Giáo trình kỹ thuật lập trình mô phỏng thế giới thực

Kỹ thuật lập trình mô phỏng thế giới thực

NGUYỄN VĂN HUÂN (Chủ biên)

VŨ ĐỮC THÁI - NGUYỄN VĂN TỚI

NGUYỄN THỊ THANH NHÀN - TRẦN THỊ HỒNG NHÂM

KỸ THUẬT LẬP TRÌNH MÔ

PHỎNG THẾ GIỚI THỰC

Thái Nguyên - 2006

Kỹ thuật lập trình mô phỏng thế giới thực

1

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây công nghệ thông tin đã đạt được những bước phát

triển nhảy vọt cả về phần cứng lẫn phần mềm. Những ứng dụng của nó vào cuộc sống

ngày càng phong phú. đa dạng và thiết thực hơn. Từ các lĩnh vực cơ bản như khoa học

cơ bàn, kinh tế kỹ thuật cho đơn các lĩnh vực như:giải trí, du lịch, không lĩnh vực nào

không có sự ứng dụng thiết thực và hiệu quả của công nghệ thông tin. Sự phát triển

không ngừng của sức mạnh máy tính đã làm cho một số lĩnh vực khó phát triển trước

kia nay đã có khả năng phát triển và đã đạt được những thành tựu đáng kể. Chúng ta

có thể kể đến cả các lĩnh vực như: các hệ chuyên gia. các hệ xử lý thời gian thực và

một lĩnh vực khác cũng cần phải nói là Thực tại ảo (Virtual reality).

Thực tại ảo là một môi trường ba chiều được phát sinh, tổng hợp và điều khiển

thông qua máy vi tính nhằm mục đích mô phỏng lại thế giới thực hoặc một thế giới

theo tương tượng của con người. Nó cho phép người dùng thông qua các thiết bị ngoại

vi tương tác với các sự vật, hiện tượng của thế giới ảo giống như tương tác với các sự

vật, hiện tượng của thế giới thực.

Hiện nay, chúng ta chỉ thấy tin học trong các chương trình quản lý. kế toán, hay

các trang web mà ít thấy tin học có sự phát triển theo chiều sâu, phục vụ các ngành

công nghiệp sản xuất như:tự động hoá điều khiển, khai thác, thăm dò, hàng không,

quân sự...Đặc biệt là trong giáo dục người ta chỉ chú trọng vào việc phát triển các tư

duy tin học thuần tuý, mà không thể đưa ra một mô hình để áp dụng tin học trong nhà

trường. nhằm phát triển tư duy con người một cách toàn diện và có khả năng sáng tạo.

Thực tại ảo đang là một trong những vấn đề thời sự nóng bỏng trên thế giới,

song đối với nước ta lại là một lĩnh vực khá mới mẻ mà chúng ta mới chỉ được nghe

qua hay biết đến qua những ứng dụng của nó trong thực tế của các lĩnh vực như: y

học, hàng không, xây dựng, kiến trúc.

Thực lại ảo, một thế giới thực song lại là ảo, vì một phần của thế giới thực sẽ

được tái tạo trên máy vi tính, trong môi trường không gian ba chiều gắn với các thiết

bị đầu vào, cho phép con người tương tác với môi trường ảo đó. Những tương tác đó

sẽ được chương trình sử lý để đem lại cho con người sự cảm nhận về thay đổi của môi

trường như trong thực tế. Tất cả những điều này diễn ra trong môi trường không gian

ba chiều.

Những ứng dụng, hiệu quả ứng dụng của thực tại ảo là vô cùng lớn. Hãy tưởng

tương một ví dụ đơn giản:chúng ta có thể lái một chiếc máy bay mà không cần có bất

cứ một chiếc máy bay nào. hay thực hiện một ca mổ mà không cần phải sử dụng đến

các đối tượng thực thì hiệu quả mang lại trong nghiên cứu, học tập, sản xuất sẽ như

thế nào…

Kỹ thuật lập trình mô phỏng thế giới thực

2

Cũng như các lĩnh vực khác trong Công nghệ thông tin, Thực tại ảo cũng cần có

một công cụ đó phục vụ cho mục đích của mình.

Các ứng dụng của thực tại ảo thường được xây dựng dựa trên các mô hình thực

tại ảo. Hiện nay trên thế giới có rất nhiều mô hình thực tại ảo khác nhau trong đó

Morfit là một mô hình tương đối gọn nhẹ. nhưng đầy đủ và hiệu quả.

Cuốn giáo trình này sẽ trình bày một cách chi tiết về lý thuyết cũng như các bài

tập ứng dụng và thực hành. giúp cho người học dễ tiếp thu những kiến thức mới.

Nội dung cuốn giáo trình gồm có 3 chương:

Chương 1:Trình bày tổng quan về thực tại ảo

Chương 2:Giới thiệu chung về mô hình xử lý.Mofit

Chương 3: Điều khiển thế giới bằng Morfit

Trong quá trình biên soạn. tác giả đã nhận được các ý kiến rất quý báu. sự giúp

đỡ nhiệt tình của các giáo sư cùng bạn bè đồng nghiệp trong và ngoài khoa.

Tác giả xin cảm ơn PGS - TS Ngô Quốc Tạo, TS Đỗ Năng Toàn, PGS - TS Hàn

Việt Thuận,Ths Phạm biệt Bình đã dành nhiều thời gian đọc kỹ bản thảo và cho nhiều

ý kiến quý báu.

Tác giả cũng bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban chủ nhiệm Khoa Công nghệ Thông

tin - Đại học Thái Nguyên, Hội đồng Khoa học - Đào tạo đã tạo mọi điều kiện đê tài

liệu này được ra mắt bạn đọc.

Hà Nội. tháng 10 năm 2006

Các tác giả

Kỹ thuật lập trình mô phỏng thế giới thực

3

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO

1.1 THỰC TẠI ẢO VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

1.1.1 Khái niệm về thực tại ảo

Có nhiều khái niệm khác nhau về thực tại ảo, song một cách chung nhất chúng ta

có thể định nghĩa như sau:

Thực tại ảo là một môi trường ba chiều được phát sinh, tổng hợp và điều khiển

thông qua máy vi tính nhằm mục đích mô phỏng lại thế giới thực hoặc một thế giới

theo tưởng tượng của con người. Nó cho phép người dùng thông qua các thiết bị ngoại

vi và bộ chuyên đôi tương tác với những sự vật, hành động của thế giới ảo giống như

tương tác với các sự kiện, hành động cua thế giới thực.

Ví dụ : Người sử dụng có thể dịch chuyển một vật trong thế giới ảo, hoặc có thể

cảm nhận được một vật khi chạm vào nó…Trong đó thiết bị ngoại vi sẽ làm nhiệm vụ

chuyên những hoạt động của người sử dụng vào bộ chuyển đổi, sau đó bộ chuyển đổi

sẽ chuyển những tín hiệu này thành các tương tác vào môi trường ảo, đồng thời môi

trường cũng chuyển những tác dụng của nó đến bộ chuyển đổi và bộ chuyển đổi

chuyển đến các thiết bị ngoại vi, sau đó các thiết bị ngoại vi sẽ tác động đến người sử

dụng. Vì vậy, người sử dụng sẽ có khả năng tương tác với môi trường ảo như là tương

tác trong chính môi trường thực.

Ngoài thuật ngữ thực tại ảo (virtual reality) người ta cũng hay đề cập tới thuật

ngữ thế giới ảo (virtual world). Thực chất đây là hai khái niệm tương đồng để chỉ một

không gian ảo mà trong không gian này những người sử dựng có thể tương tác với các

đối tượng của không gian ảo, hoặc những người sử dụng có thể tương tác với nhau

trong không gian đó.

Nói chung, các hệ thống thực tại ảo phải xử lý một khối lượng lớn thông tin đa

phần là các thông tin của các đối tượng 3D do đó tốn bộ nhớ và đòi hỏi thời gian xứ lý

là thời gian thực vì thế nó yêu cầu một lượng bộ nhớ RAM lớn và bộ xử lý cùng các

thiết bị vào ra có tốc độ cao. Vì vậy, mặc dù bắt đầu được nghiên cứu từ khá lâu,

nhưng trong một số năm gần đây thực tại ảo mới có được sự phát triển và ứng dụng

mở rộng đáng kề.

Các thiết bị ngoại vi sử dụng trong lĩnh vực thực tại ảo ngày càng hiện đại và đa

dạng. Một trong những thiết bị phải kể đến là hệ thống HMD (Head-Mounted

Display). Đây là một trong những hệ thống được phát triển đầu tiên để phục vụ trong

lĩnh vực này. Ngày nay, nó vẫn là một hệ thống không thể thiếu được trong lĩnh vực

thực tại ảo. Hệ thống này gồm có hai màn hình gắn trực tiếp vào hai mắt, cho phép bạn

nhìn, cảm nhận thế giới ảo như là không gian trong thế giới thực và một thiết bị rất

nhạy nhằm xác định vị trí góc quay của HMD. Từ đó, hệ thống sẽ tính toán góc nhìn

Kỹ thuật lập trình mô phỏng thế giới thực

4

và vị trí của bạn trong thế giới ảo. Hệ thống HMD được mô tả bởi hình vẽ sau:

Ngoài hệ thống HMD, thiết bị ngoại vi sử dụng trong lĩnh vực thực tại ảo còn có

BOOM và CAVE. BOOM (Binocular Omni-orientation Monitor) và CAVE (Ca ve

Automatic Virtual Environment) là hai hệ thống tương tự như HMD, song chúng có

một vài điểm khác, ví dụ như BOOM không dùng mũ gắn trên đầu mà dùng một cái

cần gắn màn hình vào một đầu có tay cầm ở màn hình. Khi bạn nhìn vào màn hình

dịch chuyến nó, lập tức thiết bị nháy cũng dịch chuyển và theo góc nhìn, vị trí nhìn của

bạn cũng thay đổi ! Hệ thống BOOM được mô tả bởi hình vẽ dưới đây:

Ngày nay, các thiết bị trên đã và đang được phát triển hoàn thiện hơn, đồng thời

trong mỗi ngành ứng dụng người ta đã phát triển các hệ thống thiết bị đặc trưng cho

các ứng dụng đó. Công nghệ mới ngày càng đưa ra nhiều thiết bị hiện đại hơn cho

phép con người tiến gần tới thực tại ảo hơn.Ví dụ như: găng tay dữ liệu (data gloves),

áo dữ liệu v.v…và các thiết bị đầu vào ba chiều như máy quét 3 chiều, máy quay 3

chiều v.v..

Thực tại ảo là một môi trường 3D trên máy vi tính, nó sử dụng một lượng lớn

các thông tin đồ hoạ và các thông tin này luôn luôn biến đổi. Do đó, nó không thể

dùng các phương pháp thông thường đê truy cập bộ nhớ đồ họa (vì tốc độ chậm), mà

phải dùng phương pháp truy cập trực tiếp bộ nhớ và sử dụng bộ tăng tốc đồ hoạ. Vì

vậy, người ta cần một phần mềm cho phép truy cập trực tiếp bộ nhớ và điều khiển bộ

Kỹ thuật lập trình mô phỏng thế giới thực

5

tăng tốc đồ hoạ. Hiện nay một số chuẩn phần mềm được sử dụng nhiều như: Directx,

OpenGL, MiniGL v.v.. Hiện nay thực tại ảo đã được sử. dụng rộng rãi, các ứng dụng

trên mạng của nó ngày càng nhiều nên tổ chức W3C đưa ra một mô hình chuẩn trên

mạng cho thực tại ảo. Đó là mô hình VRML (Virtual Reality Modeling Language).

1.1.2. Lịch sử phát triển của thực tại ảo

Thực tại ảo mặc dù mới được quan tâm nhiều trong một vài năm gần đây, song

nó lại có lịch sử hình thành từ khá lâu. Cách đây khoảng 40 năm, một nhà làm phim có

tên là Morton Heilig (Mỹ) đã đưa ra một ý tưởng là tại sao con người không tận dụng

nốt 72% góc nhìn của khán giả? Anh ta nói " tôi bị kích động, bởi vì không hiểu tại

sao con người chỉ thấy được 28% góc nhìn của khán giả cùng với một ảnh 2D? Tại sao

chúng ta không làm điều này với cùng một ảnh 3D để có thể được 1 00% góc nhìn của

khán giả, kết hợp với âm thanh?". Do không được hỗ trợ về tài chính, Heilig không thể

hoàn thành ước mơ của mình, song anh cũng đã tạo ra được một thiết bị được gọi là

"Scnsorama Simulator". Thiết bị này, tương tự như máy cho trơi ngày nay Sensorama

được kết hợp với chiếu film âm thanh, chuyển động,gió thậm chí cả mùi khiến cho

người ta cảm thấy như trong thế giới thực hơn là chỉ đơn giản là xem. Thiết bị này

được công bố vào khoảng đầu những năm 1960 (Hình l.3).

Thiết bị này sử dụng hình ảnh 3D, thu được từ 3 camera 35mm kết hợp thành

một camera chính gồm một hệ thống âm thanh kết hợp với những cảnh quay 3 chiều

thực sự. Người nhìn có thể ngồi trên xe máy, cảm thấy gió khi chuyển động (gió được

tạo bởi một chiếc quạt). thậm chí họ có thể cảm thấy cả những đoạn đường có ổ gà.

Mặc dù đây còn là một bộ máy đơn giản. thô sơ, song nó đã mở ra nhiều ý tưởng

nghiên cứu mới chưa từng có trên thế giới.

Năm 1966, Ivan Sutherland - một sinh viên tốt nghiệp trường Utah, tiếp tục

nghiên cứu vấn đề mà Heilig đã bỏ dở. Sutherland cho rằng những cảnh quay tương tự

không đáp ứng được yêu cầu thực tế. Anh ta bắt đầu một ý tưởng của bộ tăng tốc đồ

hoạ, một phần quan trọng trong mô phỏng thực tại hiện đại và đã chế tạo được hệ

thống HMD có thể kết nối tới máy tính. Quân đội đã nhanh chóng nhận thấy tiềm năng

của ý tưởng này trong ngành hàng không và ứng dụng vào việc bay mô phỏng. Trong

những năm 70, người ta đã chế tạo được những chiếc mũ có thể thể hiện những hình

ảnh của một chuyến bay. Đồng thời NASA cũng bắt đầu sử đụng công nghệ này cho

các chuyến bay ngoài vũ trụ và cuộc đổ bộ lên mặt trăng sau đó.

Kỹ thuật lập trình mô phỏng thế giới thực

6

Năm 1970, Sutherland tiếp tục phát triển hoàn thiện phần cứng của HMD tại

trường đại học Utah.Thiết bị này nhẹ hơn, thay màn hình trắng đen bằng màn hình

màu... Cũng trong khoảng thời gian này, Myron Kreuger đã phát triển một thiết bị có

tên là VIDEOPLACE. VIDEOPLACE là kết quả của dự án thực tại ảo. Trong

VIDEOPLACE. Myron Kreuger đã sử dụng một màn hình lớn đối diện với người

dùng. Trên màn hình, bóng của người sử dụng được hiển thị. Người sử dụng có thể

dùng ngón tay in lên bầu trời.Hệ thống này cũng có khả năng hiển thị nhiều người sử

dụng trên cùng một màn hình.

Đặc biệt, thực tại ảo được phát triển mạnh mẽ và đã có nhiều thành quả đáng kể

và ứng dụng nhiều trong các ngành, các lĩnh vực khác từ những năm 1990.

1.2. CÁC ỨNG DỤNG CỦA THỰC TẠI ẢO

Những lĩnh vực đang được nghiên cứu ứng đụng thực tại ảo một cách mạnh mẽ

hiện nay là: y học,giáo dục, tin học, thương mại, giao thông, hàng không, xây dựng,

khoa học quân sự,quốc phòng, thiết kế nội thất và trang trí nhà cửa. giải trí, quân sự,

điện ảnh.. Tại sao các lĩnh vực trên lại ứng dụng thực tại ảo và ý nghĩa của việc ứng

dụng nó vào các lĩnh vực đó ra sao, thành quả thực tế đem lại như thế nào, những vấn

đề đó chúng ta sẽ cùng xem xét dưới đây.

Khoa học quân sự, quốc phòng: Đây là lĩnh vực đặt nền móng cho sự nghiên

cứu của thực tại ảo. Hiện nay, những ứng dụng của thực tại ảo trong lĩnh vực này là rất

phong phú, ví dụ như huấn luyện quân lính, thử nghiệm các loại vũ khí, các phương

tiện chiến tranh, bản đồ hoá từng khu vực (hệ thống định vị toàn cầu) v.v..

Các vấn đề môi trường, điều kiện kinh tế, kỹ thuật an toàn về tính mạng con

người là những vấn đề khó khăn hàng đầu trong quân sự của các quốc gia.

Kỹ thuật lập trình mô phỏng thế giới thực

7

Chúng ta đều biết rằng không phải lúc nào cũng có chiến tranh, song khi chiến

tranh xảy ra không phải là lúc chúng ta chuẩn bị lực lượng. Vậy thì lấy đâu ra môi

trường thực tế để rèn luyện. chuẩn bị lực lượng? Trên thực tế, chúng ta có thể tạo ra

được môi trường tập luyện thực sự.

Nhưng vấn đề đặt ra là làm sao tạo ra được môi trường tập luyện như trên thực

tế mà lại không quá tốn kém hay nguy hiểm đến tính năng con người. Người ta đã giải

quyết những vấn đế trên một cách thực sự hiệu quả khi ứng dụng thực tại ảo. Điều này

có thế thấy rõ như ở một số nước có nền quốc phòng mạnh như Mỹ, Nga, Trung Quốc,

người ta đã xây dựng các hệ thống mô phỏng phục vụ cho việc tập luyện của bộ binh,

hay những hệ thống mô phỏng hệ thống an ninh, mô phỏng trận địa.. phục vụ cho việc

nghiên cứu, tập luyện nhằm tìm ra các phương pháp phòng thủ và chiến đấu một cách

hiệu quả.

Khi ứng dụng thực tại ảo vào trong quân sự thì việc sử dụng môi trường đã được

tạo ra theo cách chia sẻ thông tin, hiệu quả kinh tế có nó mang lại thực sự là to lớn,

người ta sẽ giảm được một lượng lớn kinh phí phục vụ cho việc tập luyện, hay thực

hiện được những điều mà trên thực tế khó có thể thực hiện được, hay những vấn đề

trên thực tế phải áp dụng những quy tắc an toàn nghiêm ngặt song vẫn có mối nguy

hiểm lớn đến tính mạng và tải sản của con người ví dụ: trận địa chiến đấu, các mô hình

phòng thủ quốc gia..

Giáo dục và đào tạo: Để có một kết quả học tập cao nhất, chúng ta phải sử

dụng nhiều phương pháp học tập khác nhau, trong đó có phương pháp trực quan. Thực

tế cho thấy, học bằng hình ảnh trực quan thì nhanh hơn bằng các phương pháp khác.

Vì vậy, thực tại ảo đã, đang và sẽ trở thành một công cụ hữu hiệu trong giáo dục, đặc

biệt là với trẻ em. Ngoài ra, nó cũng là một phương tiện giáo dục rất mạnh đối với một

số ngành nghề đòi hỏi phải thực hành. Ví dụ như: huấn luyện phi công, lái xe...Một số

trường đào tạo lái xe của Việt Nam hiện nay cũng đang sử dụng các phương tiện cho

phép học viên thực hành trên cơ sở thực tại ảo.

Giáo dục luôn là mối quan tâm hàng đầu của mỗi quốc gia. Việc nghiên cứu để

đưa ra phương pháp giáo dục hiệu quả đã khó, song vấn đề khó khăn hơn là làm sao

kích thích được niềm say mê học tập, nghiên cứu của người học và tác động đến tính

tự giác, khả năng tư duy và tưởng tượng của mỗi người học sinh, cung cấp môi trường

học tập, nghiên cứu tốt nhất, nhằm phát huy hết những khả năng của con người.

Cứ theo cách giáo dục truyền thống, nhiều khi chúng ta không thể cung cấp

được môi trường nghiên cứu học tập lý tưởng, không khơi dậy được niềm say mê,

hứng thú học tập và khả năng sáng tạo của người học. Do đó, không thể phát huy được

hết khả năng tưởng tượng và tư duy của con người. Vì vậy, hiệu quả giáo dục không

cao.

Chúng ta đã thấy hiệu quả to lớn của việc áp dụng tin học vào trong giáo dục

Kỹ thuật lập trình mô phỏng thế giới thực

8

trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Song, phần lớn các ứng dụng tin học vào giáo dục

mà chúng ta biết mới chỉ là những giáo trình tin học nhằm rèn tư duy tin học cho con

người, chứ những ứng dụng nhằm rèn luyện các khả năng khác của con người còn

chưa thực sự phố biến.

Thực tế đã chứng minh, những chương trình nhằm rèn luyện tư duy nói chung,

rèn luyện khả năng tưởng tượng, cung cấp mô hình thực nghiệm và kích thích trí tò mò

là chưa nhiều hay có thể nói là chưa có hiệu quả. Các chương trình này hầu như chưa

có khả năng phát huy được hết sự cảm nhận của con người trong nhận thức, chưa gây

được ấn tượng sâu sắc của vấn đề cho đối tượng cần truyền đạt, không gây được trí tò

mò, hay niềm đam mê của người học.

Hiện nay, xu hướng mới trong việc ứng dụng tin học trong giáo dục rất được

quan tâm là xây dựng các mô hình thực tại trên máy vi tính nhằm cung cấp các môi

trường học tập và nghiên cứu cho người sử dụng. Những mô hình được xây dựng ở

đây chuyển tải được thực tế của chúng ta vào môi trường mô phỏng, cung cấp khả

năng tương tác của con người với môi trường mô phỏng, có khả năng gây kích thích

cao với người tham gia, cho phép chia sẻ tài nguyên về môi trường qua môi trường

mạng v.v.. Đó chính là mô hình thực tại ảo.

Y học : Đây cũng là lĩnh vực hứa hẹn nhiều triển vọng của thực tại ảo. Hiện nay

trên thế giới, việc ứng dụng thực tại ảo vào y học khá phong phú. Đặc biệt ở Mỹ trong

phẫu thuật bác sĩ đã có thể tiến hành các cuộc phẫu thuật trong môi trường ảo, không

cần có bệnh nhân mà vẫn như đang phẫu thuật một bệ nhân thật. Các bác sĩ cũng có

thể tiến hành các cuộc phẫu thuật từ xa thông qua các thiết bị của thực tại ảo. Thực tại

ảo cũng có các ứng dụng trong lĩnh vực tâm thần. Người ta đã chứng minh, thực tại ảo

có khả năng chữa được các chứng bệnh sợ, ví dụ: sợ bóng tối, sợ nhện, sợ đông người

v.v…Phương pháp sử dụng là: đưa người bệnh vào môi trường thực tại ảo trong đó có

nỗi sợ của họ, đồng thời sẽ có các lời kích thích, hướng dẫn họ, giúp họ dần làm quen

với nỗi sợ của bản thân và từ đó vượt qua được những nỗi sợ hãi trong cuộc sống v.v..

Phương pháp này hiệu quả hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống..

Xã hội ngày càng phát triển, vấn đề sức khoẻ con người ngày càng được quan

tâm hơn. Càng ngày, người ta càng cố gắng để tìm ra các phương pháp chữa trị bệnh

cho con người ngày một tốt hơn.

Dưới đây là một số hình ảnh về việc nghiên cứu và ứng dụng tin học trong y học:

Kỹ thuật lập trình mô phỏng thế giới thực

9

Đây là dự án nghiên cứu của châu âu vào tháng 11 năm 1993. Dự án này cho

phép xây dựng lại mô hình cánh tay của con người trong không gian 3D từ những dữ

liệu hình anh trong y học và mô phỏng tất cả những thay đổi có thể có của các bộ phận

như sự co dãn cơ v.v..

Trong dự án này, thực tại ảo làm nhiệm vụ mô phỏng lại cánh tay của con người

và cung cấp các dịch vụ thể hiện sự thay đổi của cánh tay con người khi có sự tương

tác của người sử dụng.

Chúng ta có thể tìm hiểu thêm về dự án này tại trang Web có địa chi :

http://www.ligww.epf1.ch

Kỹ thuật lập trình mô phỏng thế giới thực

10

Đây là dự án nghiên cứu nhằm đưa thực tại ảo vào việc chữa trị bệnh cho con

người.

Bằng cách xây dựng một chương trình cho phép các bác sĩ trên khắp thế giới có

thể cùng tham gia quan sát, thảo luận để đưa ra phương pháp chữa trị hiệu quả nhất.

Trong dự án này, thực tại ảo làm nhiệm vụ kết hợp hình ảnh trong không gian

3D với môi trường truyền thông. Cung cấp môi trường làm việc qua mạng cho những

người cùng hợp tác làm việc trong môi trường mô phỏng nhằm cùng nhau thực hiện

việc điều trị hay nghiên cứu. Các bạn có thể tìm hiểu thêm về vấn đề này theo trang

web có địa chỉ: http://www.ahs.uic.edu.

Trong y học, con người còn gặp rất nhiều những vấn đề mà nếu không có thực

tại ảo thì không dễ tìm ra phương pháp giải quyết. Ví dụ như việc cung cấp môi trường

thực hành cho nghiên cứu và học tập, vì môi trường và những mẫu để thực tập và

nghiên cứu trong y học là một trong những vấn đề bức xúc và gặp rất nhiều khó khăn

hiện nay.

Đôi khi vì khả năng của con người, ví dụ như: tầm quan sát của mắt không thế

nhìn thấy được những mạch máu, cấu trúc của một tế bào, hay cấu trúc lược đồ đen

của chúng ta; hoặc nhiều khi không thể thực hiện được việc phẫu thuật, do người bệnh

không có đủ sức khoẻ để thực hiện ca phẫu thuật lớn.

Những vấn đề trên được giải quyết một cách hiệu quả khi có ứng dụng thực tại

ảo.

Chỉ bằng cách xây dựng các mô hình thực tại ảo cần thiết cho các đối tượng là

chúng ta đã có ngay môi trường quan sát, nghiên cứu thực tập tốt, thậm chí có thể nói

là tốt hơn thực tế Khi có ứng dụng thực tại ảo, những ca phẫu thuật trở nên chính xác

hơn, bệnh nhân mau lành bệnh hơn vì vết mổ nhỏ hơn so với vết phẫu thuật theo cách

phẫu thuật truyền thống. Hơn nữa, khi bệnh nhân được chữa trị bởi đồng thời nhiều

bác sĩ giỏi trên khắp thế giới. thì chắc chắn kết quả mang lại sẽ tốt hơn hơn rất nhiều.

Hiện nay có rất nhiều dự án tập trung vào ác xây dựng các mô hình, mô phỏng

các bộ phận của con người, đồng thời mô phỏng những sự thay đổi cơ bản khi có sự

tương tác, thay đổi, hay sự biến đổi của các bộ phận khi con người hoạt động. Việc

xây dựng các mô hình cho phép thực hiện các ca phẫu thuật giả, chuẩn đoán

bệnh.v.v…

Thiết kế xây dựng: Với sự trợ giúp của thực tại ảo, những thiết kế giờ đây

không chỉ đơn thuần là những thiết kế nữa mà nó đã tiến gần tới sản phẩm thực.

Không những con người có thể xem được hình ảnh trực quan của thiết bị cần thiết kế

mà thậm chí người ta còn có khả năng sử dụng các thiết bị đó. Ví dụ như:Với một cái

ôtô, người sử dụng không những xem được mọi ngóc ngách của nó mà còn có thể thử

lái nó trong môi trường ảo. Với một bản thiết kế xây dựng, không những khách hàng

có thể nhìn thấy các hình ảnh của nó mà còn có thể đi lại xem chi tiết từng phòng, từng

Kỹ thuật lập trình mô phỏng thế giới thực

11

khu vực của kiến trúc đó với mọi góc nhìn có thể.

Trong thiết kế xây dựng hiện nay đã có những chương trình đồ hoạ mạnh nhất

như: AUTOCAD, AUTODEST, 3DMAX, SHAPRE,..Những chương trình này đã

giúp các nhà thiết kế xây dựng giảm được rất nhiều chi phí về thời gian và công sức.

Song, hầu hết các chương trình này vẫn chỉ dừng lại ở mức các bản vẽ chứ chưa thực

sự tạo ra cho người ta cảm giác, hay một cái nhìn về những công trình mà họ thiết kế

ra trên thực tế sẽ như thế nào.

Thực tại ảo tạo cho người ta cảm giác chìm đắm trong một không gian như trên

thực tế.Bằng các hình ảnh được xây dựng trên máy vi tính sẽ giúp con người có thể có

một cái nhìn chi tiết về công trình đã được thiết kế.

Sau đây là một vài hình ảnh về ứng dụng của thực tại ảo trong xây dựng, thiết kế

và trang trí:

Khoa học cơ bản: Nói chung, hầu hết các ngành khoa học đều có thể ứng dụng

thực tại ảo, đặc biệt là các ngành như vật lý, hoá học, khảo cổ, sinh học, vũ trụ. Trong

vật lý, người ta có thể mô phỏng lại chính xác các hiện tượng của vật lý một cách trực

quan. Trong khảo cổ học, thực tại ảo giúp người ta dựng lại các kiến trúc đã bị chôn

vùi, mô phỏng lại các thời kỳ của tự nhiên. Ví dụ như: mô phỏng lại hoạt động của các

loài sinh vật đã bị tuyệt chủng như các bộ phim khoa học về khủng long, về biển v.v...

Kỹ thuật lập trình mô phỏng thế giới thực

12

Thương mại, du lịch: Trong thương mại, đặc biệt là trong ngành quảng cáo,

thực tại ảo đang có một vị trí quan trọng. Nó giúp khách hàng tiếp cận gần hơn với

hàng hoá để có thể đánh giá chất lượng mà không cần có hàng trực tiếp v.v.. Trong du

lịch, với hỗ trợ thực tại ảo khách hàng có thể đến và xem xét cảnh quan của nơi mà họ

sẽ đến để chắc chắn có một chuyến du lịch thú vị.

Trong giải trí: Lý do đầu tiên mà thực tại ảo ra đời là phục vụ cho giải trí.

Thông qua việc mô phỏng các mô hình 3D nhằm cung cấp các dịch vụ phục vụ tương

tác của người trong môi trường ảo. Các hình ảnh tuyệt vời kết hợp với âm thanh nổi,

các thiết bị vào ra làm cho con người ta ở trong môi trường ảo mà như ở trong môi

trường thực. Điều hấp dẫn hơn là trong môi trường đó con người có thể thực hiện

những điều mà trên thực tế họ không thể thực hiện được. Với khả năng kết hợp các

thiết bị vào ra, các hiệu ứng đồ hoạ chỉ có thế thấy được trên máy tính, thực tại ảo

nhanh chóng trở thành một ứng dụng không thể thiếu trong các trò chơi. Những trò

game giải trí 3D có thể làm say đắm con người.

Game thực tại ảo hiện nay đã trở thành một ngành công nghiệp thu được nhiều

lợi nhuận. Ở nước ta hiện nay thì game thực tại ảo chưa được biết tới nhiều song Ở

một số nước phát triển thì đây là một ngành giải trí thu lợi nhuận khổng lồ, ví dụ các

nước Nhật,Mỹ,Anh v.v..

Trong điện ảnh: Điện ảnh là một lĩnh vực đang phát triển rất mạnh. Chắc hẳn ai

trong chúng ta cũng đã từng xem phim và cũng đã từng thưởng thức những cảnh ngoại

mục trong film do các diễn viên trong phim thể hiện. Và chúng ta có thể nghĩ rằng

những điều đó chỉ có thể có trong phim chứ không có trên thực tế. Đúng vậy, những

phim được coi là hay nhất, được ưa chuộng nhất hiện nay là những phim có những

cảnh ngoại mục, hoành tráng.Một vài năm gần đây, những phim đó đã ứng dụng thực

tại ảo và những phương pháp xử lý đồ hoạ mạnh nhằm tạo ra những hiệu ứng, những

cảnh mà trên thực tế không thể thực hiện được.

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 ảnh thông thường, ví dụ

trong một số cảnh của phim "Vua bọ cạp" v.v.. Các phim thực tại ảo ba chiều cũng

được sản xuất và trình chiếu tại các rạp chiếu phim ba chiều. Khi xem các phim này

bạn sẽ có cảm giác như đang sống trong chính bộ phim chứ không phải bạn đang xem

phim.

Trong hàng không vũ trụ: Nguồn vốn đầu tư, thời gian là những vấn đề sống

còn của tất cả các công ty tham gia hoạt động sản xuất kinh doanh. Nhất là những

ngành đòi hỏi phải có nguồn vốn lớn mà thời gian thu hồi vốn lâu và sức cạnh tranh

cao như hàng không vũ trụ. Chúng ta không thể đầu tư một chiếc tầu vũ trụ để phóng

thử nghiệm vào không gian, chúng ta không thể giao một chiếc máy bay cho một phi

công lần đầu tiên bước lên máy bay mà chưa qua huấn luyện, vì chi phí cho mỗi chiếc

Kỹ thuật lập trình mô phỏng thế giới thực

13

máy bay không phải là nhỏ.

Trên thực tế, người ta làm thế nào để giải quyết vấn đề đó? Khi chưa có các ứng

dụng tin học thì người ta buộc tất cả những học viên phải trau dồi lý thuyết thật nhuần

nhuyễn trước khi bước lên máy bay, nhằm giảm thiểu những thiệt hại, song cách giải

quyết này đòi hỏi quá nhiều thời gian và kinh phí đào tạo.

Trong những năm gần đây, khi tin học phát triển thì các ứng dụng của nó vào

lĩnh vực hàng không vũ trụ càng trở lên mạnh mẽ, nhất là trong vấn đề trợ giúp đào tạo

phi công. Người ta đã xây dựng rất nhiều chương trình mô phỏng cho phi công tập

luyện kết hợp với các thiết bị phần cứng để tạo ra một môi trường làm cho con người

tưởng như ở trên một chiếc máy bay thật và mọi thứ diễn ra như ngoài thực tế. Một

chương trình máy tính tạo ra không gian 3D kết hợp với thiết bị phần cứng cho phép

người phi công thực hiện những chuyến bay đến các sân bay đã được xây dựng sẵn với

các tình huống nhằm nâng cao kỹ năng xử lý tình huống như trong thực tế. Và có này,

người ta sẽ giảm thiểu được thời gian, chi phí đào tạo và nâng cao tính an toàn của mỗi

chuyến bay.

Xu hướng ứng dụng của thực tại ảo trong tương lai:

Chúng ta đã thấy được một phần nào những kết quả to lớn của việc ứng dụng

thực tại ảo và chúng ta cũng có thể thấy được một phần nào việc ứng dụng thực tại ảo

trong tương lai. Thực tại ảo sẽ tiếp tục được ứng dụng mạnh mẽ hơn nữa trong một số

lĩnh vực và mở đường cho các ứng dụng tin học vào các lĩnh vực khác. Thực tại ảo sẽ

thâm nhập vào rất nhiều các lĩnh vực cũng như sự có mặt của tin học trong cuộc sống.

Ý nghĩa của việc ứng dụng thực tại ảo:

Những kết quả và ý nghĩa to lớn của việc ứng dụng thực tại ảo trong giai đoạn

hiện nay và trong tương lai đều đã được nhắc tới. Nhưng có một câu hỏi đặt ra là đằng

sau những điều tuyệt vời mà thực tại ảo mạng lại, còn có cái gì làm chúng ta phải quan

tâm? Vấn đề của thực tại ảo là gì? Để trả lời những câu hỏi đó, chúng ta sẽ cùng tìm

hiểu chi tiết trong những phần dưới đây.

Tất cả các ứng dụng thực tại ảo đều liên quan đến việc xây dựng các mô hình mô

phỏng thế giới trên máy vi tính và cung cấp khả năng quan sát và tương tác của các mô

hình với người sử dụng thông qua các thiết bị đầu vào và đầu ra. Như vậy. có thể nói

vấn đề chính của thực tại ảo là phải xây dựng mô hình mô phỏng thế giới thực trên

máy tính theo không gian 3D, cung cấp các dịch vụ tương tác giữa môi trường mô

phỏng với người sử dụng thông qua thiết bị vào ra.

Trong cuốn sách này,tác giả sẽ tập trung vào việc tìm hiểu, nghiên cứu các mô

hình xây dựng các mô hình thực tại ảo trên máy vi tính trong không gian 3D, những

ứng dụng của các mô hình này hiện nay và trong tương lai và xu hướng của các mô

hình xây dựng thực tại ảo.

Kỹ thuật lập trình mô phỏng thế giới thực

14

Hiện nay, việc giải quyết vấn đề xây dựng thực tại ảo trên máy vi tính có thể đề

cập theo các hướng cơ bản sau đây:

Xây dựng mô hình thực tại ảo như một dạng dữ liệu riêng hay file thư viện.

Xây dựng thực mô hình thực tại ảo gắn liền với các tương tác cần thiết cho

người sử dụng: theo cách kẻo thả các mô hình có sẵn.

Xây dựng mô hình thực tại ảo theo cách mô tả dưới dạng các văn bản về các đối

tượng 3D. cung cấp các thư viện, hay sử dụng các thư viện, các chuẩn đồ hoạ, các

chuẩn về mạng có sẵn để viết bộ phân tích và trình duyệt hiển thị các mô tả này như

trình duyệt trang HTML.

1.3. CÁC VẤN ĐỀ GẶP PHẢI TRONG VIỆC PHÁT TRIỂN THỰC TẠI ẢO

1.3.1. Các vấn đề về phần cứng

Hiện nay sau hơn bốn mươi năm phát triển, các thiết bị phục vụ cho thực tại ảo

đã phong phú cả về chất lượng và số lượng. Song nói chung, các thiết bị phục vụ cho

lĩnh vực này còn đắt và khó mua, đồng thời chúng vẫn chưa đạt được tới mức cho

phép người sử dụng ở trong môi trường ảo mà hoàn toàn có cảm giác như họ đang ở

trong môi trường thực. Một vấn đề nữa là mặc dù ngày nay máy tính đã phát triển, tốc

độ tính toán đã gấp hàng nghìn lần so với khi thực tại ảo bắt đầu được nghiên cứu

nhưng thực tại ảo vẫn chưa thể đáp ứng được các công việc mô tả một số lớn các đối

tượng phức tạp. Chúng ta hy vọng, trong tương lai gần các vấn đề về phần cứng sẽ

được giải quyết. Và như vậy, khả năng ứng dụng của thực tại ảo mới có khả năng phổ

dụng với mọi quốc gia và với mọi người.

1.3.2. Các vấn đề về phần mềm và việc thiết kế phần mềm

Hiện nay trên thế giới phần mềm thực tại ảo đã phong phú, song đa phần các

phần mềm này chỉ giải quyết các vấn để chung hoặc riêng cho chính các nhà thiết kế.

đồng thời 1 giá thành các phần mềm này là rất đắt, do đó chúng ta nên chọn giải pháp

xây dựng phần mềm riêng của chính mình.

Công việc làm phần mềm thực tại ảo thực sự là một công việc khó khăn bởi vì

mọi xử lý trong thực tại ảo đều là xử lý của các đối tượng 3D trên môi trường ba chiều

với thời gian thực.

Để thấy rõ sự phức tạp này chúng ta lấy ví dụ đơn giản là thực hiện quay một

điểm bất kỳ trong không gian ba chiều.

Giả sử ta có ba điểm P 1, P2, P3 với các tọa độ điểm tương ứng trong không

gian.

Trục P1P2 được coi như trục quay của điểm P3. Để quay P3 quanh PIP2 một góc

α ta phải tiến hành qua các bước sau: