Tài liệu Tìm hiểu kĩ thuật mô phỏng nước bằng phương pháp particle và ứng dụng minh họa

Header Page 1 of 128. LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới cô giáo, Th.s Nguyễn Minh Hiền - người đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt cho em những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình em làm khóa luận này. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo khoa Công nghệ thông tin đã tận tình giảng dạy, trang bị cho em những kiến thức cần thiết trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại khoa. Mặc dù đã nỗ lực hết mình, xong do thời gian và trình độ chuyên môn còn hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy giáo, cô giáo và các bạn để khóa luận được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Xuân Hoà, tháng 05 năm 2013 Sinh viên Phạm Thanh Nhã luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 1 of 128. Header Page 2 of 128. LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Phạm Thanh Nhã Sinh viên lớp: K35 – CNTT, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Tôi xin cam đoan: 1. Đề tài “Tìm hiểu kỹ thuật mô phỏng nước bằng phương pháp Particle và ứng dụng minh họa” là kết quả nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của cô giáo, Th.s Nguyễn Minh Hiền và tham khảo một số nguồn tài liệu nước ngoài trên Internet. 2. Khóa luận hoàn toàn không sao chép từ các tài liệu có sẵn nào. 3. Kết quả nghiên cứu không trùng với các tác giả khác. Nếu sai, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm! Xuân hoà, tháng 05 năm 2013 Người cam đoan Phạm Thanh Nhã luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 2 of 128. Header Page 3 of 128. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU ..................................................................................................... ..1 Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG NƯỚC...... ..4 1.1. Khái quát về thực tại ảo (VR-Virtual Reality) ....................................... ..4 1.1.1. Định nghĩa..................................................................................... 4 1.1.2. Đặc điểm của một hệ thống thực tại ảo .......................................... 5 1.1.3. Một số loại hệ thống thực tại ảo .................................................... 8 1.1.4. Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo................................. 9 1.1.5. Một số lĩnh vực ứng dụng chính của thực tại ảo .......................... 10 1.2. Mô phỏng nước ..................................................................................... 15 1.2.1. Khái quát về mô phỏng ............................................................... 15 1.2.2. Mô phỏng chất lỏng..................................................................... 17 1.2.3. Một số tính chất của chất lỏng ..................................................... 19 1.2.4. Một số tính chất vật lý hóa của nước ........................................... 21 1.2.5. Tầm quan trọng của nước và mô phỏng nước .............................. 25 Chương 2: MÔ PHỎNG NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP PARTICLE ....... 26 2.1. Kỹ thuật mô phỏng hiệu ứng của nước thông thường ............................ 26 2.2. Một số phương pháp mô phỏng nước .................................................... 27 2.2.1. Phương pháp Physically - based .................................................. 27 2.2.2. Phương pháp Particle-based ........................................................ 28 2.3. Mô phỏng nước bằng phương pháp Particle .......................................... 28 2.3.1. Tiến trình mô phỏng .................................................................... 28 2.3.2. Giảm mật độ kép ......................................................................... 34 luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 3 of 128. Header Page 4 of 128. 2.3.3. Biểu diễn bề mặt.......................................................................... 41 Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM ............................................ 45 3.1. Ứng dụng của mô phỏng nước trong thực tại ảo .................................... 45 3.2. Chương trình thử nghiệm mô phỏng nước ............................................. 46 3.2.1. Giới thiệu chung .......................................................................... 46 3.2.2. Mô phỏng mặt nước .................................................................... 47 3.2.3. Chương trình mô phỏng mặt nước ............................................... 51 3.2.4. Các kỹ thuật liên quan ................................................................. 54 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................... 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 61 luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 4 of 128. Header Page 5 of 128. BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt VR HMD Giải thích Virtual Reality - Thực tại ảo Head mounted display - Màn hình gắn trên đầu 3D 3 Dimension - Không gian 3 chiều 2D 2 Dimension – Không gian 2 chiều VRML HTML Virtual Reality Modelling Language - Ngôn ngữ định dạng đối tượng 3D Hyper Text Markup Language - Ngôn ngữ định dạng siêu văn bản luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 5 of 128. Header Page 6 of 128. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Một hệ thống VR tại Viện Fraunhofer (CHLB Đức) ....................... 5 Hình 1.2. Sử dụng tay điều khiển và mũ chụp ảo............................................ 6 Hình 1.3. Tái tạo không gian phố cổ Hà Nội bằng mô phỏng thực tại ảo ........ 7 Hình 1.4. Các đặc tính chính của Thực tại ảo ................................................. 7 Hình 1.5. Các thành phần của một hệ thống VR ............................................. 9 Hình 1.6. Cảnh sinh hoạt trong lớp học ảo.................................................... 11 Hình 1.7. Mô phỏng quá trình đào tạo phẩu thuật ảo .................................... 11 Hình 1.8. Hệ thống trong lĩnh vực giải trí 3D ............................................... 12 Hình 1.9. Các kỹ sư đang thay đổi các chi tiết cho chiếc xe hơi ảo ............... 13 Hình 1.10. Mô phỏng trong thiết kế kiến trúc cầu 3D ................................... 13 Hình 1.11. Một góc của Văn Miếu Quốc Tử Giám trên mô hình 3D ............ 14 Hình 1.12. Ứng dụng của VR trong quân sự ................................................. 14 Hình 1.13. Mô phỏng tĩnh vật....................................................................... 15 Hình 1.14. Mô phỏng đối tượng động........................................................... 16 Hình 1.15. Mô hình phân tử nước................................................................. 22 Hình 1.16. Hình học của Phân tử nước ......................................................... 22 Hình 1.17. Liên kết hiđrô ............................................................................. 23 Hình 1.18. Khi đông lạnh dưới 40C, các phân tử nước phải dời xa ra để tạo… liên kết tinh thể lục giác mờ ......................................................................... 24 Hình 2.1. Mô tả một số hạt particle chuyển động trong không gian .............. 32 Hình 2.2. Các hạt particle chuyển động với vận tốc thay đổi khi có trọng lực32 Hình 2.3. Các hạt particle chuyển động khi có thêm độ nhớt ........................ 33 Hình 2.4. Các particle chuyển động khi mật độ các hạt tăng......................... 33 Hình 2.5. Dạng khác nhau của bề mặt chất dẻo ............................................ 42 Hình 3.1. Hệ thống tập lái tàu thuỷ của trường ĐH GTVT HCM ................. 45 Hình 3.2. Thể hiện hiệu ứng mặt nước đã được tạo ...................................... 46 luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 6 of 128. Header Page 7 of 128. Hình 3.3. Thể hiện mặt nước bằng lưới đa giác trong phương pháp.................. Particle – based ............................................................................................ 46 Hình 3.4. Mặt nước đứng yên ....................................................................... 53 Hình 3.5. Mặt nước chuyển động mạnh ........................................................ 53 Hình 3.6. Mô hình tổ chức của một file VRML ............................................ 56 Hình 3.7. Hình hộp đơn giản viết bằng VRML ............................................. 56 Hình 3.8. Billboad với mô hình hóa một cái cây........................................... 58 luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 7 of 128. Header Page 8 of 128. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Công nghệ thông tin đã, đang và sẽ tiếp tục trên đà phát triển mạnh mẽ, sự phát triển nhanh chóng ấy đã đem lại những thành tựu đáng kể trong nhiều lĩnh vực như y tế (với các phần mềm quản lý bệnh viện, mô phỏng tim người, cơ thể người, các mô cơ,...), giao thông (các phần mềm trắc nghiệm thi lý thuyết lái xe, phần mềm mô phỏng lái xe ảo,…), giáo dục (hệ thống các phần mềm quản lý, giáo án, giáo trình điện tử, website đào tạo trực tuyến,…), an ninh, quốc phòng,... Những năm gần đây, cũng trên đà phát triển ấy đã xuất hiện một mô hình phát triển mới mà phạm vi ứng dụng của nó còn rộng lớn hơn rất nhiều. Nó dự báo một tương lai có nhiều tiềm năng, một cánh cửa rộng mở, đó chính là công nghệ thực tại ảo. Trên thế giới, công nghệ thực tại ảo đã và đang trở thành một ngành công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực như: nghiên cứu và công nghệ, giáo dục đào tạo, du lịch, dịch vụ bất động sản, thương mại và giải trí,… và tiềm năng kinh tế cũng như tính hữu dụng của nó. Đối với Việt Nam, công nghệ thực tại ảo đang dần được phát triển mạnh trong hầu hết các lĩnh vực. Tại viện công nghệ thông tin thuộc viện khoa học và công nghệ Việt Nam đã được trang bị phòng máy thực tại ảo đầu tiên trong cả nước. Bên cạnh trung tâm đầu não đó, kỹ thuật mô phỏng đã được nhiều trường Đại học, nhiều công ty phần mềm nghiên cứu và cho tới nay đã thu được những kết quả bước đầu đáng khích lệ, nhưng để làm chủ được công nghệ mới này thì rất cần phải đầu tư nghiên cứu tiếp. Một điều thực tế là muốn hiểu toàn bộ công nghệ thì phải nắm được phương pháp thể hiện hay mô phỏng đối tượng trong môi trường thực tại ảo, chẳng hạn để mô phỏng nước thì chúng ta cần phải nắm được kỹ thuật mô phỏng nước. Ở nước ta, việc ứng dụng thực tại ảo vào mô phỏng nước vẫn chưa được quan tâm nhiều, mà nước là một thành phần không thể thiếu trong đời sống con người. 1 luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 8 of 128. Header Page 9 of 128. Chính vì vậy, em đã chọn đề tài khoá luận tốt nghiệp là “Tìm hiểu kỹ thuật mô phỏng nước bằng phương pháp Particle và ứng dụng minh họa”. 2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu Mục tiêu của khóa luận là nghiên cứu một phương pháp đặc biệt phương pháp Particle sử dụng trong mô phỏng nói chung cũng như trong mô phỏng nước nói riêng và xây dựng chương trình ứng dụng minh họa. 3. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là mô phỏng nước bằng phương pháp Particle. Nước là thành phần không thể thiếu trong cuộc sống của mỗi chúng ta. Nước phục vụ cho cuộc sống hàng ngày, phục vụ cho sản xuất, cuộc sống của con người gắn liền với nước,… 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý luận Nghiên cứu qua việc đọc sách, báo và các tài liệu liên quan nhằm xây dựng cơ sở lý thuyết của đề tài và các biện pháp cần thiết để giải quyết các vấn đề của đề tài. - Phương pháp chuyên gia Tham khảo ý kiến của các chuyên gia để có thể thiết kế chương trình phù hợp với yêu cầu thực tiễn. Nội dung xử lý nhanh đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng. - Phương pháp thực nghiệm Thông qua quan sát thực tế, yêu cầu của cơ sở, những lý luận được nghiên cứu và kết quả đạt được qua những phương pháp trên, dùng 3DS Max để xây dựng mô hình, sau đó dùng ngôn ngữ C# để điều kiển mô hình mô phỏng nước. 2 luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 9 of 128. Header Page 10 of 128. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn khóa luận Đề tài đem lại một số kiến thức thực tế về ứng dụng mô phỏng nước vào công nghệ giải trí, nghiên cứu khoa học và mô phỏng những thí nghiệm có liên quan đến nước trong quá trình giảng dạy tại các trường học. 6. Cấu trúc khóa luận Luận văn gồm 3 chương với những nội dung chính như sau: Chương 1: Khái quát về thực tại ảo và mô phỏng nước Trong chương này giới thiệu tổng quan về quá trình phát triển và các lĩnh vực ứng dụng chính hiện nay của Thực tại ảo, đồng thời cung cấp một cái nhìn tổng quan về mô phỏng nước trong hệ thực tại ảo. Tại chương này cũng đi sâu phân tích những tính chất vật lý, các hiệu ứng cơ bản của nước để làm cơ sở cho sự trình bày phương pháp mô phỏng nước trong chương 2. Chương 2: Mô phỏng nước bằng phương pháp Particle Chương này đưa ra các kỹ thuật mô phỏng hiệu ứng nước thông thường và giới thiệu những phương pháp mô phỏng mà người ta đã dùng để tạo ra các hiệu ứng nước. Đặc biệt là trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp Particle một phương pháp được sử dụng hiệu quả trong mô phỏng nước. Chương 3: Chương trình thử nghiệm Chương này dựa vào các cơ sở lý thuyết trình bày ở chương trước để viết chương trình thử nghiệm mô phỏng nước bằng phương pháp Particle. Phần cuối chương trình bày một số kỹ thuật liên quan khác được sử dụng trong xây dựng chương trình thử nghiệm như VRML, Billboard. 3 luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 10 of 128. Header Page 11 of 128. Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG NƯỚC 1.1. Khái quát về thực tại ảo (VR-Virtual Reality) Thực tại ảo có tiềm năng ứng dụng vô cùng to lớn trong đời sống xã hội của con người và sự phát triển chung của thế giới. 1.1.1. Định nghĩa Thực tại ảo (VR - Virtual Reality) ra đời vào khoảng đầu thập kỷ 90 và phát triển tập trung tại các nước phương Tây (chủ yếu là Mỹ và Châu Âu). Nó đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực (nghiên cứu và công nghiệp, giáo dục và đào tại cũng như thương mại, giải trí,…). Thuật ngữ “Virtual Reality” - Thực tại ảo - được đưa ra bởi Jaron Lanier (người sáng lập ra công ty VPL Research, tại Redwood - California, một trong những công ty đầu tiên cung cấp các sản phẩm cho môi trường ảo, virtual envinment). Thực tại ảo được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau, xét trên phương diện chức năng để đánh giá thì có thể hiểu: Thực tại ảo là một hệ thống mô phỏng, trong đó đồ hoạ máy tính được sử dụng để tạo ra một thế giới “như thật”. Hơn nữa, thế giới “nhân tạo” này không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn (tức tín hiệu vào) của người sử dụng (nhờ hành động, lời nói,…). Điều này xác định một đặc tính chính của Thực tại ảo đó là khả năng tương tác với thời gian thực (realtime interactivity). Thời gian thực ở đây được hiểu là máy tính có khả năng nhận biết được tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức thế giới ảo. Người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ và bị thu hút bởi sự mô phỏng này. Tương tác và khả năng thu hút của Thực tại ảo góp phần lớn vào cảm giác đắm chìm (immersion), cảm giác trở thành một phần của hành động trên màn hình mà người sử dụng đang trải nghiệm. Thực tại ảo còn đẩy cảm giác này “thật” hơn nữa nhờ tác động 4 luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 11 of 128. Header Page 12 of 128. lên tất cả các kênh cảm giác của con người. Trong thực tế, người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ hoạ 3D nổi, điều khiển (xoay, di chuyển,…) được đối tượng trên màn hình (như trong game), mà còn sờ và cảm thấy chúng như 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 như ngửi (khứu giác), nếm (vị giác). Từ các phân tích trên, chúng ta có thể thấy định nghĩa sau đây của C. Burdea và P. Coiffet tương đối chính xác về Thực tại ảo: VR – Thực tại 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 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 [10]. Hình 1.1. Một hệ thống VR tại Viện Fraunhofer (CHLB Đức) 1.1.2. Đặc điểm của một hệ thống thực tại ảo  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 5 luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 12 of 128. Header Page 13 of 128. 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 kiến cho rất nhiều ngành công nghiệp đang khai phá cách sử dụng các môi trường ảo. Hình 1.2. Sử dụng tay điều khiển và mũ chụp ảo  Tính tương tác (Interactive): Có hai khía cạch là sự điều hướng và động lực học của môi trường. Sự điều hướng (navigation) chỉ đơn giản là khả năng của người dùng để di chuyển khắp nơi một cách độc lập, cứ như là đang ở trong một môi trường thật, 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. Động lực học của môi trường là những quy tắc về cách thức mà nội dung của nó (người, vật,… và mọi thứ) tương tác với nhau trong một trật tự để trao đổi năng lượng hoặc thông tin. 6 luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 13 of 128. Header Page 14 of 128. Hình 1.3. Tái tạo không gian phố cổ Hà Nội bằng mô phỏng thực tại ảo  Tính tưởng tượng (Imagination): Thực tại ảo không chỉ là một hệ thống tương tác giữa người và máy, 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 tưởng tượng của con người, đó chính là đặc tính “I” (Imagination) thứ 3 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 [9],[10]. Hình 1.4. Các đặc tính chính của Thực tại ảo 7 luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 14 of 128. Header Page 15 of 128. 1.1.3. Một số loại hệ thống thực tại ảo  Hệ thống Window on a World còn gọi là Desktop VR, là các chương 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 hoạ máy tính nhỏ luôn gặp phải khó khăn là làm thế nào để hình ảnh, âm thanh và các đối tượng hoạt động như trong thực tế.  Hệ thống kết hợp các hình ảnh video với các hình ảnh đồ hoạ 2D làm cho chúng ta có cảm giác người được quay video đang tương tác với các đối tượng. Phương pháp này được áp dụng từ cuối những năm 1960 và được mô tả chi tiết trong 2 cuốn sách "Artificial Reality" và "Artificial Reality II" của Myron Kruger. Nó đã được áp dụng vào hệ thống thương mại Mandala của kênh truyền hình cáp Nickelodeon cho chương trình giải trí mà trong đó những người dự thi xuất hiện với những hình ảnh rất lớn và ngộ nghĩnh.  Hệ thống immersive là các hệ thống mà người sử dụng dùng thiết bị đặc biệt như 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 gíới thực với các giác quan của người 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. Chiếc kính này nhận các tín hiệu quan sát được từ vị trí của một robot ở một khoảng cách xa và chúng ta sẽ thấy những gì mà robot thấy để rồi chúng ta có các phản ứng như chính ta đang nhìn thấy các hình ảnh đó. Các phản ứng này, theo các bộ cảm biến được nối với máy tính sẽ chuyển đến các bộ phận tương ứng của robot, kết quả là robot sẽ bắt chước các hoạt động của chúng ta. Điều này thực sự ý nghĩa nếu robot được đặt trên một hành tinh xa xôi hay trong lòng núi lửa. Hệ thống hỗn hợp (mixed 8 luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 15 of 128. Header Page 16 of 128. realityseamless simulation systems), là sự kết hợp các hệ thống hiện thực ảo đã trình bày ở trên. 1.1.4. Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo Tổng quát một hệ thống VR bao gồm những thành phần sau: Hình 1.5. Các thành phần của một hệ thống VR  HW (Hardware - phần cứng) Phần cứng của một VR bao gồm:  Các thiết bị đầu vào (Input devices): bao gồm những 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 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 (head trackers), 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,... 9 luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 16 of 128. Header Page 17 of 128.  Bộ giả lập thực tại ảo (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 đa phương tiện; 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.  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, C++, Java 3D,VRML, X 3D,... hay các phần mềm thương mại như World Tool Kit, People Shop,... 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. 1.1.5. Một số lĩnh vực ứng dụng chính của thực tại ảo Thực tại ảo có rất nhiều ứng dụng trong hầu như tất cả các lĩnh vực:  Giáo dục: Mô phỏng các thí nghiệm, các phản ứng hoá học, xây dựng các phần mềm mô phỏng,… Ở các nước phương Tây việc ở nhà học qua Internet không còn là điều mới mẻ. Công nghệ VR sẽ làm cho việc này trở nên thú vị hơn nhiều. Người học có thể điều khiển một nhân vật đại diện cho mình đi lại trong một trường học ảo được xây dựng trên máy tính. Người học cũng có thể tham gia vào bất cứ lớp ảo nào mà họ thích và nói chuyện với những thành viên khác trong lớp. 10 luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 17 of 128. Header Page 18 of 128. Hình 1.6. Cảnh sinh hoạt trong lớp học ảo  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 do vấn đề văn hoá 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 hoá nên dễ hiểu và dễ được nắm bắt. Hình 1.7. Mô phỏng quá trình đào tạo phẩu thuật ảo 11 luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 18 of 128. Header Page 19 of 128.  Giải trí: Trong giải trí có thể kể đến hai lĩnh vực đó là điện ảnh và game. Trong điện ảnh ngày nay con người có thể dựng được những thước phim tưởng chừng như không thể dựng được với các kỹ xảo điện thông thường, ví dụ trong một số cảnh của phim vua bọ cạp,… Khi xem các phim này bạn sẽ có cảm giác như đang sống trong chính bộ phim như thể bạn là một nhân vật của bộ phim chứ không phải bạn đang xem phim. Game 3D hiện nay đã trở thành một ngành công nghiệp thu được nhiều lợi nhuận. Các trò chơi với sự hỗ trợ của thực tại ảo sẽ cho bạn có cảm giác như đang thực sự tham gia vào vai diễn mà bạn đảm nhiệm trong trò chơi. Hình 1.8. Hệ thống trong lĩnh vực giải trí 3D  Khoa học kỹ thuật: Với sự giúp đỡ của thực tại ảo, ngày nay con người không những có thể xem được hình ảnh trực quan của các thiết bị cần sản xuất mà thậm chí người ta còn có khả năng sử dụng hay thay đổi các chi tiết của các thiết bị đó. Việc này nhằm giúp cho các ngành khoa học và các kỹ sư thuận lợi hơn trong việc tạo ra một sản phẩm hợp ý muốn mà không cần tốn nhiều chi phí. 12 luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 19 of 128. Header Page 20 of 128. Hình 1.9. Các kỹ sư đang thay đổi các chi tiết cho chiếc xe hơi ảo  Kiến trúc: Trong nhiều năm trở lại đây, thực tại ảo đã được sử dụng để xây dựng mô hình của các dự án kiến trúc trước khi các dự án này đưa vào thực tế, nhằm giúp cho người sử dụng có cái nhìn tổng quan và chi tiết về các dự án đó. Hình 1.10. Mô phỏng trong thiết kế kiến trúc cầu 3D Bên cạnh đó, thực tại ảo cũng được sử dụng để tái hiện lại các công trình kiến trúc cổ, nhằm lưu giữ lại các di sản văn hoá. 13 luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 20 of 128.