Tiểu luận môn công nghệ tri thức Tìm hiểu thực tế ảo và những ứng dụng vào cuộc sống

Báo Cáo Chuyên Đề Công Nghệ Tri Thức Sinh viên: Nguyễn Võ Ngọc Huy (CH1101091) Trang: 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN  Học Viên: Nguyễn Võ Ngọc Huy Mã số: CH1101091 Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60.48.01.01 Tìm hiểu thực tế ảo và những ứng dụng vào cuộc sống TP Hồ Chí Minh – Năm 2015 Báo Cáo Chuyên Đề Công Nghệ Tri Thức Mục lục  Sinh viên: Nguyễn Võ Ngọc Huy (CH1101091) Trang: 2 Báo Cáo Chuyên Đề Công Nghệ Tri Thức Lời mở đầu  V iệc nghiên cứu khoa học máy tính ứng dụng vào cuộc sống có nhiều lĩnh vực phát triển, trong đó khả năng áp dụng các công nghệ và kỹ thuật xử lý mô phỏng thế giới thực của con người, tương tác với thế giới đó qua máy tính là chủ đề quan trọng trong ngành công nghệ thông tin để biến chiếc máy tính trở nên thông minh và mạnh hơn về chức năng giao tiếp. Chuyên đề này xin được trình bày về những tìm hiểu một vấn đề mới mà thế giới đang quan tâm và phát triển đó là thực tế ảo (Virtual Reality – VR). Thực tế ảo mô phỏng giác quan người sử dụng theo cách mà máy tính mô phỏng và trãi nghiệm như thế giới thực. Nó bao gồm tất cả những gì đã được thực hiện để nâng cao cảm giác hoặc hành động dựa trên một thế giới ảo hoặc môi trường ảo cung cấp mô phỏng của sự tương tác giữa con người và môi trường thực tế này. Mô phỏng này đạt được bằng phương tiện của giao diện thực tế ảo kết nối với máy tính và kích thích một trong các giác quan của con người như thị giác, thính giác. Báo cáo này trình bày lịch sữ phát triển của thực tế ảo, các khái niệm của nó, các phần cứng phần mềm được sử dụng, và một số kỹ thuật tương tác ảo cũng như thực trạng và xu hướng của thực tế ảo ngày nay và là vấn đề trọng tâm cốt lõi vấn đề, và tất cả cũng được tìm hiểu và tổng hợp trong báo cáo chuyên đề này. Chân thành cám ơn! Nguyễn Võ Ngọc Huy Sinh viên: Nguyễn Võ Ngọc Huy (CH1101091) Trang: 3 Báo Cáo Chuyên Đề Công Nghệ Tri Thức Chương 1 – Tổng quan  I. Giới thiệu về thực tế ảo (Virtual Reality - VR) "Thực tế ảo" (VR) là đề cập đến việc mô phỏng máy tính tạo ra các hình ảnh của một thế giới mà dường như tất cả các giác quan của ta sẽ có và cảm nhận được tương tự như cách chúng ta nhận thức thế giới thực hoặc thực tế vật lý như ngoài đời. Để cho bộ não biết rằng thế giới tổng hợp là xác thực, các mô phỏng máy tính theo dõi các chuyển động của người tham gia và điều chỉnh màn hình hiển thị cảm ứng hoặc màn hình một cách cung cấp cho chúng ta cảm giác được đắm mình có mặt trong các mô phỏng. Như vậy, thực tế ảo là một phương tiện để cho con người có thể tham gia hoạt động vào một số môi trường mô phỏng mà khác biệt với vật lý thực tại [1]. Thực tế ảo là một phương tiện mà con người có thể chia sẻ ý tưởng và những trải nghiệm. Đó là một phần của thế giới mà người tham gia tương tác được mà gọi là thế giới ảo (virtual world). Tuy nhiên, thuật ngữ "thế giới ảo" không chỉ đề cập cụ thể đến thế giới thực tế ảo. Nó còn được sử dụng để tham khảo các nội dung của phương tiện truyền thông khác như tiểu thuyết, phim ảnh và các công ước truyền thông khác. Một định nghĩa chính thức hơn cho thực tế ảo từ Sherman và Craig: "Một phương tiện bao gồm mô phỏng máy tính tương tác mà cảm nhận vị trí và hành động của người tham gia, cung cấp thông tin phản hồi tổng hợp cho một hoặc nhiều giác quan, cho cảm giác được có mặt và cảm nhận trong các mô phỏng." Một hệ thống thực tế ảo (Virtual Reality - VR) điển hình sẽ thay thế kích thích thị giác và các kích thích âm thanh cũng được cung cấp. Một số cảm giác ít phổ biến hơn đó là bao gồm cảm giác qua làn da hay gọi là xúc giác cảm ứng, khứu giác về mùi, và vị giác về hương vị. Có rất nhiều thiết bị phần cứng đặc biệt có liên quan trong việc mang lại hình ảnh cảm giác cho người sử dụng rất khác nhau. Một thiết bị VR hiện giờ hiện thực quen thuộc là màn hình hiển thị gắn trên đầu (Head-mount display -HMD). Một HMD là một thiết bị mà người dùng đeo trên đầu, có một màn hình đặt ở phía trước của mỗi Sinh viên: Nguyễn Võ Ngọc Huy (CH1101091) Trang: 4 Báo Cáo Chuyên Đề Công Nghệ Tri Thức mắt. Công nghệ thường sử dụng để hiển thị các phần ảo hình ảnh VR là có thể thêm việc chiếu hình ảnh lên một màn hình lớn hoặc nhiều màn hình, xem hình 1.1: Hình 1.1. Một người trong thực tế ảo đội thiết bị trên đầu găng tay tương tác với thế giới ảo Ngoài ra, một khía cạnh không kém không quan trọng của một hệ thống thực tế ảo là cảm biến vị trí của người tham gia. Nếu không có thông tin về hướng người dùng như đang tìm kiếm, đạt được, chỉ tay thì không thể cho ra thực tế ảo hiển thị một cách thích hợp để kích thích các giác quan. Và giám sát chuyển động cơ thể của người sử dụng được theo dõi, mô phỏng và tái hiện một cách hợp lý và chính xác. Có một số thuật ngữ công nghệ liên quan cũng thường được sử dụng trong công nghệ thực tế ảo như là "không gian ảo" (cyperspace). Không gian ảo là quan điểm cho rằng người ta có thể nằm ở vị trí vật lý khác nhau, thông qua việc sử dụng một số công nghệ trung gian tương tác như với nhau mà có thể liên lạc, tiếp xúc ảo với nhau như thật, xem hình 1.2 Sinh viên: Nguyễn Võ Ngọc Huy (CH1101091) Trang: 5 Báo Cáo Chuyên Đề Công Nghệ Tri Thức Hình 1.2. Ứng dụng game trong tương tác với thực tế ảo Hai khái niệm khác liên quan đến thực tế ảo là hiện diện xa (TelePresence) và tăng cường thực tế (Augmented reality - AR). TelePresence là tương tự như VR có nghĩa là đặt vị trí ảo hóa một người nào đó vào một vị trí khác mà thực tế họ không có hiện diện vật lý. Tăng cường thực tế (AR) là cung cấp cho người dùng một cái nhìn thay đổi của thế giới thực. Tuy nhiên, cái nhìn mà họ có được là vị trí địa lý hiện tại, sử dụng công nghệ với nhiều đặc điểm chung với thực tế ảo, các thông tin bổ sung (ảo) sẽ được thêm vào cảm giác của họ. Thông thường đó là cảm giác trực quan được tăng cường thêm, cung cấp cho người dùng có các khả năng như nhìn qua xuyên bức tường hoặc vào cơ thể bệnh nhân [7]. AR còn được định nghĩa như là thực tế bằng cách trực tiếp hay gián tiếp qua cách nhìn vật lý hay thế giới thực bằng các thành phần tăng cường cho máy tính sinh ra hổ trợ bao gồm các cảm biến như âm thanh, phim ảnh, đồ họa hay là thiết bị định vị GPS. Các công nghệ kỹ thuật này mở rộng các giác quan thực tế hiện tại nhằm làm cho các thông tin của thế giới thực xung quanh trở nên tương tác được và tính toán theo kỹ thuật số hóa được. Các thông tin nhân tạo về môi trường và đối tượng của nó có thể phản ảnh thế giới thực [9]. Sinh viên: Nguyễn Võ Ngọc Huy (CH1101091) Trang: 6 Báo Cáo Chuyên Đề Công Nghệ Tri Thức Và ngày nay, đồ họa máy tính đã trở nên là lĩnh việc quan trọng của nhiều lĩnh vực, nhiều thiết bị phần cứng xử lý đồ họa mạnh cũng đã ra đời ngày càng tốt hơn và nhanh hơn và giá thành thấp xuống liên tục và nhanh chóng. Việc này cho phép trải nghiệm thế giới ảo ngày càng hoàn hảo hơn. Và thế giới ba chiều dường như không đủ, thay vào đó người ta cố gắng hoàn thiện thế giới ảo bốn chiều, năm chiều, 1. Lịch sử phát triển thực tế ảo Thực tế ảo lả chủ đề nóng trong vài năm qua, nhưng nguồn gốc của nó đạt lại từ bốn thập kỷ qua. Vào cuối những năm 1950, McCarthy và Elvis mới có ý tưởng đổi cách mọi người tương tác với máy tính và làm cho có thể VR. Vào thời điểm đó, máy tính chỉ được sử dụng bởi những người thông thạo các ngôn ngữ lập trình rất khó và tiếp cận còn nhiều hạn chế. Năm 1956, Morton Heilig là giám đốc đồ họa phim chuyên biên tập điện ảnh đưa ra khái niệm các như các cảnh ảo, âm thanh mô phỏng hiệu ứng, tiếng rung của động cơ và một số mùi khác với thiết bị Sensorama, nhưng nó không mang tiếng vang lớn về thành công về mặt thương mại do thiết các thành phần chính cho một hệ thống thực tế ảo. Năm 1960, Heilig mô phỏng thêm về hiệu ứng đồ họa 3D, âm thanh stereo và một số mô phỏng khác. Sau đây là bảng vẽ về cách hiển thị và hoạt động head- mount qua hình 1.1.1. Sinh viên: Nguyễn Võ Ngọc Huy (CH1101091) Trang: 7 Báo Cáo Chuyên Đề Công Nghệ Tri Thức Hình 1.1.1. Mẫu thiết kế về hiển thị cho head-mount của Heilig Năm 1961, Comeau và Bryan đã nghiên cứu hệ thống head-mount có khả năng liên kết các camera và có thể so trùng độ phân giải mắt. Thêm nữa, đã cải tiến nhiều về phần đồ họa tương tác với máy tính, hình 1.1.2. Sinh viên: Nguyễn Võ Ngọc Huy (CH1101091) Trang: 8 Báo Cáo Chuyên Đề Công Nghệ Tri Thức Hình 1.1.2. Thiết bị head-mount (HMD) cải tiến đồ họa và chức năng Năm 1963, Ivan Sutherland là sinh viên tốt nghiệp Harvard phát minh ra sketchpad (thiết bị bảng vẽ tương tác) (tham khảo hình 1.1.3), đó là một hệ thống cho phép tương tác các hình ảnh ảo được máy tính tạo ra hiển thị trên màn hình CRT và được xem như tiền đề của các chương trình CAD sau này. Năm 1965, ông mô tả ứng dụng nhập vai tổng hợp thế giới được tổng hợp lại trên máy tính. Nó bao gồm biểu diễn phản hồi của hiệu ứng nhìn, nghe và xúc giác tương ứng với những hình động của con người. Đến năm 1968, Surtherland lúc này là giáo sư của đại học Utah được Sinh viên: Nguyễn Võ Ngọc Huy (CH1101091) Trang: 9 Báo Cáo Chuyên Đề Công Nghệ Tri Thức ghi nhận và công khai các công trình về thành phần ảo của hiệu ứng nhìn của ông. Các hệ thống của ông bao gồm HMD (Head-mount device), head-mount về cơ khí các khả năng co của các cáp và đưa ra các mô phỏng trong không gian 3 chiều. Sau đó, Ivan Sutherland thành lập tập đoàn E&S chuyên phát triển phần cứng vẽ về đồ họa thời gian thực chuyên mô phỏng các chuyến bay cho công đồng trên khắp thế giới [2] Hình 1.1.3. Ivan Sutherland phát minh thiết bị mô phỏng Sketchpad Tiếp theo với nhưng nghiên cứu của Sutherland, nhiều nghiên cứu và phát triển khác ra đời liên tiếp tại các phòng thí nghiệm của các trường đại học, tổ chức chính phủ, quân đội và tiếp theo là các thương mại. Cụ thể là tại đại học Winconsin, Myron Krueger đã thí nghiệm các khía cạnh khác nhau của các hệ thống thực tế ảo mà ông ta gọi là thực tế nhân tạo (Artificial Reality). Khi mà hệ thống head-mount của Sutherland chỉ phù hợp cho một người nhìn ra thế giới, thì ông Krueger cung cấp thêm cái nhìn thứ hai của thế giới ảo mà người tham gia có thể thấy chính họ với thế giới. Hệ thống ông khác với Sutherland ở chỗ nữa là sử dụng thêm camera để diễn tả sự di chuyển của người dùng và người dùng không phải bị cản trở bởi các thiết bị cảm biến gắn trên cơ thể họ, tham khảo hình 1.1.4 và 1.1.5. Sinh viên: Nguyễn Võ Ngọc Huy (CH1101091) Trang: 10 [...]... khác cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra thế giới thực tế ảo 3 Một số nhận xét Với nền tảng một số phần cứng và phần mềm như trên, thực ra ngày nay với sự phát tri n nhanh của công nghệ chip và các thư viện đồ sộ, việc phát tri n các ứng dụng thực tế ảo ngày cành nhanh hơn và thực với thế giới thực hơn Ta nói thực tế ảo thực sự là một phương tiện để liên lạc nên sự lựa chọn để truyền... 12 Báo Cáo Chuyên Đề Công Nghệ Tri Thức Hình 1.1.7 Hệ thống huấn luyện bay trong những ứng dụng hỗ trợ tập huấn cấu hình môi trường ảo (Virtual Environment Configurable Training Aids - VECTA) 2 Xu hướng thực tế ảo Ngày nay, các hệ thống thực tế ảo tận dụng các lợi thế mạnh về sử dụng mạng để chia sẽ không gian ảo Khi đó mỗi thành viên sẽ được biểu diễn như là một thực thể ảo, và có thể biểu diễn một... Phần cứng Phần cứng mà sử dụng trong thực tế ảo có thể bao gồm như các thiết bị hiển thị, các thiết bị nhập mà người dùng tương tác và theo dõi hành động Thêm vào đó nữa là máy tính hổ trợ lập mô hình và vẽ lại của thế giới thực a) Phần đồ họa và máy tính: Phần cốt lõi chính của việc tính toán là chịu trách nhiệm tính toán các hành vi của thế giới thực và vẽ lại trạng thái của thế giới thực vào ảo hóa... tương tác ảo a) Tương tác đầu vào vật lý (physical interaction) Tương tác vật lý là người dùng có được đầu vào thế giới ảo thông qua các thiết bị đầu vào mà người dùng thực sự chạm đến Trong hệ thống máy tính thông thường, các đầu vào vật lý phổ biến nhất là thông qua chuột và bàn phím Trong một hệ thống thực tế ảo, các thiết bị như một cây cảm ứng (như trong XBox), vô lăng, các thiết bị đầu vào găng... cứu và phát tri n hơn nữa các công nghệ phụ trợ như thiết bị nghe nhìn, các hệ thống định vị, bản đồ số hóa, tốc độ xử lý và đồ họa, năng lượng như pin, cảm ứng tương tác Ngoài ra, ta cần hệ thống hóa và bài bản các cơ sở lý thuyết, chuấn hóa các giao thức tương tác ảo và sử dụng chung, không nên phát tri n riêng theo từng hãng và từng công nghệ sẽ dẫn đến trùng lắp cũng như những bí mật công nghệ. .. găng tay là những ví dụ của đầu vào vật lý, xem hình 3.1.1 Hình 3.1.1 Thiết bị lái xe mà người dùng tương tác vào thế giới ảo b) Tương tác đầu vào ảo Tương tác đầu vào ảo là thứ mà trong đó các thiết bị mà người dùng tương tác là một phần của thế giới ảo riêng của mình Do đó, một nốt ảo là trực tiếp trên thế giới và có thể được kích hoạt khi tay người dùng tiếp xúc ảo với các nút Sự tương tác ảo dựa trên... Điểm hạn chế và là vấn đề về chất lượng và độ trung thực của các môi trường ảo cung cấp • Và cuối cùng theo đánh giá, các hệ thống VR thiếu các kết quả nghiên cứu dài hạn và nền tảng sâu xa như một số ngành khoa học khác Sinh viên: Nguyễn Võ Ngọc Huy (CH1101091) Trang: 35 Báo Cáo Chuyên Đề Công Nghệ Tri Thức Kết luận  T hông qua việc tìm hiểu khái niệm mới là thực tế ảo, ta thấy hệ thống ảo có nền... 26 Báo Cáo Chuyên Đề Công Nghệ Tri Thức Hình 2.3.1 Một cảnh trong game The Sim, các nhân vật tương tác nhau Tùy thuộc vào mục tiêu và kinh nghiệm thực tế ảo, ta có thể chọn để bắt chước trạng thái thế giới thực đến một mức độ cao có vẻ thật, hoặc có thể chọn để bỏ qua các cấu trúc và những hạn chế còn tồn tại trong thế giới thực và tạo ra thế giới siêu thực hay cao cấp nữa là những gì không bao giờ... Trang: 23 Báo Cáo Chuyên Đề Công Nghệ Tri Thức sáng và tạo bóng đối tượng, vẽ chồng các đối tượng với nhau sao cho phản ảnh như thế giới thực Ngoài ra, các đối tượng cơ bản đó sẽ gọp lại thành đối tượng lớn hơn, và có khả năng kế thừa và phân cấp các cảnh khác nhau và phát hiện tránh không để các xung đột giữa các đối tượng đó c) Thư viện thực tế ảo Một hệ thống thực tế ảo hoàn toàn không bao gồm việc... Brainstorm eStudio và M3 cho việc biểu diễn và xuất bản đồ họa 3D và thế giới thực (www.brainstorm.es) Sinh viên: Nguyễn Võ Ngọc Huy (CH1101091) Trang: 24 Báo Cáo Chuyên Đề Công Nghệ Tri Thức - EON Realities, EON Immersive là các phần mềm phát tri n ứng dụng VR (www.eonreality.com) - Chương trình mở Iowa State bao gồm các tiện ích phát tri n ứng dụng VR (www.vrjuggler.org) - Tiện ích phát tri n source mở . ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60.48.01.01 Tìm hiểu thực tế ảo và những ứng dụng vào cuộc sống TP Hồ Chí Minh – Năm 2015 Báo Cáo Chuyên Đề Công Nghệ Tri Thức Mục lục  Sinh viên: Nguyễn Võ Ngọc. Cáo Chuyên Đề Công Nghệ Tri Thức Lời mở đầu  V iệc nghiên cứu khoa học máy tính ứng dụng vào cuộc sống có nhiều lĩnh vực phát tri n, trong đó khả năng áp dụng các công nghệ và kỹ thuật xử. Cáo Chuyên Đề Công Nghệ Tri Thức Hình 1.2. Ứng dụng game trong tương tác với thực tế ảo Hai khái niệm khác liên quan đến thực tế ảo là hiện diện xa (TelePresence) và tăng cường thực tế (Augmented