Dữ liệu 3D, thực tại ảo trong phát triển mô hình trung tâm tri thức số cho các thư viện Việt Nam

Sự phát triển của công nghệ thông tin, kể cả phần cứng và phần mềm đã đẩy mạnh nhiều lĩnh vực phát triển, trong đó có công nghệ 3D và thực tại ảo. Bài viết này đề cập đến quy trình xây dựng dữ liệu 3D, thực tại ảo một số vấn đề cơ bản trong trong công nghệ 3D, thực tại ảo tại Trung tâm Thông tin thư viện – ĐHQG Hà Nội.

DỮ LIỆU 3D, THỰC TẠI ẢO TRONG PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TRUNG TÂM TRI THỨC SỐ CHO CÁC THƯ VIỆN VIỆT NAM Đỗ Năng Toàn* - Vũ Thị Kim Anh** Tóm tắt: Sự phát triển cơng nghệ thơng tin, kể phần cứng phần mềm đẩy mạnh nhiều lĩnh vực phát triển, có cơng nghệ 3D thực ảo Các công nghệ xem công nghệ chủ chốt cách mạng 4.0 Trong bối cảnh đó, việc hình thành xây dựng liệu thực ảo việc làm cần thiết mơ hình Trung tâm Tri thức số cho thư viện điều kiện Việt Nam Báo cáo đề cập đến quy trình xây dựng liệu 3D, thực ảo số vấn đề trong công nghệ 3D, thực ảo Trung tâm Thông tin thư viện – ĐHQG Hà Nội Từ khóa: Dữ liệu 3D; Công nghệ 3D; Thực ảo GIỚI THIỆU Theo cách truyền thống, việc tương tác với máy tính thực thơng qua thiết bị bàn phím, chuột hay joystick/trackball để cung cấp thông tin đầu vào sử dụng khối hiển thị trực quan (Visual Devices Unit) để nhận thông tin đầu từ hệ thống Với đời hệ thống Thực ảo (Virtual Reality-VR), phương thức giao tiếp phát triển cho phép người sử dụng tương tác cách tích cực với máy tính Có nhiều khái niệm "Thực ảo": Theo John Briggs-The Futurist, Thực ảo không gian ba chiều được máy tính mô phỏng * Phó Giáo sư, Tiến sĩ, Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội ** Thạc sĩ, Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội DỮ LIỆU 3D, THỰC TẠI ẢO TRONG PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH Trung tâm Tri thức số CHO CÁC THƯ VIỆN Việt Nam người có thể chủn động, tương tác mơi trường (Virtual Reality — a three dimensional, computer generated simulation in which one can navigate around, interact with, and be immersed in another environment (John Briggs - The Futurist) Cịn theo Steve Bryson-NASA Ames thực ảo công nghệ sử dụng máy tính để tạo hiệu ứng tương tác đối tượng hữu thế giới ba chiều (Virtual Reality — the use of computer technology to create the effect of an interactive three-dimensional world in which the objects have a sense of spatial presence (Steve Bryson - NASA Ames)) Thực ảo cịn được hiểu cơng nghệ sử dụng kỹ thuật mơ hình hố khơng gian ba chiều với hỗ trợ thiết bị đa phương tiện xây dựng giới mô máy tính – mơi trường ảo (virtual environment) Trong giới ảo này, người sử dụng khơng cịn xem người quan sát bên ngoài, mà thực trở thành phần hệ thống Một cách lý tưởng, người sử dụng tự chuyển động không gian ba chiều, tương tác với vật thể ảo, quan sát khảo cứu giới ảo góc độ khác mặt khơng gian Ngược lại, mơi trường ảo lại có phản ứng tương ứng với hành động người sử dụng, tác động vào giác quan thị giác, thính giác, xúc giác người sử dụng thời gian thực tuân theo quy tắc vật lý tự nhiên, làm có cảm giác tồn giới thực Phần trình bày sớ thiết bị phần cứng, phần mềm hệ thống thực ảo Tiếp quy trình hình thành liệu 3D, thực ảo số vấn đề cần thiết việc phát triển hệ thống thực ảo Phần trình bày số liệu 3D thực ảo thực Trung tâm thông tin Thư viện, ĐHQG Hà Nội Cuối kết luận vấn đề đa dạng liệu mơ hình Trung tâm Tri thức số cho thư viện CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MỘT HỆ THỐNG THỰC TẠI ẢO Cũng giống hệ thống xử lý thơng tin hình ảnh thơng thường Một hệ thống thực ảo gồm hai phần phần 147 148 PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH TRUNG TÂM TRI THỨC SỐ CHO CÁC THƯ VIỆN VIỆT NAM cứng (thiết bị) phần mềm (ngơn ngữ mơ hình hóa, ngơn ngữ lập trình, phần mềm hỗ trợ, Trên sở phần cứng phần mềm, hệ thống thực ảo có thành tố với mối quan hệ mơ tả hình đây: Hình 1: Các thành phần hệ thống thực ảo 2.1 Phần cứng Các hệ thống thực ảo phải xử lý khối lượng lớn thông tin (đa phần thông tin đối tượng 3D tốn nhớ địi hỏi thời gian xử lý thời gian thực), địi hỏi lượng tài ngun nhớ RAM lớn xử lý thiết bị vào có tốc độ cao Vì bắt đầu nghiên cứu từ lâu, xong số năm gần thực ảo có phát triển mở rộng ứng dụng đáng kể Các thiết bị ngoại vi sử dụng lĩnh vực thực ảo ngày đại, đa dạng Ta có thể chia thiết bị ngoại vi thành hai nhóm chính: nhóm thiết bị trợ giúp xây dựng mơ hình hệ thống trình chiếu DỮ LIỆU 3D, THỰC TẠI ẢO TRONG PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH Trung tâm Tri thức số CHO CÁC THƯ VIỆN Việt Nam Hình 2: Một số dạng hiển thị (Nguồn: http://www.esignallearning.com/education/marketmaster/bmcdowel http://www.tvsnob.com) 2.2 Phần mềm 2.2.1 Phần mềm trợ giúp thiết kế mô hình Như giới thiệu phần cứng, thiết bị trợ giúp thiết kế mơ hình chủ yếu máy quét ba chiều Đi kèm với thiết bị này, có phần mềm tương ứng để trợ giúp điều khiển Trong phạm vi tài liệu này, đề cập tới phần mềm kèm theo máy quét QTSculptor Tuy nhiên, thực tế khơng phải mơ hình, đối tượng đưa vào máy quét Số lượng đối tượng cần tạo lập mà không sử dụng đến máy quét nhiều: ví dụ vật thể cần tái tạo, mơ hình kiến trúc…Với đối tượng ta cần có phần mềm chuyên dụng để thiết kế Hiện có nhiều phần mềm trợ giúp q trình thiết kế mơ hình tạo lập đối tượng ba chiều Maya, 3dsMax, Cinema4d… Ở Việt Nam, hai phần mềm sử dụng Maya 3DsMax 2.2.2 Phần mềm trợ giúp lập trình, điều khiển mơi trường ảo Để tạo lập tương quan chuyển động đối tượng môi trường thiết lập ảnh hưởng môi trường lên vật thể, ta cần sử dụng tới công cụ phần mềm trợ giúp lập trình điều khiển mơi trường ảo Một ngơn ngữ lập trình mức thấp thường sử dụng OpenGL 149 150 PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH TRUNG TÂM TRI THỨC SỐ CHO CÁC THƯ VIỆN VIỆT NAM Bên cạnh OpenGL cịn có nhiều phần mềm khác trợ giúp q trình điều khiển mơi trường ảo Các cơng cụ cịn gọi Toolkit Một Toolkit coi thư viện mở cho việc thiết kế chức đối tượng thực ảo Trong đối tượng thiết kế xem thành phần lớp khiến cho trình lập trình trở nên đơn giản 2.3 Ngôn ngữ thực ảo Hiện thực ảo sử dụng rộng rãi, ứng dụng mạng ngày nhiều tổ chức W3C đưa mơ hình chuẩn mạng cho thực ảo mơ hình VRML (Virtual Reality Modeling Language) MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN TRONG PHÁT TRIỂN MỘT HỆ THỐNG THỰC TẠI ẢO 3.1 Quy trình hình thành liệu đa phương tiện liệu thực ảo Việc tạo mơ hình chiều thường thơng qua máy qt chiều phần mềm chuyên dụng Hai phần mềm chuyên dụng phổ biến giới Maya 3DS Max Mỗi phần mềm mạnh riêng, 3Ds max người sử dụng Việt Nam biết đến nhiều thông qua lĩnh vực kiến trúc, xây dựng Dữ liệu đa phương tiện liệu thực ảo thành phần quan trọng hệ thống VR Hình sơ đồ tổng quát cho quy trình hình thành liệu đa phương tiện liệu thực ảo Các bước xây dựng liệu đa phương tiện liệu thực ảo bao gồm: Thu nhận, bước sử dụng thiết bị phần cứng thu nhận trực tiếp hình ảnh hay số đo đối tượng thơng qua máy ảnh, máy quay số thiết bị đo Sử dụng phần mềm chuyên dụng, để chỉnh sửa mơ hình theo phương pháp biểu diễn mơ hình kỹ thuật tạo mơ hình cho phép Export mơ hình, phần mềm chun dụng thường để kết dạng Internal format (định dạng trong) kiết xuất phim (MOV, AVI ) hệ thống thực lại cần dạng liệu DỮ LIỆU 3D, THỰC TẠI ẢO TRONG PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH Trung tâm Tri thức số CHO CÁC THƯ VIỆN Việt Nam đọc tương tác hệ thống tổng thể Các dạng format Export thơng thường VRML Đơn giản hóa, bước nhằm giảm thiểu kích thước mơ hình điều kiện chấp nhận Việc xây dựng mơ hình đơn lẻ với kích thước lớn chấp nhận vài trường hợp, hệ thống thực ảo bao gồm nhiều mơ hình, có tương tác với người sử dụng tương tác với hệ thống, nên đòi hỏi phải gọn nhẹ đến mức Trong hình chúng tơi phần mềm phát triển cơng cụ phần mềm VRSimplification 1.0 Hình Sơ đồ tổng quát quy trình hình thành liệu thực ảo 3.2 Hiển thị điều khiển Từ trước tới nay, để tạo cảm giác thực quan sát ảnh, người ta hay dùng số kỹ thuật chiếu phối cảnh đối tượng, hay tạo bóng đối tượng,… Tuy nhiên, tất các kỹ thuật làm cho người có cảm giác dường cảnh xem thực, người cảm nhận chiều thứ ba đối tượng Hiển thị ba chiều hay gọi hiển thị stereo kỹ thuật biểu diễn đối tượng giới ba chiều lên mặt phẳng hai chiều làm cho người cảm nhận chiều thứ ba Thơng thường, để quan sát hình ảnh stereo cần phải có thiết bị phần cứng hỗ trợ như: card hình hỗ trợ stereo, kính quan sát stereo, thiết bị Emitter truyền tín hiệu từ card hình đến kính quan sát Con người có khả cảm nhận chiều thứ đối tượng có hai mắt để quan sát đối tượng (binocular vision) Do vị trí hai mắt khác nên quan sát đối tượng tạo hai hình ảnh đối tượng chúng bị lệch góc nhỏ, tức vị trí ta quan sát hai góc độ khác đối tượng Có thể 151 152 PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH TRUNG TÂM TRI THỨC SỐ CHO CÁC THƯ VIỆN VIỆT NAM dễ dàng kiểm chứng tín hiệu binocular vision ví dụ đơn giản sau: đặt bàn tay bạn trước mắt 30 cm, sau nhắm mắt lại, kết bạn thấy bàn tay nhảy từ bên trái qua bên phải Hình 4: Quá trình thu nhận ảnh người Như vậy, quan sát đối tượng hai mắt thực tế quan sát hai hình ảnh đối tượng (với chênh lệch nhỏ mà không nhận ra), hai hình ảnh gửi đến não não tổ hợp chúng lại để tạo đối tượng ba chiều (hình 4) Sự khác vị trí điểm nhìn hai mắt gọi binocular disparity hay gọi eye seperation Binocular disparity dạng tín hiệu não hay sử dụng để cảm nhận độ sâu đối tượng việc tổ hợp hai hình ảnh não thực đơn giản Vậy nhắm mắt lại, người cảm nhận độ sâu đối tượng hay không? Khi nhắm mắt lại, người cảm nhận độ sâu đối tượng cách cho đầu chuyển động, đầu chuyển động quan sát góc độ khác đối tượng, dãy liên tiếp hình ảnh (được tạo mắt) gửi đến não, não tổ hợp chúng để tạo chiều thứ ba đối tượng Bắt chước trình thu nhận ảnh người, người ta tạo hình ảnh chiều nguyên lý sau: Thứ nhất, với đối tượng tạo hai hình ảnh cách dùng hai camera để chiếu lên mặt phẳng chiếu, hai hình ảnh lệch góc nhỏ (hình 5) Sau đó, người xem đeo kính stereo để quan sát hình ảnh Kính lọc hình ảnh để mắt nhìn hình ảnh tương ứng DỮ LIỆU 3D, THỰC TẠI ẢO TRONG PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH Trung tâm Tri thức số CHO CÁC THƯ VIỆN Việt Nam Hình 5: Dùng hai camera để tạo hai hình ảnh đối tượng MỘT SỐ DỮ LIỆU 3D, THỰC TẠI ẢO ĐÃ VÀ ĐANG PHÁT TRIỂN TẠI TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN - ĐHQG HÀ NỘI Với kỹ thuật tìm hiểu nghiên cứu trình bày mục 3, xây dựng VR Core, có khả hoạt động với ngơn ngữ mơ hình hóa biến thể tảng ngơn ngữ mơ hình hóa VRML 2.0, hiển thị, điều khiển tương tác với liệu 3D hai chế độ mono stereo, âm 3D tích hợp hệ thống Từ VR Core, xây dựng phần mềm ứng dụng với phần mềm ứng dụng, liệu xây dựng sở quy trình cơng nghệ trình bày mục 3, số liệu 3D, thực ảo xây dựng để đáp ứng nhu cầu học tập ĐHQG Hà Nội: Hình 6: Văn Miếu Quốc Tử Giám sử dụng giảng Nho học Trường Đại học KHXH&NV - ĐHQG Hà Nội 153 154 PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH TRUNG TÂM TRI THỨC SỐ CHO CÁC THƯ VIỆN VIỆT NAM Hình 7: Bảo tàng ảo nhân học bên ngồi Hình 8: Một số gian trưng bày Bảo tàng ảo nhân học Hình 9: Một số hình ảnh Phịng Truyền thống ĐHQG Hà Nội ảo KẾT LUẬN Sự phát triển không ngừng sức mạnh máy tính làm cho số lĩnh vực khó phát triển trước có khả phát triển đạt thành tựu đáng kể Chúng ta kể đến lĩnh vực như: hệ chuyên gia, hệ xử lý thời gian thực v.v… Một lĩnh vực DỮ LIỆU 3D, THỰC TẠI ẢO TRONG PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH Trung tâm Tri thức số CHO CÁC THƯ VIỆN Việt Nam khác cần phải kể đến thực ảo (Virtual Reality) Thực ảo môi trường ba chiều phát sinh, tổng hợp điều khiển thông qua máy vi tính nhằm mục đích mơ lại giới thực giới theo tưởng tượng người Nó cho phép người dùng thơng qua thiết bị ngoại vi tương tác với vật, tượng giới ảo mà tương tác với vật, tượng giới thực Khuynh hướng phát triển thư viện số tiến tới Trung tâm Tri thức số, đáp ứng nhu cầu học tập không ngừng nâng cao trường đại học thực tế tất yếu Việc phát triển loại hình liệu có liệu 3D, thực ảo Trung tâm Tri thức số cần thiết định hướng phát triển Trung tâm Thông tin thư viện - ĐHQG Hà Nội TÀI LIỆU THAM KHẢO Hà Mạnh Toàn, Đỗ Năng Toàn, Trịnh Hiền Anh (2017), “Một kỹ thuật chèn đối tượng ảo quảng cáo trực tuyến”, Kỷ yếu Hội nghị Quốc gia “Nghiên cứu ứng dụng Công nghệ thông tin – FAIR”, Đà Nẵng, 1718/8/2017, tr 511-515 Lê Sơn Thái, Đỗ Năng Tồn, Mã Văn Thu, Nguyễn Thị Bích Điệp (2017), “Một kỹ thuật điều khiển động tác người thực ảo ứng dụng diễn hoạ ngôn ngữ ký hiệu Việt Nam”, Kỷ yếu Hội nghị quốc gia “Nghiên cứu ứng dụng Công nghệ thông tin – FAIR”, Đà Nẵng, tr 17-18/8/2017, tr 516-525 Mã Văn Thu, Đỗ Năng Toàn, Lê Sơn Thái, Đỗ Hồng Quân (2017), “Một kỹ thuật rút gọn bề mặt lưới mơ hình 3D ứng dụng thực ảo”, Kỷ yếu Hội nghị quốc gia “Nghiên cứu ứng dụng Công nghệ thông tin – FAIR”, Đà Nẵng, 17-18/8/2017, tr 526-534 Nong Minh Ngoc, Do Nang Toan (2017), A Collision Avoidance Algorithm Based on Elastic Strips Using Bounding Volume (BV), Proceedings of the International conference of Science, Engineering and technology, Kuala Lumpur, Malaysia, Aug 24-25, 2017, pp 2280-2284 Do Nang Toan, Huynh Cao Tuan, Ha Manh Toan (2018), “A novel selection model of random features for the estimation of facial expression”, International journal of Advanced and applied sciences, Volume 5, Issue 6, pp 56-60 155 PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH TRUNG TÂM TRI THỨC SỐ CHO CÁC THƯ VIỆN VIỆT NAM 156 Huỳnh Cao Tuấn, Đỗ Năng Toàn, Hà Mạnh Toàn (2018), “Một tiếp cận xác định tập điểm điều khiển phục vụ nắn chỉnh biến dạng mơ hình”, Kỷ yếu Hội nghị quốc gia “Nghiên cứu ứng dụng Công nghệ thông tin – FAIR”, Hà Nội, 9-10/8/2018 The-Anh Pham, Nang-Toan Do (2019), “Embedding hierarchical clustering in product quantization for feature indexing”, Multimedia Tools and Applications An International Journal, ISSN 1380-7501, Volume 78, Number 8, pp 9991–10012, https://doi.org/10.1007/s11042-018-6626-9 Huynh Cao Tuan, Do Nang Toan, Lam Thanh Hien, Thanh-Lam Nguyen (2019), “An innovative approach to automatically identify control point set for model deformation rectification”, International journal of Advanced and applied sciences, Volume 6, Issue 8, pp 45-52 Đề tài cấp Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam (2007), Ứng dụng công nghệ thực ảo (Virtual Reality-VR) bảo tàng di sản 10 Đề tài cấp Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam (2012), Nghiên cứu, phát triển hệ thống mô phận thể người phục vụ cho việc giảng dạy tra cứu 11 Đề tài cấp Bộ Giáo dục Đào tạo (2017), Nghiên cứu, phát triển hệ thống Atlas giải phẫu 3D xương người dựa kỹ thuật gán nhãn tự động 12 Đề tài cấp Bộ Giáo dục Đào tạo (2020), Mô ảnh hưởng môi trường lên biểu diễn bề mặt đối tượng ba chiều trưng bày ảo