CÔNG NGHỆ THỰC TẠI ẢO – Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại Học Kiến Trúc Hà Nội

CÔNG NGHỆ THỰC TẠI ẢO

Nguyễn Huy Thịnh

Nhóm công nghệ BIM-VR

Tóm tắt: Công nghệ thực tại ảo (virtual reality) đã vàđang trở thành công nghệ mũi nhọn trong cuộc cách mạng 4.0. Tại Việt nam, thực tại ảo cũng đã được nghiên cứu và phát triển từ nhiều năm nay nhưng chưa có nhiều sản phẩm gây được tiếng vang. Một phần do chi phí để xây dựng các ứng dụng thực tại ảo khá lớn, một phần do việc phổ biến công nghệ này chưa được sâu rộng trong các trường đại học để thúc đẩy sự nghiên cứu và phát triển. Bài báo này sẽ giới thiệu về công nghệ thực tại ảo; Sử dụng thực tại ảo trong ngành xây dựng; Lập trình VR để tạo được sản phẩm thực tại ảo nhanh nhất.

Thực tại ảo hiện diện ở khắp mọi nơi

1. PHÁC HOẠ VỀ CÔNG NGHỆ THỰC TẠI ẢO TRONG TRONG CÁCH MẠNG 4.0

Thực tại ảo (Virtual reality – VR) là thuật ngữ mô tả môi trường mô phỏng bằng máy tính, hình ảnh hiển thị trên màn hình thông qua kính nhìn ba chiều, cùng với các giác quan khác như âm thanh, xúc giác… để tạo ra một thế giới “như thật”. Thế giới “nhân tạo” này lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn (tín hiệu vào) của người sử dụng (hành động, lời nói…).

Đặc tính quan trọng nhất của công nghệ thực tế ảo là tương tác thời gian thực, tức là khả năng nhận biết thế giới thực gần trùng khít với thế giới ảo.

Hệ thống thực tế ảo gồm 5 thành phần: phần mềm, phần cứng, mạng liên kết, người dùng, các ứng dụng. Trong đó, phần mềm, phần cứng và các ứng dụng là quan trọng nhất.

• Phần mềm: 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) OpenGL, C++, Java3D, VRML, X3D,…hay các phần mềm thương mại như WorldToolKit, PeopleShop,… Phần mềm của bất kỳ VR nào cũng phải bảo đảm 2 công dụng chính: Tạo hình vào Mô phỏng. Các đối tượng của VR được mô hình hóa nhờ chính phần mềm này hay chuyển sang từ các mô hình 3D (thiết kế nhờ các phần mềm CAD khác như 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 tượng.
• Phần cứng: Phần cứng của một hệ thống VR bao gồm: Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh), các thiết bị đầu vào (Input devices) và các thiết bị đầu ra (Output devices).
• 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 hiển thị HMD (Head mounted display), 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).
• 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,…

Xu thế quan trọng trong thời đại Cách mạng 4.0 là “Ảo hóa”

Nhập vai đắm chìm cùng nhân vật

Về cơ bản, VR có 3 đặc tính chính là Tương tác (Interactive), Nhập vai (Immersion) và Tưởng tượng (Imagination). Một hệ thống thực tế ảo thì tính tương tác, các đồ họa ba chiều thời gian thực và cảm giác đắm chìm được xem là các đặc tính then chốt.

• Tương tác thời gian thực (real-time interactivity): 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.
• Cảm giác đắm chìm: 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 người sử dụng hệ thống thực tế ảo. Người 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. Người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D, điều khiển (xoay, di chuyển..) được đối tượng mà còn sờ và cảm thấy chúng như có thật. Các nhà nghiên cứu cũng đang tìm cách tạo những cảm giác khác như ngửi, nếm trong thế giới ảo.
• Tính tương tác: có hai khía cạnh của tính tương tác trong một thế giới ảo: sự du hành bên trong thế giới và động lực học của môi trường. Sự du hành là khả năng của người dùng để di chuyển khắp nơi một cách độc lập, cứ như là đang ở bên trong một môi trường thật. Nhà phát triển phần mềm có thể thiết lập những áp đặt đối với việc truy cập vào những khu vực ảo nhất định, cho phép có được nhiều mức độ tự do khác nhau (Người sử dụng có thể bay, xuyên tường, đi lại khắp nơi hoặc bơi lặn…). Một khía cạnh khác của sự du hành là sự định vị điểm nhìn của người dùng. Sự kiểm soát điểm nhìn là việc người sử dụng tự theo dõi chính họ từ một khoảng cách, việc quan sát cảnh tượng thông qua đôi mắt của một con người khác, hoặc di chuyển khắp trong thiết kế của một cao ốc mới như thể đang ngồi trong một chiếc ghế đẩy… Động lực học của môi trường là những quy tắc về cách thức mà người, vật và mọi thứ tương tác với nhau trong một trật tự để trao đổi năng lượng hoặc thông tin.

2. MỘT SỐ CÔNG NGHỆ CHÍNH CỦA THỰC TẠI ẢO

Hiện tại đang có 03 hướng công nghệ chính của nó: thực tế ảo (VR), thực tế ảo tăng cường (AR) và thực tế hỗn hợp (MR)

2.1 Thực tế ảo (VR)?

Thực tế ảo (Virtual Reality – VR) là một trải nghiệm mô phỏng không gian, sự vật, sự việc có thể giống hoặc khác hoàn toàn với thế giới thực, nói cách khác là tạo ra một môi trường giả lập. Môi trường này được con người thiết kế qua các ứng dụng phần mềm chuyên dụng, và hiển thị trên màn hình máy tính hoặc qua kính thực tế ảo (Oculus Rift, HTC Vive, Playstation VR…). Trong thế giới đó, bạn có thể điều khiển và di chuyển đồ vật xung quanh bằng bộ điều khiển xúc

2.2 Thực tế ảo tăng cường (AR – Augumented Reality ) khác gì so với thực tế ảo (VR)?

công nghệ thực tế ảo tăng cường trong game pokemon

Trong khi VR đưa người dùng đến với một thế giới ảo tách biệt hoàn toàn với thực tại, thì công nghệ AR – thực tế ảo tăng cường lại giúp đưa các hình ảnh đồ họa (thông tin kỹ thuật số) vào trong thế giới thực để bạn có thể nhìn bằng mắt thường. Trò chơi Pokémon Golà một trong những ví dụ nổi tiếng nhất cho công nghệ này. Thực tế ảo tăng cường (AR) coi thế giới thực là trung tâm nhưng tăng cường thêm các chi tiết kỹ thuật số khác,chồng thêm các tầng nhận biết và bổ sung thực tế hoặc môi trường của bạn.Tóm lại, trong khi VR thay thế hoàn toàn thực tại bởi một thế giới mô phỏng, AR chỉ bổ sung các chi tiết vào thế giới thực tại.

AR bổ sung các thông tin số vào thực tại ảo

2.3 Thực tế hỗn hợp (Mixed Reality – MR) là sự kết hợp của VR và AR

Thực tế hỗn hợp (Mixed Reality – MR) nằm ở đâu đó ở giữa VR và AR. Nó pha trộn giữa thế giới thực và thế giới ảo để tạo ra các môi trường phức tạp – nơi các yếu tố vật lý và kỹ thuật số có thể tương tác với nhau trong thời gian thực.

Giống như VR, những nội dung kỹ thuật số (ảo) có tính tương tác và người dùng có thể thao tác với các đối tượng ảo này trong không gian vật lý (thực) của họ. Và giống như AR, nó có thể mang đến nhiều nội dung kỹ thuật số lên môi trường thế giới thực.

2.4 Thực tế mở rộng (Exetened Reality – XR) công nghê của tương lai

Thực tế mở rộng (Extended Reality – XR) là thuật ngữ bao trùm lên cả VR, AR và MR, cũng như tất cả các “thực tế” trong tương lai mà công nghệ có thể mang lại. XR là giao điểm của các loại công nghệ và cách chúng sẽ phối hợp với nhau để phá vỡ các nhiệm vụ hàng ngày của chúng ta.

3. SỬ DỤNG THỰC TẾ ẢO TRONG NGÀNH XÂY DỰNG

Từ lĩnh vực trò chơi điện tử đến điện ảnh hay y học, Thực tế ảo (VR), Thực tế ảo tăng cường (AR) và Thực tế hỗn hợp (MR) được sử dụng ngày càng nhiều.

• Y tế: Để đào tạo, chẳng hạn như mô phỏng các ca phẫu thuật
• Điện ảnh và truyền hình: Để tạo ra các trải nghiệm độc đáo trong các phim và chương trình thực tế
• Du lịch ảo: Để du lịch ảo đến viện bảo tàng nghệ thuật hoặc hành tinh khác tại chính nhà bạn
• Thể thao chuyên nghiệp: Dành cho các chương trình huấn luyện như STRIVR để hỗ trợ các vận động viên chuyên nghiệp và nghiệp dư
• Chơi game: Dành cho hơn 1.000 game hiện có, từ trò chơi nhập vai bắn súng hay thám hiểm đến trò chơi chiến lược

Một số ưng dụng của thực tại ảo trong các ngành nghề

Trong công nghệ xây dựng, chúng ta trao đổi về công nghệ mô hình thông tin công trinh B.I.M hiện nay đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong và ngoài nước. Để triển khai được công nghệ BIM, không thể không nhắc đến đến Autodesk Revit, Tekla Structure, Archicad… là họ phần mềm 3D được áp dụng mạnh mẽ trong việc thiết kế 3D, có thể tạo mặt cắt tự động bất kỳ, bóc tách vật tư, xuất khối lượng chính xác, xuất tự động các bản vẽ 2D nhanh chóng. Ngoài việc thiết kế, các mô hình 3D được đưa vào thực tế ảo (VR- Virtual Reality) thông qua các phần mềm tích hợp như với Revit là Iris Prospect, Symmetry VR, Unity Reflectgiúp cho chủ đầu tư và đơn vị xây dựng có thể cùng trao đổi thông tin theo thơi gian thực. Đồng thời kết hợp thực tế ảo tăng cường (AR-Augmented Reality) trên nền tảng phần mềm Unity, Unreal được ứng dụng cho các bên như đơn vị thiết kế và thi công có thể cùng nhau đánh giá, quan sát mô hình 3D ngay tại công trình thông qua việc tương tác trên các thiết bị di động như smartphone, Ipad..

Các xu hướng chủ yếu sử dụng Thực tế ảo VR trong xây dựng:

• Trải nghiệm sản phẩm phục vụ marketing và bán hàng
• Chi tiết hóa bản vẽ, mô phỏng chức năng, tiện ích các công trình , dự an.
• Thử và điều chỉnh thiết kế, bản vẽ phù hợp thực tế nhu cầu người dung hơn
• Dùng VR để đào tạo các công đoạn phức tạp trong xây dựng như an toàn lao động, lắp đặt thiết bị khó và đắt tiền, phức tạp
• Dùng Thực tế ảo để thực hành các loại máy móc trong xây dựng chính xác, các nơi có môi trường làm việc độc hại cần, cần độ an toàn cao
• Thực tế ảo và thực tế tăng cường dùng cho tham quan các công trình, dự án nhằm các mục đích như du lịch, thu hút, quảng bá …

Nhờ sự ứng dụng rộng rãi và lợi ích đột phá, trong trương lai Thực tế ảo và thực tế tăng cường sẽ là một công nghệ có ứng dụng quan trọng trong nhiều công đoạn của công trình dự án xây dựng, kiến trúc trên mọi lĩnh vực của đất nước.

4. LẬP TRÌNH VR ĐỂ TẠO RA MỘT SẢN PHẨM THỰC TẾ ẢO NHANH NHẤT

Lập trình VR hay thực tế ảo đang hiện diện nhiều hơn trong các lĩnh vực cuộc sống hiện nay. Lập trình VR và Game VR là hướng đi mới cho lập trình viên.

Lập trình game vr

Các chương trình thực tế ảo có thể chạy trên các loại kính VR cardboad đơn giản, như video, các game đơn giản. Trên kính cao cấp hơn thì chương trình chạy trên đó cũng phong phú hơn: như game VR, video VR360, các ứng dụng VR cho du lịch, nội thất, dạy nghề, giáo dục ,bất động sản, huấn luyện …

Như vậy để tạo ra 1 sản phẩm VR chính là tạo ra các game, video, ứng dụng đó để đưa vào các thiết bị kính thực tế ảo sao cho nó chạy được để người khác đeo kính vào có thể chơi, sử dụng.

4.1. Các bước lập trình VR để tạo ta một sản phẩm thực tế ảo:

• Đầu tiên là lên ý tưởng, nội dung sẽ làm 1 sản phẩm thực tế ảo: Xác định làm game VR hay ứng dụng VR, làm cho lĩnh vực gì, nội dung sẽ chạy như thế nào, bối cảnh, đồ vật, các môi trường tương tác trong sản phẩm VR sẽ gồm những gì, càng chi tiết càng tốt.
• Xác định loại kính thực tế ảo VR nào sẽ dùng để triển khai cài đặt game hay ứng dụng đó lên: Việc này quan trọng để sẵn sàng cho việc thiết kế, dựng 3D, bối cảnh, nhân vật phù hợp, và sau đó các lập trình viên sẽ lập trình VR sao cho tương thích thiết bị kính đã chọn đó để triển khai khả thi nhất.
• Tiếp đến là thiết kế dựng bối, cảnh nhận vật, không gian, đồ đạc, đối tượng trong game theo kịch bản game VR đã lên.
• Sau khi công đoạn thiết kế tương đối ổn thì chuyển sang lập trình VR, nó là lập trình hoàn thiện game VR hoặc ứng dụng VR đó thành một sản phẩm hoàn chỉnh.
• Trong quá trình làm trên phải test các chức năng, bối cảnh, hành động của game, sản phẩm đạt tiêu chuẩn theo kịch bản game.
• Sau khi test xong sản phẩm bản cuối cùng của game Ok thì chuyển qua cài đặt, tích hợp lên loại kính VR đã lựa chọn.
• Sau đó là hướng dẫn sử dụng, vận hành, nâng cấp, phát hành chuyển giao.

4.2. Thiết kế và lập trình là trọng tâm của vấn đề?

Để tạo thành game thì việc thiết kế và lập trình vẫn là trọng tâm của việc tạo ra sản phẩm VR. Vậy chúng ta hãy tìm hiểu các công cụ thông dụng nào đang được dùng, đang thịnh hành phục vụ cho 2 việc đó. Việc tạo ra các sản phẩm đơn giản có vẻ chỉ cần thể là đủ, nhưng các ứng dụng phức tạp thì cần nhiều hơn thế, nó còn là giải pháp tích hợp, triển khai và các vấn đề khác. Nhưng hãy tập trung vào các vấn đề tối thiêu trước như sau.

4.2.1. Thiết kế cho lập trình VR:

Về Thiết kế đồ họa, đối tượng, nhân vật: Hiện nay thường dùng các công cụ thiết kế 3D chuyên dụng có sẵn như 3DMAX, SKETCHUP, MAYA, BLENDER, SOLIDWORK… để tạo ra các mô hình 3D phù hợp và đầy đủ theo kịch bản

Thiết kế là môt bước đầu rất quan trọng tạo ra phần mềm thực tế ảo

4.2.2. Lập trình VR cho game:

Tiếp theo là việc lập trình, hiện nay các game VR và AR nói chung đang sử dụng 2 nên tảng phổ biến để lập trình game và các ứng dụng thực tế ảo đó là Unity và Unreal. Cả 2 Engine này rất mạnh mẽ trong việc lâp trình, xử lý các môi trường, đối tượng 3D rất tốt, và hầu như các game, ứng dụng 3D, hay các phần mềm thực tế ảo, thực tế tăng cường AR hiện nay đều tạo ra chủ yếu bằng 2 engine này.

Lập trình với Unity 3D Engine sẽ hỗ trợ rất tốt cho mảng game 2D, 3D, thực tế là platform hỗ trợ trên cả các môi trường đa nền tảng rất tốt như window, IOS, android.. với ngôn ngữ lập trình phổ biến.

Lập trình VR với Unreal: Tương tự như Unity thì Unreal cũng được nhiều lập trình viên lựa chọn cũng vì sự tiện lợi như trên, hỗ trợ đa nền tảng và ngôn ngữ lập trình phổ biến.

4.2.3. So sánh unity và unreal:

Việc chọn lựa Unreal và Unity làm engine cho sản phẩm của mình – lập trình VR còn phụ thuộc vào các yêu cầu, kịch bản, và các đặc trưng chi tiết sản phẩm để lựa chọn cái nào phù hợp nhất.

Lập trình unity và unreal

Các sản phẩm thực thế ảo được ứng dụng ngày càng phong phú trong nhiều lĩnh vực khác nhau, việc chọn giải pháp phù hợp thực hiện, giải quyết một vấn đề nào đó dựa vào công nghệ này được xem như một giải pháp mới. Sự thành công hay thất bại phụ thuộc vào các làm để lôi cuốn được lượng người dùng đông nhất và sự hài lòng vượt trội so với các công nghệ truyền thống khác thì vẫn chờ đợi các lập trình viên và các công ty chuyên làm trong lĩnh vực này.

Tài liệu tham khảo.

1. Steven M. LaValle, Virtual Reality, Cambridge University Press,2019.
2. https://thuctetangcuong.top
3. https://www.thucteao.top
4. https://vrtech.com.vn
5. https://www.intel.vn/content/www/vn/vi/tech-tips-and-tricks/virtual-reality-vs-augmented-reality.html

Hà nội, 12/2020.