Phát triển ứng dụng thực tại tăng cường trên nền tảng điện toán đám mây

Vũ Trọng Sinh<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 135(05): 49 - 56<br /> <br /> PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG THỰC TẠI TĂNG CƯỜNG<br /> TRÊN NỀN TẢNG ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY<br /> Vũ Trọng Sinh*<br /> Học viện Ngân hàng<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu về công nghệ thực tại tăng cường và áp dụng điện<br /> toán đám mây hỗ trợ người dùng khi tìm hiểu các vị trí xung quanh một cách trực quan bằng hình<br /> ảnh trên camera, đã bổ sung thêm lớp thông tin thực tại tăng cường.<br /> Keywords: dịch vụ dựa trên vị trí, LBS, Google App Engine, Android, GPS, datastore, Augmented<br /> Reality<br /> <br /> MỞ ĐẦU*<br /> Công nghệ thực tại tăng cường (Augmented<br /> Reality - AR) được hiểu là công nghệ cho<br /> phép con người quan sát, nhận biết các đối<br /> tượng trong thế giới thực thông qua một thiết<br /> bị thông minh nào đó với những thông tin chi<br /> tiết hơn. Thực tại tăng cường trên thiết bị di<br /> động sử dụng các thông tin từ hình ảnh thực<br /> tế được cung cấp thông qua camera và các<br /> cảm biến như GPS, la bàn số, gia tốc kế… sau<br /> khi đã qua xử lý, sẽ chuyển đến người dùng,<br /> đồng thời bổ sung những thông tin cụ thể liên<br /> quan đến hình ảnh đó. Thông tin bổ sung này<br /> phải được thể hiện một cách chân thực nhằm<br /> thuyết phục người dùng rằng đó cũng là một<br /> phần của thế giới thực. Ứng dụng công nghệ<br /> thực tại tăng cường trong phát triển các dịch<br /> vụ LBS giúp cho việc cung cấp các dịch vụ<br /> này trở nên thân thiện hơn với người dùng<br /> qua tương tác, đồng thời nâng cao chất lượng<br /> cung cấp dịch vụ. Mô hình điện toán đám<br /> mây xuất hiện trong thời gian gần đây đã<br /> chứng tỏ có nhiều ưu điểm nổi trội và có thể<br /> ứng dụng tích hợp với các công nghệ khác.<br /> Bài báo này trình bày một khả năng ứng dụng<br /> điện toán đám mây vào công nghệ thực tại<br /> tăng cường.<br /> Bài báo có cấu trúc như sau: Phần đầu bài báo<br /> giới thiệu tổng quan về công nghệ thực tại<br /> tăng cường và điện toán đám mây. Phần thứ<br /> hai giới thiệu mô hình hệ thống của ứng dụng<br /> *<br /> <br /> Email: sinhvtr@bav.edu.vn<br /> <br /> đang phát triển trên nền tảng điện toán đám<br /> mây. Phần thứ ba trình bày một vài kết quả<br /> ứng dụng thực tại tăng cường dựa trên điện<br /> toán đám mây, cài đặt thử nghiệm và kết quả.<br /> CÔNG NGHỆ THỰC TẠI TĂNG CƯỜNG<br /> Công nghệ thực tại tăng cường là gì<br /> Công nghệ thực tại tăng cường (Augmented<br /> Reality -AR) được hiểu là công nghệ cho<br /> phép con người quan sát, nhận biết các đối<br /> tượng trong thế giới thực thông qua một thiết<br /> bị thông minh nào đó với những thông tin chi<br /> tiết hơn.<br /> <br /> Hình 1. Các thành phần của hệ thống thực tại<br /> tăng cường<br /> <br /> Công nghệ thực tại tăng cường sử dụng các<br /> thông tin từ hình ảnh thực tế được cung cấp từ<br /> các thiết bị GPS, camera, … sau khi đã qua<br /> xử lý, sẽ cung cấp cho người dùng những<br /> thông tin cụ thể liên quan đến đối tượng<br /> người dùng quan tâm. Thực tại tăng cường hỗ<br /> trợ việc số hóa dữ liệu các đối tượng 2D, 3D<br /> trong thế giới thực, đồng thời cung cấp các<br /> thông tin liên quan đến các đối tượng đó cho<br /> người dùng.<br /> 49<br /> <br /> Nitro PDF Software<br /> 100 Portable Document Lane<br /> Wonderland<br /> <br /> Vũ Trọng Sinh<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Công nghệ thực tại ảo có thể được coi là tiền<br /> nhiệm của thực tại tăng cường, với nhiều<br /> điểm tương đồng. Khác biệt lớn nhất chính là<br /> thực tại ảo không dùng dữ liệu trực tiếp từ<br /> camera mà tất cả hình ảnh hiển thị ngay trong<br /> thực tại ảo hoặc là ảnh hoạt họa, hoặc là được<br /> ghi hình từ trước đó.<br /> Các thành phần của một hệ thống thực tại<br /> tăng cường<br /> Một hệ thống thực tại tăng cường cơ bản gồm<br /> các phần được mô tả như trong hình 1 [6]:<br /> - Bộ mô phỏng (scene generator): là thiết bị<br /> hay phần mềm có nhiệm vụ mô phỏng hoàn<br /> cảnh thực tại. Hiện nay, việc mô phỏng<br /> (rendering) hoàn cảnh thực đã không còn là<br /> một khó khăn của công nghệ thực tại tăng<br /> cường bởi vì khi mô phỏng các đối tượng ảo<br /> thường không cần phải mô phỏng với thời<br /> gian thực để có thể được xử lý trong ứng<br /> dụng.<br /> - Hệ thống lưu vết (Tracking system): là một<br /> trong những thành phần quan trọng nhất của<br /> hệ thống thực tại tăng cường. Hệ thống lưu<br /> vết thường phát sinh vấn đề khi cần được<br /> chấp nhận (registration) vào hệ thống. Đối<br /> tượng trong thế giới thực và ảo cần được mô<br /> phỏng với đầy đủ các đặc tính và mối liên hệ<br /> chặt chẽ với nhau. Ví dụ như trong các ngành<br /> công nghiệp, rất nhiều ứng dụng phụ thuộc<br /> vào sự tương quan chặt chẽ giữa các đối<br /> tượng thực và ảo, đặc biệt là trong ngành<br /> công nghiệp dược phẩm.<br /> - Thiết bị hiển thị: Hầu hết tất cả các thiết bị<br /> hiển thị sử dụng công nghệ thực tại tăng<br /> cường là các thiết bị được thiết kế dạng HDM<br /> (Head Mounted Display – thiết bị hiển thị<br /> được đeo vào đầu), tuy nhiên, vẫn có một số<br /> dạng thiết kế khác được đưa ra (màn hình<br /> thiết bị di động, thiết bị mô phỏng). Khi kết<br /> hợp thế giới thực và ảo để hiển thị, có hai lựa<br /> chọn cơ bản là hiển thị bằng quang học<br /> (optical) hoặc công nghệ hình ảnh (video<br /> technology). Mỗi một công nghệ đều có<br /> những ưu điểm và nhược điểm nhất định, và<br /> <br /> 135(05): 49 - 56<br /> <br /> tùy thuộc vào các nhân tố như công nghệ,<br /> mục tiêu sản phẩm…, để lựa chọn công nghệ<br /> hiển thị thích hợp.<br /> Cho đến nay, công nghệ hiển thị vẫn là thành<br /> phần có nhiều hạn chế khi phát triển hệ thống<br /> ứng dụng cho thực tại tăng cường. Việc mô<br /> phỏng thế giới thực vào thế giới ảo vẫn là<br /> thách thức cho các nhà phát triển. Hơn nữa,<br /> việc chú trọng vào mục tiêu mô phỏng thế<br /> giới thực sẽ làm giảm đi sự quan tâm tới các<br /> nhân tố khác như sự tiện dụng, nhẹ nhàng và<br /> giá thành rẻ, khiến cho ứng dụng của công<br /> nghệ thực tại tăng cường khó được ứng dụng<br /> vào thực tế cuộc sống.<br /> Những ứng dụng của công nghệ thực tại<br /> tăng cường<br /> Công nghệ AR được ứng dụng rất phổ biến<br /> trong đời sống hằng ngày [4]. Các ứng dụng<br /> thường gặp của công nghệ thực tại tăng<br /> cường là ứng dụng trong ngành công nghiệp<br /> giải trí, truyền thông, y tế, …<br /> Trong lĩnh vực quảng cáo, truyền thông,<br /> người xem có thể thấy những bảng quảng cáo<br /> hiện ra ngay trên sân thi đấu, khi trận đấu<br /> đang diễn ra, hoặc khi vào giờ giải lao. Việc<br /> ứng dụng công nghệ thực tại tăng cường làm<br /> tăng hiệu quả các quảng cáo, gây ấn tượng<br /> với người xem so với việc sử dụng các hình<br /> thức quảng cáo thông thường.<br /> <br /> Hình 3. Ứng dụng của thực tại tăng cường trong<br /> truyền thông<br /> <br /> Trong công nghiệp giải trí, công nghệ Thực<br /> tại tăng cường giúp người chơi có thể tương<br /> <br /> 50<br /> <br /> Nitro PDF Software<br /> 100 Portable Document Lane<br /> Wonderland<br /> <br /> Vũ Trọng Sinh<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> tác với mọi vật thể tìm thấy trong trò chơi.<br /> Trong những năm gần đây, với việc ra đời của<br /> máy chơi game Wii ứng dụng công nghệ thực<br /> tại tăng cường, cách chơi và trải nghiệm trò<br /> chơi đã thay đổi rất nhiều khi người chơi có<br /> thể vận động, di chuyển trong quá trình chơi.<br /> <br /> 135(05): 49 - 56<br /> <br /> Để một hệ thống dịch vụ LBS hoạt động cần<br /> có sự phối hợp nhịp nhàng của tất cả các<br /> thành phần hệ thống. Sơ đồ biểu diễn luồng<br /> thông tin trao đổi giữa các thành phần trong<br /> hệ thống được mô tả như trong hình dưới đây:<br /> <br /> Hình 5. Hoạt động của hệ thống LBS<br /> <br /> Hình 2. Ứng dụng của Thực tại tăng cường trong<br /> lĩnh vực giải trí<br /> <br /> Khả năng ứng dụng vào dịch vụ LBS<br /> Dịch vụ dựa trên vị trí (Location Based<br /> Services - LBS) là dịch vụ thông tin sử dụng<br /> với thiết bị di động qua mạng không dây và vị<br /> trí địa lý của thiết bị di động [9].<br /> <br /> Hình 4. Dịch vụ LBS<br /> <br /> Một hệ thống dịch vụ dựa trên vị trí LBS gồm<br /> 5 thành phần cơ bản sau:<br /> - Các thiết bị di động (Mobile Devices)<br /> - Thiết bị định vị (Positioning)<br /> - Mạng truyền tin (Communication Network)<br /> - Nhà cung cấp ứng dụng và dịch vụ (Service<br /> and Content Provider)<br /> - Nhà cung cấp dữ liệu và nội dung/CSDL<br /> không gian (Geodatabase)<br /> <br /> Như đã biết, thị trường điện thoại di động<br /> thông minh đang phát triển rất mạnh. Người<br /> tiêu dùng có xu hướng chuyển sang sử dụng<br /> smartphone thay vì điện thoại di động cổ điển<br /> vì những tính năng mà nó mang lại cũng như<br /> giá thành ngày một giảm. Hầu hết các thiết bị<br /> này đều được tích hợp công nghệ GPS, dữ<br /> liệu di động 3G, 4G hay kết nối wifi. Như<br /> vậy, việc ứng dụng công nghệ thực tại tăng<br /> cường cho dịch vụ LBS trên smartphone là<br /> hoàn toàn khả thi do ta có thể kiểm soát tốt dữ<br /> liệu đầu vào cũng như dữ liệu các điểm tiện<br /> ích xung quanh một vị trí nhất định. Đồng<br /> thời việc hiển thị và mô phỏng các điểm tiện<br /> ích cũng có thể được thực hiện thông qua màn<br /> hình cảm ứng trên smartphone.<br /> Nắm bắt được xu thế này, các nhà cung cấp<br /> phần mềm di động trên thế giới đã sớm khai<br /> thác công nghệ thực tại tăng cường vào mảng<br /> dịch vụ LBS. Thay vì trước đây muốn tìm<br /> điểm tiện ích xung quanh một vị trí, người<br /> dùng phải sử dụng các ứng dụng bản đồ thuần<br /> túy như Google Maps, Nokia Here, hay ở<br /> Việt Nam là diadiem.com … thì ngày nay,<br /> người dùng chỉ cần giơ camera về một hướng<br /> nhất định và tìm thấy được điểm mình muốn<br /> đến thông qua các thông tin trực quan về<br /> điểm đó được hiển thị chi tiết trên màn hình<br /> smartphone. Ta có thể kể ra một vài ứng dụng<br /> 51<br /> <br /> Nitro PDF Software<br /> 100 Portable Document Lane<br /> Wonderland<br /> <br /> Vũ Trọng Sinh<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> nổi tiếng trong lĩnh vực này như Junaio chạy<br /> trên nền Android, Nokia City Lens chạy trên<br /> Windows Phone.<br /> <br /> 135(05): 49 - 56<br /> <br /> - Điện toán đám mây là một loại hệ thống<br /> phân bố và xử lý song song gồm các máy tính<br /> ảo kết nối với nhau và được cung cấp động<br /> cho người dùng như một hoặc nhiều tài<br /> nguyên đồng nhất dựa trên sự thỏa thuận dịch<br /> vụ giữa nhà cung cấp và người sử dụng.<br /> Các đặc điểm nổi bật của điện toán đám mây<br /> Các đặc điểm của điện toán đám mây được<br /> thể hiện như trong hình<br /> <br /> Hình 6. Ứng dụng Nokia City Lens<br /> <br /> Rõ ràng việc áp dụng công nghệ thực tại tăng<br /> cường vào ứng dụng LBS trên smartphone<br /> đem lại sự tiện lợi rất lớn cho người sử dụng.<br /> Ở góc độ nhà cung cấp dịch vụ, một vấn đề<br /> được đặt ra là: dù lượng dữ liệu địa điểm của<br /> Google maps, Bing … là rất lớn, nhưng tùy<br /> theo từng khu vực nhấtđịnh thì vẫn chưa đầy<br /> đủ so với nhu cầu của người dùng, vì vậy ta<br /> có thể cung cấp cho người dùng một ứng<br /> dụng tương tự như vậy nhưng với bộ dữ liệu<br /> được biên soạn riêng hay không, và chi phí<br /> cũng như phương pháp thực hiện như thế nào.<br /> CÔNG NGHỆ ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY<br /> Khái niệm và mô hình điện toán đám mây<br /> (Cloud Computing) mới xuất hiện vài năm<br /> gần đây. Với đặc điểm nổi bật là khả năng co<br /> dãn linh hoạt hệ thống, sự tiện lợi và tiết kiệm<br /> tối đa chi phí cho người sử dụng, các ứng<br /> dụng điện toán đám mây được phát triển và<br /> ứng dụng rộng rãi vào các mặt của đời sống.<br /> Khái niệm về điện toán đám mây<br /> Cho đến nay, vẫn chưa có định nghĩa thống<br /> nhất về điện toán đám mây. Tuy nhiên, xét về<br /> góc độ kỹ thuật, công nghệ có thể nhắc đến<br /> định nghĩa của Ian Foster[7] và Rajkumar<br /> Buyya[8] về điện toán đám mây:<br /> - Điện toán đám mây là một mô hình điện<br /> toán phân tán có tính co giãn lớn mà hướng<br /> theo co giãn về mặt kinh tế, là nơi chứa các<br /> sức mạnh tính toán, kho lưu trữ, các nền tảng<br /> và các dịch vụ được trực quan, ảo hóa và co<br /> giãn linh động, sẽ được phân phối theo nhu<br /> cầu cho các khách hàng bên ngoài thông qua<br /> Internet.<br /> <br /> Hình 7. Đặc điểm của điện toán đám mây<br /> <br /> - Tự phục vụ theo nhu cầu (On-demand selfservice): người dùng khi có yêu cầu sử dụng<br /> chỉ cần gửi yêu cầu tới các trang web cung<br /> cấp dịch vụ trên mạng mà không cần phải liên<br /> hệ với nhà cung cấp.<br /> - Truy xuất diện rộng (Broad network access):<br /> người dùng có thể truy xuất thông qua nhiều<br /> loại thiết bị khác nhau như máy tính, điện<br /> thoại, thiết bị chuyên dụng thông qua môi<br /> trường Internet.<br /> - Dùng chung tài nguyên (Resource<br /> pooling): tài nguyên của nhà cung cấp được<br /> chia sẻ cho nhiều người dùng dựa trên mô<br /> hình “multi tenant”.<br /> - Khả năng co giãn (Rapid elasticity): là khả<br /> năng tự động mở rộng hoặc thu nhỏ hệ thống<br /> tùy theo nhu cầu của người dùng. Khả năng<br /> này giúp cho nhà cung cấp sử dụng hiệu quả<br /> và triệt để tài nguyên của hệ thống.<br /> - Điều tiết dịch vụ (Measured service): hệ<br /> thống tự động kiểm soát và tối ưu hóa sử<br /> dụng tài nguyên<br /> Ưu và nhược điểm điện toán đám mây<br /> - Việc sử dụng điện toán đám mây đem lại<br /> nhiều ưu điểm so với các hệ thống trước đây:<br /> - Tính sẵn sàng: điện toán đám mây cung cấp<br /> khả năng sẵn sàng của hệ thống lên tới<br /> 99.99% thời gian phục vụ. Các ứng dụng<br /> chạy trên đám mây hầu như không mất thời<br /> gian tiến hành bảo trì và nâng cấp hệ thống.<br /> <br /> 52<br /> <br /> Nitro PDF Software<br /> 100 Portable Document Lane<br /> Wonderland<br /> <br /> Vũ Trọng Sinh<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> - Đáp ứng nhu cầu khả năng lưu trữ của người<br /> dùng: khả năng mở rộng cũng như thu gọn<br /> dung lượng lưu trữ của người dùng, đáp ứng<br /> được các yêu cầu lưu trữ thực tế và giảm<br /> thiểu việc tiêu tốn tài nguyên.<br /> - Khả năng tự co giãn của hệ thống<br /> - Bản quyền phần mềm: việc xây dựng các<br /> ứng dụng và quảng bá trên Điện toán đám mây<br /> giúp cho người dùng giảm bớt chi phí về bản<br /> quyền phần mềm cho các sản phẩm sử dụng.<br /> - Bên cạnh những ưu điểm nổi bật ở trên, điện<br /> toán đám mây cũng tồn tại một số nhược<br /> điểm sau:<br /> - Data lock-in: do chưa có một nền tảng<br /> chung nhất, việc tương tác dữ liệu giữa các<br /> nền tảng điện toán đám mây do các nhà cung<br /> cấp khác nhau cung cấp là chưa thực hiện<br /> được. Nhược điểm này đặt ra cho các nhà<br /> khoa học một thách thức là chuẩn hóa nền<br /> tảng của điện toán đám mây.<br /> - Bảo mật và kiểm tra dữ liệu: việc đưa dữ<br /> liệu lên Cloud đặt ra vấn đề bảo mật các dữ<br /> liệu mật vì dữ liệu sẽ do nhà cung cấp dịch vụ<br /> Cloud bảo mật.<br /> - Việc gây ra thắt cổ chai trong việc truyền<br /> dữ liệu<br /> - Khó tiên đoán trong hiệu suất thực thi của<br /> máy tính: do vấn đề giao tiếp vào ra (IO) của<br /> các máy chủ ảo, việc đánh giá hiệu suất của<br /> hệ thống là khó khăn.<br /> Google App Engine<br /> Giới thiệu về Google App Engine<br /> Google App Engine được ra mắt lần đầu tiên<br /> vào 08/2008. Google App Engine (thường<br /> được gọi tắt là GAE hoặc App Engine) là nền<br /> tảng PaaS được Google cung cấp nhằm phát<br /> triển các ứng dụng web và được lưu trữ tại<br /> Trung tâm quản lý dữ liệu Google (Googlemanaged data center). Các ứng dụng được<br /> đóng gói và chạy trên các máy chủ.<br /> Google App Engine cho phép người dùng<br /> chạy các ứng dụng web trên nền tảng kiến<br /> trúc Google. Các ứng dụng App Engine được<br /> xây dựng và quản lý một cách dễ dàng. Với<br /> App Engine, không cần phải bào trì máy chủ,<br /> người dùng upload các ứng dụng và nó luôn<br /> sẵn sàng phục vụ.<br /> <br /> 135(05): 49 - 56<br /> <br /> App Engine tự động tổng hợp yêu cầu cho các<br /> ứng dụng, như: tự động tổng hợp các yêu cầu<br /> của ứng dụng, tự động xác định vị trí các tài<br /> nguyên cần thiết để ứng dụng có thể đáp ứng<br /> các yêu cầu người dùng.<br /> Người dùng có thể sử dụng tên miền (domain)<br /> được cung cấp bởi Google Apps hoặc sử dụng<br /> domain riêng cho các ứng dụng của mình.<br /> Các ứng dụng có thể được chia sẻ rộng rãi<br /> hoặc giới hạn cho một nhóm người dùng nhất<br /> định thông qua việc phân quyền.<br /> Khi sử dụng, Google App Engine miễn phí sử<br /> dụng tài nguyên, chỉ tính phí băng thông, mở<br /> rộng lưu trữ. Hay nói cách khác, người dùng<br /> chỉ phải trả phí cho những tài nguyên sử<br /> dụng. Không có phí thuê bao hay các khoản<br /> phụ phí khác. Các tài nguyên được sử dụng<br /> như dung lượng lưu trữ, băng thông… đều<br /> được quản lý sử dụng với hiệu quả tối đa cho<br /> người dùng.<br /> Môi trường làm việc của Google App Engine<br /> Google App Engine cung cấp môi trường làm<br /> việc hỗ trợ việc xây dựng ứng dụng một cách<br /> đơn giản nhưng mang lại độ tiên cậy cao khi<br /> hoạt động. Môi trường ứng dụng của GAE có<br /> các đặc điểm nổi bật sau:<br /> - Dịch vụ dynamic web, được hỗ trợ đầy đủ<br /> các công nghệ web hiện đại<br /> - Lưu trữ tin cậy hỗ trợ các truy vấn, sắp xếp,<br /> và tác vụ<br /> - Tự động điều chỉnh cân bằng tải nhằm tạo<br /> hiệu suất phục vụ cao nhất<br /> - API hỗ trợ xác thực người dùng và gửi thư<br /> điện tử bằng tài khoản Google<br /> - Bộ giả lập hoàn chỉnh hỗ trợ cho người dùng<br /> có thể phát triển ứng dụng và thử nghiệm<br /> trong môi trường ảo trên máy tính trước khi<br /> đưa lên mạng<br /> - Hỗ trợ các yêu cầu nằm ngoài giới hạn các<br /> web request<br /> Hiện nay, Google App Engine hỗ trợ lập trình<br /> bằng ngôn ngữ Python, Java và Go. Về mặt<br /> lưu trữ và truy vấn dữ liệu, vào tháng<br /> 10/2011, Google giới thiệu dịch vụ CSDL, hỗ<br /> trợ JDBC và DB – API. Dịch vụ này cho phép<br /> người dùng Khởi tạo, Cấu hình, và sử dụng<br /> CSDL quan hệ trong các ứng dụng App Engine.<br /> 53<br /> <br /> Nitro PDF Software<br /> 100 Portable Document Lane<br /> Wonderland<br /> <br />