Kỹ thuật đồ hoạ 3 chiều đóng vai trò rất quan trọng trong công nghệ mô phỏng. Và thực tại ảo (Virtual Reality - VR) là một bước phát triển cao hơn, cho phép tạo ra một thế giới hình ảnh lập thể mà người sử dụng có thể tương tác trong thế giới đó theo ý muốn và chính là sự kết hợp giữa các phần mềm mô phỏng 3 chiều với tương tác của con người thông qua các thiết bị hỗ trợ

Thực tại ảo(Virtual Reality) là một công nghệ rất mới mẻ đối với VN, cho phép người ta có thể tham quan một địa điểm trong một không gian ảo 3 chiều giống như thật.Ứng dụng của thực tại ảo là rất lớn trong nhiều ngành du lịch, các ngành công nghệ, giáo dục, bảo tàng, quảng cáo..

Đặc điểm của hệ thống thực tại ảo...

TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG VÀ THỰC TẠI ẢO

Định nghĩa

VR- Virtual Reality - Thực Tế Ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện khoảng đầu thập kỷ 90, nhưng ở Mỹ và châu Âu VR đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực (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, quân sự) của nó. Thuật ngữ "virtual reality" - thực tại ảo - được đưa ra bởi Jaron Lanier (người sáng lập công ty VPL Research, tại Redwood - California, một trong những công ty đầu tiên cung cấp các sản phẩm cho môi trường ảo, virtual environment). 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 VR tương đối chính xác như sau VR- Thực Tế 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. Đó là ngũ giác gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác, vị giác.[1](approve sites)

Sự hình dung liên quan đến các tác động đầu ra mà máy tính tạo ra về thị giác, thính giác hay các giác quan khác khi người sử dụng tương tác với thế giới bên trong máy tính. Thế giới này có thể là các mô hình được thiết kế với sự trợ giúp của máy tính, là sự mô phỏng hay là cách nhìn nhận một cơ sở dữ liệu. Hệ thống có thể có tính động, có các mô phỏng vật lý hay các hoạt cảnh.

Ngày nay, ứng dụng của thực tại ảo có thể thấy được rất nhiều trong thế giới hàng ngày của chúng ta. Khi tiến hành mua ô tô qua mạng, người mua rất cần thấy được hình ảnh trực quan của chiếc ô tô cần mua, quan sát từ nhiều góc độ, thậm chí có thể thử độ rung xóc, các hiệu ứng khi vận hành xe... Một số ứng dụng thực tại ảo thể hiện các hiệu ứng khó có thể đạt được trong những điều kiện thông thường như việc thể hiện các vụ thử hạt nhân, các thí nghiệm khoa học, các hệ thống điều khiển không lưu...

Một hệ thống thực tại ảo nói chung thường có các đặc điểm sau:

• VR là một hệ thống mô phỏng trong đó đồ họa máy tính được sử dụng để tạo ra một thế giới "như thật". Hơn nữa, thế giới "nhân tạo" này không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn (tín hiệu vào) của người sử dụng (nhờ hành động, lời nói,..). Người sử dụng tương tác với mô hình ảo, trong đó tương tác được mô phỏng từ thao tác với các đối tượng thực.Điều này xác định một đặc tính chính của VR, đó là tương tác thời gian thực (real-time interactivity). Thời gian thực ở đây có nghĩa là máy tính có khả năng nhận biết được tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức thế giới ảo. 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 chúng ta có thể nhận thấy ngay khi quan sát trẻ nhỏ chơi video game.
• Các phương pháp hiển thị có độ phân giải và tốc độ cao lôi cuốn người sử dụng tạo cảm giác như trong thực tế.khả năng thu hút của VR góp phần lớn vào cảm giác đắm chìm (immersion), 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), nhiều nghiên cứu hiện nay đã nghiên cứu để tạo các cảm giác khác như ngửi (khứu giác), nếm (vị giác). Tuy nhiên hiện nay trong VR các cảm giác này cũng ít được sử dụng đến.
• Như trên đã trình bày, 2 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 trong tiếng Anh: Interactive- Immersion- Imagination).

Một số loại hệ thống thực tại ảo

Hệ thống Window on a World còn gọi là Desktop VR, là các chương trình thực tại ảo chạy trên các máy tính cá nhân. Các hệ thống này ra đời từ rất sớm, tuy nhiên chúng chỉ là các ứng dụng đồ hoạ máy tính nhỏ luôn gặp phải khó khăn là làm thế nào để hình ảnh, âm thanh và các đối tượng hoạt động như trong thực tế.

Hệ thống kết hợp các hình ảnh video với các hình ảnh đồ hoạ 2D làm cho chúng ta có cảm giác người được quay video đang tương tác với các đối tượng. Phương pháp này được áp dụng từ cuối những năm 1960 và được mô tả chi tiết trong 2 cuốn sách "Artificial Reality" và "Artificial Reality II" của Myron Kruger. Nó đã được áp dụng vào hệ thống thương mại Mandala của kênh truyền hình cáp Nickelodeon cho chương trình giải trí mà trong đó những người dự thi xuất hiện với những hình ảnh rất lớn và ngộ nghĩnh.

Hệ thống immersive là các hệ thống mà người sử dụng dùng thiết bị đặc biệt như màn hình gắn trên đầu (head-mounted display HMD), kính đặc biệt, các bộ cảm ứng và đắm chìm vào bên trong thế giới ảo do các thiết bị này tạo ra. Hệ thống quan sát từ xa (telepresence systems) kết nối các bộ cảm biến từ xa đặt trong thế gíới thực với các giác quan của người vận hành. Ví dụ, chúng ta gắn các bộ cảm biến vào các cơ quan trên cơ thể và đeo một chiếc kính thực tại ảo. Chiếc kính này nhận các tín hiệu quan sát được từ vị trí của một robot ở một khoảng cách xa và chúng ta sẽ thấy những gì mà robot thấy để rồi chúng ta có các phản ứng như chính ta đang nhìn thấy các hình ảnh đó. Các phản ứng này, theo các bộ cảm biến được nối với máy tính sẽ chuyển đến các bộ phận tương ứng của robot, kết quả là robot sẽ bắt chước các hoạt động của chúng ta. Điều này thực sự ý nghĩa nếu robot được đặt trên một hành tinh xa xôi hay trong lòng núi lửa. Hệ thống hỗn hợp (mixed realityseamless simulation systems), là sự kết hợp các hệ thống hiện thực ảo đã trình bày ở trên.

Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo

Hệ thống thực tại ảo bao gồm 3 thành phần chính sau: HW (phần cứng), bộ giả lập thực tại (reality simulator), ứng dụng (application).

HW (phần cứng)

Phần cứng của một VR bao gồm:

1. Các thiết bị đầu vào (Input devices): Chúng bao gồm những thiết bị đầu ra có khả năng kích thích các giác quan để tạo nên cảm giác về sự hiện hữu trong thế giới ảo. Chẳng hạn như màn hình đội đầu HMD, chuột, các tai nghe âm thanh nổi - và những thiết bị đầu vào có khả năng ghi nhận nơi người sử dụng đang nhìn vào hoặc hướng đang chỉ tới, như thiết bị theo dõi gắn trên đầu (head-trackers), găng tay hữu tuyến (wire-gloves).
2. Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (như màn hình, 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,...

Bộ giả lập thực tại (reality simulator)

Là trái tim của hệ thống thực tại ảo, bao gồm hệ thống máy tính và phần cứng ngoại vi, thiết bị đồ hoạ và multimedia; cung cấp cho bộ tác động những thông tin giác quan cần thiết. Trong hệ thống mô phỏng cabin lái, thì mô hình cabin là thành phần này.

Ứng dụng (application)

Phần mềm luôn là linh hồn của VR 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 để mô hình hóa (modelling) và mô phỏng (simulation) các đối tượng của VR. Ví dụ như các ngôn ngữ (có thể tìm miễn phí) Open GL, Open Scene Graph?, Open SG?, C++, Java 3 D?, VRML, X 3 D?, ...hay các phần mềm thương mại như World Tool Kit?, People Shop?,Ve Ga?...

Phần mềm của bất kỳ VR nào cũng phải bảo đảm 2 công dụng chính: Tạo hình và Mô phỏng. Các đối tượng hình học (geometry). Thành phần này bao gồm những thông tin mô tả các thuộc tính vật lý (hình dạng, màu sắc, vị trí...) của các đối tượng trong môi trường ảo. Thông thường, các đối tượng hình học được xây dựng bởi các phần mềm CAD, sau đó dữ liệu có thể được chuyển qua một trong số các định dạng file khác phù hợp với việc thể hiện trong ứng dụng. Sau đó phần mềm VR phải có khả năng mô phỏng động học, động lực học, và mô phỏng ứng xử của đối tượng.

• Không gian trong thế giới ảo (World Space)
  Bản thân thế giới ảo cũng cần được định rõ trong một không gian gọi là ‘world space’. Do bản chất tự nhiên của thế giới ảo là một mô phỏng máy tính, nên thế giới ảo có hạn chế nhất định. Vị trí của mỗi điểm của mỗi đối tượng trong thế giới đó đều phải được gán cho một giá trị số (toạ độ). Các toạ độ này thường được mô tả trong hệ toạ độ Đê-các-tơ với các thứ nguyên X, Y và Z (biểu diễn độ dài, độ cao, độ sâu). Cũng có thể sử dụng các hệ toạ độ khác như hệ toạ độ cầu, nhưng hệ toạ độ Đê-các-tơ vẫn là chuẩn cho hầu hết các ứng dụng. Sự chuyển đổi giữa các hệ toạ độ này cũng khá đơn giản.
• Cơ sở dữ liệu cho thế giới ảo (World Database)
  Lưu trữ thông tin về các đối tượng và thế giới ảo là một phần quan trọng trong việc thiết kế hệ thống thực tại ảo VR. Những thông tin chính được lưu trữ trong World Database (hoặc World Description Files) là các đối tượng ở trong thế giới đó, các kịch bản (scripts) mô tả các hành động của các đối tượng hoặc người sử dụng (những kịch bản, phản ứng xảy ra đối với người sử dụng), ánh sáng, các điều khiển chương trình, và hỗ trợ thiết bị phần cứng. Có nhiều cách lưu trữ thông tin về thế giới ảo: một file đơn, một tập các file, hoặc là cả một cơ sở dữ liệu. Phương pháp sử dụng nhiều file là một trong những hướng tiếp cận thường gặp nhất trong những package phát triển về thực tại ảo. Mỗi một đối tượng có một hoặc nhiều file (file lưu trữ về hình dạng hình học, file lưu trữ scripts, v.v...) và có một số file toàn cục sử dụng chung cho thế giới ảo đó có tác dụng load các file khác. Một số hệ thống còn bao gồm cả một file cấu hình định nghĩa về các kết nối giao diện phần cứng. Đôi khi toàn bộ cơ sở dữ liệu được load trong khi chương trình khởi động, các hệ thống khác chỉ việc đọc các file mà hệ thống cần tại thời điểm đó. Với cách tiếp cận về sau (các thông tin được lưu trữ trong một cơ sở dữ liệu), một hệ thống cơ sở dữ liệu thực sẽ giúp ích rất nhiều. Một cơ sở dữ liệu hướng đối tượng (Object Oriented Database) sẽ thích hợp nhất cho một hệ thống thực tại ảo, nhưng chưa thấy có một dự án nào sử dụng cách tiếp cận này. Các file dữ liệu đa phần thường được lưu trữ dưới dạng các file văn bản sử dụng mã ASCII (con người có thể đọc được). Tuy nhiên, trong nhiều hệ thống, các file này được thay thế bởi các file lưu trữ dưới dạng mã nhị phân (máy tính có thể đọc được). Một số hệ thống dịch trực tiếp các thông tin về thế giới ảo đó vào ứng dụng luôn

Phần cứng của hệ thống thực tại ảo

Các hệ thống thực tại ảo xét ở góc độ phần cứng được phân chia thành một số mức như sau:

Mức độ tiếp nhận (Entry VR - EVR), là một máy tính cá nhân hay một máy trạm thực hiện như một hệ thống Wo W?. Hệ thống này có thể chạy trên nền IBM, Apple Macintosh...

Hệ thống cơ bản (Basic VR - BVR), được phát triển từ một hệ thống EVR với sự bổ sung các tương tác cơ bản và nâng cao chất lượng thể hiện. Các thành phần bổ sung có thể là những thiết bị đặc biệt như kính, joystick... Hệ thống nâng cao (Advanced VR - AVR), trong hệ thống này, cùng với thiết bị tăng tốc đồ hoạ, quá trình xử lý còn được nâng lên một bước với các bộ xử lý song song.

Hệ thống thực tại ảo Immersion (Immersion VR - IVR), trong hệ thống này, với các thiết bị như HMD, các màn hình cực lớn tạo cảm giác chìm đắm, người sử dụng có thể cảm nhận các giác quan như xúc giác, thính giác, cơ chế tương tác có phản hồi với thế giới ảo.

Các thiết bị mô phỏng cabin (Cockpit Simulators), đây là các hệ thống khá thông dụng cho phép mô phỏng cabin lái máy bay, ô tô, tàu biển hay các phương tiện giao thông nói chung. Một hệ thống như vậy có thể tạo ra một môi trường ảo, trong đó người sử dụng điều khiển thiết bị giả lập và nhận được cảm giác như khi thao tác ở môi trường thực tế. Ví dụ về một hệ thống loại này sẽ được phân tích kỹ trong phần sau.

Các hệ thống mô phỏng quân sự qua mạng máy tính được phát triển chưa nhiều do độ phức tạp và khả năng công nghệ. Chúng cho phép mô phỏng các trận đánh trong đó thể hiện cả ý đồ chiến thuật, nghệ thuật quân sự. SIMNET là một hệ thống điển hình của ủy ban quản lý các dự án nghiên cứu cao cấp Bộ quốc phòng Mỹ (DARPA).

Một số ứng dụng chính của VR

Tại các nước phát triển, chúng ta có thể nhận thấy VR 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 vực ứng dụng truyền thống của VR(approve sites). Bên cạnh đó VR cũng được ứng dụng trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí. Trong lĩnh vực quân sự, VR 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 VR như: VR ứng dụng trong sản xuất, VR ứng dụng trong ngành rôbốt, VR ứng dụng trong hiển thị thông tin (thăm dò dầu mỏ, hiển thị thông tin khối,....)

VR có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn. Có thể nói tóm lại một điều: Mọi lĩnh vực "có thật " trong cuộc sống đều có thể ứng dụng "thực tế ảo" để nghiên cứu và phát triển hoàn thiện hơn.