sử dụng công nghệ VR viết chương trình tham quan Phòng Thí Nghiệm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI HÀ NỘI - NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN ĐỀ TÀI: SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ VR XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH THAM QUAN PHÒNG THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN: Ths Nguyễn Thị Thanh Ths Nguyễn Duy Long NGƯỜI THỰC HIỆN: Vũ Hữu Tỉnh Lớp: 55KTĐ - TĐH Hoàng Mạnh Hùng Lớp: 55KTĐ - TĐH Hà Nội – Năm 2017 MỤC LỤC Lời mở đầu Hiện nay, với việc học tập lý thuyết kèm chặt chẽ với việc thực hành yêu cầu quan trọng đặt để người học, hay sinh viên tiếp xúc cách trực quan, sâu sắc với mô hình cần thí nghiệm.Vì thế, nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu thiết kế mô hình 3D phòng thí nghiệm kỹ thuật điện, khu nhà học trường Đại học Thủy lợi kèm hiệu ứng giao tiếp thật đem lại cho người sử dụng cảm giác trực tiếp đứng trường Mô hình thể trang web nên người dễ dàng tham quan trực tiếp phòng thí nghiệm kỹ thuật điện trường đại học Thủy Lợi mà không cần cài đặt nhiều Chương I: Tổng quan côn nghệ thực tế ảo (Virtual Reality) Công nghệ thực tế ảo VR *Lịch sử đời VR phát minh mới, mà từ năm 1962 Morton Heilig (người Mỹ) phát minh thiết bị mô SENSORAMA Tuy nhiên nhiều ngành công nghệ khác, VR thực phát triển ứng dụng rộng rãi năm gần nhờ vào phát triển tin học (phần mềm) máy tính (phần cứng) Ngày VR trở thành ngành công nghiệp thị trường VR tăng trưởng hàng năm khoảng 21% dự tính đạt khoảng 3,4 tỷ $ năm 2005 (theo Machover, 2004) Và theo dự đoán Gartner (tổ chức nghiên cứu thị trường toàn cầu), VR đứng đầu danh sách 10 công nghệ chiến lược năm 2009 1) Khái niệm -Thực tế ảo hay gọi thực ảo (tiếng Anh virtual reality, viết tắt VR) thuật ngữ miêu tả môi trường mô máy tính Đa phần môi trường thực ảo chủ yếu hình ảnh hiển thị hình máy tính hay thông qua kính nhìn ba chiều, nhiên vài mô có thêm loại giác quan khác âm hay xúc giác -Thực Tế Ảo hệ thống giao diện cấp cao Người sử dụng Máy tính Hệ thống mô vật tượng theo thời gian thực tương tác với người sử dụng qua tổng hợp kênh cảm giác -Là công nghệ giúp người “cảm nhận” không gian mô cách chân thực nhờ vào loại kính nhìn chiều ( kính thực tế ảo) Môi trường 3D ảo tạo điều khiển hệ thống máy tính cấu hình cao -Đặc biệt, không đơn hiển thị hình ảnh 3D, số hệ thống VR cho phép mô âm mùi chân thực! Đặc tính VR Tương tác (Interactive) Đắm chìm (Immersion) Tuy nhiên, VR không hệ thống tương tác Người - Máy, mà ứng dụng liên quan tới việc giải vấn đề thật kỹ thuật, y học, quân sự, Các ứng dụng phụ thuộc nhiều vào khả tưởng tượng (Imagination) người Do coi VR tổng hợp yếu tố: Tương tác - Đắm chìm - Tưởng tượng (“3I” tiếng Anh: Interactive – Immersion - Imagination) 2) Các thành phần hệ thống VR Một hệ thống VR tổng quát bao gồm thành phần: phần mềm (SW), phần cứng (HW), mạng liên kết, người dùng ứng dụng Trong thành phần quan trọng phần mềm (SW), phần cứng (HW) ứng dụng *Phần cứng Phần cứng VR bao gồm: 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, *Phần mềm (Software) Phần mềm linh hồn VR hệ thống máy tính đại Về mặt nguyên tắc dùng ngôn ngữ lập trình hay phần mềm đồ họa để mô hình hóa (modelling) mô (simulation) đối tượng VR Ví dụ ngôn ngữ (có thể tìm miễn phí) OpenGL, C++, Java3D, VRML, X3D, hay phần mềm thương mại WorldToolKit, PeopleShop, Phần mềm VR phải bảo đảm công dụng chính: Tạo hình vào Mô Các đối tượng VR mô hình hóa nhờ phần mềm hay chuyển sang từ mô hình 3D (thiết kế nhờ phần mềm CAD khác , AutoCAD, 3D Studio, ) Sau phần mềm VR phải có khả mô động học, động lực học, mô ứng xử đối tượng 3) Những đặc tính ưu việt công nghệ thực tế ảo VR Một hệ thống thực tế ảo tính tương tác, đồ họa ba chiều thời gian thực cảm giác đắm chìm xem đặc tính then chốt -Tương tác thời gian thực (real-time interactivity): 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 mô -Cảm giác đắm chìm: hiệu ứng tạo khả tập trung ý cao cách có chọn lọc vào thông tin từ người sử dụng hệ thống thực tế ảo Người sử dụng cảm thấy phần giới ảo, hòa lẫn vào giới VR đẩy cảm giác “thật” nhờ tác động lên kênh cảm giác khác Người dùng nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D, điều khiển (xoay, di chuyển ) đối tượng mà sờ cảm thấy chúng có thật Các nhà nghiên cứu tìm cách tạo cảm giác khác ngửi, nếm giới ảo -Tính tương tác: có hai khía cạnh tính tương tác giới ảo: du hành bên giới động lực học môi trường Sự du hành khả người dùng để di chuyển khắp nơi cách độc lập, bên môi trường thật Nhà phát triển phần mềm thiết lập áp đặt việc truy cập vào khu vực ảo định, cho phép có nhiều mức độ tự khác (Người sử dụng bay, xuyên tường, lại khắp nơi bơi lặn…) Một khía cạnh khác du hành định vị điểm nhìn người dùng Sự kiểm soát điểm nhìn việc người sử dụng tự theo dõi họ từ khoảng cách, việc quan sát cảnh tượng thông qua đôi mắt người khác, di chuyển khắp thiết kế cao ốc thể ngồi ghế đẩy… Động lực học môi trường quy tắc cách thức mà người, vật thứ tương tác với trật tự để trao đổi lượng thông tin Chương II: Ứng dụng công nghệ Thực tế ảo VR Tại nước phát triển, nhận thấy VR ứng dụng lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch, địa ốc… đáp ứng nhu cầu: Nghiên cứu- Giáo dụcThương mại-dịch vụ Y học, du lịch lĩnh vực ứng dụng truyền thống VR Bên cạnh VR ứng dụng giáo dục, nghệ thuật, giải trí, du lịch ảo (Virtual Tour), bất động sản… 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: giả lập môi trường game, tương tác ảo Khi đeo loại kính thực tế ảo, game thủ thấy hòa vào giới không gian 3D với góc nhìn rộng lên tới 110 độ, thật nhiều so với ngồi trước hình máy tính với góc nhìn 45 độ Bạn cảm thấy choáng ngợp đặc biệt chơi game nhập vai hay FPS Ứng dụng quân Ứng dụng môi trường thực tế ảo để huấn luyện quân đội Chương trình huấn luyện quân đội hãng Cubic cho phép người lính tự di chuyển môi trường thực tế ảo 360 độ Thông qua kính đeo trước mắt, họ nhìn tương tác với cảnh vật xung quang môi trường ảo để di chuyển tập luyện không bị bó buộc phải đứng chỗ hệ thống huấn luyện ảo trước đây, thường phải thông qua máy chiếu tập luyện hình kích thước lớn Với hệ thống này, người lính tự di chuyển môi trường thực tế ảo COMBATREDI chủ yếu bao gồm kính đeo đầu dùng để chiếu hình ảnh độ phân giải cao môi trường thực tế ảo chiều cung cấp tầm nhìn 360 độ, tai nghe stereo để giả lập âm môi trường ảo đó, súng không dây đeo ống nhòm giả lập hình ảnh quan trọng hết “bộ não” gồm máy tính nhỏ gọn đeo lưng người lính, chứa vi xử lý Intel Core Duo, GB RAM DDR2 ổ cứng để tạo nên môi trường giả lập cho người lính Chưa hết, cảm biến bên COMBATREDI có khả nhận biết trạng thái người lính đứng yên, di chuyển hay quỳ gối, nằm xuống… để từ thay đổi tầm nhìn mắt kính cho phù hợp Tuy sử dụng súng trường giả lập buộc người lính phải thao tác lựa chọn chế độ bắn thay băng đạn hết bạn để nâng cao tính thực tế hệ thống huấn luyện Ứng dụng khoa học – kỹ thuật Với trợ giúp thực ảo, ngày nay, người xem hình ảnh trực quan thiết bị cần sản xuất mà chí người ta có khả sử dụng hay thay đổi chi tiết thiết bị Việc nhằm giúp cho nhà khoa học kỹ sư thuận lợi việc tạo sản phẩm hợp ý muốn mà không cần tốn nhiều chi phí Ứng dụng y tế Trong y học ứng dụng công nghệ thực tế ảo VR lớn, dùng hầu hết lĩnh vực y tế phẫu thuật, phân tích tâm lý, điều trị chứng sợ hãi, hay đào tạo nhận thức cho trẻ em bị tự kỉ,….Các lixh vực cụ thể sau: *Điều trị tiếp xúc Đây cách điều trị áp dụng với bệnh nhân có ám ảnh tâm lý Ví bác sĩ tâm thần học thuộc đại học Louisville sử dụng VR để giúp bệnh nhân vượt qua nỗi sợ hãi nhìn thấy vật thể bay chứng sợ nơi tù túng, chật hẹp VR mô lại môi trường chứa nỗi sợ hãi bệnh nhân Qua đó, bệnh nhân phải học cách đối mặt làm quen dần với nỗi sợ hãi theo mức độ tăng dần Ngoài ra, với môi trường giả định vậy, bệnh nhân điều trị hướng dẫn để thực hành cách đối phó với chứng sợ riêng *Kiểm soát đau VR sử dụng để giúp bệnh nhân giảm tập trung vào đau thay cho thuốc giảm đau Ví dụ, với nạn nhân bỏng, đau đớn kéo dài điều tránh khỏi Các bác sĩ Đại học Washington (Mỹ) cho bệnh nhân đeo VR để tập trung vào trò chơi thú vị gọi Thế giới tuyết (SnowWorld) nghe nhạc có tác dụng làm họ giảm tập trung vào đau cách áp đảo giác quan cản trở việc não cảm nhận đau Điều giúp ích nhiều cho việc chăm sóc vết thương, vật lý trị liệu Cụ thể, năm 2011, người lính bị bỏng vụ nổ IED giảm đau cách sử dụng SnowWorld tốt so với morphine *Đào tạo phẫu thuật 3.3.6 TouchSensor Nút cảm biến có va chạm vào vật thể, sử dụng để mô tả tương tác người dùng với vật thể giới, nút thường dùng nhóm vật thể để người dùng kích chuột rê chuột lên vật thể nhóm tạo kiện Nút có thuộc tính enabled để xác định tình trạng hoạt động cảm biến thông thường không cần giá trị cho thuộc tính mặc định có hoạt động (TRUE) Ví dụ: TouchSensor { enabled TRUE } Các kiện đầu ra: isOver: gửi trả giá trị TRUE / FALSE trỏ / vùng vật thể isActive: gửi trả giá trị TRUE / FALSE trỏ nhấn / nhả vùng vật thể touchTime: đưa giá trị thời gian hành có kiện xảy hitPoint_changed: trả vị trí 3D trỏ hitNormal_changed hitTextCoord_changed: trả vectơ hướng vật thể kết cấu bề mặt vật thể vị trí trỏ 3.3.7 TimeSensor Nút TimeSensor cảm biến cho phép điều khiển thời gian bắt đầu kết thúc Nút giống đồng hồ tạo kiện, kích hoạt tạo chuỗi kiện liên tục theo thời gian, đồng hồ chạy dừng thời điểm xác định Ví dụ: TimeSensor { cycleInterval 1.0 enabled TRUE loop FALSE startTime stopTime } Các thuộc tính: cycleInterval: xác định số giây tạo kiện, ví dụ có giá trị 1.0 tạo kiện liên tiếp giây enabled: xác định trạng thái hoạt động cảm biến loop: xác định có lặp hay không startTime: thời gian bắt đầu chạy stopTime: thời gian kết thúc chạy Các kiện đầu vào: set_startTime: thiết lập lại thời gian bắt đầu chạy set_stopTime: thiết lập lại thời gian kết thúc chạy set_enabled: thiết lập lại trạng thái hoạt động Các kiện đầu ra: fraction_changed: (sự kiện có sử dụng cycleInterval) trả giá trị nằm khoảng (0, 1) đại diện cho phần thời gian cycleInterval trôi qua isActive: trả giá trị TRUE đồng hồ chạy FALSE đồng hồ dừng lại 3.4 Giới thiệu phần mềm đồ họa 3D Sketchup SketchUp phần mềm mô hình hóa 3D, dành cho kiến trúc sư, kỹ sư, nhà phát triển trò chơi điện tử, đạo diễn điện ảnh ngành nghề có liên quan Phần mềm khởi đầu phát triển công ty @Last Software, có trụ sở Boulder, Colorado, Mỹ Phần mềm bật công cụ diễn tả ý tưởng đơn giản, nhanh gọn với giao diện đồ họa cho người sử dụng Một vài đặc điểm bật: Không cần phần cứng mạnh phần mềm mô hình hóa khác 3D Max, FormZ, Maya Hệ thống giao diện với trỏ đồ họa thông minh cho phép người sử dụng dựng hình vẽ ba chiều không gian hai chiều hình Các mặt, diện (face) định nghĩa đơn giản dựa miền khép kín Tạo khối đơn giản nhanh gọn công cụ "kéo-đẩy" (push-pull tool) Công cụ chỉnh sửa khối (extrude - widen) tạo khối theo đường sinh cho trước (follow me tool) Khả cho phép mô phỏng, hiệu chỉnh góc chiếu mặt trời vào tất thời điểm năm bao quát góc nhìn cho hiệu gần tức thời Bản vẽ kết xuất (render) tốc độ cao dựa tốt giản hệ mô hình đa giác thấp (low-poly), có phong cách trình bày độc đáo Khả giao tiếp rộng rãi với phần mềm mô hình khác Có thể kết hợp với trình kết xuất (Renderer) hình ảnh tốt (etc IRender, Podium, Indigo, Kerkythea ) Phiên SketchUp phát hành đầu năm 2001 với mục đích tạo đối tượng ba chiều đơn giản, nhiên SketchUp sớm tìm vị trí thị trường kiến trúc thiết kết, sau có vài sửa đổi nhỏ để phù hợp với đặc điểm ngành chuyên môn Chìa khóa định cho thành công phần mềm nằm độ nhận biết đường cong, không sâu phần mềm mô hình hóa ba chiều thị trường đem lại tốc độ xử lý nhanh Tuy nhiên điều hạn chế khả mô thực tế SketchUp Một ứng dụng hữu hiệu phần mềm thiết kế mẫu nhà Sau thiết kế xong mô hình, người dùng kết hợp sử dụng Google Earth để dán mẫu nhà vừa thiết kế lên hình ảnh khu vực có lô đất đó, để xem phù hợp với toàn cảnh Ngoài ra, người sử dụng chia sẻ thiết kế với người dùng khác thông qua tính 3D warehouse mô hình hoàn thành từ nhà cửa đồ đạc, vật dụng, xe cộ, tượng, cầu Chương IV: Thiết kế chương trình tham quan phòng thí nghiệm Bước 1: Tạo mô hình 3D phòng thí nghiệm kỹ thuật điện sử dụng phần mềm đồ họa 3D Sketchup Hình 1.1: Nhà học B5 gần phòng thí nghiệm Hình 1.2: Mặt trước phòng thí nghiệm Hình 1.3: Phòng thí nghiệm nhìn từ cao Hình 1.4: Không gian phòng thí nghiệm nhìn từ cửa Hình 1.5: Bàn giáo viên bàn học Bước 2: Export file sketchup sang file cortana Sau Export ta file cortana Bước 3: Sử dụng ngôn ngữ lập trình VRML để điều khiển, tương tác với đồ vật, dụng cụ mô hình mô Để tương tác với vật, chúng em sử dụng số mã lệnh : Kỹ thuật sử dụng lại Ngôn ngữ VRML hỗ trợ đối tượng hình học như: hình hộp, hình cầu, hình trụ,… đến đối tượng hình học phức tạp như: khung bề mặt không gian,… Vì thế, nhờ vào việc sử đối tượng hình học ta dễ dàng xây toàn khung tòa nhà Tuy nhiên sử dụng lập lập lại đối tượng hình học giống gây việc lãng phí tài nguyên lưu trữ làm chậm tiến trình tải cảnh giới ảo Vì ứng dụng sử dụng tối đa kỹ thuật sử dụng lại Ví dụ: Sử dụng nút Inline: để xây dựng tòa nhà cần nhiều cửa sổ, cần xây dựng cửa sổ lần lưu vào file “cuaso2canh.wrl” Khi sử dụng, vị trí mới, ta cần dùng nút Inline để gọi lại sau: Transform { translation 86.2 10.02 2.8 children [ Inline {url “cuaso2canh.wrl”} ] } Sử dụng DEF: tòa nhà sử dụng số trụ, ta dùng hàm DEF để định nghĩa trụ, sau sử dụng ta gọi vị trí DEF Tru60 Transform { translation 15 children [ Shape { appearance Appearance { material Material { diffuseColor 1 0.8888 } } geometry Box { size 30 } } ] } Transform { translation 108.9 30 0.1125 rotation 0 -3.142 children [ USE Tru60 ] } Sử dụng cảm biến Để ứng dụng trông thực hơn, khả cho phép người dùng quan sát, ứng dụng cho phép người dùng thao tác, điều khiển vật thể tòa nhà việc: đóng mở cửa, bật tắt đèn, sử dụng thang máy,… Để làm điều bắt buộc phải sử dụng cảm biến hỗ trợ VRML Dùng cảm biến rê chuột để tạo hiệu ứng đóng mở cửa tay Ví dụ: Transform { children [ DEF SENSOR1 CylinderSensor { enabled FALSE minAngle -1.57 maxAngle 1.57 } USE Canhtrai ] ROUTE SENSOR1.rotation_changed TO Canhtrai.rotation } Trong ứng dụng có nhiều hiệu ứng tương tác với người dùng việc người dùng kích chuột vào loại cửa cánh bên tòa nhà, hiệu ứng không đơn sử dụng cảm biến mà kết hợp cảm biến khác với nút nội suy (Interpolators nodes) để tạo hoạt cảnh cánh cửa dần mở Ví dụ: Transform { children [ DEF sensor TouchSensor {enabled TRUE} USE cua DEF DoorSense ProximitySensor { center -10 10 size 20 20 40 } ] } DEF OpenClock TimeSensor { enabled FALSE cycleInterval loop FALSE startTime 0.0 stopTime } DEF DoorOpen OrientationInterpolator { key [ 0.0, 1.0 ] keyValue [ 0, 1.8] } ROUTE DoorSense.isActive TO sensor.enabled ROUTE sensor.touchTime TO OpenClock.startTime ROUTE OpenClock.fraction_changed TO DoorOpen.set_fraction ROUTE DoorOpen.value_changed TO cua.rotation Nhúng mã Script Hiệu ứng nói thực công việc mở cửa làm công việc ngược lại Bởi cảm biến VRML hiểu người dùng muốn đóng cửa hay mở cửa mà hiểu việc kích chuột vào vật thể không Vì vậy, để tạo linh hoạt đa cho cảm biến việc nhúng mã script vào tập tin VRML cần thiết Ví dụ: Transform { children [ DEF sensor TouchSensor {enabled TRUE} USE cua DEF DoorSense ProximitySensor { center -10 10 size 20 20 40 } ] } DEF OpenClock TimeSensor { enabled FALSE cycleInterval loop FALSE startTime 0.0 stopTime } DEF CloseClock TimeSensor { enabled FALSE cycleInterval loop FALSE startTime 0.0 stopTime } DEF DoorOpen OrientationInterpolator { key [ 0.0, 1.0 ] keyValue [ 0, 1.8] } DEF DoorClose OrientationInterpolator { key [ 0.0, 1.0 ] keyValue [ 1.8, 0] } DEF ma Script { eventIn SFBool turnOn eventOut SFBool On eventOut SFBool Off field SFBool turn FALSE url “javascript: function turnOn(val){ if(val){ turn = !turn; if(turn) { On= TRUE; Off=FALSE; } else { On=FALSE; Off=TRUE; } } } “ } ROUTE DoorSense.isActive TO sensor.enabled ROUTE sensor.isActive TO ma.turnOn ROUTE ma.On TO OpenClock.enabled ROUTE ma.Off TO CloseClock.enabled ROUTE sensor.touchTime TO OpenClock.startTime ROUTE sensor.touchTime TO CloseClock.startTime ROUTE OpenClock.fraction_changed TO DoorOpen.set_fraction ROUTE CloseClock.fraction_changed TO DoorClose.set_fraction ROUTE DoorOpen.value_changed TO cua.rotation ROUTE DoorClose.value_changed TO cua.rotation Kết Luận Bằng việc sử dụng công cụ Sketchup, ngôn ngữ lập trình VRML, nhóm nghiên cứu xây dựng mô hình thăm quan phòng thí nghiệm kỹ thuật điện Quá trình thực mô mô phòng thí nghiệm kỹ thuật điện tương đối trực quan Giúp cho sinh viên dễ dàng tìm hiểu học từ việc quan sát thí nghiệm không gian ảo chiều Vì thế, ứng dụng công nghệ để mô học nội dung thí nghiệm để bạn sinh viên làm quen trước thí nghiệm để tránh xảy sai xót không đáng có dễ dàng xem lại cần ôn tập ... thí nghiệm Bước 1: Tạo mô hình 3D phòng thí nghiệm kỹ thuật điện sử dụng phần mềm đồ họa 3D Sketchup Hình 1.1: Nhà học B5 gần phòng thí nghiệm Hình 1.2: Mặt trước phòng thí nghiệm Hình 1.3: Phòng. .. ảo có nhìn cụ thể phòng thí nghiệm, từ giúp bạn sinh viên nắm rõ phòng thí nghiệm học tham gia thí nghiệm Để tương tác với chi tiết, đồ vật mô hình mô chúng em sử dụng ngôn ngữ VRML để điều khiển... người sử dụng chia sẻ thiết kế với người dùng khác thông qua tính 3D warehouse mô hình hoàn thành từ nhà cửa đồ đạc, vật dụng, xe cộ, tượng, cầu Chương IV: Thiết kế chương trình tham quan phòng thí