Mô hình hóa 3d hệ tiêu hóa trong thực tại ảo
- 68 trang
- file .pdf
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
NGUYỄN TIẾN CÔNG
MÔ HÌNH HÓA 3D HỆ TIÊU HÓA TRONG
THỰC TẠI ẢO
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
Thái Nguyên - 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Tên đề tài :
MÔ HÌNH HÓA 3D HỆ TIÊU HÓA TRONG THỰC TẠI ẢO
(3D MODELING DIGESTIVE SYSTEM IN VIRTUAL REALITY)
Giáo viên hƣớng dẫn : TS. Nguyễn Văn Huân
Học viên thực hiện : Nguyễn Tiến Công
Lớp : Cao học Khóa 12 (CHK12C)
Cơ sở đào tạo : Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông -
(Đại học Thái Nguyên)
Chuyên ngành : Khoa học máy tính
Mã số chuyên ngành : 60.48.0101
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do tôi tự bản
thân sƣu tầm, tìm hiểu, nghiên cứu phân tích dƣới sự hƣớng dẫn của thày giáo
hƣớng dẫn để hoàn thành.
Phần mã nguồn của chƣơng trình đều do tôi tự thiết kế và xây dựng,
trong đó có sử dụng một số thƣ viện chuẩn và các thuật toán đƣợc các tác giả
xuất bản công khai và miễn phí trên mạng Internet.
Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính pháp lý quá trình nghiên cứu
khoa học của luận văn này.
Thái Nguyên - Tháng 6 năm 2015.
NGƢỜI CAM ĐOAN
Nguyễn Tiến Công
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
LỜI CÁM ƠN
Trƣớc hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn tới thày giáo hƣớng dẫn, ngƣời
đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo và cung cấp những tài liệu rất hữu ích để em
có thể hoàn thành luận văn.
Xin cảm ơn Ban Giám hiệu, bộ phận Sau đại học thuộc Phòng Đào tạo
và các thày, cô giáo Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông -
Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ, hƣớng dẫn em về mọi mặt
trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thày, cô giáo Viện Công nghệ Thông
tin quốc gia, Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại
học Thái Nguyên đã truyền đạt kiến thức và phƣơng pháp nghiên cứu khoa
học trong suốt thời gian học vừa qua.
Xin chân thành cảm ơn các anh chị em học viên Cao học K12C
và các bạn đồng nghiệp đã động viên, khích lệ tôi trong quá trình học
tập, nghiên cứu.
Và tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, ngƣời thân, những
ngƣời luôn động viên, khuyến khích và giúp đỡ về mọi mặt để tôi có thể hoàn
thành công việc nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn./.
Thái Nguyên - Tháng 6 năm 2015.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Nguyễn Tiến Công
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
MỤC LỤC
Stt Nội dung Trang
Phần mở đầu ........................................................................... 1
Chƣơng 1 KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ HÌNH HÓA 3D 4
1.1 Khái quát về thực tại ảo ............................................ 4
1.1.1 Sơ lƣợc lịch sử hình thành và phát triển .................................... 4
1.1.2 Một số ứng dụng cơ bản của thực tại ảo ........................................ 9
1.2 Mô hình hóa 3D trong thực tại ảo ...................................................... 10
Chƣơng 2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG MÔ HÌNH HÓA 3D HỆ TIÊU HÓA 17
2.1 Hệ tiêu hóa ......................................... 17
2.1.1 Mô tả cấu tạo hệ tiêu hóa của ngƣời .............................. 17
2.1.2 Mô phỏng cấu tạo hệ tiêu hóa của ngƣời ................................. 17
2.2 Công cụ mô hình hóa 3D ................................................... 28
2.2.1 Tổng quan về mô hình hóa 3D .............................. 28
2.2.2 Mô hình hóa 3D ................................. 28
2.2.3 Các kỹ thuật dựng hình chính 3D ................................. 30
2.3 Các kỹ thuật tạo đối tượng ................................................... 33
2.3.1 Các lọai mô hình tạo đối tƣợng .............................. 33
2.3.2 Hai kỹ thuật tạo mô hình ................................. 41
2.3.2.1 Tạo mô hình theo hướng liên tục 42
2.3.2.2 Tạo mô hình theo hướng rời rạc 43
2.3.3 Nghệ thuật tạo mô hình ................................. 47
2.4 Hoàn thiện bề mặt mô hình (Texturing) .......................................... 48
2.4.1 Thêm tính chất bề mặt cho mô hình (Texturing) .............................. 48
2.4.2 Kết xuất(Rendering) ................................. 50
Chƣơng 3 CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 52
3.1 Yêu cầu bài toán ................................. 52
3.2 Phân tích, lựa chọn công cụ ..................................................... 52
3.3 Một số kết quả của chương trình thử nghiệm .................................. 54
3.4 Phân tích đánh giá kết quả ................................................................ 57
Kết luận ........................................................................................ 59
Tài liệu tham khảo ............................................................................ 61
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
DANH MỤC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN
Thứ tự Chú thích hình Trang
Hình 1.1 Một hệ thống VR tại Viện Fraunhofer (CHLB Đức) 7
Hình 1.2 Ba đặc tính của VR 7
Hình 1.3 Các thành phần một VR 8
Công nghệ cho phép phục chế những di sản đang gặp nguy hiểm,
Hình 1.4 11
với bầu không khí và bối cảnh của các tòa nhà thuộc thời đại đó
Bảo tàng 3D ở gần công viên quốc gia Mures Floodplain
Hình 1.5 12
(Romania)
Đền Ngọc Sơn (bên hồ Hoàn Kiếm) đƣợc tái hiện bằng công nghệ
Hình 1.6 13
thực tại ảo
Hình 2.1 Sơ đồ mô phỏng hệ tiêu hóa của ngƣời 19
Hình 2.2 Thiết đồ cắt đứng dọc qua đầu và cổ thể hiện ống tiêu hóa 20
Hình 2.3 Cấu tạo của dạ dày 24
Hình 2.4 Cấu tạo của đại tràng 28
Từ trái sang phải là các thao tác dịch chuyển, xoay, co giãn, ứng
Hình 2.5 30
với mỗi trục toạ độ là một màu
Hình 2.6 Các khung nhìn khác nhau 31
Hình 2.7 Khung dựng của một quả bóng, đƣợc tạo ra sau bƣớc tạo mô hình 32
Hình 2.8 Quả bóng sau khi đã qua bƣớc thể hiện 32
Hình 2.9 Điểm, cạnh, mặt 34
Hình 2.10 Các đối tƣợng nguyên thuỷ của Polygon 35
Hình 2.11 Các kiểu làm trơn cho Polygon 36
Hình 2.12 Minh họa tiến trình dựng một chiếc búa bằng mô hình Polygon 36
Hình 2.13 Minh họa tiến trình dựng một chiếc búa bằng mô hình Polygon 36
Hình 2.14 Mặt phẳng Nurbs và Polygon 37
Hình 2.15 So sánh số điểm điều khiển giữa mô hình polygon và Nurbs 38
Hình 2.16 Tạo cốc từ đƣờng cong 39
Hình 2.17 Các đối tƣợng nguyên thủy của Nubrs 40
Hình 2.18 Minh hoạ một quá trình tạo một bàn tay bằng subdivision surface 41
Hình 2.19 Minh họa cách tạo bàn tay theo hƣớng liên tục 43
Hình 2.20 Minh họa cách tạo bàn tay theo hƣớng liên tục 43
Hình 2.21 Minh họa cách tạo bàn tay theo hƣớng liên tục 44
Hình 2.22 Minh họa cách tạo bàn tay theo hƣớng liên tục 44
Hình 2.23 Minh họa mô hình ngƣời theo hƣớng rời rạc 45
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.24 Minh họa mô hình ngƣời theo hƣớng rời rạc 45
Hình 2.25 Minh họa mô hình ngƣời theo hƣớng rời rạc 45
Hình 2.26 Minh họa mô hình ngƣời theo hƣớng rời rạc 46
Hình 2.27 Minh họa mô hình ngƣời theo hƣớng rời rạc 46
Hình 2.28 Minh họa mô hình ngƣời theo hƣớng rời rạc 46
Hình 2.29 Minh họa mô hình ngƣời theo hƣớng rời rạc 47
Hình 2.30 Tạo khuôn mặt 47
Hình 2.31 Tạo các ngón tay 47
Hình 2.32 Tạo bàn tay 48
Hình 2.33 Tạo không gian 49
Hình 2.34 Texture 2D 50
Hình 2.35 Texture 3D 50
Hình 3.1 Các khung nhìn khác nhau trên 3DSMax 54
Hình 3.2 Mô hình 3D miệng 55
Hình 3.3 Mô hình 3D hầu, thực quản 56
Hình 3.4 Mô hình 3D dạ dày 56
Hình 3.5 Mô hình 3D ruột non, ruột già và ruột thừa 57
Hình 3.6 Mô hình 3D hệ tiêu hóa hoàn chỉnh
m 57
Hình 3.7-8 Xoay và quan sát đƣợc các góc nhìn của mô hình 3D hệ tiêu hóa 58
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Trong thực tế hiện nay, ngành Y nói chung và các cơ sở đào tạo y khoa,
các viện nghiên cứu, bệnh viện trên toàn quốc nói riêng đang rất cần cơ thể
ngƣời thật (xác) để phục vụ cho công tác nghiên cứu, giải phẫu, thực tập các
thao tác nội soi,... và hơn ai hết, các thày thuốc và sinh viên ngành Y là những
ngƣời cảm nhận sâu sắc về giá trị thực tiễn khi đƣợc nghiên cứu, thực hành
phẫu thuật trên cơ thể ngƣời thật trong những ca mổ, các đề tài nghiên cứu y
khoa. Để có đƣợc xác ngƣời đạt yêu cầu thì chủ yếu đều từ nguồn hiến xác tự
nguyện là chính. Tuy nhiên, nguồn này cũng bị hạn chế bởi nhu cầu lớn của
hàng ngàn cơ sở y tế.
Trong những năm gần đây, sự phát triển của công nghệ đồ họa máy tính
đã làm thay đổi hoàn toàn việc tƣơng tác giữa ngƣời và máy. Nhờ đó mà một
loạt các ứng dụng đồ họa máy tính ra đời, đáp ứng đƣợc nhiều nhu cầu của xã
hội. Cụ thể nhƣ trong các lĩnh vực : giải trí, y tế, xây dựng, văn hóa, quân sự...
Xuất phát từ tình hình thực tế nhƣ vậy, ngành Y cũng đang triệt để ứng dụng
công nghệ thông tin (CNTT) để phục vụ cho nhu cầu của ngành mình. Trên
thế giới hiện nay đã sử dụng những công nghệ mô hình hóa cơ thể ngƣời thật
trên không gian 3 chiều ảo để phục vụ cho nghiên cứu, thực hành phẫu thuật
và những mục đích có liên quan. Với công nghệ mô phỏng trên máy tính hiện
nay, cơ thể ngƣời đã đƣợc hiện thị nhiều chiều trong không gian ảo, hay còn
gọi là thực tại ảo (VR - Virtual Reality).
Đề tài xin đề xuất hƣớng nghiên cứu mô hình hóa 3D trong thực tại ảo
cho một trong những thành phần cơ thể của con ngƣời theo lý thuyết xử lý
ảnh, các thuật toán kỹ thuật và ứng dụng vào mô hình thực tế đƣợc xác định là
sẽ có ý nghĩa về lý thuyết và ứng dụng trong cuộc sống nói chung, cho ngành
Y nói riêng. Vì những lý do trên, tôi chọn đề tài :
"MÔ HÌNH HÓA 3D HỆ TIÊU HÓA TRONG THỰC TẠI ẢO"
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
2.1. Đối tượng
+ Đặc tả đối tƣợng hệ thống tiêu hóa của ngƣời trên công nghệ 3D
+ Các thuật toán kỹ thuật và ứng dụng thử nghiệm
+ Nghiên cứu ứng dụng xử lý ảnh 3D cho đối tƣợng
2.2. Phạm vi nghiên cứu
+ Lý thuyết:
- Nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết xử lý ảnh
- Mô hình hóa hệ thống tiêu hóa của ngƣời trên công nghệ 3D
- Phân tích, biểu diễn mô hình
+ Thực nghiệm:
- Nghiên cứu mô phỏng 3D hệ thống tiêu hóa của ngƣời.
- Biểu diễn mô hình
3. Hƣớng nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu lý thuyết, thu thập, phân tích các tài liệu có liên quan đến
đối tƣợng của đề tài.
- Nghiên cứu, xây dựng mô hình 3D hệ tiêu hóa của ngƣời trong thực tại
ảo (VR).
- Đánh giá, quan sát và hiệu chỉnh đối tƣợng 3D theo nhiều góc nhìn,
phóng to thu nhỏ hệ tiêu hóa nhằm phục vụ cho các yêu cầu thực tế.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu tài liệu, đọc hiểu các kiến
thức cơ bản về kỹ thuật xử lý ảnh, về mô hình khoa học về hệ thống tiêu hóa
của ngƣời.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu, phân tích và lựa
chọn giải pháp công nghệ biểu diễn mô hình hóa ảnh 3D cho hệ thống tiêu
hóa của con ngƣời.
- Phương pháp trao đổi khoa học: Trao đổi hƣớng nghiên cứu với ngƣời
hƣớng dẫn, các đối tác có liên quan để đề xuất và giải quyết các nội dung luận
văn đề ra.
- Kết quả : Kiểm tra, thử nghiệm, biểu diễn và đánh giá kết quả.
5. Mục tiêu ý nghĩa khoa học của đề tài
- Xây dựng mô hình hóa 3D (thực tại ảo) đối tƣợng là hệ tiêu hóa của
ngƣời dựa trên lý thuyết xử lý ảnh;
- Nghiên cứu, phân tích lựa chọn cung cấp chức năng mô hình hóa đối
tƣợng 3D, thao tác trình diễn đối tƣợng trong môi trƣờng không gian 3D;
- Là cơ sở để giải quyết vấn đề biểu diễn đƣợc mô hình 3D toàn bộ cơ
thể con ngƣời trên môi trƣờng ảo có ý nghĩa về khoa học và ứng dụng trong
thực tế.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Chƣơng 1
KHAI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ HÌNH HÓA 3D
1.1. KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO
1.1.1. Sơ lƣợc lịch sử hình thành và phát triển
Thực tại ảo (tiếng Anh là virtual reality, viết tắt là VR) hay còn gọi là
thực tế ảo là thuật ngữ miêu tả một môi trƣờng mô phỏng bằng máy tính. Đa
phần các môi trƣờng thực tại ảo chủ yếu là hình ảnh hiển thị trên màn hình
máy tính hay thông qua kính nhìn 3 chiều, tuy nhiên một vài mô phỏng cũng
có thêm các loại giác quan khác khác nhƣ âm thanh hay xúc giác.
Công nghệ thực tại ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện khoảng đầu thập
kỷ 90, nhƣng thực sự phát triển mạnh trong vòng vài năm trở lại đây. Theo dự
đoán của Gartner (tổ chức nghiên cứu thị trƣờng toàn cầu), VR đứng đầu danh
sách 10 công nghệ chiến lƣợc năm 2009. Tại Mỹ và châu Âu thực tại ảo (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, du
lịch, dịch vụ bất động sản, thƣơng mại và giải trí,..) và tiềm năng kinh tế,
cũng nhƣ tính lƣỡng dụng (trong dân dụng và quân sự) của nó.
Các nhà khoa học đã nghiên cứu VR từ nhiều năm nay và đã thừa nhận
VR là một công nghệ có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn. Nhiều bài báo,
chƣơng trình giới thiệu truyền hình, hội thảo,... đã miêu tả VR theo nhiều
cách khác nhau về ứng dụng VR vào cuộc sống.
Các yêu cầu đối với một hệ thống VR : Vậy VR nhƣ thế nào ? Trƣớc hết
chúng ta hãy giải thích nó qua khía cạnh chức năng. VR là một hệ thống mô
phỏng trong đó đồ họa máy tính đƣợc sử dụng để tạo ra một thế giới "nhƣ
thật". Hơn nữa, thế giới "nhân tạo" này không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay
đổi theo ý muốn (tín hiệu vào) của ngƣời sử dụng (nhờ hành động, lời nói,..).
Điều này xác định một đặc tính chính của VR, đó là tƣơng tác thời gian thực
(real-time interactivity). Thời gian thực ở đây có nghĩa là máy tính có khả
năng nhận biết đƣợc tín hiệu vào của ngƣời sử dụng và thay đổi ngay lập tức
thế giới ảo. Ngƣời 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. Theo báo Bild (Đức),
có hai trẻ nhỏ ở Anh bị thu hút và mải mê chơi Nintendo đến nỗi ngay cả khi
nhà chúng đang bị cháy cũng không hề hay biết! Tƣơng tác và 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 ngƣời sử dụng đang trải
nghiệm. Nhƣng VR còn đẩy cảm giác này "thật" hơn nữa nhờ tác động lên tất
cả các kênh cảm giác của con ngƣời. Trong thực tế, ngƣời dùng không những
nhìn thấy đối tƣợng đồ họa 3D nổi (nhƣ hình nổi ở trang cuối báo Hoa học trò
đã đăng trƣớc kia), điều khiển (xoay, di chuyển,..) đƣợc đối tƣợng trên màn
hình (nhƣ trong game), mà còn sờ và cảm thấy chúng nhƣ 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 nhƣ ngửi (khứu giác), nếm (vị giác).
Tuy nhiên, hiện nay trong VR các cảm giác này cũng ít đƣợc sử dụng đến.
Từ các phân tích trên, chúng ta có thể thấy định nghĩa sau đây của C.
Burdea và P.Coiffet về VR là tƣơng đối chính xác: VR-Thực tại ảo là một hệ
thống giao diện cấp cao giữa Ngƣời sử dụng và Máy tính. Hệ thống này mô
phỏng các sự vật và hiện tƣợng theo thời gian thực và tƣơng tác với ngƣời sử
dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác. Đó là ngũ giác gồm: thị giác, thính
giác, xúc giác, khứu giác, vị giác. Khái niệm này tƣơng đối sát thực tế, tuy
nhiên "trăm nghe không bằng một thấy", cho dù bạn có tƣởng tƣợng đến đâu
cũng chỉ có thể "hình dung" chứ không thể "cảm thấy" một VR. Theo ý kiến
của nhiều chuyên gia, mặc dù nghiên cứu lý thuyết nhiều về VR, nhƣng chỉ
tới khi họ đƣợc thực hành trực tiếp trong một CAVE (một hệ thống VR) thì
mới cảm nhận hết một thế giới VR kỳ diệu nhƣ thế nào. Hy vọng trong tƣơng
lai gần, tại Việt nam sẽ có một hệ thống VR đầy đủ để chúng ta có thể cảm
nhận đƣợc sự sáng tạo vĩ đại của con ngƣời.
Hình 1.1. Một hệ thống VR tại Viện Fraunhofer (CHLB Đức)
Nhƣ trên đã trình bày, 2 đặc tính chính của VR là Tƣơng tác và Đắm
chìm, đây là hai "I" (Interactive, Immersion) mà nhiều ngƣời đã biết. Tuy
nhiên VR cần có 1 đặc tính thứ 3 mà ít ngƣời để ý tới. VR không chỉ là một
hệ thống tƣơng tác Ngƣời- 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 tƣởng tƣợng của con ngƣời, đó chính là đặc tính "I" (Imagination)
thứ 3 của VR. Do đó, có thể coi VR là tổng hợp của 3 yếu tố: Tƣơng tác-Đắm
chìm-Tƣởng tƣợng, (3 chữ I trong tiếng Anh: Interactive-Immersion-
Imagination) nhƣ trong hình sau thể hiện.
Hình 1.2. Ba đặc tính của VR
Tổng quát một VR bao gồm những 5 thành phần sau:
Hình 1.3. Các thành phần một VR
Trong nội dung này chỉ tập chung giới thiệu vào SW (phần mềm) và HW
(phần cứng), còn các thành phần khác: Mạng liên kết, Ngƣời dùng, Các ứng
dụng sẽ không đề cập.
Phần cứng (Hardware) của một VR bao gồm:
1. Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh).
2. Các thiết bị đầu vào (Input devices): là các thiết bị có khả năng kích
thích các giác quan để tạo nên cảm giác 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 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.
3. Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (nhƣ màn
hình, mũ đội đầu có màn hiển thị 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 cƣỡi ngựa, đạp xe, đi đƣờng
xóc,...
Phần mềm (Software) luôn là linh hồn của VR cũng nhƣ 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 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 VR nào
cũng phải bảo đảm 2 công dụng chính: Tạo hình vào Mô phỏng. Các đối
tƣợng của VR 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,..). Sau đó phần mềm VR phải có khả năng mô phỏng động học, động
lực học, và mô phỏng ứng xử của đối tƣợng.
Bộ giả lập thực tại (reality simulator) bao gồm hệ thống máy tính, phần
cứng ngoại vi, thiết bị đồ họa và các thiết bị đa phƣơng tiện cung cấp cho bộ
tác động những thông tin giác quan cần thiết đƣợc xem là trái tim của hệ
thống thực tế ảo. Chẳng hạn, trong hệ thống mô phỏng cabin lái máy bay, ô
tô, tàu biển… thì mô hình cabin là “reality simulator”. Các thiết bị mô phỏng
hệ thống cabin tạo ra một môi trƣờng ảo, trong đó ngƣời sử dụng điều khiển
thiết bị giả lập và nhận đƣợc cảm giác nhƣ khi thao tác ở môi trƣờng thực tế.
Thí dụ nhƣ một ngƣời sử dụng VR và có cảm nhận nhƣ đang học lái xe với
các găng tay có cảm biến điều khiển thao tác lái xe bằng cách nhìn vào màn
hình nối với hệ thống máy tính mô phỏng đặt ở xa. Ðây là một thí dụ về ứng
dụng VR để luyện tập lái xe. Khi nào cảm thấy thành thạo mới lái trong thực
tế, nhƣ vậy rất an toàn và thành công.
Công cụ quan trọng khác là mũ đội đầu có màn hiển thị (HMD- Head-
Mounted Display), mũ này có bộ ống nhòm vạn năng điều hƣớng (Boom -
Binocular Omni Orientation Monitor). Ngƣời sử dụng đội mũ, đeo kính đặc
biệt và qua ống nhòm nhìn trực tiếp lên màn hình của mũ đội đầu nối với máy
tính mô phỏng, thấy rõ môi trƣờng 3D. Khi quay đầu sẽ thấy môi trƣờng biến
động theo chiều quay nhƣ trong thực tiễn.
Bộ đôi găng tay dữ liệu sẽ tác động khi các ngón tay của ngƣời sử dụng
chạm vào các bộ cảm biến, ra các lệnh điều khiển các đối tƣợng trên màn hình
mô phỏng. Còn có nhiều công cụ tinh vi khác, tùy theo nhu cầu tác động lên
môi trƣờng VR, làm cho hoạt động hết sức phong phú.
Lịch sử phát triển của VR thực tế không phải là một phát minh mới, mà
ngay từ năm 1962 Morton Heilig (Mỹ) đã phát minh ra thiết bị mô phỏng
SENSORAMA. Tuy nhiên, cũng nhƣ nhiều ngành công nghệ khác, VR chỉ
thực sự đƣợc phát triển ứng dụng rộng rãi trong những năm gần đây nhờ vào
sự phát triển của tin học (phần mềm) và máy tính (phần cứng). Ngày nay VR
đã trở thành một ngành công nghiệp và thị trƣờng VR tăng trƣởng hàng năm
khoảng 21% và dự tính đạt khoảng 3,4 tỷ $ năm 2005 (theo Machover, 2004).
=> Theo dự đoán của Gartner (tổ chức nghiên cứu thị trƣờng toàn cầu), VR
đứng đầu danh sách 10 công nghệ chiến lƣợc năm 2009 và là hƣớng lựa chọn
đầu tƣ phát triển tiềm năng của tƣơng lai.
1.1.2. Một số ứng dụng cơ bản của thực tại ảo
Tại các nƣớc phát triển, chúng ta có thể nhận thấy VR đƣợc ứng dụng
trong mọi lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch, địa
ốc... và đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu- Giáo dục- Thƣơng mại-dịch vụ. Y
học, du lịch là lĩnh vực ứng dụng truyền thống của VR. Bên cạnh đó VR cũng
đƣợc ứng dụng trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí, du lịch ảo (Virtual Tour),
bất động sản... Trong lĩnh vực quân sự, VR cũng đƣợc ứng dụng rất nhiều ở
các nƣớc 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 nhƣ: 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, ứng dụng cho ngành du
lịch, ứng dụng cho thị trƣờng bất động sản....) 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.
1.2. MÔ HÌNH HÓA 3D TRONG THỰC TẠI ẢO
Hiện nay, thực tại ảo giúp các nhà nghiên cứu khoa học về lịch sử có thể
duy trì các di sản văn hóa, cụ thể nhƣ nhóm Miralab đã phát triển các mô hình
thực tại ảo của hai thánh đƣờng Hồi giáo Thổ Nhĩ Kỳ thuộc niên đại
OTSman, thế kỷ 16, cho phép “du khách” vãn cảnh và khám phá tòa dinh thự
trong thời gian thực. Cả hai công trình này đều là di sản văn hóa thể giới tại
thành phố Istanbul của Thổ Nhĩ Kỳ. Lúc mới xây dựng, cùng vào thế kỷ 6,
thánh đƣờng Hagia Sofia vốn là một nhà thờ Thiên Chúa giáo, còn thánh
đƣờng Aya Sofya từng là nhà thờ thánh Sergius và Bacchus.
Hình 1.4. Công nghệ cho phép phục chế những di sản đang gặp nguy hiểm,
với bầu không khí và bối cảnh của các tòa nhà thuộc thời đại đó.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng sơ đồ kiến trúc, cùng những bức ảnh và
video độ phân giải cao để tạo nên hình mẫu ảo của các thánh đƣờng. Cùng với
các tòa nhà, họ còn tạo ra những nhân vật ảo, trong đó có cả một thầy tế, để
mô phỏng những buổi hành lễ vào thứ sáu hàng tuần của kỷ nguyên OTSman.
Ngƣời xem có thể dùng chuột để khảo sát những mô hình này trong thời gian
thực, zoom sát lại để nhìn ngắm chi tiết của các bức tranh khảm trên tƣờng
hoặc lùi ra xa để quan sát toàn cảnh nội thất tòa thánh đƣờng.
Từng chi tiết nhỏ nhƣ đồ nội thất, màu sắc và kết cấu của các công trình
đều đƣợc tạo hình trung thực với lịch sử. Thêm vào đó, khung cảnh, ánh sáng
và âm thanh cũng thay đổi theo vị trí của con trỏ.
Mục đích của dự án là cung cấp một lựa chọn mới thay cho những tấm
ảnh hoặc sơ đồ của các vật tạo tác, đồng thời giúp những ngƣời muốn tìm
hiểu lịch sử đƣợc đắm chìm trong không khí của quá khứ. Nedjma Cadi-
Yazli, thành viên nhóm nghiên cứu Miralab nhận xét: "Công nghệ này cho
phép phục chế những di sản đang gặp nguy hiểm, với bầu không khí và bối
cảnh của các tòa nhà thuộc thời đại đó. Chúng tôi đang cố gắng tạo ra ấn
tƣợng về sự du hành ngƣợc thời gian... Những minh họa này, đƣợc thể hiện
với hình ảnh ba chiều và âm thanh nổi trên màn hình lớn, sẽ giúp ngƣời xem
cảm thấy nhƣ mình đang ở trong tòa nhà”.
Nhóm Miralab cho biết, công trình của họ đƣa ra đƣợc phƣơng thức
chiêm nghiệm quá khứ với công nghệ thực tại ảo, trong khi việc phục chế
hoàn toàn các di tích sẽ rất tốn kém, mất nhiều thời gian hoặc không thực tế.
Kiến trúc sƣ Claudiu Ionescu ngƣời Romania đã thực hiện thành công bảo
tàng ảo 3D ở gần công viên quốc gia Mures Floodplain tại thị trấn Pecica.
Hình 1.5. Bảo tàng 3D ở gần công viên quốc gia Mures Floodplain (Romania).
Bảo tàng 3D này thoạt trông nhƣ một nhà thờ. Ngoài kiến trúc bất
thƣờng, bảo tàng còn là nơi hội tụ những công nghệ 3D mới nhất, cho phép
khách đến tham quan có thể truy cập vào nhiều bảo tàng trên thế giới và ngắm
hầu hết hiện vật đƣợc trƣng bày trong đó.
Tạp chí Gizmag dẫn lời Claudiu Ionescu cho biết đó là một bảo tàng kỹ
thuật số, ngƣời dùng có thể truy cập vào bất kỳ bảo tàng thật nào trên thế
giới, trải qua thử nghiệm thú vị với các màn hình cảm ứng 45 inch. Chỉ với
diện tích khiêm tốn 125m2 nhƣng nhờ kỹ thuật số dễ dàng chuyển hình hiển
thị nên khách tham quan có thể ngắm đồ vật khắp nơi. Phần thân chính của
bảo tàng bằng bê tông cốt thép, mặt tiền làm bằng nhôm, mái nhà lợp thêm
các tế bào quang năng để cung cấp năng lƣợng, tốn 160.500 USD và chỉ làm
trong 5 tháng.
Tại Việt Nam, công tác hồi sinh thành Thăng Long bằng công nghệ thực
tại ảo, chỉ cần nhấn chuột vài lần là ngƣời xem có thể zoom sát lại để ngắm
các chi tiết của đền Ngọc Sơn - một di tích lịch sử quan trọng ở Hà Nội, xem
các bức tranh khảm trên tƣờng, đồng thời cũng có thể lùi ra xa để quan sát
toàn bộ khuôn viên đền.
Hình 1.6. Đền Ngọc Sơn (bên hồ Hoàn Kiếm) đƣợc tái hiện
bằng công nghệ thực tại ảo. (Ảnh: SGGP)
Đây chỉ là một ví dụ trong dự án hồi sinh thành Thăng Long bằng công
nghệ thực tại ảo, do nhóm chuyên gia công nghệ thông tin ở Hà Nội với 12
thanh niên còn rất trẻ thực hiện. Kỹ sƣ Nguyễn Văn Trƣờng, thuộc Trung tâm
Công nghệ mô phỏng, Học viện Kỹ thuật quân sự, 1 trong 4 “hạt nhân” của
nhóm cho biết: “Chúng tôi đã bước đầu xây dựng được Chương trình sử dụng
công nghệ thực tại ảo để tái hiện lại hình ảnh của các di tích lịch sử tại Hà
Nội. Công nghệ thực tại ảo hiện đang phát triển trên thế giới và đã được ứng
dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau”. Từng chi tiết nhỏ nhƣ đồ nội thất, màu
sắc và kết cấu của các công trình đều đƣợc tạo hình trung thực với lịch sử.
Khung cảnh, ánh sáng và âm thanh cũng thay đổi theo vị trí quan sát... Một
thành viên của nhóm cho biết: “Chương trình mà nhóm nghiên cứu đang nỗ
lực xây dựng sẽ giúp cho người xem tương tác với di tích với cảm giác hết sức
sống động. Họ không chỉ được cung cấp thông tin về di tích, mà còn có được
rất nhiều cảm xúc “sống thực trong không gian ảo”. Đó là hiệu ứng của công
nghệ số, là điều hết sức thú vị cho khách tham quan”.
Tại nhiều nƣớc trong khu vực nhƣ Nhật Bản, Thái Lan..., công nghệ thực
tại ảo đã đem lại hiệu quả rất lớn trong công tác bảo tồn và phục chế các di
sản kiến trúc. Tuy nhiên, với nhóm nghiên cứu trẻ này của Việt Nam, hiện tại,
do nhiều hạn chế về kiến thức lịch sử, nhân lực, kinh phí... nên nhóm mới chỉ
thu thập đƣợc những thông tin về hiện trạng, mà chƣa có đƣợc những thông
tin đầy đủ về lịch sử hình thành và tồn tại của các di tích để hoàn thiện với
mục tiêu của đề án.
Với một hệ thống thực tế ảo thì tính tƣơng tác, các đồ họa 3 chiều thời
gian thực và cảm giác đắm chìm đƣợc xem là các đặc tính then chốt.
Tƣơng tác thời gian thực (real-time interactivity): có nghĩa là máy tính
có khả năng nhận biết đƣợc tín hiệu vào của ngƣời sử dụng và thay đổi ngay
lập tức thế giới ảo. Ngƣời 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.
Cảm giác đắm chìm (immersion): là một hiệu ứng tạo khả năng tập trung
sự chú ý cao nhất một cách có chọn lọc vào chính những thông tin từ ngƣời sử
dụng hệ thống thực tế ảo. Ngƣời sử dụng cảm thấy mình là một phần của thế
giới ảo, hòa lẫn vào thế giới đó. VR còn đẩy cảm giác này “thật” hơn nữa nhờ
tác động lên các kênh cảm giác khác. Ngƣời dùng không những nhìn thấy đối
tƣợng đồ họa 3D, điều khiển (xoay, di chuyển..) đƣợc đối tƣợng mà còn sờ và
cảm thấy chúng nhƣ có thật. Các nhà nghiên cứu cũng đang tìm cách tạo
những cảm giác khác nhƣ ngửi, nếm trong thế giới ảo.
Tính tƣơng tác: có hai khía cạnh của tính tƣơng tác trong một thế giới ảo:
sự du hành bên trong thế giới và động lực học của môi trƣờng. Sự du hành là
khả năng của ngƣời dùng để di chuyển khắp nơi một cách độc lập, cứ nhƣ là
đang ở bên trong một môi trƣờng thật. Nhà phát triển phần mềm có thể thiết
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
NGUYỄN TIẾN CÔNG
MÔ HÌNH HÓA 3D HỆ TIÊU HÓA TRONG
THỰC TẠI ẢO
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
Thái Nguyên - 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Tên đề tài :
MÔ HÌNH HÓA 3D HỆ TIÊU HÓA TRONG THỰC TẠI ẢO
(3D MODELING DIGESTIVE SYSTEM IN VIRTUAL REALITY)
Giáo viên hƣớng dẫn : TS. Nguyễn Văn Huân
Học viên thực hiện : Nguyễn Tiến Công
Lớp : Cao học Khóa 12 (CHK12C)
Cơ sở đào tạo : Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông -
(Đại học Thái Nguyên)
Chuyên ngành : Khoa học máy tính
Mã số chuyên ngành : 60.48.0101
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do tôi tự bản
thân sƣu tầm, tìm hiểu, nghiên cứu phân tích dƣới sự hƣớng dẫn của thày giáo
hƣớng dẫn để hoàn thành.
Phần mã nguồn của chƣơng trình đều do tôi tự thiết kế và xây dựng,
trong đó có sử dụng một số thƣ viện chuẩn và các thuật toán đƣợc các tác giả
xuất bản công khai và miễn phí trên mạng Internet.
Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính pháp lý quá trình nghiên cứu
khoa học của luận văn này.
Thái Nguyên - Tháng 6 năm 2015.
NGƢỜI CAM ĐOAN
Nguyễn Tiến Công
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
LỜI CÁM ƠN
Trƣớc hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn tới thày giáo hƣớng dẫn, ngƣời
đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo và cung cấp những tài liệu rất hữu ích để em
có thể hoàn thành luận văn.
Xin cảm ơn Ban Giám hiệu, bộ phận Sau đại học thuộc Phòng Đào tạo
và các thày, cô giáo Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông -
Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ, hƣớng dẫn em về mọi mặt
trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thày, cô giáo Viện Công nghệ Thông
tin quốc gia, Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại
học Thái Nguyên đã truyền đạt kiến thức và phƣơng pháp nghiên cứu khoa
học trong suốt thời gian học vừa qua.
Xin chân thành cảm ơn các anh chị em học viên Cao học K12C
và các bạn đồng nghiệp đã động viên, khích lệ tôi trong quá trình học
tập, nghiên cứu.
Và tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, ngƣời thân, những
ngƣời luôn động viên, khuyến khích và giúp đỡ về mọi mặt để tôi có thể hoàn
thành công việc nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn./.
Thái Nguyên - Tháng 6 năm 2015.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Nguyễn Tiến Công
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
MỤC LỤC
Stt Nội dung Trang
Phần mở đầu ........................................................................... 1
Chƣơng 1 KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ HÌNH HÓA 3D 4
1.1 Khái quát về thực tại ảo ............................................ 4
1.1.1 Sơ lƣợc lịch sử hình thành và phát triển .................................... 4
1.1.2 Một số ứng dụng cơ bản của thực tại ảo ........................................ 9
1.2 Mô hình hóa 3D trong thực tại ảo ...................................................... 10
Chƣơng 2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG MÔ HÌNH HÓA 3D HỆ TIÊU HÓA 17
2.1 Hệ tiêu hóa ......................................... 17
2.1.1 Mô tả cấu tạo hệ tiêu hóa của ngƣời .............................. 17
2.1.2 Mô phỏng cấu tạo hệ tiêu hóa của ngƣời ................................. 17
2.2 Công cụ mô hình hóa 3D ................................................... 28
2.2.1 Tổng quan về mô hình hóa 3D .............................. 28
2.2.2 Mô hình hóa 3D ................................. 28
2.2.3 Các kỹ thuật dựng hình chính 3D ................................. 30
2.3 Các kỹ thuật tạo đối tượng ................................................... 33
2.3.1 Các lọai mô hình tạo đối tƣợng .............................. 33
2.3.2 Hai kỹ thuật tạo mô hình ................................. 41
2.3.2.1 Tạo mô hình theo hướng liên tục 42
2.3.2.2 Tạo mô hình theo hướng rời rạc 43
2.3.3 Nghệ thuật tạo mô hình ................................. 47
2.4 Hoàn thiện bề mặt mô hình (Texturing) .......................................... 48
2.4.1 Thêm tính chất bề mặt cho mô hình (Texturing) .............................. 48
2.4.2 Kết xuất(Rendering) ................................. 50
Chƣơng 3 CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 52
3.1 Yêu cầu bài toán ................................. 52
3.2 Phân tích, lựa chọn công cụ ..................................................... 52
3.3 Một số kết quả của chương trình thử nghiệm .................................. 54
3.4 Phân tích đánh giá kết quả ................................................................ 57
Kết luận ........................................................................................ 59
Tài liệu tham khảo ............................................................................ 61
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
DANH MỤC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN
Thứ tự Chú thích hình Trang
Hình 1.1 Một hệ thống VR tại Viện Fraunhofer (CHLB Đức) 7
Hình 1.2 Ba đặc tính của VR 7
Hình 1.3 Các thành phần một VR 8
Công nghệ cho phép phục chế những di sản đang gặp nguy hiểm,
Hình 1.4 11
với bầu không khí và bối cảnh của các tòa nhà thuộc thời đại đó
Bảo tàng 3D ở gần công viên quốc gia Mures Floodplain
Hình 1.5 12
(Romania)
Đền Ngọc Sơn (bên hồ Hoàn Kiếm) đƣợc tái hiện bằng công nghệ
Hình 1.6 13
thực tại ảo
Hình 2.1 Sơ đồ mô phỏng hệ tiêu hóa của ngƣời 19
Hình 2.2 Thiết đồ cắt đứng dọc qua đầu và cổ thể hiện ống tiêu hóa 20
Hình 2.3 Cấu tạo của dạ dày 24
Hình 2.4 Cấu tạo của đại tràng 28
Từ trái sang phải là các thao tác dịch chuyển, xoay, co giãn, ứng
Hình 2.5 30
với mỗi trục toạ độ là một màu
Hình 2.6 Các khung nhìn khác nhau 31
Hình 2.7 Khung dựng của một quả bóng, đƣợc tạo ra sau bƣớc tạo mô hình 32
Hình 2.8 Quả bóng sau khi đã qua bƣớc thể hiện 32
Hình 2.9 Điểm, cạnh, mặt 34
Hình 2.10 Các đối tƣợng nguyên thuỷ của Polygon 35
Hình 2.11 Các kiểu làm trơn cho Polygon 36
Hình 2.12 Minh họa tiến trình dựng một chiếc búa bằng mô hình Polygon 36
Hình 2.13 Minh họa tiến trình dựng một chiếc búa bằng mô hình Polygon 36
Hình 2.14 Mặt phẳng Nurbs và Polygon 37
Hình 2.15 So sánh số điểm điều khiển giữa mô hình polygon và Nurbs 38
Hình 2.16 Tạo cốc từ đƣờng cong 39
Hình 2.17 Các đối tƣợng nguyên thủy của Nubrs 40
Hình 2.18 Minh hoạ một quá trình tạo một bàn tay bằng subdivision surface 41
Hình 2.19 Minh họa cách tạo bàn tay theo hƣớng liên tục 43
Hình 2.20 Minh họa cách tạo bàn tay theo hƣớng liên tục 43
Hình 2.21 Minh họa cách tạo bàn tay theo hƣớng liên tục 44
Hình 2.22 Minh họa cách tạo bàn tay theo hƣớng liên tục 44
Hình 2.23 Minh họa mô hình ngƣời theo hƣớng rời rạc 45
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.24 Minh họa mô hình ngƣời theo hƣớng rời rạc 45
Hình 2.25 Minh họa mô hình ngƣời theo hƣớng rời rạc 45
Hình 2.26 Minh họa mô hình ngƣời theo hƣớng rời rạc 46
Hình 2.27 Minh họa mô hình ngƣời theo hƣớng rời rạc 46
Hình 2.28 Minh họa mô hình ngƣời theo hƣớng rời rạc 46
Hình 2.29 Minh họa mô hình ngƣời theo hƣớng rời rạc 47
Hình 2.30 Tạo khuôn mặt 47
Hình 2.31 Tạo các ngón tay 47
Hình 2.32 Tạo bàn tay 48
Hình 2.33 Tạo không gian 49
Hình 2.34 Texture 2D 50
Hình 2.35 Texture 3D 50
Hình 3.1 Các khung nhìn khác nhau trên 3DSMax 54
Hình 3.2 Mô hình 3D miệng 55
Hình 3.3 Mô hình 3D hầu, thực quản 56
Hình 3.4 Mô hình 3D dạ dày 56
Hình 3.5 Mô hình 3D ruột non, ruột già và ruột thừa 57
Hình 3.6 Mô hình 3D hệ tiêu hóa hoàn chỉnh
m 57
Hình 3.7-8 Xoay và quan sát đƣợc các góc nhìn của mô hình 3D hệ tiêu hóa 58
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Trong thực tế hiện nay, ngành Y nói chung và các cơ sở đào tạo y khoa,
các viện nghiên cứu, bệnh viện trên toàn quốc nói riêng đang rất cần cơ thể
ngƣời thật (xác) để phục vụ cho công tác nghiên cứu, giải phẫu, thực tập các
thao tác nội soi,... và hơn ai hết, các thày thuốc và sinh viên ngành Y là những
ngƣời cảm nhận sâu sắc về giá trị thực tiễn khi đƣợc nghiên cứu, thực hành
phẫu thuật trên cơ thể ngƣời thật trong những ca mổ, các đề tài nghiên cứu y
khoa. Để có đƣợc xác ngƣời đạt yêu cầu thì chủ yếu đều từ nguồn hiến xác tự
nguyện là chính. Tuy nhiên, nguồn này cũng bị hạn chế bởi nhu cầu lớn của
hàng ngàn cơ sở y tế.
Trong những năm gần đây, sự phát triển của công nghệ đồ họa máy tính
đã làm thay đổi hoàn toàn việc tƣơng tác giữa ngƣời và máy. Nhờ đó mà một
loạt các ứng dụng đồ họa máy tính ra đời, đáp ứng đƣợc nhiều nhu cầu của xã
hội. Cụ thể nhƣ trong các lĩnh vực : giải trí, y tế, xây dựng, văn hóa, quân sự...
Xuất phát từ tình hình thực tế nhƣ vậy, ngành Y cũng đang triệt để ứng dụng
công nghệ thông tin (CNTT) để phục vụ cho nhu cầu của ngành mình. Trên
thế giới hiện nay đã sử dụng những công nghệ mô hình hóa cơ thể ngƣời thật
trên không gian 3 chiều ảo để phục vụ cho nghiên cứu, thực hành phẫu thuật
và những mục đích có liên quan. Với công nghệ mô phỏng trên máy tính hiện
nay, cơ thể ngƣời đã đƣợc hiện thị nhiều chiều trong không gian ảo, hay còn
gọi là thực tại ảo (VR - Virtual Reality).
Đề tài xin đề xuất hƣớng nghiên cứu mô hình hóa 3D trong thực tại ảo
cho một trong những thành phần cơ thể của con ngƣời theo lý thuyết xử lý
ảnh, các thuật toán kỹ thuật và ứng dụng vào mô hình thực tế đƣợc xác định là
sẽ có ý nghĩa về lý thuyết và ứng dụng trong cuộc sống nói chung, cho ngành
Y nói riêng. Vì những lý do trên, tôi chọn đề tài :
"MÔ HÌNH HÓA 3D HỆ TIÊU HÓA TRONG THỰC TẠI ẢO"
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
2.1. Đối tượng
+ Đặc tả đối tƣợng hệ thống tiêu hóa của ngƣời trên công nghệ 3D
+ Các thuật toán kỹ thuật và ứng dụng thử nghiệm
+ Nghiên cứu ứng dụng xử lý ảnh 3D cho đối tƣợng
2.2. Phạm vi nghiên cứu
+ Lý thuyết:
- Nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết xử lý ảnh
- Mô hình hóa hệ thống tiêu hóa của ngƣời trên công nghệ 3D
- Phân tích, biểu diễn mô hình
+ Thực nghiệm:
- Nghiên cứu mô phỏng 3D hệ thống tiêu hóa của ngƣời.
- Biểu diễn mô hình
3. Hƣớng nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu lý thuyết, thu thập, phân tích các tài liệu có liên quan đến
đối tƣợng của đề tài.
- Nghiên cứu, xây dựng mô hình 3D hệ tiêu hóa của ngƣời trong thực tại
ảo (VR).
- Đánh giá, quan sát và hiệu chỉnh đối tƣợng 3D theo nhiều góc nhìn,
phóng to thu nhỏ hệ tiêu hóa nhằm phục vụ cho các yêu cầu thực tế.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu tài liệu, đọc hiểu các kiến
thức cơ bản về kỹ thuật xử lý ảnh, về mô hình khoa học về hệ thống tiêu hóa
của ngƣời.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu, phân tích và lựa
chọn giải pháp công nghệ biểu diễn mô hình hóa ảnh 3D cho hệ thống tiêu
hóa của con ngƣời.
- Phương pháp trao đổi khoa học: Trao đổi hƣớng nghiên cứu với ngƣời
hƣớng dẫn, các đối tác có liên quan để đề xuất và giải quyết các nội dung luận
văn đề ra.
- Kết quả : Kiểm tra, thử nghiệm, biểu diễn và đánh giá kết quả.
5. Mục tiêu ý nghĩa khoa học của đề tài
- Xây dựng mô hình hóa 3D (thực tại ảo) đối tƣợng là hệ tiêu hóa của
ngƣời dựa trên lý thuyết xử lý ảnh;
- Nghiên cứu, phân tích lựa chọn cung cấp chức năng mô hình hóa đối
tƣợng 3D, thao tác trình diễn đối tƣợng trong môi trƣờng không gian 3D;
- Là cơ sở để giải quyết vấn đề biểu diễn đƣợc mô hình 3D toàn bộ cơ
thể con ngƣời trên môi trƣờng ảo có ý nghĩa về khoa học và ứng dụng trong
thực tế.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Chƣơng 1
KHAI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ HÌNH HÓA 3D
1.1. KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO
1.1.1. Sơ lƣợc lịch sử hình thành và phát triển
Thực tại ảo (tiếng Anh là virtual reality, viết tắt là VR) hay còn gọi là
thực tế ảo là thuật ngữ miêu tả một môi trƣờng mô phỏng bằng máy tính. Đa
phần các môi trƣờng thực tại ảo chủ yếu là hình ảnh hiển thị trên màn hình
máy tính hay thông qua kính nhìn 3 chiều, tuy nhiên một vài mô phỏng cũng
có thêm các loại giác quan khác khác nhƣ âm thanh hay xúc giác.
Công nghệ thực tại ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện khoảng đầu thập
kỷ 90, nhƣng thực sự phát triển mạnh trong vòng vài năm trở lại đây. Theo dự
đoán của Gartner (tổ chức nghiên cứu thị trƣờng toàn cầu), VR đứng đầu danh
sách 10 công nghệ chiến lƣợc năm 2009. Tại Mỹ và châu Âu thực tại ảo (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, du
lịch, dịch vụ bất động sản, thƣơng mại và giải trí,..) và tiềm năng kinh tế,
cũng nhƣ tính lƣỡng dụng (trong dân dụng và quân sự) của nó.
Các nhà khoa học đã nghiên cứu VR từ nhiều năm nay và đã thừa nhận
VR là một công nghệ có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn. Nhiều bài báo,
chƣơng trình giới thiệu truyền hình, hội thảo,... đã miêu tả VR theo nhiều
cách khác nhau về ứng dụng VR vào cuộc sống.
Các yêu cầu đối với một hệ thống VR : Vậy VR nhƣ thế nào ? Trƣớc hết
chúng ta hãy giải thích nó qua khía cạnh chức năng. VR là một hệ thống mô
phỏng trong đó đồ họa máy tính đƣợc sử dụng để tạo ra một thế giới "nhƣ
thật". Hơn nữa, thế giới "nhân tạo" này không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay
đổi theo ý muốn (tín hiệu vào) của ngƣời sử dụng (nhờ hành động, lời nói,..).
Điều này xác định một đặc tính chính của VR, đó là tƣơng tác thời gian thực
(real-time interactivity). Thời gian thực ở đây có nghĩa là máy tính có khả
năng nhận biết đƣợc tín hiệu vào của ngƣời sử dụng và thay đổi ngay lập tức
thế giới ảo. Ngƣời 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. Theo báo Bild (Đức),
có hai trẻ nhỏ ở Anh bị thu hút và mải mê chơi Nintendo đến nỗi ngay cả khi
nhà chúng đang bị cháy cũng không hề hay biết! Tƣơng tác và 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 ngƣời sử dụng đang trải
nghiệm. Nhƣng VR còn đẩy cảm giác này "thật" hơn nữa nhờ tác động lên tất
cả các kênh cảm giác của con ngƣời. Trong thực tế, ngƣời dùng không những
nhìn thấy đối tƣợng đồ họa 3D nổi (nhƣ hình nổi ở trang cuối báo Hoa học trò
đã đăng trƣớc kia), điều khiển (xoay, di chuyển,..) đƣợc đối tƣợng trên màn
hình (nhƣ trong game), mà còn sờ và cảm thấy chúng nhƣ 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 nhƣ ngửi (khứu giác), nếm (vị giác).
Tuy nhiên, hiện nay trong VR các cảm giác này cũng ít đƣợc sử dụng đến.
Từ các phân tích trên, chúng ta có thể thấy định nghĩa sau đây của C.
Burdea và P.Coiffet về VR là tƣơng đối chính xác: VR-Thực tại ảo là một hệ
thống giao diện cấp cao giữa Ngƣời sử dụng và Máy tính. Hệ thống này mô
phỏng các sự vật và hiện tƣợng theo thời gian thực và tƣơng tác với ngƣời sử
dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác. Đó là ngũ giác gồm: thị giác, thính
giác, xúc giác, khứu giác, vị giác. Khái niệm này tƣơng đối sát thực tế, tuy
nhiên "trăm nghe không bằng một thấy", cho dù bạn có tƣởng tƣợng đến đâu
cũng chỉ có thể "hình dung" chứ không thể "cảm thấy" một VR. Theo ý kiến
của nhiều chuyên gia, mặc dù nghiên cứu lý thuyết nhiều về VR, nhƣng chỉ
tới khi họ đƣợc thực hành trực tiếp trong một CAVE (một hệ thống VR) thì
mới cảm nhận hết một thế giới VR kỳ diệu nhƣ thế nào. Hy vọng trong tƣơng
lai gần, tại Việt nam sẽ có một hệ thống VR đầy đủ để chúng ta có thể cảm
nhận đƣợc sự sáng tạo vĩ đại của con ngƣời.
Hình 1.1. Một hệ thống VR tại Viện Fraunhofer (CHLB Đức)
Nhƣ trên đã trình bày, 2 đặc tính chính của VR là Tƣơng tác và Đắm
chìm, đây là hai "I" (Interactive, Immersion) mà nhiều ngƣời đã biết. Tuy
nhiên VR cần có 1 đặc tính thứ 3 mà ít ngƣời để ý tới. VR không chỉ là một
hệ thống tƣơng tác Ngƣời- 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 tƣởng tƣợng của con ngƣời, đó chính là đặc tính "I" (Imagination)
thứ 3 của VR. Do đó, có thể coi VR là tổng hợp của 3 yếu tố: Tƣơng tác-Đắm
chìm-Tƣởng tƣợng, (3 chữ I trong tiếng Anh: Interactive-Immersion-
Imagination) nhƣ trong hình sau thể hiện.
Hình 1.2. Ba đặc tính của VR
Tổng quát một VR bao gồm những 5 thành phần sau:
Hình 1.3. Các thành phần một VR
Trong nội dung này chỉ tập chung giới thiệu vào SW (phần mềm) và HW
(phần cứng), còn các thành phần khác: Mạng liên kết, Ngƣời dùng, Các ứng
dụng sẽ không đề cập.
Phần cứng (Hardware) của một VR bao gồm:
1. Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh).
2. Các thiết bị đầu vào (Input devices): là các thiết bị có khả năng kích
thích các giác quan để tạo nên cảm giác 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 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.
3. Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (nhƣ màn
hình, mũ đội đầu có màn hiển thị 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 cƣỡi ngựa, đạp xe, đi đƣờng
xóc,...
Phần mềm (Software) luôn là linh hồn của VR cũng nhƣ 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 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 VR nào
cũng phải bảo đảm 2 công dụng chính: Tạo hình vào Mô phỏng. Các đối
tƣợng của VR 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,..). Sau đó phần mềm VR phải có khả năng mô phỏng động học, động
lực học, và mô phỏng ứng xử của đối tƣợng.
Bộ giả lập thực tại (reality simulator) bao gồm hệ thống máy tính, phần
cứng ngoại vi, thiết bị đồ họa và các thiết bị đa phƣơng tiện cung cấp cho bộ
tác động những thông tin giác quan cần thiết đƣợc xem là trái tim của hệ
thống thực tế ảo. Chẳng hạn, trong hệ thống mô phỏng cabin lái máy bay, ô
tô, tàu biển… thì mô hình cabin là “reality simulator”. Các thiết bị mô phỏng
hệ thống cabin tạo ra một môi trƣờng ảo, trong đó ngƣời sử dụng điều khiển
thiết bị giả lập và nhận đƣợc cảm giác nhƣ khi thao tác ở môi trƣờng thực tế.
Thí dụ nhƣ một ngƣời sử dụng VR và có cảm nhận nhƣ đang học lái xe với
các găng tay có cảm biến điều khiển thao tác lái xe bằng cách nhìn vào màn
hình nối với hệ thống máy tính mô phỏng đặt ở xa. Ðây là một thí dụ về ứng
dụng VR để luyện tập lái xe. Khi nào cảm thấy thành thạo mới lái trong thực
tế, nhƣ vậy rất an toàn và thành công.
Công cụ quan trọng khác là mũ đội đầu có màn hiển thị (HMD- Head-
Mounted Display), mũ này có bộ ống nhòm vạn năng điều hƣớng (Boom -
Binocular Omni Orientation Monitor). Ngƣời sử dụng đội mũ, đeo kính đặc
biệt và qua ống nhòm nhìn trực tiếp lên màn hình của mũ đội đầu nối với máy
tính mô phỏng, thấy rõ môi trƣờng 3D. Khi quay đầu sẽ thấy môi trƣờng biến
động theo chiều quay nhƣ trong thực tiễn.
Bộ đôi găng tay dữ liệu sẽ tác động khi các ngón tay của ngƣời sử dụng
chạm vào các bộ cảm biến, ra các lệnh điều khiển các đối tƣợng trên màn hình
mô phỏng. Còn có nhiều công cụ tinh vi khác, tùy theo nhu cầu tác động lên
môi trƣờng VR, làm cho hoạt động hết sức phong phú.
Lịch sử phát triển của VR thực tế không phải là một phát minh mới, mà
ngay từ năm 1962 Morton Heilig (Mỹ) đã phát minh ra thiết bị mô phỏng
SENSORAMA. Tuy nhiên, cũng nhƣ nhiều ngành công nghệ khác, VR chỉ
thực sự đƣợc phát triển ứng dụng rộng rãi trong những năm gần đây nhờ vào
sự phát triển của tin học (phần mềm) và máy tính (phần cứng). Ngày nay VR
đã trở thành một ngành công nghiệp và thị trƣờng VR tăng trƣởng hàng năm
khoảng 21% và dự tính đạt khoảng 3,4 tỷ $ năm 2005 (theo Machover, 2004).
=> Theo dự đoán của Gartner (tổ chức nghiên cứu thị trƣờng toàn cầu), VR
đứng đầu danh sách 10 công nghệ chiến lƣợc năm 2009 và là hƣớng lựa chọn
đầu tƣ phát triển tiềm năng của tƣơng lai.
1.1.2. Một số ứng dụng cơ bản của thực tại ảo
Tại các nƣớc phát triển, chúng ta có thể nhận thấy VR đƣợc ứng dụng
trong mọi lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch, địa
ốc... và đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu- Giáo dục- Thƣơng mại-dịch vụ. Y
học, du lịch là lĩnh vực ứng dụng truyền thống của VR. Bên cạnh đó VR cũng
đƣợc ứng dụng trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí, du lịch ảo (Virtual Tour),
bất động sản... Trong lĩnh vực quân sự, VR cũng đƣợc ứng dụng rất nhiều ở
các nƣớc 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 nhƣ: 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, ứng dụng cho ngành du
lịch, ứng dụng cho thị trƣờng bất động sản....) 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.
1.2. MÔ HÌNH HÓA 3D TRONG THỰC TẠI ẢO
Hiện nay, thực tại ảo giúp các nhà nghiên cứu khoa học về lịch sử có thể
duy trì các di sản văn hóa, cụ thể nhƣ nhóm Miralab đã phát triển các mô hình
thực tại ảo của hai thánh đƣờng Hồi giáo Thổ Nhĩ Kỳ thuộc niên đại
OTSman, thế kỷ 16, cho phép “du khách” vãn cảnh và khám phá tòa dinh thự
trong thời gian thực. Cả hai công trình này đều là di sản văn hóa thể giới tại
thành phố Istanbul của Thổ Nhĩ Kỳ. Lúc mới xây dựng, cùng vào thế kỷ 6,
thánh đƣờng Hagia Sofia vốn là một nhà thờ Thiên Chúa giáo, còn thánh
đƣờng Aya Sofya từng là nhà thờ thánh Sergius và Bacchus.
Hình 1.4. Công nghệ cho phép phục chế những di sản đang gặp nguy hiểm,
với bầu không khí và bối cảnh của các tòa nhà thuộc thời đại đó.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng sơ đồ kiến trúc, cùng những bức ảnh và
video độ phân giải cao để tạo nên hình mẫu ảo của các thánh đƣờng. Cùng với
các tòa nhà, họ còn tạo ra những nhân vật ảo, trong đó có cả một thầy tế, để
mô phỏng những buổi hành lễ vào thứ sáu hàng tuần của kỷ nguyên OTSman.
Ngƣời xem có thể dùng chuột để khảo sát những mô hình này trong thời gian
thực, zoom sát lại để nhìn ngắm chi tiết của các bức tranh khảm trên tƣờng
hoặc lùi ra xa để quan sát toàn cảnh nội thất tòa thánh đƣờng.
Từng chi tiết nhỏ nhƣ đồ nội thất, màu sắc và kết cấu của các công trình
đều đƣợc tạo hình trung thực với lịch sử. Thêm vào đó, khung cảnh, ánh sáng
và âm thanh cũng thay đổi theo vị trí của con trỏ.
Mục đích của dự án là cung cấp một lựa chọn mới thay cho những tấm
ảnh hoặc sơ đồ của các vật tạo tác, đồng thời giúp những ngƣời muốn tìm
hiểu lịch sử đƣợc đắm chìm trong không khí của quá khứ. Nedjma Cadi-
Yazli, thành viên nhóm nghiên cứu Miralab nhận xét: "Công nghệ này cho
phép phục chế những di sản đang gặp nguy hiểm, với bầu không khí và bối
cảnh của các tòa nhà thuộc thời đại đó. Chúng tôi đang cố gắng tạo ra ấn
tƣợng về sự du hành ngƣợc thời gian... Những minh họa này, đƣợc thể hiện
với hình ảnh ba chiều và âm thanh nổi trên màn hình lớn, sẽ giúp ngƣời xem
cảm thấy nhƣ mình đang ở trong tòa nhà”.
Nhóm Miralab cho biết, công trình của họ đƣa ra đƣợc phƣơng thức
chiêm nghiệm quá khứ với công nghệ thực tại ảo, trong khi việc phục chế
hoàn toàn các di tích sẽ rất tốn kém, mất nhiều thời gian hoặc không thực tế.
Kiến trúc sƣ Claudiu Ionescu ngƣời Romania đã thực hiện thành công bảo
tàng ảo 3D ở gần công viên quốc gia Mures Floodplain tại thị trấn Pecica.
Hình 1.5. Bảo tàng 3D ở gần công viên quốc gia Mures Floodplain (Romania).
Bảo tàng 3D này thoạt trông nhƣ một nhà thờ. Ngoài kiến trúc bất
thƣờng, bảo tàng còn là nơi hội tụ những công nghệ 3D mới nhất, cho phép
khách đến tham quan có thể truy cập vào nhiều bảo tàng trên thế giới và ngắm
hầu hết hiện vật đƣợc trƣng bày trong đó.
Tạp chí Gizmag dẫn lời Claudiu Ionescu cho biết đó là một bảo tàng kỹ
thuật số, ngƣời dùng có thể truy cập vào bất kỳ bảo tàng thật nào trên thế
giới, trải qua thử nghiệm thú vị với các màn hình cảm ứng 45 inch. Chỉ với
diện tích khiêm tốn 125m2 nhƣng nhờ kỹ thuật số dễ dàng chuyển hình hiển
thị nên khách tham quan có thể ngắm đồ vật khắp nơi. Phần thân chính của
bảo tàng bằng bê tông cốt thép, mặt tiền làm bằng nhôm, mái nhà lợp thêm
các tế bào quang năng để cung cấp năng lƣợng, tốn 160.500 USD và chỉ làm
trong 5 tháng.
Tại Việt Nam, công tác hồi sinh thành Thăng Long bằng công nghệ thực
tại ảo, chỉ cần nhấn chuột vài lần là ngƣời xem có thể zoom sát lại để ngắm
các chi tiết của đền Ngọc Sơn - một di tích lịch sử quan trọng ở Hà Nội, xem
các bức tranh khảm trên tƣờng, đồng thời cũng có thể lùi ra xa để quan sát
toàn bộ khuôn viên đền.
Hình 1.6. Đền Ngọc Sơn (bên hồ Hoàn Kiếm) đƣợc tái hiện
bằng công nghệ thực tại ảo. (Ảnh: SGGP)
Đây chỉ là một ví dụ trong dự án hồi sinh thành Thăng Long bằng công
nghệ thực tại ảo, do nhóm chuyên gia công nghệ thông tin ở Hà Nội với 12
thanh niên còn rất trẻ thực hiện. Kỹ sƣ Nguyễn Văn Trƣờng, thuộc Trung tâm
Công nghệ mô phỏng, Học viện Kỹ thuật quân sự, 1 trong 4 “hạt nhân” của
nhóm cho biết: “Chúng tôi đã bước đầu xây dựng được Chương trình sử dụng
công nghệ thực tại ảo để tái hiện lại hình ảnh của các di tích lịch sử tại Hà
Nội. Công nghệ thực tại ảo hiện đang phát triển trên thế giới và đã được ứng
dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau”. Từng chi tiết nhỏ nhƣ đồ nội thất, màu
sắc và kết cấu của các công trình đều đƣợc tạo hình trung thực với lịch sử.
Khung cảnh, ánh sáng và âm thanh cũng thay đổi theo vị trí quan sát... Một
thành viên của nhóm cho biết: “Chương trình mà nhóm nghiên cứu đang nỗ
lực xây dựng sẽ giúp cho người xem tương tác với di tích với cảm giác hết sức
sống động. Họ không chỉ được cung cấp thông tin về di tích, mà còn có được
rất nhiều cảm xúc “sống thực trong không gian ảo”. Đó là hiệu ứng của công
nghệ số, là điều hết sức thú vị cho khách tham quan”.
Tại nhiều nƣớc trong khu vực nhƣ Nhật Bản, Thái Lan..., công nghệ thực
tại ảo đã đem lại hiệu quả rất lớn trong công tác bảo tồn và phục chế các di
sản kiến trúc. Tuy nhiên, với nhóm nghiên cứu trẻ này của Việt Nam, hiện tại,
do nhiều hạn chế về kiến thức lịch sử, nhân lực, kinh phí... nên nhóm mới chỉ
thu thập đƣợc những thông tin về hiện trạng, mà chƣa có đƣợc những thông
tin đầy đủ về lịch sử hình thành và tồn tại của các di tích để hoàn thiện với
mục tiêu của đề án.
Với một hệ thống thực tế ảo thì tính tƣơng tác, các đồ họa 3 chiều thời
gian thực và cảm giác đắm chìm đƣợc xem là các đặc tính then chốt.
Tƣơng tác thời gian thực (real-time interactivity): có nghĩa là máy tính
có khả năng nhận biết đƣợc tín hiệu vào của ngƣời sử dụng và thay đổi ngay
lập tức thế giới ảo. Ngƣời 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.
Cảm giác đắm chìm (immersion): là một hiệu ứng tạo khả năng tập trung
sự chú ý cao nhất một cách có chọn lọc vào chính những thông tin từ ngƣời sử
dụng hệ thống thực tế ảo. Ngƣời sử dụng cảm thấy mình là một phần của thế
giới ảo, hòa lẫn vào thế giới đó. VR còn đẩy cảm giác này “thật” hơn nữa nhờ
tác động lên các kênh cảm giác khác. Ngƣời dùng không những nhìn thấy đối
tƣợng đồ họa 3D, điều khiển (xoay, di chuyển..) đƣợc đối tƣợng mà còn sờ và
cảm thấy chúng nhƣ có thật. Các nhà nghiên cứu cũng đang tìm cách tạo
những cảm giác khác nhƣ ngửi, nếm trong thế giới ảo.
Tính tƣơng tác: có hai khía cạnh của tính tƣơng tác trong một thế giới ảo:
sự du hành bên trong thế giới và động lực học của môi trƣờng. Sự du hành là
khả năng của ngƣời dùng để di chuyển khắp nơi một cách độc lập, cứ nhƣ là
đang ở bên trong một môi trƣờng thật. Nhà phát triển phần mềm có thể thiết