Luận văn Thạc sĩ Khoa học máy tính: Mô phỏng sự tạo bóng của vật thể từ một nguồn sáng trong thực tại ảo

Chia sẻ: Tri Nhân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:76

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là: Lựa chọn công cụ phù hợp nhất cho việc cài đặt, lựa chọn các vật thể và không gian thích hợp để phân tích các hình ảnh thực tiễn làm cơ sở đối chứng cho kết quả cài đặt, vận dụng thuật toán cài đặt chương trình mô phỏng thể hiện hiệu ứng tạo bóng của một số vật thể dưới tác động của một nguồn sáng, cuối cùng là đánh giá rút kinh nghiệm về thuật toán để có thể cải tiến việc mô phỏng tốt hơn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học máy tính: Mô phỏng sự tạo bóng của vật thể từ một nguồn sáng trong thực tại ảo

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HÀ THỊ CHUYÊN MÔ PHỎNG SỰ TẠO BÓNG CỦA VẬT THỂ TỪ MỘT NGUỒN SÁNG TRONG THỰC TẠI ẢO Ngành: Khoa học máy tính Mã số: 8 48 01 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
2 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 6 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO........................................................ 8 1.1. Tổng quan về thực tại ảo ................................................................................... 8 1.1.1. Thực tại ảo là gì? ........................................................................................ 8 1.1.2 Ứng dụng của thực tại ảo ........................................................................... 11 1.1.3. Lịch sử phát triển của Thực tại ảo ............................................................ 16 1.2. Môi trường và ngôn ngữ lập trình cho đồ họa 3D ........................................... 18 1.2.1. Mô phỏng không gian 3D ......................................................................... 18 1.2.2. Mô hình hóa mô hình 3D .......................................................................... 19 1.2.3 . Bài toán mô phỏng thực tại ảo ................................................................. 24 1.3 Thế giới 3D ....................................................................................................... 25 1.4. Kết luận ........................................................................................................... 27 CHƯƠNG II CÁC KỸ THUẬT XÁC ĐỊNH VÀ BIỂU DIỄN BÓNG ................... 29 2.1 Ánh sáng ....................................................................................................... 29 2.2. Kỹ thuật hiển thị mô hình Occlusion culling............................................... 37 2.3. Kỹ thuật hiển thị mô hình Bump Mapping .................................................. 40 2.4. Kỹ thuật biểu diễn bóng đổ ......................................................................... 44 2.5. Một số thuật toán chiếu sáng toàn cục ............................................................... 50 CHƯƠNG III CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM ............................................... 57 3.1 Công cụ Unity engine......................................................................................... 57 3.2. Yêu cầu thực nghiệm, ứng dụng...................................................................... 67 3.2.1. Yêu cầu với thực nghiệm ......................................................................... 68 3.2.2. Kiểm tra các mô hình đầu vào.................................................................. 68 3.3. Các chức năng của chương trình thực nghiệm ................................................ 71 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 75 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
3 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Thực tế ảo (VR) ............................................................................................ 8 Hình 1.2 Các thành phần của hệ thống VR................................................................. 9 Hình 1.3 Hệ thống Distracted Driving Simulator ..................................................... 12 Hình 1.4: Hệ thống du lịch ảo mẫu 1 ........................................................................ 13 Hình 1.5: Mô hình 3D trong thiết kế nội thất ........................................................... 14 Hình 1.6: Mô hình VR mô phỏng cơ thể người ......................................................... 15 Hình 1.7: Ứng dụng VR của Panasonic Eco Solutions ............................................ 16 Hình 1.8: Thiết bị mô phỏng SENSORAMA ............................................................. 17 Hình 1.9 Jaron Lanier người đưa ra thuật ngữ VR .................................................. 18 Hình 1.10: World space và Local space. .................................................................. 26 Hình 2.1 Bước sóng sánh sáng (nm) ........................................................................ 30 Hình 2.2 Chiếu sáng chính diện (Front lighting)...................................................... 31 Hình 2.3 Nguồn sáng bên (Side Lighting)................................................................. 32 Hình 2.4Nguồn sáng phía sau (Back lighting) .......................................................... 33 Hình 2.5 Chiếu sáng từ phía trên (Top Lighting) ..................................................... 34 Hình 2.6 Chiếu sáng từ phía dưới (Below Lighting) ................................................ 35 Hình 2.7: Bóng cung cấp thông tin về vị trí tương đối của vật thể........................... 36 Hình 2.8: Bóng cung cấp thông tin về dạng hình học của mặt tiếp nhận. ............... 36 Hình 2.9 Đánh dấu đối tượng. .................................................................................. 38 Hình 2.10 Thẻ Object trong công cụ Occlusion........................................................ 39 Hình 2.11Thẻ Bake trong công cụ Occlusion ........................................................... 39 Hình 2.12 Thẻ Visualization trong công cụ Occlusion ............................................. 39 Hình 2.13 Vùng và các ô áp dụng Occlsion Culling. ................................................ 40 Hình 2.14 Tạo normal map từ hight map .................................................................. 42 Hình 2.15 Bóng đổ mờ .............................................................................................. 47 Hình 2.16: Minh họa quá trình sinh và dò tia của ray tracing ................................. 51 Hình 2.17. Các bước xử lý trong giải thuật Ray tracing .......................................... 53 Hình 2.18: So sanh giữa Scan line và ray tracing .................................................... 53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
4 Hình 2.19: Chiếu sáng bằng photon mapping .......................................................... 54 Hình 2.20 Các bước xử lý trong giải thuật Scan line. .............................................. 56 Hình 3.1 logo của Unity engine ................................................................................ 57 Hình 3.2 Giao diện của Unity. .................................................................................. 62 Hình 3.3 Các nút chức năng cho cửa sổ Scene. ........................................................ 63 Hình 3.4 Cửa sổ Hierarchy. ...................................................................................... 64 Hình 3.5 Cửa sổ Inspector. ....................................................................................... 65 Hình 3.6 Cửa sổ Project............................................................................................ 66 Hình 3.7 Trống “ Scồ sam phô ” ngang ................................................................... 69 Hình 3.8 Trống “ Scồ sam phô ” dọc ....................................................................... 69 Hình 3.9 Đàn Cồng ................................................................................................... 70 Hình 3.10 Đàn Thuyền – “Rô niếc IK và Rô niếc Thung” ....................................... 70 Hình 3.11: Toàn cảnh không gian trưng bày ............................................................ 71 Hình 3.12 Hiển thị riêng 1 đối tượng. ...................................................................... 73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
5 LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Hà Thị Chuyên Sinh ngày: 27/08/1987 Học viên lớp cao học CHK16A - Trường Đại học Công nghệ Thông tin & Truyền thông - Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Viễn thông Bắc Kạn Xin cam đoan: Đề tài “Mô phỏng sự tạo bóng của vật thể từ một nguồn sáng trong thực tại ảo” do TS. Vũ Đức Thái hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 05 năm 2019 Tác giả luận văn Hà Thị Chuyên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
6 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và rèn luyện tại khoa Công nghệ thông tin - Đại học Thái Nguyên, đến nay em đã kết thúc khóa học 2 năm và hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn, em đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ góp ý nhiệt tình của quý thầy cô trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên. Để có được kết quả này em xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Công nghệ thông tin cùng các thầy, cô giáo đã giảng dạy, quan tâm và tạo điều kiện thuận lợi để chúng em học tập và rèn luyện trong suốt thời gian theo học tại trường. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Vũ Đức Thái đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 05 năm 2019 Tác giả luận văn Hà Thị Chuyên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
7 ĐẶT VẤN ĐỀ Đồ họa máy tính là một lĩnh vực phát triển nhất trong tin học. Nó được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác trong thực tiễn. Bóng (Shadow) là một vùng tối nằm giữa một vùng được chiếu sáng, bóng xuất hiện khi một vật thể được chiếu sáng toàn bộ hoặc một phần, bóng là một trong những yếu tố quan trọng nhất của tri giác con người về việc nhận biết các vật thể trong thế giới 3 chiều. Đề tài tập trung nghiên cứu các thuật toán, kỹ thuật thể hiện bóng của vật thể tạo ra bởi một nguồn sáng đảm bảo phản ánh đúng với thực tế. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vấn đề xác định và mô phỏng bóng của một vật thể được chiếu từ một nguồn sáng, và sự thay đổi của bóng khi thay dổi nguồn sáng. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là: Lựa chọn công cụ phù hợp nhất cho việc cài đặt, lựa chọn các vật thể và không gian thích hợp để phân tích các hình ảnh thực tiễn làm cơ sở đối chứng cho kết quả cài đặt, vận dụng thuật toán cài đặt chương trình mô phỏng thể hiện hiệu ứng tạo bóng của một số vật thể dưới tác động của một nguồn sáng, cuối cùng là đánh giá rút kinh nghiệm về thuật toán để có thể cải tiến việc mô phỏng tốt hơn. Tôi đã lựa chọn đề tài:" Mô phỏng sự tạo bóng của vật thể từ một nguồn sáng trong thực tại ảo" để cài đặt mô phỏng cho một số hiện vật trong Nhà bảo tàng văn hóa các dân tộc Việt Nam tại thành phố Thái Nguyên. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
8 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO 1.1. Tổng quan về thực tại ảo 1.1.1. Thực tại ảo là gì? Thực tế ảo hay còn gọi là thực tại ảo (tiếng Anh là virtual reality, viết tắt là VR) là một hệ thống mô phỏng trong đó đồ họa 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 (tín hiệu vào) của người sử dụng (nhờ hành động, lời nói,..). Điều này xác định một đặc tính chính của VR, đó là tương tác thời gian thực (real-time interactivity). Hình 1.1 Thực tế ảo (VR) Thời gian thực ở đây có nghĩa 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. Trong thực tế, người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D nổi, điều khiển (xoay, di chuyển,..) được đối tượng trên màn hình mà còn sờ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
9 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).Tuy nhiên hiện nay trong VR các cảm giác này cũng ít được sử dụng đến. Các thành phần một hệ thống VR Một hệ thống VR tổng quát bao gồm 5 thành phần: phần mềm (SW), phần cứng (HW), mạng liên kết, người dùng và các ứng dụng. Trong đó 3 thành phần chính và quan trọng nhất là phần mềm (SW), phần cứng (HW) và các ứng dụng. Hình 1.2 Các thành phần của hệ thống VR Phần mềm 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) OpenGL, C++, Java3D, VRML, X3D,...hay các phần mềm thương mại như WorldToolKit, PeopleShop,... Phần mềm của bất kỳ VR nào cũng phải bảo đảm 2 công dụng chính: Tạo hình vào Mô phỏng. Các đối tượng của VR Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
10 được mô hình hóa nhờ chính phần mềm này hay chuyển sang từ các mô hình 3D (thiết kế nhờ các phần mềm CAD khác như AutoCAD, 3D Studio,..). Sau đó phần mềm VR phải có khả năng mô phỏng động học, động lực học, và mô phỏng ứng xử của đối tượng. Phần cứng Phần cứng của một hệ thống bao gồm: Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh), các thiết bị đầu vào (Input devices) và các thiết bị đầu ra (Output devices). - 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 (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,... Đặc tính cơ bản của một hệ thống VR Một hệ thống thực tế ảo thì tính tương tác, các đồ họa ba chiều thời gian thực và cảm giác đắm chìm được xem là các đặc tính then chốt. Tương tác thời gian thực (real-time interactivity): có nghĩa 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
11 Cảm giác đắm chìm (immersion): là một hiệu ứng tạo khả năng tập trung sự chú ý cao nhất một cách có chọn lọc vào chính những thông tin từ người sử dụng hệ thống thực tế ảo. Người sử dụng cảm thấy mình là một phần của thế giới ảo, hòa lẫn vào thế giới đó.VR còn đẩy cảm giác này “thật” hơn nữa nhờ tác động lên các kênh cảm giác khác. Người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D, điều khiển (xoay, di chuyển..) được đối tượng mà còn sờ và cảm thấy chúng như có thật. Các nhà nghiên cứu cũng đang tìm cách tạo những cảm giác khác như ngửi, nếm trong thế giới ảo. Tính tương tác: có hai khía cạnh của tính tương tác trong một thế giới ảo: sự du hành bên trong thế giới và động lực học của môi trường. Sự du hành là khả năng của người dùng để di chuyển khắp nơi một cách độc lập, cứ như là đang ở bên trong một môi trường thật. Nhà phát triển phần mềm có thể thiết lập những áp đặt đối với việc truy cập vào những khu vực ảo nhất định, cho phép có được nhiều mức độ tự do khác nhau (Người sử dụng có thể bay, xuyên tường, đi lại khắp nơi hoặc bơi lặn…). Một khía cạnh khác của sự du hành là sự định vị điểm nhìn của người dùng. Sự kiểm soát điểm nhìn là việc người sử dụng tự theo dõi chính họ từ một khoảng cách, việc quan sát cảnh tượng thông qua đôi mắt của một con người khác, hoặc di chuyển khắp trong thiết kế của một cao ốc mới như thể đang ngồi trong một chiếc ghế đẩy… Động lực học của môi trường là những quy tắc về cách thức mà người, vật và mọi thứ tương tác với nhau trong một trật tự để trao đổi năng lượng hoặc thông tin. 1.1.2 Ứng dụng của thực tại ảo Công nghệ thực tế ảo là xu hướng tất yếu của tương lai, giúp con người có cơ hội trải nghiệm những sự việc trong thế giới ảo sống động và chân thực như thế giới thực.Và đây là những ứng dụng phổ biến nhất của công nghệ thực tế ảo trong cuộc sống. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
12 Tại các nước phát triển, chúng ta có thể nhận thấy VR được ứng dụng trong mọi lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch, địa ốc... và đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu- Giáo dục- Thương mại - dịch vụ. Y học, du lịch là lĩnh vực ứng dụng truyền thống của VR. Bên cạnh đó VR cũng được ứng dụng trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí, du lịch ảo (Virtual Tour), bất động sản... Trong lĩnh vực quân sự, VR cũng được ứng dụng rất nhiều ở các nước phát triển. Công nghiệp ôtô VR được áp dụng trong giai đoạn thiết kế, thử nghiệm an toàn và bán hàng trong ngành công nghiệp ô tô. Công nghệ này sẽ mô phỏng thiết kế xe để các chuyên gia đựa vào đó đánh giá mà không cần phải sản xuất ra một mẫu thử nghiệm tốn kém. Vì đặc điểm hữu ích này mà công nghệ VR được các hãng ô tô lớn trên thế giới sử dụng. Hình 1.3 Hệ thống Distracted Driving Simulator Du lịch Các ứng dụng VR trong du lịch giúp hướng dẫn viên có thêm kiến thức về những điểm đến trên toàn thế giới mà không cần tiền trạm.Đối với du khách, họ có thể chọn và trải nghiệm ảo các địa điểm du lịch trước khi quyết định mua tour.Thậm chí, một số nhà hàng, khách hàng còn dùng VR để giúp khách hàng hiểu rõ hơn về dịch vụ cung cấp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
13 Hình 1.4: Hệ thống du lịch ảo mẫu 1 Giải trí Ở lĩnh vực điện ảnh, giải trí, game nhờ sử dụng công nghệ VR nên đã có những bước tiến mạnh mẽ. Minh chứng cho thấy là người dùng có thể giải trí với hằng trăm đầu trò chơi thực tế ảo. Thậm chí, các đạo diễn lừng danh đang có kế hoạch triển khai các dự án phim VR khổng lồ. Phim ảnh và truyền hình: Trong nhiều thập kỷ qua, nhiều nhà sản xuất ngày càng mở rộng nội dung dựa trên công nghệ VR, tiêu biểu như hai bộ phim bom tấn The Matrix (Ma trận) và Inception (Sự khởi đầu). Công nghiệp âm nhạc: Âm thanh đa chiều và video 360 độ đang trở thành một định dạng được lựa chọn hàng đầu cho nền công nghiệp thu âm và mix nhạc của các nhà sản xuất. Game: Những trò chơi hành động phiêu lưu sẽ mở đường cho bạn đến với một thế giới mới hào hứng kỳ vĩ và khiến lượng adrenaline trong cơ thể bạn sôi trào đến độ không thể rời khỏi thế giới đó. Âm thanh 3D được xây dựng riêng cho mỗi vật thể khiến cảnh quan trong game biến hóa liên tục. Kiến trúc Khách hàng được mục sở thị không gian sống, nội thất, cảnh quan xung quanh qua hình ảnh 3D 360 độ để có thể đánh giá thực tế ngôi nhà. Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thực tế ảo (VR) cùng những trải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
14 nghiệm tích hợp đa dạng mà nó mang lại đã giúp các nhà marketing có thêm một kênh tiếp thị hình ảnh hiệu quả đến khách hàng. Hình 1.5: Mô hình 3D trong thiết kế nội thất Giáo dục Sử dụng VR giúp việc dạy và học từ xa sẽ dễ dàng và hiệu quả hơn. Hiện nay, công nghệ VR được sử dụng nhiều nhất trong lĩnh vực này như: Google Expeditions là công cụ giảng dạy trong thực tế ảo cho phép bạn dẫn đầu hoặc tham gia các hành trình ảo lôi cuốn trên toàn thế giới, tiếp cận với những địa danh lịch sử, lặn sâu dưới nước cùng những chú cá mập, thậm chí dạo chơi ngoài không gian. Thực tế ứng dụng công nghệ VR trong đào tạo của Việt Nam Ở Việt Nam, công nghệ VR cũng đã bắt đầu được một số cơ sở đào tạo triển khai ứng dụng. Điển hình là Hệ thống mô phỏng huấn luyện bắn súng bộ binh (Trường bắn ảo) do Viện Công nghệ Mô phỏng - Học viện Kỹ thuật Quân sự nghiên cứu, thiết kế, chế tạo. Hệ thống được sử dụng để huấn luyện bắn và bắn kiểm tra súng bộ binh dựa trên công nghệ mô phỏng nhằm tăng cường kỹ năng ngắm bắn cho bộ đội trước khi thực hiện bắn đạn thật trên thao trường. Hệ thống mô phỏng các đối tượng mục tiêu, thực địa trong môi trường 3D, mô phỏng âm thanh, hình ảnh quá trình tương tác Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
15 thực - ảo, mô phỏng hiện tượng giật của súng như khi bắn đạn thật.Bên cạnh việc tránh được những rủi ro, hệ thống này giúp giảm thời gian và chi phí huấn luyện trên vũ khí thật. Trong lĩnh vực y học, Khoa Y - Trường Đại học Duy Tân, Đà Nẵng đã áp dụng công nghệ VR để mô phỏng cơ thể ảo phục vụ công tác giảng dạy, học tập, nghiên cứu cho Bộ môn Giải phẫu. Mô hình mô phỏng các bộ phận chính của cơ thể con người như hệ xương, hệ cơ, hệ thần kinh, hệ tiêu hoá. Thông qua mô hình và hệ thống phần cứng điều khiển, tương tác, sinh viên làm quen với việc thực hành trên các thiết bị nội soi và thực hành giải phẫu thay vì học trực tiếp trên xác, tiêu bản hoặc tranh. Mô hình này đã được triển khai tuy sinh viên còn bỡ ngỡ vì đang quen với cách học truyền thống nhưng các em rất hứng thú với công nghệ mới này. Hình 1.6: Mô hình VR mô phỏng cơ thể người Ứng dụng VR của PESVN dựng lên một không gian ba chiều, trong không gian đó, tất cả những thiết bị điện của PESVN cũng được trang bị và thể hiện theo kích thước, hình dạng và màu sắc thực tế. Khách hàng có thể quan sát các thiết bị này ở mọi góc nhìn. Họ có thể sử dụng thử các loại công tắc, ổ cắm… có thể trực quan nhìn được ánh sáng, màu sắc của các loại đèn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
16 LED, đèn treo tường cũng như cảm nhận được hoạt động của các thiết bị phụ trợ như quạt điện, quạt hút, máy lọc không khí… Hình 1.7: Ứng dụng VR của Panasonic Eco Solutions Công cụ thực tại ảo này sẽ giúp ích rất nhiều cho khách hàng trong việc suy tính và lựa chọn những sản phẩm cần thiết, phù hợp với sở thích và môi trường của họ trước khi ra quyết định mua.Điều này là một tiến bộ vượt trội mà trước đây chưa bao giờ có. 1.1.3. Lịch sử phát triển của Thực tại ảo Vào giữa những năm 50 Morton Helig đã phát minh ra thiết bị mô phỏng SENSORAMA. Đây là một thiết bị điều khiển gồm có: một màn hình thực thể kính, quạt,máy tạo mùi, loa âm thanh và một chiếc ghế di chuyển được. Ông cũng phát minh ra màn hình truyền hình được gắn vào thiết bị để xem phim 3D.Đây được xem là tiền đề cho sự phát triển của VR sau này. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
17 Hình 1.8: Thiết bị mô phỏng SENSORAMA Năm 1961 những kĩ sư của công ty Philco đã phát triển một chiếc mũ đội hiển thị (Head mounted display – HMD). Nó bao gồm một màn ảnh và hệ thống theo dõi video đã được những kĩ sư liên kết tới một hệ thống camera. HMD được sử dụng trong những tình huống nguy hiểm của quân sự, hỗ trợ cho các phi công trong môi trường thiếu ánh sáng. Năm 1965, một nhà khoa học máy tính tên là Ivan Sutherland hình dung ra một điều mà ông gọi là "Ultimate Display". Khi sử dụng hiển thị này, một người có thể thấy một thế giới ảo hiện ra như thế giới vật lý thật.Điều này đã định hướng toàn bộ tầm nhìn về VR. Khái niệm của Suntherland bao gồm:  Một thế giới giới ảo mà ta có thể quan sát thông qua một HMD  Một máy tính để duy trì các mô hình trong thời gian thực Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
18  Các khả năng cho người sử dụng để thao tác những đối tượng thực tế một cách trực quan nhất. Hình 1.9 Jaron Lanier người đưa ra thuật ngữ VR 1.2. Môi trường và ngôn ngữ lập trình cho đồ họa 3D 1.2.1. Mô phỏng không gian 3D Với phát triển mạnh mẽ của công nghệ mô phỏng, người sử dụng hoàn toàn có thể xây dựng lại môi trường làm việc gần tương đương với thực tế để nhìn xem ứng xử của vật liệu hoặc sản phẩm mình thiết kế trong môi trường tính toán ảo trên máy tính. Nền tảng của công nghệ này là phương pháp phần tử hữu hạn và thể tích hữu hạn. Có 3 bước cơ bản để xây dựng tính toán mô phỏng: Tiền xử lý(Pre Pro cessing), Tính toán(Processing), xuất kết quả (Post Processing) Tiền xử lý (Pre Processing): Nhập vào máy tính các thông số của bài toán: mô hình CAD 3D, vật liệu, môi trường vật lý, chia lưới.. Tính toán(Processing): Khi các thông số đầy đủ, các phần phềm CAD – CAE sẽ thực hiện các giải thuật để quy bài toán mô hình về hệ phương trình vi phân để giải và xuất kết quả. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
19 Xuất kết quả(Post Processing): Các kết quả thường được lưu trên máy tính với các thông tin về: trường chuyển vị, trường ứng xuất, hình ảnh chuyển động của mô hình,.. 1.2.2. Mô hình hóa mô hình 3D Khi thiết kế một sản phẩm thao tác dựng mô hình 3D là bước đầu tiên và quan trọng nhất.Hiện nay có rất nhiều phần mềm thiết kế được sử dụng rộng rãi, mỗi phần mềm đều có những điểm hay và thú vị riêng. Nhìn chung lại hầu hết đều có chung một kỹ thuật vẽ khá giống nhau. Một vật thể bất kỳ được xây dựng dựa trên: điểm, đường thẳng, mặt phẳng và cuối cùng là dùng các phép dựng hình 3D để tạo nên vật thể. Sau khi có một mô hình 3D thì công việc tiếp theo là tinh chỉnh sao cho sản phẩm đạt yêu cầu nhất. Một vật thể 3D bất kỳ là sự tổ hợp của các phép dựng hình được xây dựng sẵn trong các chương trình vẽ 3D. Mặc dù với tên gọi mỗi chức năng ở mỗi phần mềm có thể khác nhau đôi chút nhưng đều có các chức năng cơ bản như sau:  Kỹ thuật dựng hình dựa trên hình phẳng cơ sở kết hợp với phép tịnh tiến theo đường thẳng( Extruded): với một hình phẳng 2D được vẽ bất kỳ sau khi tịnh tiến tạo một khối 3D. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
20  Kỹ thuật tạo vật thể bằng cách quay mặt cơ sở theo một trục cố định (Revolved): tạo mặt cơ sở với biên khép kính bất kỳ, sau đó vẽ trục làm tâm quay để tạo vật thể  Kỹ thuật dựng hình dựa trên hình phẳng cơ sở kết hợp với phép tịnh tiến theo đường cong bất kỳ ( swept): với một hình phẳng 2D được vẽ bất kỳ sau khi tịnh tiến cong tạo một khối 3D. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn