Tìm hiểu về ngôn ngữ thực tại ảo VRML và ứng dụng 30

TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO 3

1 1 Thực tại ảo là gì

Thực tại ảo hay còn gọi là thực tế ảo (tiếng Anh là virtual reality, viết tắt là

Thực tại ảo (VR) là một môi trường mô phỏng bằng máy tính, cho phép con người quan sát và thực hiện các thao tác mong muốn Người dùng tương tác với môi trường này thông qua thiết bị đầu vào, và nhận lại những thay đổi mà họ có thể quan sát hoặc cảm nhận qua thiết bị đầu ra Hầu hết các môi trường VR chủ yếu hiển thị hình ảnh trên màn hình máy tính hoặc qua kính nhìn ba chiều, nhưng một số mô phỏng cũng tích hợp thêm âm thanh và xúc giác để tăng cường trải nghiệm.

Hình 1 1: Một hệ thống VR tại Viện Fraunhofer (CHLB Đức)

1 2 Lịch sử ra đời và phát triển của thực tại ảo

Thực tại ảo, một khái niệm cơ bản ra đời từ những năm 1950, đã có những hệ thống nguyên sơ đầu tiên được phát triển trước cả khi con người đặt chân lên mặt trăng.

Vào cuối những năm 1950, Morton Heilig đã thiết kế hệ thống ảo đầu tiên mang tên Sensorama, kết hợp giữa chiếu phim, âm thanh, chuyển động, gió và mùi, tạo cảm giác chân thực cho người dùng Sau khi máy tính ra đời, mọi thứ được ghi lại và phát lại dễ dàng Heilig đã đăng ký ý tưởng của mình như một sáng chế cơ bản trong ngành công nghiệp vào năm 1962.

Head-Mounted Display đó là liên đới đầu tiên của hệ thống thực tại ảo

Vài năm sau, giáo sư đồ họa máy tính Sutherland đã phát minh ra thuật ngữ “The Ultimate Display”, mô tả một hệ thống hiển thị cho đồ họa máy tính Hệ thống này có khả năng tự động cập nhật theo sự điều chỉnh của người sử dụng, tạo cảm giác như người dùng đang bị vây quanh hoặc chìm vào một thế giới chỉ tồn tại trong máy vi tính.

Vào những năm 1960, Sutherland đã thành công trong việc xây dựng hệ thống thực tại ảo cơ bản đầu tiên trên máy vi tính, được gọi là "Sword of Damocles" Hệ thống này cho phép máy tính vẽ các đường thẳng đen trắng của hình cơ bản, mà người dùng có thể quan sát từ nhiều góc độ khác nhau Mặc dù đơn giản, nhưng "Sword of Damocles" đã giới thiệu khái niệm cơ bản về thực tại ảo và đặt nền móng cho nhiều cải tiến công nghệ sau này.

Vào những năm 1970, trung tâm nghiên cứu NASA Ames đã bắt đầu triển khai ý tưởng về thực tại ảo, xây dựng thiết bị HMD đơn giản đầu tiên từ các thành phần cơ bản của Radio Shack Sự phát triển này đã thu hút nhiều người đam mê thực tại ảo, khiến họ giam mình trong các gara và phòng thí nghiệm nhỏ tại các trường đại học, nơi có sự hỗ trợ tài chính, để nghiên cứu và phát triển công nghệ, từ đó tạo ra một ngành công nghiệp mới.

Trong giai đoạn đầu có một nhà tiên phong như: tạp chí PCVR của Joe

Gradecki đề cập đến thực tại ảo thông qua ngôn ngữ lắp ráp, trong khi Robert Sudding cung cấp các bộ phận thiết bị cần thiết cho bộ gia tốc đồ hoạ thô sơ Sản phẩm được hoàn thiện với tín hiệu NTSC, bao gồm đường dẫn đầu ra cho HDM.

Hiện nay, nhiều công ty có tiềm lực tài chính lớn đang quyết tâm tham gia vào lĩnh vực công nghệ thực tại ảo, với các sản phẩm tiêu thụ phổ biến Các công ty như Virtual I/O, VitorMaxx Technologies và Forte đang sản xuất các thiết bị HMD Vấn đề chủ yếu của thực tại ảo là xây dựng các mô hình thực tại ảo theo mong muốn.

1 3 Các đặc tính của thực tại ảo

VR là một hệ thống mô phỏng sử dụng đồ họa máy tính để tạo ra một thế giới "như thật" và không tĩnh tại Thế giới ảo này phản ứng và thay đổi theo ý muốn của người sử dụng thông qua các hành động và lời nói Đặc điểm nổi bật của VR là khả năng tương tác thời gian thực, cho phép máy tính nhận biết tín hiệu vào của người sử dụng và ngay lập tức điều chỉnh thế giới ảo.

Người sử dụng bị thu hút bởi sự mô phỏng trên màn hình, thể hiện rõ qua việc trẻ nhỏ mải mê chơi video game đến mức không nhận ra nguy hiểm xung quanh, như trường hợp hai trẻ ở Anh đang chơi Nintendo trong khi nhà đang cháy Tương tác và khả năng thu hút của VR tạo cảm giác đắm chìm, giúp người dùng cảm thấy như họ là một phần của hành động trên màn hình Hơn nữa, VR còn tăng cường cảm giác "thật" bằng cách tác động lên tất cả các kênh cảm giác, cho phép người dùng không chỉ nhìn thấy mà còn sờ và cảm nhận các đối tượng đồ họa 3D như chúng đang tồn tại thật sự.

Ngoài thị giác, thính giác và xúc giác, nghiên cứu đã mở rộng để phát triển các cảm giác như khứu giác và vị giác Tuy nhiên, trong công nghệ thực tế ảo (VR) hiện nay, việc áp dụng những cảm giác này vẫn còn hạn chế.

VR không chỉ đơn thuần là một hệ thống tương tác giữa con người và máy tính, mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như kỹ thuật, y học và quân sự Những ứng dụng này được phát triển bởi các nhà thiết kế VR và phụ thuộc nhiều vào khả năng tưởng tượng của con người.

1 4 Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo

Bao gồm 5 thành phần cơ bản:

Hình 1 2: Các thành phần cơ bản của VR

Ta quan tâm tới 2 thành phần chính là HW (phần cứng) và SW (phần mềm)

Phần cứng của một VR bao gồm:

• Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh)

Các thiết bị đầu vào bao gồm bộ dò vị trí để xác định vị trí quan sát, bộ giao diện định vị giúp di chuyển người sử dụng, và bộ giao diện cử chỉ như găng tay dữ liệu cho phép người dùng điều khiển đối tượng một cách trực quan.

Các thiết bị đầu ra (Output devices) bao gồm màn hình hiển thị đồ họa cho phép nhìn thấy các đối tượng 3D nổi, loa để trải nghiệm âm thanh vòm như Hi-Fi và Surround, cùng với bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback) như găng tay để tạo ra xúc giác khi tương tác với đối tượng, và bộ phản hồi xung lực (Force feedback) để tăng cường trải nghiệm người dùng.

Feedback) để tạo lực tác động như khi đạp xe, đi đường xóc,

Phần mềm là yếu tố cốt lõi của công nghệ thực tế ảo (VR) và bất kỳ hệ thống máy tính hiện đại nào Người dùng có thể sử dụng nhiều ngôn ngữ lập trình và phần mềm đồ họa khác nhau để mô hình hóa và mô phỏng các đối tượng trong VR Một số ngôn ngữ lập trình phổ biến và miễn phí như OpenGL, C++, và Java3D có thể được áp dụng trong quá trình này.

VRML, X3D, hay các phần mềm thương mại như WorldToolKit, PeopleShop,

TÌM HIỂU VỀ NGÔN NGỮ THỰC TẠI ẢO VRML 10

Ngôn ngữ mô hình hóa thực tại ảo (VRML) là công cụ sử dụng mô hình phân cấp để thể hiện các tương tác với đối tượng trong mô hình 3D VRML cho phép phát triển hình ảnh và quang cảnh trên World Wide Web với kích thước tập tin nhỏ, thường không vượt quá 1MB Điều này giúp người dùng có thể tương tác và "bước vào" không gian ảo, di chuyển qua các phòng trong một tòa nhà để khám phá từ nhiều góc độ khác nhau.

2 1 2 Lịch sử ra đời và phát triển của VRML

VRML đã trở thành ngôn ngữ tiêu chuẩn cho mô phỏng tương tác thế giới 3D trên Internet, nhằm xây dựng định dạng chuẩn để mô tả thế giới thực trên máy tính Kể từ năm 1997, VRML đã được công nhận là chuẩn ISO, cho phép chạy trên môi trường web.

VRML, hay Virtual Reality Modeling Language, được ra đời vào mùa xuân năm 1994 tại hội nghị World Wide Web đầu tiên ở Geneva, Thụy Sĩ Tại đây, Tim Berners-Lee và Dave Raggett đã tổ chức phiên họp Birds-of-a-Feather (BOF) để thảo luận về giao diện thực tại ảo trên Web Nhiều thành viên tham dự đã trình bày các dự án xây dựng công cụ hiển thị đồ họa ba chiều, nhấn mạnh sự cần thiết phải có một ngôn ngữ chung để mô tả thế giới 3D và các siêu liên kết trên World Wide Web.

Markup Language” ra đời, từ Markup sau đó đã được đổi thành Modelling để phản ánh bản chất tự nhiên của VRML

Sau phiên họp BOF, tổ chức www-vrml mailing list được thành lập nhằm phát triển phiên bản VRML đầu tiên Sự hưởng ứng từ cộng đồng diễn ra trong vòng một tuần, thu hút hơn một nghìn khách mời tham gia.

Tại buổi họp, chủ tịch Mark Pesce đã thông báo về việc trình bày phiên bản phác thảo xây dựng VRML, đã được chuẩn bị từ hội nghị mùa xuân năm 1994, diễn ra cách đây 5 tháng Bản phác thảo này đã nhận được sự đồng thuận từ các thành viên tham dự.

Hội nghị đã đồng thuận về các yêu cầu ràng buộc cho phiên bản đầu tiên và xác định hướng đi cho việc tìm kiếm công nghệ phù hợp nhằm đáp ứng các yêu cầu của VRML.

Vào tháng 3 năm 1995, một cuộc thảo luận diễn ra trên danh sách gửi thư www-vrml, xoay quanh việc phát triển các tương tác của người sử dụng với hoạt cảnh Tất cả các thành viên tham gia đều đồng thuận rằng những cải tiến này là rất cần thiết cho sự phát triển của VRML.

Silicon Graphics has partnered with Sony Research and Mitra to develop a new version of VRML Their proposal, titled "Moving Worlds," has been submitted to the Request-for-Proposals for the new VRML version, showcasing the successful collaboration among all participating members.

Silicon Graphics, Sony Research và Mitra Năm 1996 tại New Orleans, phiên bản đầu tiên của VRML 2 0 được đưa ra

Vào tháng 7 năm 1996, tổ chức tiêu chuẩn quốc tế (ISO) đã thống nhất phiên bản VRML 2.0 năm 1996 để xem xét vào tháng 4 năm 1997 Bản thảo này được gọi là "VRML97", kết hợp tên và năm Sau khi tiến hành bỏ phiếu, VRML97 chính thức trở thành chuẩn ISO vào năm 1997.

2 1 3 Đặc điểm cơ bản củaVRML

Tiêu chuẩn cho việc xác định đối tượng 3D, quang cảnh và cho sự liên kết các mô hình với nhau là:

 Không phụ thuộc nền nghĩa là chạy trên các máy tính do các nhà sản xuất khác nhau chế tạo

 Có thể mở rộng nghĩa là có thể chấp nhận các lệnh mới do người sử dụng thêm vào hoặc quy định

 Thao tác được thế giới ảo thông qua môi trường Internet có băng thông thấp

2 1 4 Những ràng buộc trong việc thiết kế VRML

VRML được thiết kế nhằm đáp ứng các yêu cầu sau:

Sự uỷ nhiệm (Authorability) cho phép phát triển các chương trình máy tính có khả năng tạo, chỉnh sửa và bảo trì các tập tin VRML Ngoài ra, người dùng còn có thể viết các chương trình dịch tự động để chuyển đổi các định dạng tập tin ba chiều phổ biến sang định dạng VRML.

Có khả năng kết hợp hay cấu thành tổng thể (Composability) cho phép sử dụng và kết hợp các đối tượng ba chiều động trong một tổng thể, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc tái sử dụng hiệu quả.

 Có thể mở rộng (Extensibility): cung cấp khả năng chèn thêm các kiểu đối tượng mới chưa được định nghĩa sẵn trong VRML

 Có nhiều khả năng cài đặt (Be capable of implementation): VRML có thể được cài đặt trên một lượng lớn các hệ thống máy tính

 Sự thể hiện (Performance): Có được sự thể hiện tương tác, co giãn trên nhiều loại nền khác nhau

 Hiệu suất cao: nhấn mạnh hiệu suất khả co, tương tác trên một lượng lớn các hệ nền tính toán

 Tính khả co : cho phép tạo ra các thế giới ba chiều động có độ lớn tùy ý

2 2 Tìm hiểu các vấn đề cơ bản của VRML

2 2 1 Các thành phần cơ bản của VRML

Gồm các trình duyệt (Browses) và bộ soạn thảo riêng dành cho ngôn ngữ

VRML (Editor) Các file VRML chỉ có thể đọc nếu hệ thống có trình duyệt VRML

Trình duyệt VRML giống như các trình duyệt Internet (Như Internet Explorer hay Nescape Navigator)

Thực chất trình duyệt VRML được tích hợp vào các trình duyệt thông dụng

Bộ soạn thảo VRML là môi trường cho phép người lập trình gõ mã VRML

Hiện nay, VRML Pad là một trong những bộ soạn thảo phổ biến nhất, cho phép lập trình viên viết mã VRML và sau đó sử dụng trình duyệt để xem kết quả.

VRML trực tiếp để xem kết quả ngay lập tức

2 2 2 Môi trường, công cụ hiển thị VRML

Công cụ hiển thị được coi la mạnh nhất của VRML hiện nay là ứng dụng

Cortona VRML Client là hãng Parallel Graphics cho việc truy xuất các ứng dụng

VRML trên các trình duyệt web Giúp bạn thuận tiện hơn khi xem các mô hình ảo trên máy tính một cách trực quan sinh động

Yêu cầu trước khi cài đặt Cortona VRML Client:

- Hệ điều hành Microsoft® Windows® ME/2000/XP

- Trình duyệt Web Internet Explorer 6 0 trở lên, Netscape Navigator 8 0 trở lên

Mozilla Firefox 1 5 trở lên, Opera 8 5 trở lên

- CPU Pentium® II 300 MHz trở lên

- Độ phân giải màn hình tối thiểu 1024x768

- Card đồ họa hỗ trợ 3D và cài đặt DirectX 9

Cortona VRML Client tương thích với hầu hết các trình duyệt như Internet Explorer, Netscape Browser, Mozilla, Mozilla Firefox và các công cụ văn phòng như Word, PowerPoint

Tính năng của Cortona VRML Client:

Cortona VRML Client mang đến trải nghiệm mô hình 3D hoàn hảo trên máy tính, tương tự như ứng dụng gốc với đầy đủ hiệu ứng trên nhiều nền tảng như Flash, DirectX9 và MPEG4 Khi bạn truy cập vào ứng dụng, bạn sẽ thấy sự tương tác mượt mà và chất lượng hình ảnh ấn tượng.

VRML, toàn bộ hình mô phỏng sẽ được trình diễn tương tác trên nền 3D dạng mở Rất ấn tượng và bắt mắt

Tập tin VRML có thể được tạo ra dễ dàng bằng cách sử dụng trình soạn thảo văn bản như NotePad và lưu với phần mở rộng wrl Để xem nội dung của một file VRML, bạn chỉ cần nhấp đúp chuột vào tập tin, và trình duyệt có hỗ trợ plug-in VRML sẽ tự động mở và hiển thị mô tả.

(source) một file VRML bạn có thể nhấp chuột phải vào tên tập tin VRML rồi vào

“Open with ” , sau đó chọn NotePad

A VRML file structure consists of key components: header, scene graph, prototype, and event routing These elements are processed for display and interaction by a VRML browser.

1 Header: dùng để nhận dạng tập tin VRML và cách mã hóa Header của

ỨNG DỤNG VRML CHO VIỆC XÂY DỰNG PHÒNG HỌC 29

Phòng học cần xây dựng có màu vàng và bên trong gồm có các đối tượng: bàn ghế, dàn máy tính, đèn điện, quạt trần

Người dùng trong thế giới ảo có thể quan sát phòng học từ bên ngoài và vào trong bằng cách chọn Menu “Go into” Họ cũng có thể dễ dàng rời khỏi phòng khi cần Khi đã ở bên trong, người tham gia có khả năng bật đèn và quạt để tạo không gian thoải mái.

Để tối ưu hóa trải nghiệm trong môi trường ảo, bên cạnh việc xây dựng các đối tượng, chúng ta cần viết thêm đoạn mã Script Điều này giúp chúng ta quan sát và cảm nhận sự phản hồi từ môi trường ảo mà chúng ta đã kích hoạt và tác động vào.

Bằng việc sử dụng ngôn ngữ VRML để xây dựng phòng học theo các yêu cầu ở trên sẽ thu được một số hình ảnh dưới đây

 Đối tượng bàn ghế sinh viên :

Ngày nay, sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là công nghệ thông tin, đã mang lại những hiệu quả to lớn trong mọi lĩnh vực của cuộc sống Công nghệ thông tin ngày càng trở nên quan trọng và được mong đợi trong nhiều ứng dụng Trong đó, thực tại ảo là một lĩnh vực mới mẻ nhưng có tầm ảnh hưởng rất lớn, hứa hẹn sẽ mở ra nhiều cơ hội và tiềm năng trong tương lai.

Giống như các lĩnh vực công nghệ thông tin khác, thực tại ảo có ngôn ngữ riêng gọi là VRML Đồ án này nhằm tìm hiểu sâu về ngôn ngữ VRML thông qua việc nghiên cứu, tham khảo các đề tài khóa trước và một số mã nguồn mở trên Internet Qua quá trình tìm hiểu, đề tài đã đạt được những mục tiêu nhất định.

Tìm hiểu tổng quan về thực tại ảo Tìm hiểu về ngôn ngữ thực tại ảo VRML Xây dựng được chương trình ứng dụng

Thực tại ảo đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết những vấn đề khó khăn, giúp đơn giản hóa quy trình và nâng cao hiệu quả giải quyết Nếu không có thực tại ảo, những vấn đề này sẽ khó khăn hơn và có thể tốn kém về chi phí Ứng dụng thực tại ảo không chỉ mang lại hiệu quả lớn về mặt vật chất mà còn cải thiện tinh thần, tạo ra những giải pháp tối ưu cho các thách thức hiện tại.

Mặc dù thời gian thực hiện đề tài có hạn, nhưng tôi nhận thấy vẫn còn nhiều thiếu sót và khía cạnh, yếu tố, lĩnh vực mà tôi chưa thể khám phá đầy đủ Tôi rất mong nhận được sự góp ý từ quý thầy cô và các bạn để hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

[1] Lê Tấn Hùng, Huỳnh Quyết Thắng, Kỹ thuật đồ hoạ, Nhà xuất bản Khoa học và

[2] Jed Hartman and Josie Wernecke: The VRML 2 0 Handbook - Building Moving

[3] Grigore C Burdea, Philippe Coiffet: Virtual Reality Technology - 2nd Edition

[4] Chris Marrin and Bruce Campbell: Teach Yourself VRML 2 in 21 Days (1997)

[5] John R Vacca: VRML Bringing Virtual Reality to the Internet

[7] http://www echip com vn/echiproot/weblh/suutam/99/pcworld/vrml/vrml htm