theo mô tả là rất khó. Từ đó, xác định trạng thái của khuôn mặt, thể hiện những thông tin cảm xúc càng khó hơn. Tuy nhiên nếu xác định rõ trạng thái cảm xúc trên khuôn mặt, sẽ giúp chúng ta có những kết luận chính xác trong cuộc sống để hỗ trợ nhiều vấn đề nhƣ khám chữa bệnh cho ngƣời bệnh từ xa, hay đàm phán kinh doanh, hoặc tìm hiểu tâm lý. Xuất phát trong hoàn cảnh đó việc nghiên cứu một số kỹ thuật biểu diễn trạng thái khuôn mặt trong thực tại ảo là vấn đề không chỉ có ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thời sự mà còn mang đậm tính thực tiễn. Luận văn đƣợc tổ chức gồm 3 chƣơng, trong đó chƣơng 1 giới thiệu về thực tại ảo và các ứng dụng của thực tại ảo, từ khung nhìn tổng quan của thực tại ảo, để tiếp cận nghiên cứu biểu diễn khuôn mặt trong thực tại ảo. Chƣơng 2 nghiên cứu một số kỹ thuật biểu diễn khuôn mặt, tập trung miêu tả các trạng thái cơ bản của khuôn mặt, dùng một số kỹ thuật điền hình để biểu diễn trạng thái khuôn mặt. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 Chƣơng 3 cài đặt ứng dụng thử nghiệm, biểu diễn trạng thái cơ bản của khuôn mặt. Phần kết luận sẽ tổng kết những kết quả nghiên cứu và phân tích ƣu điểm, nhƣợc điểm và đề xuất hƣớng nghiên cứu và cải tiến trong tƣơng lai cho sự nghiên cứu này. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ KỸ THUẬT XÂY DỰNG MÔ PHỎNG KHUÔN MẶT NGƢỜI Công nghệ thông tin ra đời đánh dấu một cuộc cách mạng lớn về công nghệ. Ngày nay công nghệ thông tin đƣợc áp dụng hầu hết trong các lĩnh vực của xã hội. Mục tiên của các ứng dụng công nghệ thông tin là tự động hóa các vấn đề trong thực tế, một ứng dụng thông minh là ứng dụng hỗ trợ tối đa, linh hoạt với ngƣời dùng. Thực tại ảo là một lĩnh vực trong công nghệ thông tin, với sứ mệnh lớn lao là mô phỏng các hệ thống thông minh, có tính tƣơng tác linh hoạt, sinh động nhƣ thế giới thực, điều mà các nhà khoa học luôn mong muốn, vì thực sự đó là cái đích phục vụ hiệu quả mà công nghệ thông tin mang lại cho con ngƣời. 1.1 Khái quát về thực tại ảo Thực tại ảo là một ngành công nghệ có nhiều tiềm năng và ứng dụng vô cùng to lớn. Ra đời vào những năm đầu thập kỷ 90, khái niệm thực tai ảo xuất hiện vào năm 1950, với sự ra đời của hệ thống ảo nguyên sơ đầu tiên do Morton Heilig thiết kế. Mƣời năm sau, giáo sƣ Sutherland đã quản lý xây dựng thành công hệ thống thực tại ảo cơ bản đầu tiên có tên gọi là “Sword of Damocles” [15] trên máy vi tính. “Sword of Damocles” bao gồm: một màn hình máy tính, một hệ thống máy điều chỉnh, một máy tính để làm mọi thứ. Thành công của hệ thống này, là đã đƣa ra khái niệm làm việc cơ bản của hệ thống thực tại ảo, tƣơng tác với ngƣời xem và thuyết phục ngƣời xem bằng các cảm giác thực trong một hệ thống mô phỏng với đầu ra có tính tƣơng tác. Tiếp sau thành công đó, các nhà nghiên cứu và phát triển đã tiến hành xây dựng các thiết bị hỗ trợ hệ thống, sử dụng không gian để mô phỏng, hệ thống thực tại ảo luôn đƣợc thúc đẩy nghiên cứu, xây dựng và áp dụng. Ngày nay, việc áp dụng thực tại ảo luôn đƣợc áp dụng rông rãi, đi đầu trong lĩnh vực này là Mỹ và Châu Âu, việc áp dụng thực tại ảo ở Việt Nam cũng đang đƣợc phát triển, và hy vọng sẽ đƣợc áp dụng rộng rãi và phát huy vai trò thực sự Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 góp phần phát triển khoa học – kỹ thuật, giáo dục-đào tạo, kinh tế - xã hội... Không ai, phủ nhận vai trò của thực tại ảo trong quá trình phát triển và áp dụng, ngay cả trong tƣơng lai, thực tại ảo vẫn đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống. Nghiên cứu về thực tại ảo là rất phức tạp và đòi hỏi hệ thống có sự phối hợp đồng bộ. Bản chất thực tế ảo là một hệ thống mô phỏng trong đó đồ họa máy tính đƣợc sử dụng để mô phỏng thế giới với sự tƣơng tác thật, ta có thể gọi đó là thế giới ảo. 1.1.1. Thực tại ảo là gì? Thực tại ảo là một lĩnh vực mô phỏng môi trƣờng thế giới thực trong không gian ba chiều thể hiện trên máy tính. Trong thế giới mô phỏng (thế giới ảo), bằng việc quan sát và thực hiện những tƣơng tác con ngƣời có thể làm thay đổi thế giới đó theo mong muốn giống nhƣ tƣơng tác với thế giới thực. Thông qua thiết bị đầu vào, hệ thống sẽ mô phỏng và biến đổi môi trƣờng thế giới ảo, con ngƣời có thể quan sát và cảm nhận sự biến đổi thông qua các thiết bị đầu ra. Thế giới ảo là một hệ thống mô phỏng sinh động, tuy nhiên nó không hạn chế nhƣ một bộ phim để con ngƣời chỉ cảm nhận và chiêm ngƣỡng, nó là một hệ thống có tính tƣơng tác phong phú, cho phép con ngƣời có thể xây dựng và phát triển hệ thống đó, bản thân hệ thống cũng có trí tuệ, nó có thể tạo nên những sản phẩm mô phỏng, hoặc cung cấp những quyết định, mô phỏng tình huống theo yêu cầu đầu vào. Với đặc tính tƣơng tác thông minh, hệ thống thực tại ảo, thực chất có vai trò lớn với những lĩnh vực có tính giả định và đòi hỏi rút trích tri thức thực nghiệm cao. Hệ thống thực tại ảo là hệ thống tƣơng tác thời gian thực. Bản thân thế giới ảo, có thể thay đổi khi nhận tín hiệu vào, chủ yếu tín hiệu vào qua hệ thống máy tính. Đối tƣợng tƣơng tác sẽ thấy hệ thống thay đổi ngay khi đối tƣợng cung cấp tín hiệu cho hệ thống. Đặc tính này mang đến cho hệ thống sự sinh động của một thế giới thể hiện tƣơng tác linh hoạt, nó cho phép đối tƣợng tƣơng tác có thể biến đổi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 thế giới ảo theo ý tƣởng định hình sẵn, trong mô hình chủ đề đã đƣợc tạo nên của hệ thống. Hình 1.1. JWARS Mô phỏng không gian chiến trƣờng thực - ảo Tính tƣơng tác của hệ thống mang đến sự cuốn hút kỳ lạ, điều này làm cho đối tƣợng tƣơng tác có sự chú ý và hài lòng về thế giới ảo. Hệ thống hiển thị thế giới ảo thông qua màn hình hiển thị, tuy nhiên hệ thống không bị hạn chế bởi không gian và kích thƣớc vật lý của màn hình hiển thị, bản thân ngƣời tƣơng tác sẽ cảm thấy đắm chìm thực sự trong thế giới ảo, vì đơn giản thế giới ảo tác động hầu hết các giác quan của đối tƣợng tƣơng tác. Trong thực tế ngƣời dùng không những nhìn thấy các đối tƣơng 3D, mà còn sờ, điều khiển, cảm nhận đƣợc các đối tƣợng. Ngoài các khả năng nhìn, nghe và hơn nữa là sờ, đó là một khả năng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 cơ bản trong các hệ thống 3D, các nhà nghiên cứu không dừng ở đó, họ còn tạo nên các cảm giác phức tạp khác nhƣ ngửi, nếm… Tập trung vào các đặc tính của thực tế ảo, có nhiều ý kiến đƣa ra khái quát về công nghệ này. Một trong những định nghĩa có tính chính xác, thực tế và hay dùng, đó là của C. Burdea và P. Coiffet. Theo C. Burdea và P. Coiffet thực tế ảo là một hệ thống giao diện cấp cao giữa ngƣời sử dụng và máy tính [13]. Hệ thống này mô phỏng các sự vật và hiện tƣợng theo thời gian thực và tƣơng tác với ngƣời sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác. Đó là ngũ giác gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác, vị giác. Ngoài đặc tính Tƣơng tác và Đắm chìm hệ thống thực tại ảo còn có đặc tính tƣởng tƣợng, đó là một đặc tính mà ít ngƣời để ý tới, nhƣng chính đặc tính này giúp con ngƣời có những phỏng đoán và suy luận tốt cho thực tế. Thực tế ảo 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 thực tế ảo thiết kế, điều này phụ thuộc rất nhiều vào khả năng tƣởng tƣợng của con ngƣời. Tri thức tƣởng tƣợng của con ngƣời thực chất là các giả định khó có thể áp dụng trong thực tiễn, và điều cần thiết là có một môi trƣờng để biểu diễn các giả định đó dƣới dạng mô phỏng, và từ đó có thể quan sát để rút ra các kết luận, hoặc có thể xây dựng mô hình kịch bản thật cho thực tế...Tùy vào các lĩnh vực mà sự mô phỏng này có tính đa dạng riêng, những bài toán mô phỏng có giá trị hữu ích giúp đối tƣợng tƣơng tác tập huấn trƣớc khi thực hiện trong thế giới thực, nhằm tránh các rủi ro do tri thức thực tế chƣa rõ ràng. Hệ thống thực tại ảo gồm nhiều thành phần nhƣ: môi trƣờng không gian ba chiều, mô hình tạo trên máy tính, sự tƣơng tác, các thiết bị vào, ra. Những gì cần thiết của thế giới thực sẽ đƣợc tái tạo trên máy tính, đó là môi trƣờng cơ bản đầu tiên của hệ thống thực tại ảo. Với sự hỗ trợ của các thiết bị đầu vào, con ngƣời có thể chìm đắm trong môi trƣờng không gian ba chiều, quan sát và với môi trƣờng ảo đó. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 Hệ thống thực tại ảo với phần mềm quản lý thông minh, sẽ xử lý yêu cầu đầu vào của con ngƣời thông qua thiết bị đầu vào, và thể hiện sự biến đổi của hệ thống nhƣ thế giới thực bằng các thiết bị đầu ra, cho con ngƣời cảm giác trải nghiệm nhƣ thế giới thực, mặc dầu đó là một thế giới mô phỏng diễn ra trong không gian ba chiều. Hình 1.2. Một số phần cứng trong hệ thống hiện thực tại ảo Có thể khái quát, các thành phần trong hệ thống thực tại ảo là phần cứng, phần mềm, mạng liên kết, ngƣời dùng. Điều đáng quan tâm nhất trong hệ thống đó là phần cứng và phần mềm, đó là các thành phần cơ bản nhất của hệ thống. Thành phần cơ bản nhất của phần cứng trong hệ thống thực tại ảo là máy với một cấu hình đồ họa đủ mạnh để thể hiện rõ nét và linh hoạt hệ thống tƣơng tác 3D. Các thiết bị kết nối với máy tính hết sức phong phú và đa dạng, hỗ trợ tối đa sự tƣơng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 tác linh hoạt. Các thiết bị đầu vào (Input devices) : 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 (data glove) để ngƣời sử dụng có thể điều khiển đối tƣợng. Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (nhƣ màn hình, HDM,..) để nhìn đƣợc đối tƣợng 3D nổi. Thiết bị âm thanh (loa) để nghe đƣợc âm thanh vòm (nhƣ Hi-Fi, Surround,..). Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback nhƣ găng tay,..) để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tƣợng. Bộ phản hồi xung lực (Force Feedback) để tạo lực tác động nhƣ khi đạp xe, đi đƣờng xóc,… Nằm trong hệ thống phần cứng phức tạp đó là phần mềm (Software). Cũng nhƣ bất kỳ hệ thống nào liên quan tới máy tính, phần mềm luôn là linh hồn của hệ thống đó. Một hệ thống thực tại ảo, muốn đạt đƣợc tính hiệu quả và khả năng thể hiện cao, đòi hỏi phần mềm đƣợc thiết kế với yêu cầu chặt chẽ, phức tạp, thể hiện việc mô phỏng và tƣơng tác sinh động, thực tế đó là những phần mềm có chất lƣợng, đòi hỏi sự gia công, đầu tƣ xây dựng tốt. 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 trong hệ thống thực tại ảo. Từ các ngôn ngữ miễn phí OpenGL, C++, Java3D, VRML, X3D, …đến các phần mềm thƣơng mại nhƣ WorldToolKit, PeopleShop,… đều cho phép các chuyên gia thiết kế đƣợc hệ thống thực tại ảo. Việc sử dụng ngôn ngữ thể hiện nào, phụ thuộc vào ý định của các chuyên gia, nhƣng dù sử dụng ngôn ngữ nào, thì phần mềm của hệt thống thực tại ảo phải bảo đảm 2 công dụng chính: Tạo hình vào Mô phỏng. Các đối tƣợng của hệ thống thực tại ảo đƣợc mô hình hóa nhờ chính phần mềm, hay chuyển sang từ các mô hình 3D đƣợc thiết kế nhờ các phần mềm chuyên đồ họa nhƣ AutoCAD, 3D Studio… Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 Hinh 1.3. Mô phỏng không gian nội thất bằng phần mềm autocad Khả năng tƣơng tác của các đối tƣợng 3D, là thể hiện của quá trình mô phỏng động học, động lực học, và mô phỏng ứng xử của đối tƣợng. Phần mềm thực chất là tập các xây dựng, miêu tả và biểu diễn đối tƣợng trong thực tại ảo. Một hệ thống càng sinh động, tƣơng tác phức tạp, thì yêu cầu xây dựng hệ thống 3D và thể hiện, mô phỏng hệ thống đó càng cao. Bản chất quá trình xây dựng hệ thống là cần xác định cụ thể các tình huống và phỏng đoán chặt chẽ các tình huống khả thi. Chính vì thế hệ thống thực tại ảo, là một hệ thống hết sức sinh động, và luôn phát triển để tiệm cận với thực tiễn cuộc sống, nó thực sự đƣợc ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, từ những vấn đề thực tế cho tới những vấn đề giả tƣởng, đều coi thực tế ảo là một phƣơng tiện hữu ích để hỗ trợ, mô phỏng, tƣơng tác. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 1.1.2. Các ứng dụng cơ bản của thực tại ảo Hiện nay, việc ứng dụng thực tại ảo đã trở nên rộng rãi với các quốc gia. Tuy nhiên, việc thiết kế và xây dựng một hệ thống thực tại ảo không phải là đơn giản. Tại các nƣớc phát triển hệ thống thực tại ảo đƣợc ứng dụng trong mọi lĩnh vực: khoa học, kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giáo dục, y tế, giải trí…và đáp ứng mọi nhu cầu: nghiên cứu, giáo dục, thƣơng mại... Y học là lĩnh vực truyền thống của thực tại ảo. Các bác sỹ có thể sử dụng môi trƣờng ảo cho việc đào tạo và tập rƣợt tất cả các tình huống, giai đoạn trong phẫu thuật y học giúp chuẩn đoán một bệnh nhân. Hình 1.4. Mô phỏng gƣơng mặt bệnh nhân trƣớc và sau phẫu thuật Môi trƣờng thực tại ảo cho phép mô phỏng bệnh nhân dƣới dạng các mô hình thay thế đầy đủ các chức năng nhƣ thật, tại đó các mô hình này là công cụ giáo dục, đào tạo hữu ích, thay thế các mẫu thí nghiệm thật ngày càng ít trong ngân hàng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 y học. Thay vì dùng một quả tim thật để phẫu thuật, thay vì nhìn dƣới góc soi nhỏ hẹp khó quan sát, ngày nay các bác sỹ tƣơng lai, khi đang còn ngồi trên giảng đƣờng, đã đƣợc quan sát các mô hình rất sinh động, hoàn toàn theo đúng nguyên lý sinh học thật. Tháng 11 năm 1993, tại Châu Âu triển khai dự án nghiên cứu xây dựng lại mô hình cánh tay của con ngƣời trong không gian 3D từ những dữ liệu hình ảnh trong y học [1]. Quá trình mô phỏng sẽ thể hiện sự thay đổi có thể có của các bộ phân nhƣ sự co giãn cơ. Hình 1.5. Mô hình cơ cánh tay Không phải lúc nào các bác sỹ cũng có mẫu thực hành phong phú và là mẫu thực hành thật. Thiếu mẫu nghiên cứu, luôn là vấn đề quan tâm của ngành y học, do đó việc ứng dụng thực tại ảo mang đến giải pháp tích cực. Quá trình phẫu thuật của bác sỹ, chữa trị các vùng nghiêm trọng, đòi hỏi tính chính xác cao, để nâng cao kinh nghiệm và tính chuẩn xác trong chữa trị của bác sỹ, thực tại ảo cho phép tập huấn các tình huống một cách thành thạo trƣớc khi áp dụng vào thực tiễn. Sử dụng thực tại ảo, góp phần đáng kể trong giải pháp điều trị tâm lý. Môi trƣờng thực tại ảo, đóng vài trò là môi trƣờng tiếp xúc của các bệnh nhân, kích ứng bệnh nhân vào các tình huống thực tiễn. Trong môi trƣờng thực tại ảo, cảm giác đắm chìm đƣa bệnh nhân vào những trải nghiệm nhƣ môi trƣơng thực tế, tạo nên những kích ứng hoàn toàn thật diễn ra trong quá trình đắm chìm đó. Lợi thế của việc ứng dụng này, cho phép các bác sỹ thu đƣợc các dữ liệu từ bệnh nhân, mà không cần phải xảy ra điều đó thực sự trong hiện thực. Việc thu thập các thông tin, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 đƣa tới những pháp đồ điều trị hiệu quả, ngay cả các pháp đồ sẽ linh hoạt đƣợc điều chỉnh trong quá trình khảo nghiệm bệnh nhân qua thế giới thực tại ảo. Luôn luôn có thể lấy đƣợc ví dụ đơn giản cho đến phức tạp để chứng minh thực tại ảo luôn đƣợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ việc mô phỏng tới việc thiết lập các kịch bản thực nghiệm. Thực tại ảo đƣợc ứng dụng rộng rãi trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí. Ngày nay việc đào tạo giáo dục con ngƣời luôn luôn đƣợc chú trọng, đó là vấn đề hàng đầu của mỗi quốc gia. Cùng với sự phát triển văn minh của nhận loại, việc đào tạo con ngƣời cũng có nhiều cải tiến, với sự hỗ trợ công nghệ hiện đại. Thay vì giáo dục theo truyền thống hoàn toàn bị động và phụ thuộc vào sách vở, giáo dục ngày nay dễ dàng thiết kế bài giảng với cách thể hiện chứng minh tƣờng minh, quan sát đƣợc, góp phần tăng khả năng tƣởng tƣợng và tƣ duy của con ngƣời nâng cao hiệu quả giáo dục. Hình 1.6. Phòng học trực tuyến topica đƣợc thiết kể trong thế giới ảo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 Áp dụng công nghệ thông tin trong giáo dục là một công việc phổ biến ngày nay. Việc xây dựng mô hình thực tại ảo trên máy vi tính nhằm cung cấp các môi trƣờng học tập và nghiên cứu cho học viên rất đƣợc quan tâm nghiên cứu, phát triển, ứng dụng. Các mô hình đƣợc xây dựng hoàn toàn chuyển tải đƣợc thực tế vào môi trƣờng mô phỏng đó, cho phép các học viên tƣơng tác với thế giới ảo, quan sát và đƣa ra những kết luận về tri thức, giúp cho việc giảng dạy đạt hiệu quả cao. Tại nƣớc Mỹ, khi tìm hiểu về sinh học các em học sinh không cần tới viện hải dƣơng học, cũng có thể đƣợc quan sát các loài thủy, hải sản phong phú, thấy đƣợc quá trình phát triển và sinh sản của loài, thông qua màn hình thể hiện của hệ thống thực tại ảo. Ngay trong thời điểm quan sát, các học sinh hoàn toàn có thể tƣơng tác với màn hình của hệ thống để tạo nên những loài theo mong muốn. Thực tại ảo, giúp cho các học sinh có thể làm thí nghiệm một cách đơn giản, hiệu quả, chính xác và an toàn. Hình 1.7. Phòng thí nghiệm vẽ 3D trên mặt phẳng 2 chiều Hệ thống thí nghiệm đƣợc mô tả trực quan trên màn hình tƣơng tác, các học sinh có thể trực tiếp thiết lập dữ liệu thí nghiệm trên màn hình bằng các thao tác cơ bản nhƣ chọn, dịch chuyển các vật dụng thí nghiệm trong hệ thống mô phỏng, quá trình Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Xem thêm -