Nghiên cứu kỹ thuật mô phỏng hệ hô hấp bằng công nghệ thực tại ảo

Đối với Việt Nam, công nghệ thực tại ảo đã có những ứng dụng tích cực, nhiều bài toán mô phỏng đã được triển khai và ứng dụng như việc tái tạo các khu di tích, đền thờ, các danh lam thắn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THỊ QUYÊN

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MÔ PHỎNG HỆ HÔ HẤP

BẰNG CÔNG NGHỆ THỰC TẠI ẢO

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội - Năm 2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THỊ QUYÊN

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MÔ PHỎNG HỆ HÔ HẤP

BẰNG CÔNG NGHỆ THỰC TẠI ẢO

Ngành: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Hệ thống thông tin

Mã số: 60 48 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐỖ NĂNG TOÀN

Hà Nội - Năm 2013

MỤC LỤC

Mục lục 3

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 5

Danh mục hình vẽ 6

MỞ ĐẦU 8

Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ BÀI TOÁN MÔ PHỎNG HỆ HÔ HẤP 10

1.1 Khái quát về thực tại ảo 10

1.1.1 Thực tại ảo là gì? 10

1.1.2 Đặc điểm củ a một hệ thống thực tại ảo 11

1.1.3 Một số loại hệ thống thực tại ảo 12

1.1.4 Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo 13

1.1.5 Một số ứng dụng chính của VR 15

1.2 Bài toán mô phỏng hệ hô hấp 22

1.2.1 Cấu tạo của hệ hô hấp 22

1.2.2 Mô phỏng cấu tạo của hệ hô hấp 23

1.2.2.1 Hệ thống dẫn khí 23

1.2.2.2 Hệ thống trao đổi khí 26

Chương 2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG MÔ PHỎNG CẤU TRÚC 3D 29

2.1 Công cụ xây dựng mô hình hóa 3D 29

2.2 Các kỹ thuật dựng hình chính 31

2.3 Các kỹ thuật tạo đối tượng 32

2.3.1 Các loại mô hình tạo đối tượng 32

2.3.1.1 Mô hình đa giác (Polygon) 32

2.3.1.2 Mô hình dựa trên kết nối đường cong (NUBRS) 37

2.3.1.3 Chia nhỏ bề mặt (Subdivision Surface) 41

2.3.2 Hai hướng tạo mô hình 43

2.3.2.1 Tạo mô hình theo hướng liên tục 43

2.3.2.2 Tạo mô hình theo hướng rời rạc 44

2.3.2.3 Kết hợp hai hướng trên 48

2.3.3 Nghệ thuật tạo mô hình 48

2.4 Kỹ thuật tạo kết xuất 49

2.4.1 Thiết lập vật liệu và texture 49

2.4.2 Ảnh Texture 50

2.4.3 Kết xuất 51

Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 52

3.1 Bài toán 52

3.2 Chương trình thử nghiệm 57

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

STT Ký hiệu/

Chữ viết tắt Viết đầy đủ Ý nghĩa

cong

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang Hình 1.1 Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 3D 10

Hình 1.2 Thiết bị mô phỏng HMD-1960 12

Hình 1.3 Đền Ngọc Sơn được tái hiện bằng công nghệ VR 16

Hình 1.4 Mô phỏng trong thiết kế kiến trúc Flamingo Đại Lải Resort 16

Hình 1.5 Hệ thống tập lái xe ảo 3D 17

Hình 1.6 Hệ thống mô phỏng phẫu thuật ảo 18

Hình 1.7 Hệ thống mô phỏng các binh sĩ đang tập bắn súng 19

Hình 1.8 Ứng dụng công nghệ VR trong Du lịch 20

Hình 1.9 Phòng trượt tuyết ảo tại Nhật Bản 21

Hình 1.10 Các logo phim dùng 3D ảo 21

Hình 1.11 Hệ thống trong lĩnh vực giải trí 22

Hình 1.12 Các phần của hệ hô hấp 23

Hình 1.13 Các sụn thanh quản 25

Hình 1.14 Khí quản 26

Hình 1.15 Cấu tạo phổi ở người 27

Hình 2.1 Từ trái sang phải là các thao tác dịch chuyển, xoay, co giãn, ứng với mỗi trục toạ độ là một màu 30

Hình 2.2 Các khung nhìn khác nhau 31

Hình 2.3.1 Khung dựng của một quả bóng, được tạo ra sau bước tạo mô hình 32

Hình 2.3.2 Quả bóng sau khi đã qua bước thể hiện 32

Hình 2.4 Điểm, cạnh, mặt 33

Hình 2.5 Các đối tượng nguyên thuỷ của polygon 34

Hình 2.6 Các kiểu làm trơn cho Polygon 35

Hình 2.7.1-2.7.2 Minh họa tiến trình dựng một chiếc búa bằng mô hình Polygon 35

Hình 2.8 Mặt phẳng Nurbs và Polygons 36

Hình 2.9 So sánh số điểm điều khiển giữa mô hình polygon và Nurbs 37

Hình 2.10 Các thành phần chính của một đường cong Nurbs 38

Hình 2.11 Bề mặt Nurbs 39

Hình 2.12 Minh họa tiến trình dựng một chiếc cốc đơn giản bằng Nurbs 40 Hình 2.13 Các đối tượng nguyên thủy của Nubrs 41

Hình 2.14 Minh hoạ một quá trình tạo một bàn tay bằng subdivision surface 42

Hình 2.15.1-2.15.4 Minh họa cách tạo bàn tay theo hướng liên tục 44

Hình 2.16.1-2.16.7 Minh họa mô hình người theo hướng rời rạc 45-47 Hình 2.17 Tạo khuôn mặt 47

Hình 2.18 Tạo các ngón tay 47

Hình 2.19 Tạo bàn tay 48

Hình 2.20 Tạo không gian 49

Hình 2.21 Texture 2D 51

Hình 2.22 Texture 3D 51

Hình 3.1 Lưu đồ bài toán 53

Hình 3.2 Mô hình Màng phổi phải biểu diễn dưới dạng lưới các đa giác 55 Hình 3.3 Mô hình lá phổi 55

Hình 3.4 Hệ hô hấp 3D biểu diễn dưới dạng lưới 56

Hình 3.5 Ảnh bề mặt cho đối tượng 57

Hình 3.6 Hình ảnh mặt trước của lá phổi 58

Hình 3.7 Hình ảnh mặt sau lá phổi 58

Hình 3.8: Hình ảnh mặt trong lá phổi 59

Hình 3.9 Hình ảnh mặt trong lá phổi phải và mặt ngoài lá phổi trái 59

Hình 3.10 Hình ảnh lá phổi ở một góc quan sát 60

Hình 3.11 Hình ảnh lá phổi khi đang thực hiện thao tác xoay 60

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin đã được ứng dụng mạnh

mẽ đã đem lại những thành tựu đáng kể cho nhiều lĩnh vực như y tế, giáo dục, kiến trúc, du lịch, giải trí, … Sự phát triển của công nghệ thông tin đã làm cho một số lĩnh vực trước đây khó phát triển, nay đã có khả năng phát triển và đã đạt được những thành tựu đáng kể, như các hệ chuyên gia, các hệ xử lý thời gian thực v.v và một lĩnh vực đang được phát triển mạnh trên thế giới, đó là công nghệ thực tại ảo

Công nghệ thực tại ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện khoảng thập kỷ 90, nhưng thực sự phát triển mạnh trong vòng những năm trở lại đây Trên thế giới, công nghệ thực tại ảo đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực như giáo dục, quân sự, y học và đặc biệt là lĩnh vực giải trí như game, đồ họa , Đối với Việt Nam, công nghệ thực tại ảo đã có những ứng dụng tích cực, nhiều bài toán mô phỏng đã được triển khai và ứng dụng như việc tái tạo các khu di tích, đền thờ, các danh lam thắng cảnh, các tình huống giao đông, các kịch bản quân sự Khi chúng ta muốn hiểu toàn bộ công nghệ thì phải nắm được phương pháp thể hiện hay mô phỏng đối tượng trong môi trường thực tại ảo

Bên cạnh sự phát triển của công nghệ thực tại ảo trên thế giới, việc xây dựng các phần mềm y khoa đã và đang được cổ vũ và phát triển mạnh mẽ trong điều kiện thực tế ở Việt Nam Hiện nay, ở nước ta giáo dục trong y học vẫn còn tình trạng giảng chay, thiếu điều kiện thực hành quan sát Nhất là trong thực hành, không phải lúc nào cũng có điều kiện thực hành để nâng cao trình độ, kỹ năng và kinh nghiệm, đặc biệt là ngoại khoa Hiện nay, các sinh viên ngành y dược đang phải thực hành nhiều trên động vật, mô hình bằng nhựa và những xác người chết đã qua xử lý, một số bộ phận không còn chính xác Và cũng không

có nhiều xác để cho sinh viên học tập nên sinh viên khó hình dung chính xác được một số bộ phận trên cơ thể người Chính vì vậy, việc áp dụng công nghệ thực tại ảo trong việc mô phỏng các bộ phận cơ thể người, các quá trình giải phẫu, các bệnh là một nhu cầu rất cần thiết Với những phần mềm này nó không chỉ hỗ trợ cho giảng viên, sinh viên có điều kiện quan sát kỹ hơn, có thể xem xét từng thành phần bộ phận, có thể quan sát ở nhiều góc độ khác nhau với một mẫu vật, mà đáng lẽ trước đây chỉ có thể quan sát thông qua những ảnh 2D được chụp ở nhiều góc độ khác nhau Ngoài ra, các mô hình ảo này sẽ giúp bác sỹ rèn luyện các kỹ năng lâm sàng, phục vụ số đông sinh viên, tiết kiệm được chi phí

và giúp sinh viên tiếp thu kiến thức một cách dễ hiểu và trực quan hơn các kỹ thuật thực hành trong nghành y tế

Xuất phát từ những vấn đề nêu trên tôi đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật mô phỏng hệ hô hấp bằng công nghệ thực tại ảo” nhằm nghiên cứu một

số kỹ thuật mô phỏng hệ hô hấp, phục vụ trong việc giảng dạy và học tập của sinh viên nghành y khoa

Luâ ̣n văn gồm phần mở đầu, phần kết luận và 3 chương nội dung

Chương 1: Khái quát về thực tại ảo và bài toán mô phỏng hệ hô hấp

Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu một cách khái quát về thực tại ảo, phân loại các hệ thống, các thành phần và ứng dụng của hệ thống thực tại ảo, tìm hiểu về cấu tạo của hệ hô hấp nói chung và hệ hô hấp phổi nói riêng

Chương 2: Một số vấn đề trong mô phỏng cấu trúc 3D

Chương này nghiên cứu một số kỹ thuật xây dựng mô hình 3D trên cơ sở 2 phần mềm tạo mô hình 3 chiều thông dụng hiện nay là Maya và 3DS Max, đó là

kỹ thuật tạo mô hình (modelling), kỹ thuật kết xuất (rendering) Trong đó, luận

văn tập trung tìm hiểu các kĩ thuật tạo đối tượng và kết xuất

Chương 3: Chương trình thử nghiệm

Từ cơ sở trình bày lý thuyết ở chương 2 em ứng dụng vào để xây dựng mô phỏng hệ hô hấp bao gồm có bài toán và chương trình thử nghiệm

Do thời gian và khả năng có hạn, hơn nữa đây là lần đầu tiên nghiên cứu về lĩnh vực thực tại ảo nên luận văn cũng như chương trình thử nghiệm không thể tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy

cô giáo và bạn bè để tôi có thể phát triển thêm hướng nghiên cứu mới, đó là tìm hiểu về các kỹ thuật tạo đối tượng có xương để xây dựng hình ảnh mô phỏng các các bộ phận khác trên cơ thể người đáp ứng cho việc giảng dạy môn “Giải phẫu”

ở trường ĐHSP Hà Nội 2

Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO

VÀ BÀI TOÁN MÔ PHỎNG HỆ HÔ HẤP

1.1 Khái quát về thực tại ảo

1.1.1 Thực tại ảo là gì?

Thực tế ảo hay còn gọi là thực tại ảo (VR - Virtual Reality) là một thuật ngữ

mới xuất hiện khoảng đầu thập kỷ 90 nhưng thực sự phát triển mạnh trong vòng

vài năm trở lại đây Ở Mỹ và châu Âu, VR đã và đang trở thành một công nghệ

mũi nhọn nhờ tiềm năng kinh tế và khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh

vực: nghiên cứu và công nghiệp, giáo dục và đào tạo, du lịch, dịch vụ bất động

sản, thương mại và giải trí, … Thuật ngữ "virtual reality" - thực tại ảo - được

đưa ra bởi Jaron Lanier, người sáng lập công ty VPL Research, tại Redwood -

California, một trong những công ty đầu tiên cung cấp các sản phẩm cho môi

trường ảo Hiện nay, có khá nhiều định nghĩa về thực tại ảo, tuy nhiên định

nghĩa sau đây của C Burdea và P Coiffet là tương đối chính xác và được chấp

nhận rộng rãi:

VR- Thực tế ảo là một hệ thống giao diện cấp cao giữa người sử dụng và máy

tính Hệ thống này mô phỏng các sự vật và hiện tượng theo thời gian thực và có

tương tác với người sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác Đó là ngũ giác

gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác, vị giác [6]

Hình 1.1 Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 3D

Hay nói một cách cụ thể VR là công nghệ sử dụng các kỹ thuật mô hình hoá

không gian ba chiều với sự hỗ trợ của các thiết bị đa phương tiện hiện đại để xây

dựng một thế giới mô phỏng bằng máy tính - Môi trường ảo (Virtual

Environment) để đưa người ta vào một thế giới nhân tạo với không gian như

thật Trong thế giới ảo này, người sử dụng không còn được xem như người quan sát bên ngoài, mà đã thực sự trở thành một phần của hệ thống Thế giới “nhân tạo” này không tĩnh tại mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn của người sử dụng nhờ những cử chỉ, hành động, Tức là người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ

Một cách lý tưởng, người sử dụng có thể tự do chuyển động trong không gian ba chiều, tương tác với các vật thể ảo, quan sát và khảo cứu thế giới ảo ở những góc độ khác nhau về mặt không gian Ngược lại, môi trường ảo lại có những phản ứng tương ứng với mỗi hành động của người sử dụng, tác động vào các giác quan như thị giác, thính giác, xúc giác của người sử dụng trong thời gian thực và tuân theo những quy tắc vật lý rất tự nhiên, làm người sử dụng có cảm giác như đang tồn tại trong một thế giới thực [7]

1.1.2 Đặc điểm củ a một hệ thống thực tại ảo

Chỉ bằng một hệ thống mô phỏng có sử dụng đồ họa máy tính, công nghệ

VR có thể đưa người ta vào một thế giới nhân tạo với không gian 3 chiều “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, … Người

sử dụng tương tác với mô hình ảo, trong đó tương tác được mô phỏng từ thao tác với các đối tượng thực Điều này xác định một đặc tính chính của VR, đó là

tương tác thời gian thực (real-time interactivity) 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 Điều này

chúng ta có thể nhận thấy ngay khi quan sát trẻ nhỏ chơi video game

Tương tác và khả năng thu hút của VR góp phần lớn vào cảm giác đắm chìm (immersion), cảm giác trở thành một phần của hành động trên màn hình

mà người sử dụng đang trải nghiệm Nhưng VR còn đẩy cảm giác này "thật" hơn nữa nhờ tác động lên tất cả các kênh cảm giác của con người 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 như trong game, mà còn sờ 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

Như đã trình bày ở trên, hai đặc tính chính của VR là “tương tác” và “đắm chìm”, đây là hai "I" (Interactive, Immersion) mà nhiều người đã biết Tuy nhiên

VR cần có một đặc tính thứ ba mà ít người để ý tới VR không chỉ là một hệ thống tương tác người - máy tính mà các ứng dụng của nó còn liên quan tới việc giải quyết các vấn đề thật trong kỹ thuật, y học, quân sự, Các ứng dụng này

do các nhà phát triển VR thiết kế, điều này phụ thuộc rất nhiều vào khả năng tưởng tượng của con người, đó chính là đặc tính "I" (Imagination) thứ ba của

VR Do đó có thể coi VR là tổng hợp của ba yếu tố: Tương tác - Đắm chìm - Tưởng tượng (Interactive - Immersion - Imagination)

1.1.3 Một số loại hệ thống thực tại ảo

Hệ thống Window on a World còn gọi là Desktop VR, là các chương trình thực tại ảo chạy trên các máy tính cá nhân Các hệ thống này ra đời từ rất sớm, tuy nhiên chúng chỉ là các ứng dụng đồ họa máy tính nhỏ luôn gặp phải khó khăn là làm thế nào để hình ảnh, âm thanh và các đối tượng hoạt động như trong thực tế

Hình 1.2 Thiết bị mô phỏng HMD-1960

Hệ thống kết hợp các hình ảnh video với các hình ảnh đồ hoạ 2D làm cho chúng ta có cảm giác người được quay video đang tương tác với các đối tượng Phương pháp này được áp dụng từ cuối những năm 1960 và được mô tả chi tiết trong 2 cuốn sách "Artificial Reality" và "Artificial Reality II" của Myron Kruger Nó đã được áp dụng vào hệ thống thương mại Mandala của kênh truyền hình cáp Nickelodeon cho chương trình giải trí mà trong đó những người dự thi xuất hiện với những hình ảnh rất lớn và ngộ nghĩnh

Hệ thống immersive là các hệ thống mà người sử dụng dùng thiết bị đặc biệt như màn hình gắn trên đầu (head-mounted display HMD), kính đặc biệt, các

bộ cảm ứng và đắm chìm vào bên trong thế giới ảo do các thiết bị này tạo ra Hệ thống quan sát từ xa (telepresence systems) kết nối các bộ cảm biến từ xa đặt trong thế giới thực với các giác quan của người vận hành Ví dụ, chúng ta gắn các bộ cảm biến vào các cơ quan trên cơ thể và đeo một chiếc kính thực tại ảo

Chiếc kính này nhận các tín hiệu quan sát được từ vị trí của một robot ở một khoảng cách xa và chúng ta sẽ thấy những gì mà robot thấy để rồi có các phản ứng như chính ta đang nhìn thấy các hình ảnh đó Các phản ứng này, theo các bộ cảm biến được nối với máy tính sẽ chuyển đến các bộ phận tương ứng của robot, kết quả là robot sẽ bắt chước các hoạt động của chúng ta Điều này thực sự ý nghĩa nếu robot được đặt trên một hành tinh xa xôi hay trong lòng núi lửa

1.1.4 Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo

Hệ thống thực tại ảo bao gồm ba thành phần chính sau: Phần cứng (Hardware), bộ giả lập thực tại (reality simulator), phần mềm (Software)

 Phần cứng

Phần cứng của một VR bao gồm:

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

Các thiết bị đầu vào (Input devices): là các thiết bị có khả năng kích thích

các giác quan để tạo nên cảm giác về sự hiện hữu trong thế giới ảo Chẳng hạn như 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 chỉ (Gesture interfaces) như găng tay dữ liệu, chuột, bàn phím,…

Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm thiết bị hiển thị đồ họa (như kính

mắt Shutter Glasses, màn hình rộng, thiết bị 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,

 Bộ giả lập thực tại (reality simulator)

Là trái tim của hệ thống thực tại ảo, bao gồm hệ thống máy tính và phần cứng ngoại vi, thiết bị đồ họa và multimedia; cung cấp cho bộ tác động những thông tin giác quan cần thiết Trong hệ thống mô phỏng cabin lái, thì mô hình cabin là thành phần này

 Phần mềm (Software)

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

Các đối tượng của VR được mô hình hóa (modelling) tức là tạo dựng mô hình nhờ chính phần mềm này hay mô hình hóa từ mô hình 2D thành mô hình 3D nhờ công cụ đặc biệt từ các phần mềm như Maya, 3D Max

Mô phỏng (simulation) là quá trình “bắt chước” hay mô tả các sự vật hiện tượng, cảnh vật có thực trong thiên nhiên hoặc trong trí tưởng tượng của con người

Cho đến nay, nhìn chung có 2 xu hướng để thực hiện mô phỏng mô hình 3D:

- Phương pháp thứ nhất: Thể hiện các mô hình 3D nhờ các ngôn ngữ lập trình Ví dụ như: C, C++, Java 3D, Open GL, Open Scene Graph, VRML, X3D, People Shop, … Cách này không đòi hỏi cấu hình mạnh của phấn cứng , hơn nữa nó có thể thực hiện các dạng mô phỏng phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao Tuy nhiên nó không được nhiều người sử dụng vì nó không phải là công việc đơn giản, nó đòi hỏi độ lập trình cao, các thuật toán phức tạp, mất nhiều thời gian Do vậy ít được ưa thích nhưng đôi khi nó lại là lựa chọn duy nhất cho những ai muốn mô phỏng chính xác các đối tượng đúng với bản chất của nó Nó chỉ phù hợp với những mô phỏng có quy mô nhỏ, phù hợp với việc học tập

- Phương pháp thứ hai: Sử dụng các công cụ mô phỏng đã được xây dựng sẵn Cách này không đòi hỏi trình độ lập trình cao, không tốn nhiều thời gian thực hiện, nó phù hợp với các mô phỏng có tính chất mô hình không yêu cầu độ chính xác cao Một nhược điểm là nó yêu cầu cấu hình hệ thống mạnh để cài đặt

và chạy chương trình, nhất là khi kết xuất (Rendering) Một số bộ công cụ mô phỏng thông dụng như là: 3DS Max, Maya, Autocad, Flash, … Đang rất phổ biến, rất được ưa chuộng trong các công việc làm Game 3D, Web 3D, Phim 3D Tóm lại, một hệ mô phỏng được thiết kế tốt, kết hợp với các thiết bị trình chiếu hiện đại và các thiết bị tương tác ngoại vi sẽ giúp con người tiếp cận được với thế giới ảo đó như đang ở trong thế giới thực Việc tạo ra các mô hình đối tượng có độ chân thực và sức hấp dẫn hoàn toàn phụ thuộc vào cách ta lựa chọn phương pháp để thể hiện chúng Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, vì thế tùy vào mức độ quan trọng của đối tượng trọng hệ mà ta có thể chọn phương pháp phù hợp để xây dựng

 Không gian trong thế giới ảo (World Space)

Bản thân thế giới ảo cũng cần được định rõ trong một không gian gọi là

„world space‟ Do bản chất tự nhiên của thế giới ảo là một mô phỏng máy tính, nên thế giới ảo có hạn chế nhất định Vị trí của mỗi điểm của mỗi đối tượng trong

thế giới đó đều phải được gán cho một giá trị số (toạ độ) Các toạ độ này thường được mô tả trong hệ toạ độ Đê-các-tơ với các thứ nguyên X, Y và Z (biểu diễn độ dài, độ cao, độ sâu) Cũng có thể sử dụng các hệ toạ độ khác như hệ toạ độ cầu, nhưng hệ toạ độ Đê-các-tơ vẫn là chuẩn cho hầu hết các ứng dụng

 Cơ sở dữ liệu cho thế giới ảo (World Database)

Lưu trữ thông tin về các đối tượng và thế giới ảo là một phần quan trọng trong việc thiết kế hệ thống thực tại ảo VR Những thông tin chính được lưu trữ trong World Database (hoặc World Description Files) là các đối tượng ở trong thế giới đó, các kịch bản (scripts) mô tả các hành động của các đối tượng hoặc người sử dụng (những kịch bản, phản ứng xảy ra đối với người sử dụng), ánh sáng, các điều khiển chương trình, và hỗ trợ thiết bị phần cứng Có nhiều cách lưu trữ thông tin về thế giới ảo: một file đơn, một tập các file, hoặc là cả một cơ

sở dữ liệu Phương pháp sử dụng nhiều file là một trong những hướng tiếp cận thường gặp nhất trong những package phát triển về thực tại ảo Mỗi một đối tượng có một hoặc nhiều file: file lưu trữ về hình dạng hình học, file lưu trữ scripts, v.v và có một số file toàn cục sử dụng chung cho thế giới ảo đó có tác dụng load các file khác Một số hệ thống còn bao gồm cả một file cấu hình định nghĩa về các kết nối giao diện phần cứng Đôi khi toàn bộ cơ sở dữ liệu được load trong khi chương trình khởi động, các hệ thống khác chỉ việc đọc các file

mà hệ thống cần tại thời điểm đó Với cách tiếp cận về sau, các thông tin được lưu trữ trong một cơ sở dữ liệu, một hệ thống cơ sở dữ liệu thực sẽ giúp ích rất nhiều Một cơ sở dữ liệu hướng đối tượng (Object Oriented Database) sẽ thích hợp nhất cho một hệ thống thực tại ảo, nhưng chưa thấy có một dự án nào sử dụng cách tiếp cận này Các file dữ liệu đa phần thường được lưu trữ dưới dạng các file văn bản sử dụng mã ASCII (con người có thể đọc được) Tuy nhiên, trong nhiều hệ thống, các file này được thay thế bởi các file lưu trữ dưới dạng

mã nhị phân (máy tính có thể đọc được) Một số hệ thống dịch trực tiếp các thông tin về thế giới ảo đó vào ứng dụng

khuynh hướng phát triển nhanh và mạnh chúng ta phải kể đến, đó là xây dựng

và thiết kế kiến trúc, giáo dục và đào tạo, y học, quân sự và quốc phòng, thương mại và du lịch, giải trí, …

Hình 1.3 Đền Ngọc Sơn được tái hiện bằng công nghệ VR

 Xây dựng và thiết kế kiến trúc

Một trong những lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu nhất của VR mà chúng ta phải kể đến đó là xây dựng và thiết kế kiến trúc Khả năng mô hình hoá thế giới thực của công nghệ VR dường như đáp ứng một cách tự nhiên mục tiêu của ngành thiết kế kiến trúc, đưa ra mô hình trực quan nhất có thể về những công trình cần thiết kế Người ta cũng có thể thiết kế các tòa nhà, các cao ốc, các khu thể thao hay các khu du lịch sinh thái, hay trang bị cho bạn một hệ thống tiện nghi, mời bạn đi thăm thú các nơi trong tòa nhà tương lai của mình, hay tính toán chi tiết một công trình xây dựng Sau đây là một ví dụ về công trình thiết kế khu du lịch Flamingo Đại Lải Resort do công ty cổ phần kiến trúc và xây dựng E5 thiết kế trong tương lai

Hình 1.4 Mô phỏng trong thiết kế kiến trúc Flamingo Đại Lải Resort

Việc xây dựng các mô hình không gian kiến trúc bằng hình ảnh lập thể với đầy đủ mô tả trực quan về các hình khối kiến trúc, cách bố trí nội thất bên trong, thậm chí hoa văn hay màu sắc của từng vật, cùng với khả năng cho phép khách hàng tự do thăm quan, khảo sát khuôn viên của họ trong tương lai theo nhiều góc độ và vị trí khác nhau thực sự đem lại hiệu quả trực quan mang tính cách mạng trong lĩnh vực mang nhiều đặc điểm nghệ thuật này

 Giáo dục và đào tạo

Trong giáo dục, việc ứng dụng công nghệ thực tại ảo trong việc mô phỏng

về cấu trúc giải phẫu hay các thí nghiệm ảo có khả năng tương tác không những kích thích sự hứng thú trong học tập mà còn giúp cho học sinh, sinh viên dễ hình dung và nắm bắt nhanh hơn các vấn đề mà lý thuyết đưa ra

Trong lĩnh vực này, ứng dụng của thực tại ảo lại trở nên vô cùng hữu hiệu đối với việc đòi hỏi chi phí tốn kém và nguy hiểm khi thực hành như: huấn luyện tập nhảy dù, tập lái máy bay, lái tàu, lái xe, … Xây dựng các phần mềm

mô phỏng như phần mềm tập lái ô tô 3D, tạo cho người học có được những cảm giác như khi đang lái xe thật, xử lý các tình huống thông thường, qua đó sẽ học hỏi được các kinh nghiệm, tránh được các rủi ro không mong muốn khi đi xe thật

Hình 1.5 Hệ thống tập lái xe ảo 3D

 Y học

Ngày nay, công nghệ hình ảnh mô phỏng 3D đang thu hút sự chú ý của nhiều người và lĩnh vực y học cũng không phải là một ngoại lệ Y học là một trong những lĩnh vực ứng dụng truyền thống và đầy tiềm năng của công nghệ

VR Trên thế giới, ứng dụng của VR vào y học khá là phong phú như mô phỏng bệnh nhân ảo, khám chữa bệnh từ xa, xong nổi bật và thiết thực nhất là việc áp dụng công nghệ VR trong giả lập giải phẫu (Surgical Simulation)

Trên cơ sở các kỹ thuật đồ họa máy tính và thực tại ảo, hệ thống đào tạo y học này bao gồm hai bộ phận cơ bản: Khối tương tác ba chiều là mô hình sinh thể ảo cho phép người sử dụng thực hiện các thao tác giải phẫu thông qua các dụng cụ giải phẫu ảo Khối giao diện người dùng hai chiều cung cấp những thông tin phản hồi trực quan từ mô hình trong quá trình giải phẫu cũng như những thông tin hướng dẫn trong phiên đào tạo

Hình 1.6 Hệ thống mô phỏng phẫu thuật ảo Phương pháp đào tạo có tính tương tác cao này mang nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống như thực hành trên mô hình plastic hay trên bệnh nhân thực

Thứ nhất, khác với phương pháp dùng mô hình plastic, sinh thể giải phẫu

ảo có khả năng cung cấp những thông tin phản hồi sinh học một cách tự nhiên như một sinh thể sống thực, chẳng hạn như sự thay đổi về nhịp tim, huyết áp,… Điều này tạo cho học viên có cảm giác đang trải qua một ca mổ trong một tình huống thực

Thứ hai, khác với thực hành trên bệnh nhân thật, rõ ràng sai lầm của học

viên trong quá trình thực tập không phải trả giá bằng những thương tổn thực trên

cơ thể người bệnh Điều này cũng làm giảm áp lực lên học viên khi thực hiện phẫu thuật ảo Từ đó, giúp họ tự tin và chủ động hơn trong học tập

Phương pháp không chỉ cho phép các học viên y khoa thực hành các ca phẫu thuật trong tình huống thực, đem lại cho họ những kinh nghiệm cần thiết trước khi thực hiện ca phẫu thuật trên cơ thể con người, đây còn là cơ hội để cho phép các bác sĩ có thể thử nghiệm phẫu thuật trên những bệnh nhân mô phỏng

mà không còn cảm giác lo sợ về hậu quả rủi ro xảy ra Có như vậy, các bác sĩ vừa nâng cao trình độ tay nghề, kỹ năng đặt ra những giả định về tình huống bệnh nhân, cập nhật những dữ liệu bệnh lý mới để thực hiện kỹ thuật mới trong điều trị, vừa giảm nguy hiểm cho người bệnh Bác sĩ cũng có thể tự lập kế hoạch

mổ thử trên bệnh nhân ảo trước khi mổ trên bệnh nhân thật do đó làm tăng mức

độ an toàn và hiệu quả điều trị, giảm thiểu sai lầm rủi ro đáng tiếc xảy ra

 Trong quân sự, quốc phòng

Với việc phát triển của VR, các binh sĩ sẽ được huấn luyện một cách trực quan nhất các kĩ năng cần thiết như: lái máy bay, lái xe tăng… trước khi tham gia công việc thực tế Điều này vừa bảo đảm an toàn cho binh sĩ, vừa tiết kiệm

được chi phí cho các huấn luyện thực tế Quân đội Mỹ đã phát triển một game đặc biệt nhằm huấn luyện binh sĩ chống lại khủng bố dưới dạng chiến thuật thực tại ảo Đây sẽ là một game rất sống động, có tính hành động cao với môi

trường và bối cảnh bám sát với thực tế Những người lính sẽ phải vận dụng tất

cả những kỹ năng đã được rèn giũa trong quân đội

Hình 1.7 Hệ thống mô phỏng các binh sĩ đang tập bắn súng

 Thương mại - du lịch

Trong thương mại đặc biệt là trong nghành quảng cáo công nghệ VR đang

có một vị trí quan trọng Nó giúp khách hàng tiếp cận gần hơn tới hàng hóa để

có thể đánh giá chất lượng mà không cần có hàng trực tiếp, … Chẳng hạn khi tiến hành mua ô tô qua mạng, người mua rất cần thấy được hình ảnh trực quan

của chiếc ô tô cần mua, quan sát từ nhiều góc độ, thậm chí có thể thử độ rung xóc, các hiệu ứng khi vận hành xe

Trong du lịch các công ty du lịch có thể cho khách xem trước khách sạn, nhà hàng và ngắm nhìn một phần quang cảnh địa phương nơi khách sắp đến du lịch … Tiêu biểu là Công ty Giải pháp CNTT & Truyền thông DAGINET là Công ty tại việt nam cung cấp ra thị trường Việt Nam Giải pháp VR - Virtual Reality 360 trên trang web http://www.vr360.vn

Hình 1.8 Ứng dụng công nghệ VR trong Du lịch

 Giải trí

Thị trường giải trí cũng là một ứng dụng tiêu biểu khác của các môi trường thực tại ảo Trên thực tế, đây là nghành đạt được nhiều thành tựu và lợi nhuận về tài chính

Tại Nhật Bản, người ta đã xây dựng những "phòng trượt tuyết ảo" Tới đó,

người chơi không chỉ được trượt tuyết thỏa thích mà còn tha hồ lựa chọn những bãi tuyết đẹp trên thế giới Còn ở Việt Nam, cũng không ít những công trình được đưa vào phục vụ cho ngành giải trí Đầu tiên phải nhắc đến là công viên văn hóa Đầm Sen, TP.Hồ Chí Minh - nơi đầu tiên đưa công nghệ thực tại ảo vào khai thác cho nhu cầu giải trí - đã thu hút lượng lớn khách vào tham quan

Không chỉ có trẻ em mà ngay cả người lớn cũng thích nhìn thế giới của loài khủng long xưa trong thế giới ảo mà như thực

Hình 1.9 Phòng trượt tuyết ảo tại Nhật Bản Trong giải trí có thể chia làm hai lĩnh vực chính đó là điện ảnh và game Trong điện ảnh ngày nay với sự phát triển của kỹ thuật và công nghệ mô phỏng người ta đã có thể xây dựng các bộ phim 3D Hiệu ứng kỹ xảo đặc biệt tạo nên những hình ảnh sống động có chiều sâu chưa từng có của 3D đang tạo lên cơn sốt trên toàn thế giới Khi xem các phim này các bạn sẽ có cảm giác như thể bạn

là một nhân vật của bộ phim chứ không phải bạn đang xem phim

Trong lĩnh vực Game có rất nhiều công ty đang sản xuất ra các trò chơi có

sử dụng công nghệ VR Các trò chơi sẽ cho bạn có cảm giác như đang thực sự tham gia vào một vai diễn mà bạn đảm nhiệm trong trò chơi Số lượng người bị cuốn hút theo các trò chơi như vậy, đặc biệt là giới trẻ tăng theo cấp số nhân, đánh dấu tiềm năng thương mại vô cùng to lớn của công nghệ VR trong lĩnh vực này

Hình 1.10 Các logo phim dùng 3D ảo

Hình 1.11 Hệ thống trong lĩnh vực giải trí Tóm lại, chúng ta có thể nói rằng các ứng dụng thực tại ảo trong giải trí đã

và đang đóng vai trò quan trọng trong việc định hướng đi cho công nghiệp thực tại ảo

Bên cạnh các ứng dụng truyền thống ở trên, một số ứng dụng mới nổi lên trong thời gian gần đây của VR như trong sản xuất, chế tạo robot, hiển thị thông tin (thăm dò dầu mỏ, dự báo thời tiết, )

VR có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn Có thể nói, tóm lại một điều: mọi lĩnh vực "có thật " trong cuộc sống đều có thể ứng dụng "thực tế ảo" để nghiên cứu và phát triển hoàn thiện hơn

1.2 Bài toán mô phỏng hệ hô hấp

1.2.1 Cấu tạo của hệ hô hấp

Hệ hô hấp là một hệ cơ quan có chức năng trao đổi không khí diễn ra trên toàn bộ cơ thể Để đáp ứng nhu cầu của cơ thể, mỗi ngày chúng ta hít thở khoảng 20.000 lần và có đến 9.000 lít không khí lưu thông qua phổi Cấu trúc giải phẫu của hệ hô hấp gồm hệ thống dẫn khí (mũi, hầu họng, thanh quản, khí quản, phế quản), và hệ thống trao đổi khí (2 buồng phổi) giữa máu và không khí

Hệ hô hấp được chia ra làm hai phần: Hệ hô hấp trên (mũi, miệng, hầu, thanh quản) và hệ hô hấp dưới (khí quản, phế quản, phổi) [2]

Hình 1.12 Các thành phần cấu tạo lên hệ hô hấp 1.2.2 Mô phỏng cấu tạo của hệ hô hấp

1.2.2.1 Hệ thống dẫn khí (Đường hô hấp)

Hệ thống dẫn khí , từ trên xuống dưới gồm 5 phần, mỗi phần có đă ̣c điểm cấu ta ̣o khác nhau nhưng chúng đều thực hiê ̣n chung mô ̣t nhiê ̣m vu ̣ là dẫn khí , làm ẩm, làm ấm không khí trước khi đưa vào và bảo vệ phổi [2]

Hệ thống dẫn khí gồm có: Mũi - Hầu - Thanh quản - Khí quản - Phế quản

 Mũi

Mũi là cơ quan đầu tiên của hệ hô hấp mà không khí phải đi qua để vào phổi Chức năng chính của mũi là để thở nhưng nó còn có một số chức năng khác bởi vậy có cấu trúc rất tinh vi phức tạp Riêng việc thở không khí vào qua đường mũi sẽ được sưởi ấm làm lỏng bỏ bụi và vi khuẩn như một tiền đồ bảo vệ cho đường hô hấp

Mũi là cửa ngõ của đường hô hấp có nhiệm vụ dẫn không khí , lọc, sưởi ấm

và làm ẩm không khí trước khi đưa vào phổi Mũi còn là cơ quan khứu giác để ngửi Mũi gồm có 3 phần: mũi ngoài, mũi trong (hay hốc mũi) và các xoang cạnh mũi

Phần hốc mũi được cấu tạo bởi các xương sụn và được phủ bởi một lớp niêm mạc có nhiều mao mạch Hốc mũi gồm 2 lỗ mũi, ngăn cách nhau bởi vách mũi Hốc mũi thông với xoang một số xương như xương trán, xương bướm, xương sàng, xương hàm trên

Mũi có 2 cửa vào và 2 cửa ra Cửa vào của mũi gọi là lỗ mũi trước Cửa ra của mũi gọi là lỗ mũi sau Thành trong khoang mũi được lót bởi lớp niêm mạc ,

có phủ biểu bì lông, có nhiều mao mạch máu , giúp sưởi ấm không khí trước khi vào phổi Xen kẽ với các tế bào niêm mạc còn có các tuyến nhầy thường xuyên tiết ra dịch nhầy có tác dụng như một hệ thống lọc không khí trước khi đưa vào phổi và có khả năng ngăn cản, tiêu diệt vi khuẩn, không cho chúng xâm nhập vào đường hô hấp Mỗi ngày các tuyến này tiết ra trung bình khoảng 2 lít nước mũi để giữ ẩm cho các cơ trong mũi, miệng, cổ họng Trong khoang mũi còn

có nhiều lông bằng chất sừng để cản bụi ; có đầu mút dây thần kinh khứu giác , giúp nhận kích thích mùi

Nhờ có cấu tạo như vậy mà khi thở, không khí đi qua xoang mũi với tốc độ chậm Kết quả là không khí đã được lọc sạch, làm ẩm và được sưởi ấm Do đó cần luyện tập thở bằng mũi thay cho thở bằng miệng để đảm bảo vệ sinh hô hấp Tuy nhiên trong không khí có nhiều bụi, nhiều vi khuẩn và các chất không thích hợp thì màng nhầy tiết ra nhiều chất nhầy hơn, làm hẹp đường thở Khi bị viêm mũi, các mao mạch tụ máu gây ra phù nề và dịch nhầy lại được tiết ra nhiều hơn làm ngạt mũi, tắc mũi, khó thở

 Hầu họng

Là ngã tư đường hô hấp và tiêu hóa, họng được chia thành 3 phần:

Họng mũi: Phía trước là lỗ mũi sau, trên có VA, hai bên 2 lỗ vòi nhĩ thông

với tai giữa, dưới thông với họng miệng, có màn hầu và lưỡi gà ngăn cách

Họng miệng: Phía trước thông với khoang miệng qua eo họng, hai bên có 2

Amydale nằm giữa 2 cột trụ trước và sau; phía sau là thành sau họng, phía dưới thông với họng thanh quản

Họng thanh quản: Phía trước có sụn nắp thanh quản (có tác dụng đậy

thanh quản khi nuốt) và thanh quản, phía sau tương ứng với các đốt C4,5,6; hai bên liên quan với các cơ và bó mạch thần kinh cổ; dưới thông với thực quản

 Thanh quản

Thanh quản là đoạn đầu tiên của ống dẫn khí vào cơ thể Thanh quản nằm trước thực quản, dưới lớp da cổ, phần trên thông với hầu, phần dưới thông với khí quản Thanh quản vừa là đường dẫn khí vừa là bô ̣ phâ ̣n phát âm

Hình 1.13 Các sụn thanh quản

1 Sụn giáp 2 Sụn nhẫn 3 Sụn khí quản

4 Sụn nắp 5 Sụn phễu 6 Sụn nhẫn Thanh quản do nhiều mảnh sụn liên kết với nhau nhờ dây chằng và cơ Gồm các sụn là: sụn giáp, sụn nhẫn, sụn phễu, sụn thanh thiệt Các sụn này nối với nhau bằng các cơ Trong đó su ̣n giáp là su ̣n lớn nhất của thanh quản , được hình thành từ 2 mảnh sụn tứ giác Sụn giáp là nơi bám của nhiều cơ như cơ khít hầu, cơ căng dây thanh âm (cơ nhẫn giáp)

Bên trong thanh quản có lót một lớp niêm mạc ở mỗi bên có hai nếp gấp

Đó là các dây thanh âm Khoảng giữa hai dây thanh âm ở hai bên gọi là khe thanh môn Do áp lực của luồng không khí đi qua thanh quản, các dây thanh âm lúc căng, lúc giãn, vì thế thanh môn lúc mở, lúc khép Điều này ảnh hưởng đến

độ cao của âm phát ra Khi các dây chằng hơi sát lại gần nhau thì có tiếng thở dài Khi khoảng cách các dây chằng thu nhỏ đến khoảng 3 mm thì có tiếng nói thì thầm Khi nói bình thường cũng như khi hát các dây thanh âm tiếp sát vào nhau

 Khí quản

Tiếp theo sụn nhẫn của thanh quản là ống khí quản dài 10 -11 cm, đường kính 2 cm, nằm phía trước thực quản Khí quản có cấu tạo là một ống sụn với 16

- 20 vòng sụn khuyết xếp chồng lên nhau, các vòng sụn được nối với nhau bằng

mô liên kết đàn hồi Mặt trong khí quản được lót một lớp niêm mạc Trên bề mặt niêm mạc được phủ lớp biểu mô rung (tiêm mao), có chức năng cản bụi và tiết

dịch nhầy Dịch nhầy có tác dụng làm dính các hạt bụi nhỏ và các vi sinh vật theo không khí đi vào để các bạch cầu đến tiêu diệt Dịch nhầy còn có khả năng làm giảm và làm yếu độc tố của các vi khuẩn nên có tác dụng bảo vệ đường hô hấp Nhưng khi số lượng bụi quá nhiều hoặc kích thước quá nhỏ, chúng có thể đi sâu vào phế quản và phổi gây ra bệnh bụi phổi (Xem hình 1.14)

 Phế quản

Là phần tiếp tục của khí quản , gồm 2 phế quản gốc trái và phải , được tạo bởi các vòng sụn kín, nhỏ hơn khí quản Phế quản gốc phải to , ngắn và dốc hơn phế quản gốc trái (Xem hình 1.14)

Mặt trong của khí quản và phế quản được lót một lớp niêm ma ̣c mềm, trong đó nhiều tế bào lông chuyển và tuyến tiết d ịch nhầy có tác dụng cản bụi, diệt vi khuẩn (trừ tiểu phế quản là không có tuyến)

Khi đến phổi , các phế quản bắt đầu phân nhánh nhỏ dần thành phế quản thùy (phải 3 nhánh, trái 2 nhánh) và tiếp tục phân nhánh nhỏ hơn thành tiểu phế quản để đi vào các tiểu thùy phổi

Hình 1.14 Khí quản

1 Khí quản 2 Phế quản chính 1.2.2.2 Hệ thống trao đổi khí

Phổi: nằm trong lồng ngực, là bộ phận quan trọng nhất của hệ hô hấp, là nơi diễn ra quá trình trao đổi khí giữa cơ thể với môi trường ngoài

Để thực hiện được chức năng đó, phổi có cấu tạo như thế nào?

Phổi gồm hai lá trái và phải Nhìn toàn bộ, phổi có hình chóp, đáy rộng và hơi lõm theo chiều cong của cơ hoành, phần đỉnh hẹp và nhô lên phía trên xương đòn Hai lá phổi mềm xốp và đàn hồi, là tập hợp của các phế nang và phế

quản Mỗi lá phổi nặng khoảng 400 g Lá phổi trái có khối lượng bé hơn so với

lá phổi phải (tỷ lệ khoảng 10/11) do cung động mạch chủ vòng sang trái và tim cũng nằm lệch về bên trái Lá phổi phải có hai rãnh sâu trên bề mặt chia lá phổi thành 3 thùy, còn lá phổi trái có một rãnh chia ra thành 2 thùy Mỗi thùy phổi lại phân thành nhiều tiểu thùy phổi

Phổi được bao bởi hai lớp màng: Lớp ngoài là lá thành lót mặt trong lồng ngực, lớp trong bao chặt lấy phổi gọi là lá tạng Giữa 2 lớp màng này có lớp dịch mỏng làm phổi nở rộng và xốp có tác dụng làm giảm sự ma sát giữa 2 lá và tránh sự va chạm của phổi với thành lồng ngực Khi bị viêm màng phổi có thể bị khô, hoặc quá nhiều nước (tràn dịch màng phổi) gây khó khăn trong quá trình hô

hấp (Xem hình 1.15)

Hình 1.15 Cấu tạo phổi ở người

1 Xương đũn; 2 Cơ liên sườn ngoài; 3 Cơ liên sườn trong; 4 Xương ức; 5 Thanh quản; 6 Khí quản; 7 Sụn nhẫn; 8 Phổi trái; 9 Phế quản trái; 10 Cây phế quản; 11 Xương sườn; 12 Cơ liên sườn trong và ngoài;13 Màng phổi; 14

Cơ hoành; 15 Khoang màng phổi chứa dịch ngoại bào

Phổi được cấu tạo bởi rất nhiều các phế nang, mỗi phế nang có đường kính khoảng 100 - 300 µm Hai lá phổi của người có tổng cộng chừng 700 triệu phế nang với tổng diện tích bề mặt trao đổi khí khoảng hơn 100m2

Thành phế nang rất mỏng, dày khoảng 0,7 µm, chứa nhiều sợi đàn hồi Bao quanh phế nang là mạng lưới mao mạch dày đặc và có đường kính khoảng 5 µm làm cho hồng cầu đi qua rất chậm, tạo điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi khí

Tổng lƣợng máu chứa trong mao mạch phổi khoảng 60 - 140ml Mặt trong phế nang đƣợc lót một lớp tế bào biểu bì dẹt có khả năng thực bào các bụi và vật lạ trong không khí ở phế nang Tuy nhiên khả năng thực bào của các phế nang là

có hạn Vì vậy cần giữ cho phổi luôn sạch sẽ để đảm bảo chức năng sinh lý của phổi

Chương 2: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG MÔ PHỎNG CẤU TRÚC 3D

Đây là chương quan trọng nhất của luận văn, trong chương này nghiên cứu một số kỹ thuật xây dựng mô hình 3D và tối ưu các mô hình đó trên cơ sở 2 phần mềm tạo mô hình 3 chiều thông dụng hiện nay là Maya và 3DS Max, đó là

kỹ thuật tạo mô hình (modelling) và kỹ thuật kết xuất (rendering) Qua đó so

sánh ưu nhược điểm của mỗi phương pháp, mỗi phần mềm và đưa ra kỹ thuật, phương pháp giải quyết

2.1 Công cụ xây dựng mô hình hóa 3D

 Mô hình hóa 3D là gì?

Mô hình hóa 3D mô tả, biểu diễn một đối tượng trong thế giới thực bao gồm hình dạng bề mặt và hoạt động của đối tượng

Ví dụ con chim đang bay, bướm lượn, ô tô chạy trên đường, toà nhà… tất

cả mọi hoạt động của thế giới thực mà con người có thể nhận biết được

Mức cao nhất của việc tạo mô hình là tạo ra cả một cảnh phim chứa đựng không gian, thời gian với môi trường cảnh quan với nhiều đối tượng khác nhau cùng tồn tại như động vật, rừng núi, sông nước …

Chắc hẳn chúng ta còn nhớ bộ phim “Trận chiến thành Troy” với dàn diễn viên nổi tiếng như: Orlando Bloom, BradPitt, EricBana … Bên cạnh những diễn viên chuyên nghiệp đó là một lực lượng khổng lồ các diễn viên phụ Với hàng trăm trận chiến, với hàng nghìn nhân vật và rất nhiều các cảnh quay, nếu đòi hỏi phải “người thật việc thật” thì sẽ tốn kém rất nhiều Nhưng các nhà làm phim đã thuê 500 lập trình viên làm việc liên tục để tạo ra những kĩ xảo tuyệt vời cho bộ phim Bộ phim quá thành công bởi vì chi phí không quá lớn nhưng doanh thu thu được thì thực sự là một con số khổng lồ Người xem không những cảm nhận được mức độ hoành tráng mà còn thấy thật sự cuốn hút theo từng phút giây cho những cảm giác rất thực

 Công cụ xây dựng mô hình

Việc tạo mô hình 3 chiều thường thông qua máy quét 3 chiều hoặc các phần mềm chuyên dụng Hiện nay, có rất nhiều phần mềm chuyên dụng xử lý 3D khác nhau như: Maya, 3DS Max, Bryce 3D, InfiniD, Soft Image, … nhưng được

đánh giá mạnh nhất và hay sử dụng nhất là hai phần mềm: 3DS Max và Maya

Hai phần mềm này đều là những chuẩn 3 chiều

3DS max: Một trong những phần mềm thông dụng nhất thế giới về thiết kế

đồ họa 3D là 3DS Max do hãng Discreet sản xuất, thường được sử dụng cho công nghiệp trò chơi điện tử, hoạt hình, phim ảnh kỹ xảo 3DS Max thích hợp

cho người dùng cá nhân Thế mạnh của 3DS Max là công cụ dựng hình Polygon, có thể sản xuất được những hình ảnh, hoạt hình với số lượng Polygon

thấp nhưng đạt hiệu quả hình ảnh cao

Maya: Maya do hãng Alias/Wavefron sản xuất, phần mềm này thường

được sử dụng trong nền công nghiệp phim ảnh, gần đây cũng bắt đầu thâm nhập vào thế giới trò chơi điện tử Maya là lựa chọn cho các studio lớn vì hướng mạnh vào các hiệu ứng Dynamics và particle cũng như các công cụ dựng hình

NURBS với độ mượt rất cao

Với phạm vi của đề tài này, việc tạo ra các mô hình 3 chiều với các hiện tượng gắn với nó là một đòi hỏi tất yếu Luận văn trình bày kỹ thuật tiếp cận trong việc tạo mô hình 3 chiều trên cơ sở kết hợp 2 phần mềm tạo mô hình 3 chiều thông dụng hiện nay là Maya và 3DS Max

Maya, 3DS Max cũng như các phần mềm tạo mô hình 3 chiều khác giúp tạo mô hình 3 chiều mô phỏng thế giới thực Nó có các đối tượng nguyên thuỷ như hình cầu, hình trụ, hình hộp, mặt phẳng, đường cong, … Từ các đối tượng nguyên thuỷ này ta sử dụng các thao tác như dịch chuyển, xoay, co giãn cùng với các kỹ thuật chỉnh sửa như cắt xén, mở rộng, thêm bớt… để tạo nên đối tượng mong muốn trong thế giới thực

Hình 2.1 Từ trái sang phải là các thao tác dịch chuyển, xoay, co giãn, ứng với

mỗi trục toạ độ là một màu

Sau đó các đối tượng sẽ được thêm xương (nếu có), tính chất bề mặt (như màu sắc, da, tóc , mắt…) và được tạo các chuyển động mô phỏng một cách sinh động các thể hiện của đối tượng trong thế giới thực

Khi làm việc với các phần mềm ta sẽ thao tác trên 4 khung nhìn khác nhau của đối tượng, 4 khung nhìn này sẽ cho ta nhìn được đối tượng ở các góc độ khác nhau một cách đồng thời, những hình ảnh dưới đây minh họa điều này rất rõ:

Hình 2.2 Các khung nhìn khác nhau

Ta có hệ trục tọa độ 3 chiều XYZ, màu xanh lam ứng với trục Y, đỏ với trục X và xanh đậm với trục Z Góc trên phải là khung làm việc cho phép ta thao tác trong 3 chiều, 3 góc còn lại cho phép ta làm việc ở 3 mặt cắt của mô hình Với các khung nhìn này ta có thể thao tác dễ dàng hơn, khi một thay đổi xuất hiện ở một khung nhìn sẽ cho hiệu ứng đối với các khung nhìn khác

Bên cạnh hệ trục tọa độ XYZ ta còn có hệ tọa độ UV, hệ tọa độ UV bao bọc bề mặt theo 2 chiều trái sang phải và dưới lên trên Có thể hình dung ra hệ tọa độ này như là các đường kinh tuyến và vĩ tuyến của trái đất Hệ tọa độ này chủ yếu được sử dụng trong quá trình thêm tính chất bề mặt cho mô hình

2.2 Các kỹ thuật dựng hình chính

Qua nghiên cứu các phần mềm dựng mô hình khác nhau cho thấy, nói chung làm việc trong môi trường 3D có các công tác chính sau:

- Kỹ thuật tạo mô hình (modelling): Đây là phần sử dụng các công cụ dựng

hình để tạo ra các mô hình, chỉnh sửa chúng theo ý muốn Từ đó các vật thể 3D được định hình

- Kỹ thuật hoạt hoá nhân vật (animation): gồm những thao tác để gắn nhân vật vào một tập các khoá (key) Mỗi một khoá đại diện cho vị trí, hình dạng của

nhân vật tại những thời điểm khác nhau Sự chuyển động của nhân vật là sự thể hiện nhân vật tại mỗi vị trí khoá này

- Kỹ thuật kết xuất (rendering): Đây là phần để gán vật liệu lên các nhân

vật và tạo kết xuất