LUẬN VĂN: Tìm hiểu công nghệ thực tế ảo và ứng dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG…………… LUẬN VĂN Tìm hiểu công nghệ thực tế ảo ứng dụng LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cô giáo Ngô Trường Giang, thầy tận tình hương dẫn giúp đỡ em suốt trình làm tốt nghiệp Với bảo thầy, em có định hướng tốt việc triển khai thực yêu cầu trình làm luận án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn dạy bảo giúp đỡ thầy giáo, cô giáo Khoa Công Nghệ Thông Tin – Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng trang bị kiến thức để em hồn thành tốt báo cáo tốt nghiệp Em xin cảm ơn GS.TS.NGƯT Trần Hữu Nghị Hiệu trưởng trường Đại học Dân lập Hải Phòng, Ban Giám hiệu nhà trường, Bộ mơn tin học, phịng ban nhà trường tạo điều kiện tốt cho em trình học tập làm tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn ! Vũ Đức Phong - Lớp CT901 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG Tổng quan thực ảo 1.1 Thực tế ảo ? 1.2 Lịch sử phát triển công nghệ thực tế ảo 1.3 Các đặc tính VR 1.4 Các thành phần hệ thống VR 1.4.1 Phần cứng (Hardware) 1.4.2 Phần mềm (Software) 1.5 Các thiết bị 1.5.1 Thiết bị định hướng chuyển động 1.5.2 Thiết bị tương tác phản hồi 12 1.6 Một số ứng dụng VR 13 1.6.1 Quân 13 1.6.2 Giáo dục 14 1.6.3 Xây dựng 15 1.6.4 Y học 15 CHƢƠNG Ngôn ngữ VRML 16 2.1 Giới thiệu VRML 16 2.1.1 VRML ? 16 2.1.2 Định nghĩa VRML 16 2.1.3 Lịch sử đời phát triển VRML 17 2.1.4 Đặc điểm VRML 18 2.2 Các vấn đề VRML 19 2.2.1 Các thành phần VRML 19 2.2.2 Công cụ hiển thị VRML 19 2.2.3 Tập tin VRML 20 2.3 Tìm hiểu chi tiết VRML 21 Vũ Đức Phong - Lớp CT901 2.3.1 Xây dựng đối tượng hình học 21 2.3.2 Xây dựng số hình phức tạp 22 2.3.3 Các phép biến đổi VRML 29 2.3.4 Màu sắc VRML 32 2.3.5 Nhóm node 33 2.3.6 Một số phương pháp vẽ VRML 35 2.3.7 Texture Mapping 37 2.3.8 Script 37 CHƢƠNG Ứng dụng VRML việc xây dựng bảo tàng ảo 39 3.1 Bài toán 39 3.2 Yêu cầu đặt hướng giải 39 3.2.1 Xây dựng bảo tàng 39 3.2.2 Trang trí bảo tàng 40 3.2.3 Xây dựng đối tượng bên bảo tàng 41 3.2.4 Di chuyển bên bảo tàng 42 3.2.5 Chọn đối tượng 43 3.2.6 Ánh sáng 44 3.2.7 Đóng mở cửa 44 3.2.8 Tối ưu khung hình 45 3.3 Kết đạt hướng phát triển 45 3.3.1 Kết 45 PHẦN KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 Vũ Đức Phong - Lớp CT901 LỜI MỞ ĐẦU Thực tế ảo thuật ngữ xuất khoảng đầu thập kỷ 90, Mỹ châu Âu thực tế ảo (Virtual Reality) trở thành công nghệ mũi nhọn nhờ khả ứng dụng rộng rãi lĩnh vực (nghiên cứu công nghiệp, giáo dục đào tạo, thương mại giải trí, ) tiềm kinh tế, tính lưỡng dụng (trong dân dụng quân sự) Tại Việt Nam, lĩnh vực có cơng trình hữu ích như: tái lại Sao La hay Văn Miếu Quốc Tử Giám ảo mà ta lại quan sát Chính tầm quan trọng khả ứng dụng to lớn nên việc nghiên cứu thực ảo vơ cần thiết Và sở xây dựng ứng dụng thực ảo hồn chỉnh Chính mà em chọn đề tài tốt nghiệp: ” Tìm hiểu cơng nghệ thực tế ảo ứng dụng” Đồ án gồm có phần mở đầu, kết luận nội dung: Chương 1: Tổng quan thực ảo Chương 2: Ngôn ngữ VRML Chương 3: Ứng dụng VRML việc xây dựng bảo tàng ảo Vũ Đức Phong - Lớp CT901 CHƢƠNG Tổng quan thực ảo 1.1 Thực tế ảo ? Thực tế ảo-Virtual Reality( VR ) hệ thống mơ đồ họa máy tính sử dụng để tạo giới "như thật" Hơn nữa, giới "nhân tạo" không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn (tín hiệu vào) người sử dụng (nhờ hành động, lời nói, ) Điều xác định đặc tính VR, tương tác thời gian thực (real-time interactivity) Thời gian thực có nghĩa máy tính có khả nhận biết tín hiệu vào người sử dụng thay đổi giới ảo Người sử dụng nhìn thấy vật thay đổi hình theo ý muốn họ bị thu hút mơ Điều nhận thấy quan sát trẻ nhỏ chơi video game Theo báo Bild (Đức), có hai trẻ nhỏ Anh bị thu hút mải mê chơi Nintendo nhà chúng bị cháy không hay biết! Tương tác khả thu hút VR góp phần lớn vào cảm giác đắm chìm (immersion), cảm giác trở thành phần hành động hình mà người sử dụng trải nghiệm Nhưng VR đẩy cảm giác "thật" nhờ tác động lên tất kênh cảm giác người Trong thực tế, người dùng nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D (như hình trang cuối báo Hoa học trò đăng trước kia), điều khiển (xoay, di chuyển, ) đối tượng hình (như game), mà cịn sờ cảm thấy chúng có thật Ngồi khả nhìn (thị giác), nghe (thính giác), sờ (xúc giác), nhà nghiên cứu nghiên cứu để tạo cảm giác khác ngửi (khứu giác), nếm (vị giác) Tuy nhiên VR cảm giác sử dụng đến Từ phân tích trên, thấy định nghĩa sau C Burdea P Coiffet VR tương đối xác: VR- Thực Tế Ảo hệ thống giao diện cấp cao Người sử dụng Máy tính Hệ thống mơ vật tượng theo thời gian thực tương tác với người sử dụng qua Vũ Đức Phong - Lớp CT901 tổng hợp kênh cảm giác Đó ngũ giác gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác, vị giác 1.2 Lịch sử phát triển công nghệ thực tế ảo Khái niệm thực tế ảo có nhiều thập niên thực nhận thức vào đầu năm 90 Vào năm 50 Morton Heilig (Mỹ) phát minh thiết bị mơ SENSORAMA Đó thiết bị điều khiển người sử dụng gồm có : hình thực thể kính, quạt, máy tạo mùi, loa âm ghế di chuyển Ơng phát minh hình truyền hình gắn vào đầu để xem phim 3D Tuy sản phẩm phục vụ cho điện ảnh khái niệm Heilig trở thành tiền đề cho VR sau Những kỹ sư Công ty Philco người phát triển HMD vào 1961, gọi Headsight Cái mũ sắt bao gồm ảnh hệ thống theo dõi video kỹ sư liên kết tới hệ thống camêra mạch đóng Họ dự định sử dụng HMD tình nguy hiểm - người quan sát môi trường thực từ xa, điều chỉnh góc quay camera cách quay đầu Bell Laboratories sử dụng HMD cho phi công lai máy bay trực thăng Họ liên kết HMD với camera hồng ngoại gắn bên ngồi máy bay giúp phi cơng nhìn rõ mơi trường thiếu ánh sáng Vào 1965, nhà khoa học máy tính có tên Ivan Sutherland hình dung điều mà ơng ta gọi "Ultimate Display" Sử dụng hiển thị này, người thấy giới ảo giới vật lý thật Điều định hướng tồn tầm nhìn VR Khái niệm Suntherland bao gồm :  Một giới ảo mà ta quan sát thơng qua HMD  Một máy tính để trì mơ hình thời gian thực  Các khả cho người sử dụng để thao tác đối tượng thực tế cách trực quan Vũ Đức Phong - Lớp CT901 1.3 Các đặc tính VR Như trình bày, đặc tính VR Tương tác Đắm chìm, hai "I" (Interactive, Immersion) mà nhiều người biết Tuy nhiên VR cần có đặc tính thứ mà người để ý tới VR không hệ thống tương tác Người- Máy tính, mà ứng dụng cịn liên quan tới việc giải vấn đề thật kỹ thuật, y học, quân sự, Các ứng dụng nhà phát triển VR thiết kế, điều phụ thuộc nhiều vào khả Tưởng tượng người, đặc tính "I" (Imagination) thứ VR Do coi VR tổng hợp yếu tố: Tương tác- Đắm chìm- Tưởng tượng, (3 I tiếng Anh: Interactive- Immersion- Imagination) 1.4 Các thành phần hệ thống VR Tổng quát VR bao gồm thành phần sau Hình 1.1 Các thành phần hệ thông VR 1.4.1 Phần cứng (Hardware) Phần cứng VR bao gồm: Vũ Đức Phong - Lớp CT901  Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh)  Các thiết bị đầu vào (Input devices): Bộ dò vị trí (position tracking) để xác định vị trí quan sát Bộ giao diện định vị (Navigation interfaces) để di chuyển vị trí người sử dụng Bộ giao diện cử (Gesture interfaces) găng tay liệu (data glove) để người sử dụng điều khiển đối tượng  Các thiết bị đầu (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (như hình, HDM, ) để nhìn đối tượng 3D Thiết bị âm (loa) để nghe âm vòm (như Hi-Fi, Surround, ) Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback găng tay, ) để tạo xúc giác sờ, nắm đối tượng Bộ phản hồi xung lực (Force Feedback) để tạo lực tác động đạp xe, đường xóc, 1.4.2 Phần mềm (Software) Phần mềm linh hồn VR hệ thống máy tính đại Về mặt ngun tắc dùng ngơn ngữ lập trình hay phần mềm đồ họa để mơ hình hóa (modelling) mơ (simulation) đối tượng VR Ví dụ ngơn ngữ (có thể tìm miễn phí) OpenGL, C++, Java3D, VRML, X3D, hay phần mềm thương mại WorldToolKit, PeopleShop, Phần mềm VR phải bảo đảm cơng dụng chính: Tạo hình vào Mơ Các đối tượng VR mơ hình hóa nhờ phần mềm hay chuyển sang từ mơ hình 3D (thiết kế nhờ phần mềm CAD khác AutoCAD, 3D Studio, ) Sau phần mềm VR phải có khả mơ động học, động lực học, mô ứng xử đối tượng 1.5 Các thiết bị 1.5.1 Thiết bị định hƣớng chuyển động DataGloves Thiết bị đo lường bàn tay phải cảm nhận độ cong ngón tay vị trí, định hướng cổ tay thời gian thực Thiết bị thương mại đầu Vũ Đức Phong - Lớp CT901 tiên DataGloves từ viện nghiên cứu VPL DataGloves bao gồm găng tay nylon nhẹ có cảm biến quang học gắn ngón tay Hình 1.2 DataGloves 3D Mouse and SpaceBall Hình 1.3 3D Mouse SpaceBall Chuột Logitech 3D dựa mảng vị trí siêu âm tham chiếu, kiềng gồm loa siêu âm đặt góc tam giác phát tín hiệu siêu Nó sử dụng để theo dõi thiết bị thu, định hướng chuyển động Nó qui định thành phần tỷ lệ gửi tất mức tự do: X, Y, Z, Pitch, Yaw, Roll Vũ Đức Phong - Lớp CT901 Hình 1.4 Mouse Shutter glasses Hình 1.5 Shutter glasses Head-Mounted Displays Vũ Đức Phong - Lớp CT901 10 Hình 1.6 Head-Mounted Displays Cave CAVE nhà hát có kích thước 10 X 10 X đặt bên phịng lớn có kích thước 35 X 25 X 13 Phịng bên ngồi phải chiếu sáng suốt trình sử dụng CAVE Các tường CAVE tạo chiếu sàn nhà chiếu thẳng đứng Máy chiếu độ phân giải cao hiển thị hình ảnh lên toàn nhứng ảnh khác gương phản chiếu Nguwoif dùng vào bên CAVE đeo chiêc kinh đặc biệt để nhìn thấy hình ảnh chiều mà CAVE hiển thị Với kính người dùng thấy đối tượng thực không khí lại xung quanh chúng Điều la hoàn toàn với cảm biến điện tử Khung CAVE làm từ i-nox không từ tính để can thiệp cách tốt vào cảm biến điện từ Khi người lại CAVE, chuyển động họ theo dõi cảm biến video điều chỉnh cho phù hợp Máy tính kiểm sốt việc CAVE khía cạnh âm Có nhiều loa đặt CAVE nhiều góc độ giúp cho khơng có hình ảnh chiều mà có âm chiều Vũ Đức Phong - Lớp CT901 11 Hình 1.7 Cave 1.5.2 Thiết bị tƣơng tác phản hồi Các thiết bị cảm nhận số nhân tố sau thiết bị khác gây ra: nhiệt độ, vận tốc di chuyển, chuyển động, áp lực ngoại lực khác CyberTouch Hình 1.8 CyberTouch Vũ Đức Phong - Lớp CT901 12 CyberGrasp Hình 1.9 CyberGrasp 1.6 Một số ứng dụng VR Tại nước phát triển, nhận thấy VR ứng dụng lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, đáp ứng nhu cầu: Nghiên cứu- Giáo dục- Thương mại Y học lĩnh vực ứng dụng truyền thống VR Bên cạnh VR ứng dụng giáo dục, nghệ thuật, giải trí Trong lĩnh vực quân sự, VR ứng dụng nhiều nước phát triển Bên cạnh ứng dụng truyền thống trên, có số ứng dụng lên thời gian gần VR như: VR ứng dụng sản xuất, VR ứng dụng ngành rôbốt, VR ứng dụng hiển thị thơng tin (thăm dị dầu mỏ, hiển thị thơng tin khối, ) VR có tiềm ứng dụng vơ lớn Có thể nói tóm lại điều: Mọi lĩnh vực "có thật " sống ứng dụng "thực tế ảo" để nghiên cứu phát triển hoàn thiện 1.6.1 Quân Với việc phát triển VR, binh sĩ huấn luyện cách trực quan kĩ cân thiết : lái máy bay, lai xe tăng, trước tham gia Vũ Đức Phong - Lớp CT901 13 công việc thực tế Điều vừa bảo đảm an toàn cho binh sĩ, vừa tiết kiệm chi phí cho khoa huấn luyện thực tế Lầu Năm Góc vừa đưa định đầu tư 36 triệu USD cho quân đội Mỹ để phát triển game đặc biệt nhằm huấn luyện binh sĩ chống lại khủng bố dạng chiến thuật thực tế ảo.Với hệ thống trò chơi đặc biệt này, binh sĩ tập luyện tập nhà nhằm chống lại tình phát sinh thực tế Đây game sống động, có tình hành động cao với môi trường bối cảnh bám sát với thực tế Những người lính phải vận dụng tất kỹ rèn giũa quân đội Hình 1.10 Binh lính học nhảy dù thực tế ảo 1.6.2 Giáo dục Ở nước phương Tây việc nhà học qua Internet khơng cịn điều mẻ Và công nghệ VR làm cho việc trở nên thú vị nhiều Giống game MMORPG bạn điều khiển nhân vật đại diện cho bạn lại trường học ảo xây dựng máy tính Bạn tham gia vào lớp học ảo mà bạn thích, nói chuyện với thành viên khác lớp Vũ Đức Phong - Lớp CT901 14 Hình 1.11 Cảnh lớp học ảo 1.6.3 Xây dựng Bạn muốn xây nhà Bạn thuê kiến trúc sư thiết kế cho ngơi nhà tương lai bạn Anh ta hồn thành vẽ liệu bạn tưởng tượng khơng ?Có thể khơng thể xác Và hồn thành chưa ý bạn Giờ ngơi nhà xây dựng máy tinh, bạn lại khắp nơi nhà, xem xét tưng ngõ ngách nhỏ 1.6.4 Y học Thực ảo giải nhiều vấn đề y học: cung cấp môi trường thực hành cho nghiên cứu học tập, hữu ích việc mô ca phẫu thuật tránh gây rủi ro thực tế Như thực ảo có ứng dụng hầu hết lĩnh vực sống Qua nhận thấy ý nghĩa to lớn việc ứng dụng thực ảo, vấn đề khó khăn mà khơng có thực ảo khó giải hiểu khơng cao mà chi phí tốn Vũ Đức Phong - Lớp CT901 15 CHƢƠNG Ngôn ngữ VRML 2.1 Giới thiệu VRML 2.1.1 VRML ? VRML (Virtual Reality Modeling Language) ngơn ngữ mơ hình hóa thực tế ảo, định dạng tập tin sử dụng việc mô tả giới đối tượng đồ họa tương tác ba chiều VRML thiết kế dùng môi trường Internet, Intranet hệ thống máy khách cục (local client) VRML dự trù trở thành chuẩn trao dổi đa cho đồ họa ba chiều tích hợp truyền thơng đa phương tiện VRML sử dụng nhiều lĩnh vực ứng dụng chẳng hạn trực quan hóa khái niệm khoa học kỹ thuật, trình diễn đa phương tiện, giải trí giáo dục, hỗ trợ web chia sẻ giới ảo Ra đời phiên vào tháng 10 năm 1994 (VRML 1.0), VRML phát triển tới phiên 2.0 với chức mạnh mẽ, nhanh chóng trở thành chuẩn phát triển cho nhiều chương trình đồ họa VRML ngôn ngữ Interner 3D dùng để phát triển đồ họa 3D Web, có cấu trúc chặt chẽ, với khả mạnh mẽ, giúp cho việc xây dựng ứng dụng 3D cách nhanh chóng chân thực 2.1.2 Định nghĩa VRML Ngôn ngữ VRML ngơn ngữ sử dụng mơ hình phân cấp việc thể tương tác với đối tượng mơ hình, VRML sử dụng để phát triển hình ảnh 3D qung cảnh Web Các file VRML có kích thức nhỏ, thường khơng q 1Mb Ngơn ngữ mơ hình hóa thực ảo VRML chuẩn khơng thức để mơ tả thực tế ảo mà không phụ thuộc vào hệ điều hành thông qua Internet Chỉ với file text bạn mơ tả, tương tác, điều khiển giới ảo mà không bị hạn chế nhiều Vũ Đức Phong - Lớp CT901 16 VRML cho phép truyền mạng hình ảnh 3D Với kích thước khả nhỏ so với băng thông, phần lớn giới hạn khoảng 100 - 200Kb nên file VRML truyền cách dễ dàng Nếu HTML định dạng văn VRML định dạng đối tượng 3D Hiện VRML có lợi đơn giản, hỗ trợ dịch vụ web3D 2.1.3 Lịch sử đời phát triển VRML VRML trở thành ngôn ngữ chuẩn cho việc mô tương tác giới 3D tren Web Với mục đích xây dựng định dạng chuẩn cho phép mô tả giới thực máy tính mà cho phép chạy mơi trường web, VRML trở thành chuẩn ISO từ năm 1997 VRML đời vào mùa xuân năm 1994 hội nghị WWW tổ chức Gieneva, Thụy Sĩ Tim Berners-Lee Dave Raggett tổ chức phiên họp có tên Birds of a Feather (BOF) để mô tả giao diện thực tế ảo WWW Nhiều thành viên tham dự phiên họp BOF mô tả nhiều dự án thực việc xây dựng cơng cụ hiển thị đồ họa 3D cho phép có nhiều thao tác hữu ích Web Những thành viên trí đồng ý cần thiết cho cơng cụ có ngơn ngữ chung, phổ biến cho đạnh dạng, xác định việc mô tả giới 3D siêu liên kết WWW Vì cụm từ “the Virtual Reality Markup Language” đời, từ Markup sau đổi thành Modelling để phản ánh chất tự nhiên VRML Sau phiên họp BOF thời gian ngắn tổ chức www-vrml mailing list thành lập để tập trung vào xây dựng phiên VRML đầu tien Sự hưởng ứng lời mời tổ chức kéo dài đến tuần có nghìn khách mời tham dự Tại buổi họp chủ tịch Mark Pesce thông báo ý kiến đưa phiên phác thảo xây dựng VRML có sẵn hội nghị mùa xuân năm 1994 tổ chức cách tháng Bản phác thảo Mark Pesce có đồng ý chung Vũ Đức Phong - Lớp CT901 17 Vào tháng 3/ 1995 có thảo luận www-vrml mailing list liên quan đến việc tạo tương tác người sử dụng với hoạt cảnh tất người đến thống ý kiến thứ đưa thực cần thiết cho VRML Công ty Silicon Graphics cộng tác với hãng Sony Research Mitra để đưa phiên cho VRML Bản đệ trình Silicon Graphics có tên Moving Worlds đến tổ chức Request for Proposals cho việc xây dựng phiên VRML, đệ trình minh chứng cho cộng tác thành công tất thành viên Silicon Graphics, Sony Mitra Năm 1996 New Orleans, phiên VRML 2.0 đưa Vào tháng 7/1996 tổ chức tiều chuẩn quốc tế (ISO) thông ý kiến phiên năm 1996 VRML 2.0 đề xuất mà đưa xem xet vào thang 4/1997 Sau bỏ phiếu chuẩn ISO VRML97 đưa chuẩn ISO vào năm 1997 2.1.4 Đặc điểm VRML Tiếu chuẩn cho việc xác định đối tượng 3D, quang cảnh cho liên kết mô hình với là:  Khơng phụ thuộc phần cứng: chạy máy tính nhà sản xuất khác chế tạo  Có thể mở rộng: chấp nhận lệnh người sử dụng thêm vào quy định  Thao tác giới ảo thơng qua mơi trường Internet có băng thơng thấp Cùng với VRML xem thơng tin mơ hình 3D Internet VRML thiết kế dành riêng cho việc hiển thị giới 3D mở rộng HTML HTML có khả hiển thị đối tượng tĩnh động, đối tượng multimedia với siêu liên kết khác đến media khác văn bản, âm thanh, phim hình ảnh Vũ Đức Phong - Lớp CT901 18 2.2 Các vấn đề VRML 2.2.1 Các thành phần VRML Gồm trình duyệt (Browses) soạn thảo dành riêng cho ngơn ngữ VRML Các file đọc hệ thống có trình duyệt VRML Trình duyệt VRML giống trình duyệt Internet( Internet Explorer hay Fire Fox) tích hợp trình duyệt Bộ soạn thảo VRML cho phép người dùng gõ mã VRML Hiện có nhiều soạn thảo VRML Pad thơng dụng cho xem trực tiếp kết mà khơng cần qua trình duyệt Internet 2.2.2 Công cụ hiển thị VRML Để hiển thị file VRML ta sử dụng chương trình Cortona VRML Client hãng Parallrl Graphics Chương trình giúp bạn thuận tiện xem cắc mơ hình ảo máy tính cách trực quan sinh động Yêu cầu trước 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 - RAM tối thiểu 64 MB - Độ phân giải hình tối thiểu 1024x768 - Card đồ họa hỗ trợ 3D cài đặt DirectX Cortona VRML Client tương thích với hầu hết trình duyệt Internet Explorer, Netscape Browser, Mozilla, Mozilla Firefox cơng cụ văn phịng Word, PowerPoint Vũ Đức Phong - Lớp CT901 19