Tài liệu Kỹ thuật photon mapping trong sinh ảnh và ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Vũ Phú Cƣờng KỸ THUẬT PHOTON MAPPING TRONG SINH ẢNH VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Vũ Phú Cƣờng KỸ THUẬT PHOTON MAPPING TRONG SINH ẢNH VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 604801 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Nguyễn Thị Hồng Minh Thái Nguyên - 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do tôi tự sƣu tầm, tra cứu và sắp xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu của đề tài. Nội dung luận văn này chƣa từng đƣợc công bố hay xuất bản dƣới bất kỳ hình thức nào và cũng không đƣợc sao chép từ bất kỳ một công trình nghiên cứu nào. Phần mã nguồn của chƣơng trình sử dụng một số thƣ viện chuẩn và các thuật toán và bản demo đƣợc các tác giả xuất bản công khai và miễn phí trên mạng Internet. Nếu sai tôi xin tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày 15 tháng 10 năm 2010 Ngƣời cam đoan Vũ Phú Cƣờng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình luận văn tốt nghiệp em đã gặp rất nhiều vấn đề phức tạp, khó xử lý do đề tài mà em nghiên cứu là khá mới. Nhƣng đƣợc sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô và các bạn luận văn của em đã hoàn thành đúng thời hạn và đạt đƣợc kết quả tốt. Lời đầu tiên em xin đƣợc trân thành cảm ơn sự giúp đỡ quí báu, sự hƣớng dẫn nhiệt tình và sự chỉ bảo tận tụy của cô TS. Nguyễn Thị Hồng Minh – Trƣờng ĐH QG Hà Nội. Các thầy cô giáo công tác tại Khoa công nghệ thông tin – ĐHTN, cùng tập thể các bạn học viên lớp cao học Khóa 7 đã luôn giúp đỡ và nhiệt tình chia sẻ với em những kinh nghiệm học tập, nghiên cứu trong suốt khoá học. . Thái Nguyên, ngày 15 tháng 10 năm 2010 Học viên Vũ Phú Cƣờng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................ 1 LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... 2 DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................................... 5 PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 6 Chƣơng 1 .............................................................................................................................. 8 KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ SINH ẢNH .......................................................... 8 1.1 Khái quát về thực tại ảo ............................................................................................ 8 1.1.1 Thực tại ảo là gì? .................................................................................................... 8 1.1.2 Lịch sử ra đời và phát triển của thực tại ảo ......................................................... 9 1.1.3 Các thành phần chính trong thực tại ảo: ........................................................... 10 1.1.3. Ứng dụng của thực tại ảo ...................................................................................... 12 1.2. Sinh ảnh trong thực tại ảo ..................................................................................... 17 1.2.1. Sinh ảnh trong thực tại ảo ..................................................................................... 17 1.2.2. Photon mapping trong sinh ảnh ............................................................................ 19 Chƣơng 2 ............................................................................................................................ 21 MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG SINH ẢNH BỞI PHOTON MAPPING .......................................................................................................................... 21 2.1. Thuật toán Photon mapping ................................................................................. 21 2.1.1 Photon Tracing ....................................................................................................... 23 2.1.2. Tối ƣu hóa bản đồ photon ..................................................................................... 26 2.3.3 Cây KD cân bằng (The balanced KD Tree) ........................................................... 27 2.2 Cấu trúc dữ liệu ....................................................................................................... 30 2.2.1 Photon bóng .......................................................................................................... 30 2.2.2 Toàn cảnh và tụ quang các photon ........................................................................ 31 2.2.3 Cấu trúc dữ liệu không gian ................................................................................... 31 2.3 Tính toán bức xạ từ các bản đồ Photon ................................................................ 32 2.3.1 Ƣớc tính bức xạ tại một bề mặt .............................................................................. 32 2.3.2 Lọc (Filtering) ........................................................................................................ 37 2.4 Sinh ảnh (Rendering) .............................................................................................. 39 2.4.1 Cơ sở khoa học....................................................................................................... 39 2.4.2 Phƣơng trình sinh ảnh (Equation Rendering) ........................................................ 39 2.4.3 Chiếu sáng trực tiếp ............................................................................................... 42 2.4.4 Phản chiếu và độ bóng phản xạ .............................................................................. 44 2.4.5. Tính tụ quang (Caustics) ....................................................................................... 45 2.4.6 Phản xạ đa khuếch tán (Multiple diffuse reflections) ............................................ 46 2.5.5 Lấy mẫu và thanh lọc ............................................................................................. 47 2.4.8 Tối ƣu hóa .............................................................................................................. 48 Chƣơng 3 ............................................................................................................................ 49 CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM ................................................................................ 49 3.1 Bài toán..................................................................................................................... 49 3.2 Công cụ thiết kế và chức năng một số hàm trong chƣơng trình ......................... 49 3.2.1 Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình mã nguồn mở Processing ................................... 49 3.2.2 Chức năng một số hàm trong chƣơng trình............................................................ 50 3.3 Thực nghiệm chƣơng trình và đánh giá kết quả .................................................. 51 3.3.1 Thực nghiệm chƣơng trình ..................................................................................... 51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 3.3.2 Kết quả thực hiện ................................................................................................... 52 KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 58 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Mô phỏng các cơ cánh tay ................................................................ 7 Hình 1.2 Mô phỏng cấu trúc bộ não ................................................................ 8 Hình 1.3 Mô phỏng kiến trúc công trình ........................................................ 10 Hình 2.1 Bản đồ chiếu sáng ............................................................................ 17 Hình 2.2: Xây dựng bản đồ photon tụ quang (a) và bản đồ photon toàn cảnh (b). .................................................................... 21 Hình 2.3: Phân chia không gian sử dụng cây KD .......................................... 23 Hình 2.4: Đơn giản hóa 2D cây KD cho phân chia không gian trong hình 2.5 ....................................................... 23 Hình 2.5: Tính bức xạ phản xạ (Jensen, 2001) ............................................... 29 Hình 2.6: Sử dụng hình cầu (trái) và hình đĩa (bên phải) xác định vị trí các photon ........................................... 30 Hình 2.7: Truy tìm một tia qua một điểm ảnh ................................................ 35 Hình 2.8: Đánh giá chính xác sự chiếu sáng trực tiếp .................................... 38 Hình 2.9: Sinh ảnh phản chiếu và bóng phản xạ ............................................ 39 Hình 2.10: Sinh ảnh tụ quang ......................................................................... 41 Hình 2.11: Tính toán gián tiếp khuếch tán ánh sáng với tầm quan trọng lấy mẫu ................................................................................................................. 42 Hình 3.1: Số lƣợng photon phát ra là 1000 .................................................... 48 Hình 3.2: Photon phát ra là 1500, nguồn sáng bên trên (a), bên phải (b) ...... 48 Hình 3.3: Sử dụng ánh sáng trực tiếp (a), sinh ảnh bằng Photon mapping (b) ................................................................. 49 Hình 3.4: Sinh ảnh với 4 nguồn sáng ............................................................. 49 Hình 3.5: Sinh ảnh với môi trƣờng tham gia .................................................. 50 Hình 3.6: Vòng kim loại tụ quang .................................................................. 50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 PHẦN MỞ ĐẦU Sự ra đời của đồ họa máy tính thực sự là cuộc cách mạng trong giao tiếp giữa ngƣời dùng và máy tính. Với lƣợng thông tin trực quan, đa dạng và phong phú đƣợc chuyển tải qua hình ảnh, các ứng dụng đồ họa máy tính đã lôi cuốn nhiều ngƣời nhờ tính thân thiện, dễ dùng, kích thích khả năng sáng tạo và tăng đáng kể hiệu suất làm việc. Đồ họa máy tính ngày nay đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học, kĩ thuật, nghệ thuật, kinh doanh, quản lí, các ứng dụng đồ họa rất đa dạng, phong phú và phát triển liên tục không ngừng. Ngày nay, hầu nhƣ không có chƣơng trình ứng dụng nào mà không sử dụng kĩ thuật đồ họa để làm tăng tính hấp dẫn của mình. Trong đồ họa máy tính, Photon mapping là thuật toán chiếu sáng trên toàn cảnh phát triển bởi Henrik Wann Jensen. Nó đƣợc sử dụng vào thực tế mô phỏng sự tƣơng tác của ánh sáng với các đối tƣợng khác nhau. Đặc biệt, nó có khả năng mô phỏng khúc xạ ánh sáng qua một chất trong suốt nhƣ thủy tinh hoặc nƣớc, phản xạ khuếch tán giữa các đối tƣợng đƣợc chiếu sáng, sự tán xạ ngầm của ánh sáng trong vật liệu mờ, và một số các tác dụng gây ra bởi hạt vật chất nhƣ khói hoặc hơi nƣớc. Nó cũng có thể đƣợc mở rộng để mô phỏng chính xác hơn của ánh sáng nhƣ sinh ảnh quang phổ. Trong tự nhiên, một tia sáng đƣợc tạo ra bởi nguồn sáng chiếu đến một bề mặt làm ngắt quãng quá trình của nó. Có thể tƣởng tƣợng tia sáng này nhƣ một dòng photon. Trong chân không hoàn hảo, tia sáng này sẽ đi thẳng. Trong hiện thực sẽ là hỗn hợp của các hiệu ứng khúc xạ, phản xạ, tán xạ. Nghiên cứu sử dụng kỹ thuật Photon mapping, trợ giúp cho việc nâng cao chất lƣợng ảnh hoặc sinh ra các hình ảnh trung gian hoặc tƣơng lai trong một hệ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 thống biến đổi. Phục vụ cho các hoạt cảnh hoặc các ứng dụng chuyển động tƣơng tác trong xử lý ảnh và thực tại ảo, ƣớc lƣợng đƣợc các điểm bề mặt hiệu dụng, lƣu trữ đƣợc các thông tin có thể sử dụng lại của ánh sáng, giảm tải số lƣợng tính toán. Và tất cả các tia sáng tạo ra sau các quá trình ấy sẽ đƣợc mô tả lại để tạo nên các hình ảnh sống động nhƣ thật. Bố cục của luận văn bao gồm: Phần mở đầu, ba chƣơng chính, phần kết luận, tài liệu tham khảo. Cụ thể nhƣ sau Chƣơng 1. Giới thiệu khái quát về thực tại ảo và sinh ảnh, các ứng dụng của thực tại ảo. Phƣơng pháp sinh ảnh trong thực tại ảo và tổng quan về phƣơng pháp photon mapping trong sinh ảnh. Chƣơng 2. Trình bày thuật toán photon trong sinh ảnh, các cấu trúc dữ liệu cần thiết cho các bản đồ photon, trong chƣơng này có trình bày cụ thể về tính toán bức xạ từ các bản đồ photon, quá trình xây dựng phƣơng trình sinh ảnh và việc tối ƣu hóa bản đồ photon. Chƣơng 3. Mô tả bài toán sinh ảnh, giới thiệu công cụ hỗ trợ của chƣơng trình sinh ảnh, ý chức năng của các hàm trong chƣơng trình. Thực nghiệm chƣơng trình đƣa ra kết quả và đánh giá kết quả thu đƣợc. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 Chƣơng 1 KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ SINH ẢNH Công nghệ thông tin đã và đang xuất hiện trong mọi lĩnh vực của xã hội. Tuy nhiên phần lớn các mô hình đƣợc xây dựng trên máy tính là hai chiều và con ngƣời không thể tƣơng tác với các đối tƣợng trong mô hình đó nhƣ là ở trong thế giới thực, những chƣơng trình nghiên cứu khắc phục nhƣợc điểm này đã dẫn đến việc xuất hiện một lĩnh vực mới của Công nghệ thông tin đó là thực tại ảo. 1.1 Khái quát về thực tại ảo 1.1.1 Thực tại ảo là gì? Thực tại ảo là mô phỏng của môi trƣờng không gian ba chiều trên máy tính, trong môi trƣờng mô phỏng đó con ngƣời có thể quan sát và thực hiện những thao tác mà mình mong muốn. Với tất cả những gì có trong môi trƣờng mô phỏng thông qua thiết bị đầu vào, kết quả trả lại là những thay đổi của môi trƣờng đó mà con ngƣời có thể quan sát hay cảm nhận đƣợc thông qua các thiết bị đầu ra. Theo nhƣ định nghĩa trên có thể nhận ra các thành phần của thực tại ảo là: môi trƣờng không gian ba chiều, mô hình tạo trên máy tính, sự tƣơng tác, các thiết bị vào, ra. Thực tại ảo là một thế giới thực song lại ảo, vì một phần của thế giới thực sẽ đƣợc tái tạo trên máy tính, thông qua các thiết bị đầu vào con ngƣời có thể chìm đắm trong môi trƣờng không gian ba chiều và cho phép con ngƣời có khả năng quan sát, tƣơng tác với môi trƣờng ảo đó. Những tƣơng tác đó đều đƣợc chƣơng trình xử lý và thông qua thiết bị đầu ra sẽ đem Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 lại cho con ngƣời cảm nhận về thay đổi của môi trƣờng ấy nhƣ trong thực tế và tất cả mọi thứ diễn ra trong không gian ba chiều. 1.1.2 Lịch sử ra đời và phát triển của thực tại ảo Khái niệm cơ bản về thực tại ảo có từ năm 1950, một hệ thống nguyên sơ đầu tiên đƣợc tạo ra rất lâu trƣớc khi con ngƣời đặt chân lên mặt trăng. Vào cuối những năm năm mƣơi có một ngƣời đàn ông ít đƣợc biết đến có tên là Morton Heilig đã thiết kế ra hệ thống ảo đầu tiên. Ông đã phát triển một thứ đƣợc gọi là Sensorama. Tƣơng tự nhƣ máy chò trơi ngày nay, Sensorama đƣợc kết hợp với chiếu film, âm thanh, chuyển động, gió thậm chí cả mùi vị khiến cho con ngƣời cảm thấy nhƣ trong thế giới thực hơn là đơn giản chỉ xem. Bất chấp sự hạn chế của công nghệ máy tính vào những năm sáu mƣơi, một giáo sƣ về đồ hoạ máy tính có tên là Sutherland đã quản lý xây dựng thành công hệ thống thực tại ảo cơ bản đầu tiên trên máy vi tính, nó đƣợc gọi là ―Sword of Damocles‖ bao gồm: một màn hình máy tính, một hệ thống máy điều chỉnh, một máy tính để làm mọi thứ. Máy tính thực hiện vẽ đƣờng thẳng đen trắng của một hình cơ bản mà ngƣời ta có thể quan sát từ mọi góc. Mặc dù nó đơn giản song nó đã đƣa ra khái niệm làm việc cơ bản về thực tại ảo và cũng đặt nền móng cho nhiều sự cải tiến sau này. Sutherland đã giới thiệu những nội dung chính của việc nhúng ngƣời xem vào thế giới mô phỏng và cảm giác hoàn thiện về các thiết bị vào ra. Ông đã phát minh ra thuật ngữ ―The Ultimate Display‖ mô tả một hệ thống hiển thị cho đồ họa máy tính, cái mà tuỳ theo sự điều chỉnh của ngƣời sử dụng sẽ đƣợc cập nhật để hiển thị cho phù hợp. Kết quả là ngƣời sử dụng cảm thấy mình bị vây quanh hay bị chìm vào một thế giới mà chỉ tồn tại trong máy vi tính. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 Vào những năm bẩy mƣơi trung tâm nghiên cứu NASA bắt đầu triển khai những ý tƣởng về thực tại ảo, họ đã xây dựng đƣợc một thiết bị mũ đội đầu (Head Mounted Display) đơn giản đầu tiên. Điều đó khiến cho những ngƣời say mê bắt đầu thiết kế hệ thống thực tại ảo cho riêng mình. Những năm đầu của thập kỷ tám mƣơi không gian ảo ba chiều đã đƣợc phát triển mà ở đó ngƣời dùng thao tác với các đối tƣợng 3D trong không gian bằng tay. Năm 1984, NASA đã bắt đầu tiến hành dự án VIVED (Virtual Visual Environment Display) và sau đó là dự án VIEW (Virtual Visual Environment Workstation). Hiện nay các công ty nhƣ Virtual I/O, Age, VitorMaxx Technologies và Forte đang sản xuất các thiết bị mũ đội đầu, gang tay dữ liệu tốt hơn bất cứ một sản phẩm nào do cá nhân nghiên cứu với giá cả hợp lí. Trƣớc tình hình phát triển các công nghệ sản xuất thiết bị nhƣ hiện nay thì vấn đề chủ yếu của thực tại ảo là xây dựng cho đƣợc các mô hình thực tại ảo nhƣ mong muốn. 1.1.3 Các thành phần chính trong thực tại ảo: Một hệ thống trong thực tại ảo gồm có các thành phần chính sau [3]: - Các ứng dụng (Nghiên cứu – Đào tạo – Thƣơng mại) - Mô hình, mô phỏng - Phần cứng, phần mềm - Mạng liên kết - Ngƣời dùng - Ở đây chúng ta sẽ tập trung vào tìm hiểu phần cứng và phần mềm của VR Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 * Phần cứng: + 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 ngƣời sử dụng. Bộ giao diện cử chỉ (Gesture interfaces) nhƣ găng tay dữ liệu (data glove) để ngƣời sử dụng có thể điều khiển đối tƣợng. + Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (nhƣ màn hình, HDM,..) để nhìn đƣợc đối tƣợng 3D nổi. Thiết bị âm thanh (loa) để nghe đƣợc âm thanh vòm (nhƣ Hi-Fi, Surround,..). Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback nhƣ găng tay,..) để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tƣợng. Bộ phản hồi xung lực (Force Feedback) để tạo lực tác động nhƣ khi đạp xe,... * Phần mềm: + Phần mềm luôn là linh hồn của Thực tại ảo cũng nhƣ đối với bất cứ một hệ thống máy tính hiện đại nào. Ta 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 tƣợng của VR. Ví dụ: nhƣ các ngôn ngữ (có thể tìm miễn phí) OpenGL, C++, Java3D, VRML, X3D, ...hay các phần mềm thƣơng mại nhƣ WorldToolKit, PeopleShop,... + Phần mềm của bất kỳ Thực tại ảo nào cũng phải bảo đảm 2 công dụng chính: Tạo hình và Mô phỏng. Các đối tƣợng của Thực tại ảo đƣợc mô hình hóa nhờ chính phần mềm này hay chuyển sang từ các mô hình 3D (thiết kế nhờ các phần mềm CAD khác nhƣ AutoCAD, 3D Studio,3D max, ..). Sau đó phần mềm Thực tại ảo phải có khả năng mô phỏng động học, động lực học, và mô phỏng ứng xử của đối tƣợng. Nói chung, các hệ thống thực tại ảo phải xử lý mội khối lƣợng lớn thông tin (đa phần là các thông tin của các đối tƣợng 3D do đó tốn bộ nhớ và đòi hỏi thời gian xử lý là thời gian thực), vì thế nó đòi hỏi một lƣợng tài Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 nguyên bộ nhớ RAM lớn và bộ xử lý cùng các thiết bị vào ra có tốc độ cao. Vì vậy mặc dù bắt đầu nghiên cứu từ khá lâu, xong trong một số năm gần đây thực tại ảo mới có đƣợc sự phát triền và mở rộng ứng dụng đáng kể. 1.1.3. Ứng dụng của thực tại ảo Hai công ty VPL và Autodesk đã giới thiệu các thiết bị cho việc giao tiếp với thế giới ảo ở hội trợ triển lãm thƣơng mại năm 1989. Đây là bƣớc đi đầu tiên cho việc khám phá rộng rãi các lĩnh vực ứng dụng mới của thực tại ảo. Những lĩnh vực đang ứng dụng thực tại ảo một cách mạnh mẽ hiện nay là: Y học, Giáo dục và khoa học, Công nghệ thông tin, Xây dựng, Giải trí, Quốc phòng, Điện ảnh. Trong y học: Khi xã hội càng phát triển thì vấn đề sức khoẻ con ngƣời càng đƣợc quan tâm hơn. Càng ngày ngƣời ta càng cố gắng tìm ra các phƣơng pháp, các cách thức chữa trị bệnh cho con ngƣời ngày một tốt hơn. Hiện nay Công nghệ thông tin đang phát triển và những ứng dụng của nó vào thực tế trở nên phổ biến, đồng thời những thành quả to lớn của nó đem lại thì không ai có thể phủ nhận đƣợc, một trong các lĩnh vực mà ứng dụng Công nghệ thông tin một cách hiệu quả hiện nay là y học. Dƣới đây là một số hình ảnh minh hoạ về việc nghiên cứu và ứng dụng Công nghệ thông tin trong y học: Hình 1.1 Mô phỏng các cơ cánh tay Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 Đây là dự án nghiên cứu của Châu Âu vào tháng 11 năm 1993, dự án này cho phép xây dựng lại mô hình cánh tay của con ngƣời trong không gian 3D từ những dữ liệu hình ảnh trong y học và mô phỏng tất cả sự thay đổi có thể có của các bộ phận nhƣ sự co giãn cơ. Hình 1.2 Mô phỏng cấu trúc bộ não Đây là dự án nghiên cứu nhằm đƣa thực tại ảo vào việc chữa trị bệnh cho con ngƣời. Bằng cách xây dựng một chƣơng trình mà cho phép các bác sĩ trên khắp thế giới có thể cùng tham gia quan sát, thảo luận để đƣa ra phƣơng pháp chữa trị hiệu quả nhất. Trong y học con ngƣời còn gặp rất nhiều những vấn đề mà nếu không có thực tại ảo thì không dễ tìm ra phƣơng pháp giải quyết: ví dụ nhƣ việc cung cấp môi trƣờng thực hành cho việc nghiên cứu và học tập, đây cũng là vấn đề bức xúc và gặp nhiều khó khăn hiện nay, chúng ta thiếu các mẫu để thực tập phẫu thuật hay môi trƣờng thực để quan sát. Đôi khi vì khả năng con ngƣời ví dụ nhƣ tầm quan sát của mắt chúng ta không thể quan sát đƣợc mạch máu của chúng ta nhƣ thế nào hay cấu trúc lƣợc đồ gen của chúng ta Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ra sao http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 hay trong phẫu thuật nhiều khi không thể thực hiện đƣợc do đối tƣợng thực hiện không có điều kiện sức khoẻ để thực hiện ca phẫu thuật lớn. Những vấn đề trên đƣợc giải quyết một cách hiệu quả khi có ứng dụng thực tại ảo. Chỉ bằng cách xây dựng các mô hình thực tại ảo cần thiết cho các đối tƣợng là chúng ta đã có ngay môi trƣờng quan sát, nghiên cứu thực tập tốt thậm chí có thể nói là tốt hơn thực tế. - Trong giáo dục và khoa học: Giáo dục con ngƣời là vấn đề hàng đầu của mỗi quốc gia trên thế giới. Tìm hiểu, nghiên cứu nhằm đƣa ra phƣơng pháp giáo dục hiệu quả đã khó, song còn có những vấn đề còn khó khăn hơn đó là làm sao kích thích đƣợc niềm say mê học tập, nghiên cứu của con ngƣời và tính tự giác, khả năng tƣ duy và tƣởng tƣợng của mỗi con ngƣời và làm sao để cung cấp môi trƣờng học tập nghiên cứu tốt nhất nhằm phát huy hết những khả năng của con ngƣời. Theo nhƣ cách giáo dục truyền thống nhiều khi chúng ta không thể cung cấp đƣợc môi trƣờng nghiên cứu học tập tốt, không khơi dậy đƣợc niềm đam mê, hứng thú hay không thể phát huy hết đƣợc khả năng tƣởng tƣợng và tƣ duy của con ngƣời làm cho hiệu quả giáo dục không cao. Những chƣơng trình nhằm rèn luyện tƣ duy, những chƣơng trình rèn luyện khả năng tƣởng tƣợng, những chƣơng trình cung cấp mô hình thực nghiệm, những chƣơng trình kích thích trí tò mò là chƣa nhiều hay có thể là chƣa nhiều chƣơng trình hiệu quả. Nguyên nhân là các chƣơng trình đƣợc xây dựng chƣa có khả năng phát huy hết đƣợc sự cảm nhận của con ngƣời, chƣa gây đƣợc ấn tƣợng sâu sắc về vấn đề cần truyền đạt cho đối tƣợng cần truyền đạt, môi trƣờng truyền đạt không gây đƣợc trí tò mò. Hiện nay có một xu hƣớng mới trong việc ứng dụng Công nghệ thông tin trong giáo dục mà rất đƣợc quan tâm nghiên cứu và phát triển đó là xây dựng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 15 mô hình thực tại ảo trên máy vi tính nhằm cung cấp các môi trƣờng học tập và nghiên cứu. Những mô hình đƣợc xây dựng ở đây phải xây dựng làm sao để chuyển tải đƣợc thực tế vào môi trƣờng mô phỏng đó, cung cấp khả năng tƣơng tác của con ngƣời với môi trƣờng mô phỏng đó, có khả năng kích thích cao với ngƣời tham gia. Qua những lần thực nghiệm này thì chúng ta sẽ ngày càng đạt đƣợc hiệu quả cao hơn trong giảng dạy.  Trong thiết kế xây dựng: Những chƣơng trình đồ họa mạnh nhất hiện nay chủ yếu đƣợc phục vụ vào các lĩnh vực thiết kế và xây dựng nhƣ AUCAD, AUTODEST, 3DMAX, SHAPRE,… Những chƣơng trình này đã giúp cho những nhà thiết kế xây dựng giảm đƣợc rất nhiều chi phí về thời gian và công sức thiết kế. Song hầu hết các chƣơng trình này mới chỉ dừng lại ở mức các bản vẽ chứ chƣa thực sự tạo ra cho ngƣời ta cảm giác hay một cái nhìn về những công trình mà họ thiết kế trên thực tế nó sẽ nhƣ thế nào. Thực tại ảo tạo ra cho ngƣời ta cảm giác chìm đắm trong một không gian nhƣ trên thực tế mà đã đƣợc xây dựng trên máy vi tính và sẽ giúp cho chúng ta có thể có một cái nhìn chi tiết về công trình đã đƣợc thiết kế. Dƣới đây là một số hình ảnh về ứng dụng của thực tại ảo trong xây dựng, thiết kế và trang trí. Hình 1.3 Mô phỏng kiến trúc công trình Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 16 - Trong quốc phòng: Để binh lính không bị xa lạ, bỡ ngỡ với chiến trận thì cần phải thƣờng xuyên có những lần tập trận, mà chi phí cho việc đó là rất cao. Nếu sử dụng các mô hình thay thế, kèm theo âm thanh và tiếng động cũng có thể tạo ra đƣợc một trận tập kích mà hiểu quả đạt đƣợc là nhƣ thật và chi phí thì rất ít. Bên cạnh đó, để cho binh lính có thể tiếp xúc và hiểu biết về các máy móc và thiết bị đắt tiền thì nên xây dựng các mô hình về thiết bị đó, máy móc đó nhƣ vậy sẽ đảm bảo đƣợc tính phổ dụng rộng rãi. Khi ứng dụng thực tại ảo vào trong quân sự thì hiệu quả kinh tế mà nó mang lại là thực sự to lớn, ngƣời ta sẽ giảm đƣợc một lƣợng lớn kinh phí phục vụ cho việc tập luyện hay thực hiện đƣợc những vấn đề mà trên thực tế khó có thể thực hiện đƣợc hay những vấn đề trên thực tế phải áp dụng những quy tắc an toàn nghiêm ngặt song vẫn có mối nguy hiểm lớn đến tính mạng và tài sản của con ngƣời.  Trong điện ảnh: Nhƣ chúng ta đã biết hiện nay điện ảnh là một lĩnh vực đang lên ngôi, chắc hẳn ai trong chúng ta cũng đã từng xem phim và cũng đã từng thƣởng thức những cảnh thú vị trong phim do các diễn viên, nhân vật trong phim thể hiện. Và chúng ta chỉ có thể nghĩ rằng những điều đó chỉ có thể có trong phim chứ không có trên thực tế. Đúng vậy những phim đƣợc coi là hay nhất, đƣợc ƣa chuộng nhất hiện nay là những phim có những cảnh ngoạn mục, hoành tráng. Một vài những năm gần đây những phim đó đã ứng dụng thực tại ảo và những phƣơng pháp xử lý đồ họa mạnh tạo ra những hiệu ứng, những cảnh mà trên thực tế không thể thực hiện đƣợc.  Trong hội thảo từ xa: Các công việc đƣợc trao đổi giữa những ngƣời ở các nơi khác nhau bằng cách chia sẻ thông tin thông qua mạng. Hội thảo từ xa là một ứng dụng của mục đích này. Sự cảm nhận không gian và sử dụng không gian cho việc gặp gỡ và trao đổi với nhau trong môi trƣờng ba chiều có đặc điểm:  Kích thích mạnh mẽ ngƣời tham gia trong hội thảo. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 17  Âm thanh vẫn giữ đƣợc tự nhiên.  Có đƣợc các thao tác phối hợp nhƣ trong thế giới thực. Nhƣ vậy thực tại ảo có ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống. Qua đó cũng nhận thấy đƣợc ý nghĩa to lớn của việc ứng dụng thực tại ảo, bởi những vấn đề khó khăn mà nếu không có thực tại ảo thì có thể nói là khó lòng giải quyết hay nếu có giải quyết đƣợc thì hiệu quả cũng không cao và chi phí sẽ rất tốn kém. Còn khi ứng dụng thực tại ảo vào thì những vấn đề đó trở nên đơn giản hơn và hiệu quả mang lại thật sự to lớn kể cả vật chất lẫn tinh thần. Thực tại ảo cung cấp một giao diện nhiều chiều giữa máy và con ngƣời, chính nhờ điều này và kết hợp với các thiết bị khác nhau cho nên thực tại ảo tạo ra những ứng dụng mà ở đó con ngƣời có một cách để xây dựng, thao tác dữ liệu phức tạp một cách tự nhiên và thực tại ảo đƣợc sử dụng để mô phỏng thế giới thực trong nhiều ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên để có đƣợc các mô hình thực tại ảo nhƣ trên thì cần phải có một ngôn ngữ xây dựng chúng, chƣơng tiếp theo sẽ tìm hiểu ngôn ngữ VRML để xây dựng mô hình thực tại ảo. 1.2. Sinh ảnh trong thực tại ảo 1.2.1. Sinh ảnh trong thực tại ảo Trong đồ họa máy tính, rendering gọi tắt là sinh ảnh, là một quá trình sinh tạo một hình ảnh từ một mô hình bằng cách sử dụng một chƣơng trình ứng dụng phần mềm. Mô hình là mô tả của các đối tƣợng ba chiều bằng một ngôn ngữ đƣợc định nghĩa chặt chẽ hoặc bằng một cấu trúc dữ liệu. Mô tả này bao gồm các thông tin về hình học, điểm nhìn, chất liệu và bố trí ánh sáng của đối tƣợng. Hình ảnh này có thể là một hình ảnh số (digital image) hoặc một hình ảnh đồ họa điểm (raster graphics image). Thuật ngữ này có thể tƣơng đồng với "quá trình một họa sĩ vẽ" một phong cảnh nào đấy. Thuật ngữ "sinh ảnh" còn đƣợc dùng để chỉ quá trình tính toán các hiệu ứng trong một tập tin biên tập phim để tạo kết quả video cuối cùng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 18 Rendering là một trong các chủ đề con chính của đồ họa máy tính ba chiều (3D computer graphics). Trong thực tiễn, nó luôn luôn có quan hệ chặt chẽ với các chủ đề khác. Trong 'quy trình xử lý đồ họa' (graphics pipeline), sinh ảnh là bƣớc quan trọng cuối cùng để tạo ra diện mạo kết cục của các mô hình và hoạt hình. Với tính phức tạp của đồ họa máy tính ngày càng tăng, từ năm 1970 đến nay, rendering đã trở thành một chủ đề riêng biệt. Sinh ảnh đƣợc sử dụng trong: trò chơi video và điện tử (computer and video games), trong các chƣơng trình mô phỏng (simulators), trong điện ảnh (movies) hay trong hiệu ứng đặc biệt (special effects) trên TV, và trong hình tƣợng hóa thiết kế (design visualisation), mỗi cái áp dụng một cân bằng giữa các đặc trƣng và kỹ thuật khác nhau. Hiện nay còn có nhiều sản phẩm phần mềm đa dạng dùng cho việc sinh ảnh đồ họa. Một số đƣợc kết hợp trong những bộ phần mềm tạo mô hình và làm phim hoạt họa, một số khác là những phần mềm đứng riêng (stand-alone) và một số là những dự án nguồn mở tự do (free open-source projects). Bên trong chúng, chƣơng trình sinh ảnh là một chƣơng trình ứng dụng đƣợc thiết kế và xây dựng một cách cẩn trọng, dựa trên một số kiến thức của các ngành: vật lý quang học, nhận thức thị giác (visual perception), toán học và phát triển phần mềm. Trong trƣờng hợp đồ họa 3D, việc sinh ảnh là một quá trình chậm chạp, chẳng hạn nhƣ trong tiến trình sinh ảnh trƣớc (pre-rendering), hoặc trong việc sinh ảnh trong thời gian thực (real time rendering). Sinh ảnh trƣớc là một tiến trình đòi hỏi một khối lƣợng tính toán lớn, đặc biệt đƣợc dùng trong việc tạo phim điện ảnh, trong khi đó, sinh ảnh trong thời gian thực thƣờng đƣợc sử dụng trong các trò chơi điện tử 3D (3D video games), và phụ thuộc vào các bộ điều hợp đồ họa (graphics cards) với bộ tăng tốc phần cứng 3D (3D hardware accelerators). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn