Tài liệu Mô phỏng hiệu ứng lửa và ứng dụng trong giáo dục

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG QUẢN THỊ VUI MÔ PHỎNG HIỆU ỨNG LỬA VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIÁO DỤC Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn THÁI NGUYÊN - 2013 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do tôi tự sưu tầm, tra cứu và sắp xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu của đề tài. Nội dung luận văn này chưa từng được công bố hay xuất bản dưới bất kỳ hình thức nào và cũng không được sao chép từ bất kỳ một công trình nghiên cứu nào. Tất cả phần mã nguồn của chương trình đều do tôi tự thiết kế và xây dựng, trong đó có sử dụng một số thư viện chuẩn và các thuật toán được các tác giả xuất bản công khai và miễn phí trên mạng Internet. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày 15 tháng 9 năm 2013 Tác giả luận văn Quản Thị Vui Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại lớp Cao học khóa 10 chuyên ngành Khoa học máy tính Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông - Đại học Thái Nguyên, tôi đã nhận được rất nhiều sự chỉ bảo, dìu dắt, giảng dạy nhiệt tình của các thầy, cô giáo Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông - Đại học Thái Nguyên và Viện công nghệ thông tin Việt Nam. Các thầy cô giáo đã luôn giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình công tác cũng như học tập. Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy, cô giáo trong Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông - Đại học Thái Nguyên, các thầy cô giáo trong Viện công nghệ thông tin Việt Nam. Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Đỗ Năng Toàn đã cho tôi nhiều ý kiến đóng góp quý báu, đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp và người thân đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn. Quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi các thiếu sót, rất mong tiếp tục nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, các cô giáo, các bạn đồng nghiệp đối với đề tài nghiên cứu của tôi để đề tài được hoàn thiện hơn. Tôi xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 15 tháng 9 năm 2013 Tác giả luận văn Quản Thị Vui Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii MỤC LỤC ....................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................. v DANH MỤC HÌNH ẢNH .............................................................................. vi MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 Chƣơng 1. KHÁI QUÁT THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG LỬA............. 3 1.1. Khái quát thực tại ảo và ứng dụng ............................................................. 3 1.1.1. Khái niệm Thực tại ảo ............................................................................. 3 1.1.2. Lịch sử phát triển..................................................................................... 4 1.1.3. Các đặc tính chính của Thực tại ảo ......................................................... 7 1.1.4. Các thành phần của một hệ thống Thực tại ảo ........................................ 8 1.1.5. Các thiết bị cơ bản của hệ thống Thực tại ảo .......................................... 9 1.1.6. Ứng dụng của Thực tại ảo ..................................................................... 12 1.2. Mô phỏng lửa và ý nghĩa ......................................................................... 13 1.2.1. Mô phỏng lửa ........................................................................................ 13 1.2.4. Ý nghĩa của mô phỏng lửa .................................................................... 14 1.3. Mô phỏng lửa trong giáo dục ................................................................... 15 1.3.1. Sách giáo khoa phổ thông ..................................................................... 16 1.3.2. Giáo trình trong các trường chuyên nghiệp, dạy nghề .......................... 18 Chƣơng 2. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG LỬA ...................... 19 2.1. Mô phỏng lửa bằng phương pháp Physically-based ................................ 19 2.1.1. Kỹ thuật mô phỏng Physically-based ................................................... 19 2.1.2. Mô hình mô phỏng hiệu ứng lửa bằng phương pháp Physically-based 21 2.1.3. Cơ sở vật lý ........................................................................................... 23 2.1.4. Phương pháp mô phỏng ........................................................................ 24 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ iv 2.1.5. Thực hiện............................................................................................... 30 2.2. Phương pháp Particle-based ..................................................................... 41 2.2.1. Kỹ thuật mô phỏng Particle-based ........................................................ 41 2.2.2. Mô hình mô phỏng hiệu ứng lửa bằng phương pháp Particle-based .... 43 2.2.3. Bối cảnh................................................................................................. 46 2.2.4. Phương pháp mô phỏng ........................................................................ 48 2.2.5. Phương pháp dựng hình ........................................................................ 56 Chƣơng 3. CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM ......................................... 61 3.1. Bài toán .................................................................................................... 61 3.2. Phân tích thiết kế và lựa chọn công cụ..................................................... 62 3.2.1. Xây dựng mô hình mô phỏng ............................................................... 62 3.2.2. Điều khiển mô hình bằng ngôn ngữ lập trình ....................................... 63 3.3. Một số kết quả chương trình .................................................................... 63 KẾT LUẬN .................................................................................................... 66 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN .. 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 69 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Một số thí nghiệm về lửa môn khoa học lớp 4 ............................... 16 Bảng 1.2: Một số thí nghiệm về lửa môn vật lý lớp 6 .................................... 17 Bảng 1.3: Một số thí nghiệm về lửa trong giáo trình lý thuyết cháy .............. 18 Bảng 2.1: Thống kê mô phỏng ........................................................................ 60 Bảng 2.2: Các thông số mô phỏng .................................................................. 60 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 3D .................. 3 Hình 1.2. Từ ảo đến thực................................................................................... 4 Hình 1.3. Morton L. Heilig và Thiết bị mô phỏng Sensorrama-1960 .............. 5 Hình 1.4. Ivan Sutherland và Thiết bị mô phỏng HMD-1970 .......................... 5 Hình 1.5. Myron Kreuger và Thiết bị VIDEOPLACE-1970 ............................ 6 Hình 1.6. Scott Fisher, McGreevy và Thiết bị HMD-1984 của NASA............ 6 Hình 1.7. Đặc tính cơ bản của một hệ thống thực tại ảo ................................... 8 Hình 1.8. Các thành phần một hệ thống VR ..................................................... 8 Hình 1.9. DataGloves ........................................................................................ 9 Hình 1.10. 3D Mouse và SpaceBall ................................................................ 10 Hình 1.11. Mouse ............................................................................................ 10 Hình 1.12. Shutter glasses ............................................................................... 10 Hình 1.13. Head-Mounted Displays ............................................................... 10 Hình 1.14. Cave ............................................................................................... 11 Hình 1.15. CyberTouch ................................................................................... 12 Hình 1.16. CyberGrasp ................................................................................... 12 Hình 1.17. Ngọn lửa ........................................................................................ 14 Hình 1.18. Mô phỏng các loại đèn dùng đun nóng ở phòng thí nghiệm ........ 15 Hình 2.1: Mô hình ngọn lửa khí hỗn loạn của súng phun lửa ........................ 22 Hình 2.2: Nhiệt độ ngọn lửa cho một chất rắn (hoặc khí) nhiên liệu ............. 25 Hình 2.3: Hút thuốc cùng với ngọn lửa khí .................................................... 25 Hình 2.4: Khu vực phản ứng lõi màu xanh ngọn lửa tốc độ S ....................... 26 Hình 2.5: Khu vực màu xanh ngọn lửa trộn so với ngọn lửa khuếch tán ....... 27 Hình 2.6: Đường dẫn cong do sự mở rộng của các khí như phản ứng ........... 27 Hình 2.7: So sánh hình dạng ngọn lửa của việc mở rộng khí ......................... 28 Hình 2.8: Hai bản ghi sử dụng để phát ra nhiên liệu. ..................................... 30 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ vii Hình 2.9: Một quả bóng kim loại đi qua và tương tác với ngọn lửa khí ........ 38 Hình 2.10: Một quả bóng dễ cháy đi qua ngọn lửa khí và bắt lửa .................. 39 Hình 2.11: Vụ nổ bên cạnh bức tường ............................................................ 44 Hình 2.12: Sơ đồ vòng đời của hạt.................................................................. 51 Hình 2.13: Minh họa kết quả bơm chất lỏng .................................................. 52 Hình 2.14: Một loạt các ảnh một vụ nổ duy nhất trên mặt phẳng vô hạn ....... 55 Hình 2.15: So sánh side-by-side của kết quả mô phỏng ................................. 56 Hình 2.16: Một góc nhìn từ trên xuống của nổ mìn trong hình 2.15 .............. 56 Hình 2.17: Hai ví dụ súng phun lửa ................................................................ 57 Hình 2.18: Nhiều vụ nổ trên một mặt phẳng vô hạn. ...................................... 58 Hình 2.19: Vụ nổ dưới một vòm cố định ........................................................ 58 Hình 2.20: Vụ nổ giữa một nhóm các trụ cột cố định ..................................... 59 Hình 2.21. Mặt cắt vụ nổ trong hình 2.17 ....................................................... 59 Hình 3.1: Mô hình toàn cảnh bên ngoài phòng thí nghiệm ............................ 64 Hình 3.2: Mô hình toàn cảnh bên trong phòng thí nghiệm ............................. 64 Hình 3.3: Trạng thái quan sát chính diện với mô hình ................................... 65 Hình 3.4: Trạng thái quan sát vuông góc với mô hình ................................... 65 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 1 MỞ ĐẦU Cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật trong những năm gần đây đã ít nhiều làm thay đổi cuộc sống con người. Có thể nói công nghệ thông tin đã tác động mạnh mẽ đến muôn mặt của đời sống xã hội và hệ thống giáo dục cũng không nằm ngoài tác động đó. Sự phát triển của công nghệ thông tin và kinh tế xã hội đặt ra những yêu cầu mới về mục tiêu, nội dung, phương pháp dạy học. Ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học góp phần nâng cao chất lượng dạy - học là công cụ, là phương tiện để làm cuộc “cách mạng” trong đổi mới phương pháp dạy học. Nhờ sự hỗ trợ của công nghệ thông tin giáo viên và học sinh có thể nâng cao chất lượng dạy học, tăng cường tính tích cực nhận thức cho học sinh. Công nghệ thông tin đã làm tích cực hóa quá trình dạy học, mang đến một luồng sinh khí mới cho hệ thống giáo dục hiện nay. Điển hình của ứng dụng công nghệ thông tin trong giáo dục là sử dụng công nghệ mô phỏng để tái tạo các sự vật, hiện tượng, trong thế giới thực. Thông qua những thí nghiệm, những ví dụ mô tả sát thực, giải thích, minh họa những quá trình, hệ thống, hiệu ứng phức tạp trên máy tính giúp cho người học hứng thú hơn, kiến thức được thể hiện rõ ràng hơn, trực quan hơn, sinh động hơn, đầy đủ hơn. Có rất nhiều môi trường trong thế giới thực cần được mô phỏng, trong đó lửa là một chất liệu phổ biến và quan trọng. Lửa đã được người tiền sử phát hiện ra từ cách đây hàng nghìn năm. Lửa được xem là một trong những phát minh quan trọng nhất của nhân loại. Lửa trở thành nguồn sống của con người, giúp con người thoát khỏi đời sống nguyên sơ. Nhờ đó, lửa vừa là sản vật thiêng liêng, vừa là khởi điểm cho những sinh hoạt văn hóa cộng đồng của người sơ khai… Ngoài duy trì sự sống lửa còn có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực sản xuất, vui chơi giải trí… Có rất nhiều nguồn lửa khác nhau, để đảm bảo cho việc tính toán thiết kế các ứng dụng của lửa được chính xác và sử dụng có hiệu quả vào cuộc Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 2 sống việc mô phỏng những ứng dụng của lửa trước khi đưa ra ứng dụng là vô cùng quan trọng. Việc kiểm duyệt các thiết kế, các dự án liên quan khi đưa vào thực hiện nhằm giảm thiểu các rủi ro do lửa gây ra. Ứng dụng mô phỏng lửa trong giáo dục, đặc biệt là trong các trường phổ thông, trường công nghiệp, trường nghề đào tạo về chế tạo máy, cơ khí động lực, công nghệ nhiệt lạnh… các mô phỏng về lửa với các đối tượng khác hay các đối tượng lửa với nhau sẽ giúp cho học sinh có một cái nhìn trực quan hơn, tiếp thu bài dễ hơn. Vì vậy, tôi đã chọn đề tài: "Mô phỏng hiệu ứng lửa và ứng dụng trong giáo dục" để làm luận văn tốt nghiệp. Cấu trúc của luận văn gồm: Phần mở đầu, phần kết luận và 3 chương nội dung, cụ thể: Chƣơng 1: Khái quát thực tại ảo và mô phỏng lửa Trong chương này em giới thiệu chung về thực tại ảo, các ứng dụng cơ bản của thực tại ảo và giới thiệu về bài toán mô phỏng lửa trong thực tại ảo. Chƣơng 2: Một số phƣơng pháp mô phỏng lửa Trong chương này em trình bày các kỹ thuật mô phỏng lửa, gồm 2 phương pháp cơ bản là phương pháp physically-based và phương pháp particle-based. Chƣơng 3: Chƣơng trình thử nghiệm Chương này thể hiện chương trình mô phỏng bài toán mô phỏng lửa trong thực tại ảo. Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 3 Chƣơng 1 KHÁI QUÁT THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG LỬA 1.1. Khái quát thực tại ảo và ứng dụng 1.1.1. Khái niệm Thực tại ảo Thực tại ảo (tiếng Anh là virtual reality, viết tắt là VR) là thuật ngữ miêu tả một môi trường mô phỏng bằng máy tính. Đa phần các môi trường thực tại ảo chủ yếu là hình ảnh hiển thị trên màn hình máy tính hay thông qua kính nhìn ba chiều, tuy nhiên một vài mô phỏng cũng có thêm các loại giác quan khác khác như âm thanh hay xúc giác. Thực tại ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện phát triển mạnh trong vòng vài năm trở lại đây, đang trở thành một ngành công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực y tế, giáo dục, kiến trúc, quân sự, du lịch, giải trí,… Nhiều bài báo, chương trình giới thiệu TV, hội thảo,... đã miêu tả VR theo nhiều cách khác nhau. Hiện nay, có nhiều định nghĩa về Thực tại ảo, một trong các định nghĩa được chấp nhận rộng rãi là của C.Burdea và P.Coiffet thì có thể hiểu Thực tại ảo tương đối chính xác như sau: VR-Thực tại 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 có tương tác với người sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác (ngũ giác) gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác và vị giác [6]. Hình 1.1. Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 3D Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 4 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 thị giác, thính giác, xúc giác của người sử dụng trong thời gian thực làm người sử dụng có cảm giác như đang tồn tại trong một thế giới thực [6]. Hình 1.2. Từ ảo đến thực 1.1.2. Lịch sử phát triển Mặc dù thực tại ảo được mô tả như một công nghệ mới mang tính cách mạng, nhưng ý tưởng về việc nhúng người sử dụng vào một môi trường nhân tạo đã ra đời từ rất sớm. Thuật ngữ “Thực tại ảo” mới được quan tâm trong một vài năm gần đây xong nó lại có lịch sử từ khá lâu. Cách đây khoảng gần 40 năm một nhà làm phim có tên là Morton Heilig (1926-1997) người Mỹ đã đưa ra ý tưởng hệ thống mô phỏng bay (Flight Simulation) là tại sao không đưa con người bước sang một thế giới khác. Sử dụng hệ thống này người quan sát có cảm giác ảnh đang sống động ngay trước mắt mình. Do không có sự hỗ trợ về tài chính Heilig không thể hoàn thành ước mơ của mình, xong ông cũng đã tạo ra được một thiết bị mô phỏng gọi là "Sensorrama Simulator", thiết bị này được công bố vào khoảng đầu những năm 1960. Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 5 Hình 1.3. Morton L. Heilig và Thiết bị mô phỏng Sensorrama-1960 Thiết bị mô phỏng Sensorrama sử dụng hình ảnh 3D, thu được từ camera 35mm kết hợp thành một camera chính. Bao gồm một hệ thống âm thanh kết hợp với những cảnh quay 3 chiều thực sự. Người nhìn có thể cưỡi một cái xe máy, có thể cảm thấy gió khi chuyển động, thậm chí họ có thể cảm thấy những đoạn đường có ổ gà. Mặc dù đây còn là một cái máy đơn giản, thô sơ xong nó đã mở ra nhiều ý tưởng nghiên cứu mới chưa từng có trên thế giới. Năm 1966 Ivan Sutherland (1938) một sinh viên tốt nghiệp Trường Utah tiếp tục nghiên cứu vấn đề Heilig đã bỏ dở. Sutherland cho rằng cảnh quay tương tự không đáp ứng được yêu cầu thực tế. Anh bắt đầu ý tưởng của một bộ tăng tốc đồ hoạ và đã chế tạo được hệ thống thiết bị Hiển thị đội đầu (Head Mounted Display-HMD) có thể kết nối tới máy tính. Năm 1970, Sutherland tiếp tục phát triển phần cứng của HMD tại trường đại học Utah, làm cho nó hoàn thiện hơn có màn hình là màn hình màu. Sử dụng hiển thị này, một người có thể thấy một thế giới ảo hiện ra như thế giới vật lý thật. Bao gồm: Một thế giới ảo mà ta có thể quan sát thông qua một HMD; một máy tính để duy trì các mô hình trong thời gian thực; Các khả năng cho người sử dụng để thao tác những đối tượng thực tế một cách trực quan nhất. Hình 1.4. Ivan Sutherland và Thiết bị mô phỏng HMD-1970 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 6 Cũng trong khoảng thời gian này Myron Kreuger (1942) đã phát triển một thiết bị có tên VIDEOPLACE. Thiết bị này sử dụng một màn hình lớn đối diện với người dùng. Trên màn hình hiển thị cái bóng người dùng. Hệ thống cũng có khả năng hiển thị nhiều người sử dụng trên cùng một màn hình. Hình 1.5. Myron Kreuger và Thiết bị VIDEOPLACE-1970 Những ý tưởng này được hai nhà khoa học Mỹ ở NASA là Scott Fisher (1963) và McGreevy (1957) kết hợp lại trong một dự án có tên là “Trạm làm việc ảo” (Visual Workstation) vào năm 1984. Cũng từ đó NASA phát triển thiết bị Hiển thị đội đầu có tính thương mại đầu tiên, thiết kế dựa trên mẫu hình mặt nạ lặn với các màn hình quang học mà ảnh được cung cấp bởi hai thiết bị truyền hình cầm tay Sony Watchman. Sự phát triển của thiết bị này đã thành công ngoài dự đoán, bởi NASA đã sản xuất được một thiết bị HMD có giá chấp nhận được trên thị trường và như vậy ngành công nghiệp Thực tại ảo đã ra đời. Hình 1.6. Scott Fisher, McGreevy và Thiết bị HMD-1984 của NASA Công nghệ Thực tại ảo từ những năm 90 trở lại đây được phát triển mạnh mẽ và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực như: nghiên cứu và công nghiệp, giáo dục và đào tạo cũng như thương mại, giải trí,... tiềm năng kinh tế, cũng như tính lưỡng dụng trong dân dụng và quân sự của nó [6]. Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 7 1.1.3. Các đặc tính chính của Thực tại ảo VR là một hệ thống mô phỏng trong đó đồ họa máy tính được sử dụng để tạo ra một thế giới "như thật". 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 thiết bị hiện đại để xây dựng một thế giới mô phỏng 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 và bị thu hút bởi sự mô phỏng này. Điều này 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, 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). 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 1 đặc tính thứ 3 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 3 của VR. Do đó có thể coi VR là tổng hợp của 3 yếu tố: Tương tác - Đắm chìm - Tưởng tượng, (3 I : Interactive - Immersion - Imagination). Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 8 Hình 1.7. Đặc tính cơ bản của một hệ thống thực tại ảo 1.1.4. Các thành phần của một hệ thống Thực tại ảo Một hệ thống Thực tại ảo tổng quát bao gồm: Phần mềm (Software), phần cứng (HardWare), mạng liên kết, người dùng và các ứng dụng [6]. Trong luận văn này tôi chỉ tập chung vào phần cứng và phần mềm Hình 1.8. Các thành phần một hệ thống VR Phần cứng (Hardware) Phần cứng của một VR tổng quát 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 gồm có: 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 (data glove). Thiết bị tương tác với máy tính thông qua thiết bị như chuột (SpaceBall), bàn phím,... Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 9 Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm thiết bị hiển thị đồ họa (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,... Phần mềm (Software) Phần mềm luôn là linh hồn của Thực tại ảo 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 cũng phải bảo đảm hai công dụng chính là: Mô hình hóa (modelling) và mô phỏng (simulation) các đối tượng trong 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 hoá từ mô hình 2D thành mô hình 3D nhờ công cụ đặc biệt từ các phần mềm như: Maya, 3D Max,… 1.1.5. Các thiết bị cơ bản của hệ thống Thực tại ảo 1.1.5.1. Thiết bị định hướng và chuyển động DataGloves Thiết bị đo lường bàn tay phải cảm nhận được cả độ cong của các ngón tay và vị trí, sự định hướng của cổ tay trong thời gian thực. Thiết bị thương mại đầu tiên là DataGloves từ viện nghiên cứu VPL. DataGloves bao gồm 1 găng tay nylon nhẹ có các cảm biến quang học được gắn ở các ngón tay. Hình 1.9. DataGloves Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 10 3D Mouse and SpaceBall Hình 1.10. 3D Mouse và SpaceBall Chuột Logitech 3D dựa trên một mảng các vị trí siêu âm tham chiếu, là một cái kiềng gồm 3 loa siêu âm đặt ở 3 góc tam giác phát ra tín hiệu siêu thanh. Nó được sử dụng để theo dõi thiết bị thu, định hướng và chuyển động. Nó quy định thành phần tỷ lệ gửi ra trong tất cả 6 mức tự do: X, Y, Z, Pitch, Yaw và Roll. Hình 1.11. Mouse Shutter glasses Hình 1.12. Shutter glasses Head-Mounted Displays Hình 1.13. Head-Mounted Displays Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 11 Cave CAVE là 1 nhà hát có kích thước 10 X 10 X 9 được đặt bên trong 1 phòng lớn hơn có kích thước 35 X 25 X 13. Phòng bên ngoài phải được chiếu sáng trong suốt quá trình sử dụng CAVE. Các bức tường của CAVE được tạo bởi các màn chiếu và sàn nhà cũng là một màn chiếu thẳng đứng. Máy chiếu độ phân giải cao hiển thị hình ảnh lên toàn bộ nhứng màn ảnh khác bằng các tấm gương phản chiếu. Người dùng sẽ đi vào bên trong CAVE và đeo 1 chiếc kính đặc biệt để có thể nhìn thấy những hình ảnh 3 chiều mà CAVE hiển thị. Với những chiếc kính này người dùng có thể thấy các đối tượng thực sự nổi trong không khí và có thể đi lại xung quanh chúng. Điều này la hoàn toàn khả dĩ với các cảm biến điện tử. Khi một người đi lại trong CAVE, chuyển động của họ được theo dõi bởi các cảm biến này và video sẽ điều chỉnh cho phù hợp. Máy tính sẽ kiểm soát việc này của CAVE cũng như khía cạnh âm thanh. Không chỉ có hình ảnh 3 chiều mà có cả âm thanh 3 chiều nhờ có rất nhiều loa được đặt trong CAVE dưới nhiều góc độ. Hình 1.14. Cave 1.1.5.2. Thiết bị tương tác và phản hồi Các thiết bị này cảm nhận một số nhân tố sau của thiết bị khác gây ra: nhiệt độ, vận tốc di chuyển, sự chuyển động, áp lực và các ngoại lực khác. Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 12 CyberTouch Hình 1.15. CyberTouch CyberGrasp Hình 1.16. CyberGrasp 1.1.6. Ứng dụng của Thực tại ảo Thực tại ảo được ứng dụng trong mọi lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí,…và đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu - Giáo dục thương mại. Y học là lĩnh vưc ứng dụng truyền thống của Thực tại ảo. Bên cạnh đó Thực tại ảo cũng được ứng dụng trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí. Trong lĩnh vực quân sự Thực tại ảo cũng được ứng dụng rất nhiều ở các nước phát triển. Bên cạnh các ứng dụng truyền thống ở trên, cũng có một số ứng dụng mới nổi lên trong thời gian gần đây của Thực tại ảo như: Thực tại ảo ứng dụng trong sản xuất, Thực tại ảo ứng dụng trong ngành rôbốt, Thực tại ảo ứng dụng trong hiển thị thông tin (thăm dò dầu mỏ, hiển thị thông tin khối,...) Thực tại ảo có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn. Nói tóm lại: Mọi lĩnh vực "có thật " trong cuộc sống đều có thể ứng dụng "Thực tại ảo" để nghiên cứu và phát triển hoàn thiện hơn [5]. Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/