Thực tế ảo (VR- Virtual Reality) là công nghệ sử dụng các kỹ thuật mô hình hóa không gian với sự hỗ trợ của các thiết bị đa phương tiện để xây dựng một thế giới mô phỏng (môi trường ảo) bằng máy vi tính để đưa người ta vào một thế giới nhân tạo với không gian như thật. Người sử dụng sẽ không như người quan sát bên ngoài, mà trở thành một phần của hệ thống. 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 nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ và bị thu hút và cảm nhận bằng các giác quan bởi sự mô phỏng này.
Hiện nay có khá nhiều khái niệm về thực tế ảo, và một trong các định nghĩa được chấp nhận rộng rãi là của C. Burdea và P. Coiffet: “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 và 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”.
Hệ thống thực tế ảo
Một hệ thống VR tổng quát bao gồm 5 thành phần: phần mềm (SW), phần cứng (HW), mạng liên kết, người dùng và các ứng dụng.
HW (phần cứng): phần cứng của một VR bao gồm:
1. Máy tính với cấu hình đồ họa mạnh
2. Các thiết bị đầu vào: 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 để xác định vị trí quan sát; bộ giao diện định vị để di chuyển vị trí người sử dụng. Bộ giao diện cử chỉ như găng tay dữ liệu (để người sử dụng có thể điều khiển đối tượng…
3. Các thiết bị đầu ra: gồm hiển thị đồ họa (màn hình, mũ đội đầu có màn hiển thị) 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 (găng tay) để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tượng; bộ phản hồi xung lực để tạo lực tác động như khi cưỡi ngựa, khi lái xe…
SW (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 và 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.
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 phương tiện cung cấp cho bộ tác động những thông tin giác quan cần thiết được 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 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. Hình dưới đây là một người sử dụng VR đang nhìn vào màn hình nối với máy tính mô phỏng đặt ở xa, có cảm nhận như đang học lái xe với các găng tay có cảm biến điều khiển thao tác lái. 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, như 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 hướng (Boom - Binocular Omni Orientation Monitor). Người 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 trường 3D. Khi quay đầu sẽ thấy môi trường biến động theo chiều quay như trong thực tiễn.
Bộ đôi găng tay dữ liệu sẽ tác động khi các ngón tay của người sử dụng chạm vào các bộ cảm biến, ra các lệnh điều khiển các đối tượng trên màn hình mô phỏng. Còn có nhiều công cụ tinh vi khác, tùy theo nhu cầu tác động lên môi trường VR, làm cho hoạt động hết sức phong phú.
Đặc tính cơ bản của một hệ thống thực tế ảo
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 (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 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.
VR không chỉ là một hệ thống tương tác giữa người và 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 và điều này phụ thuộc rất nhiều vào khả năng tưởng tượng của con người để tạo ra một hệ thống thực tế ảo hoàn chỉnh. Từ sự tưởng tượng thông minh, phong phú ấy nhà thiết kế mới có thể đưa ra các đồ họa ba chiều thời gian thực chính xác, bắt mắt, gây ấn tượng và tạo ra sự đắm chìm với người sử dụng. VR có tiềm năng ứng dụng vô cùng to lớn và những ứng dụng đó phụ thuộc rất nhiều vào khả năng tưởng tượng của con người.
Từ ảo đến thực
Tại các nước phát triển như 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: khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, giáo dục, thương mại, y học, sản xuất… Với một máy tính cài phần mềm xem thực tại ảo, các kiến trúc sư có thể giúp khách hàng của mình nhìn ngắm bên ngoài, xem xét bên trong ngôi nhà mà họ... sắp xây. Khách hàng còn có thể tải thử các loại đồ nội thất ảo từ của một nhà cung cấp về bố trí trong nhà ảo xem có ưng ý hay không. Các bác sĩ có thể thử nghiệm phẫu thuật trên những bệnh nhân mô phỏng, vừa nâng cao tay nghề, vừa giảm nguy hiểm cho người bệnh. Giới quân sự sử dụng công nghệ VR để mô phỏng chiến địa, tạo các thiết bị và môi trường ảo giúp tập bắn, tập lái xe tăng, lái máy bay, nhảy dù... Các công ty du lịch có thể cho khách xem trước khách sạn và một phần quang cảnh địa phương nơi khách sắp đến du lịch. Một số ứng dụng thực tế 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…Tại nhiều nước trong khu vực như Nhật Bản, Thái Lan… VR đã đem lại hiệu quả rất lớn trong công tác bảo tồn và phục chế các di sản kiến trúc.
Ứng dụng nhiều triển vọng khác của thực tế ảo là điều trị các chứng sợ, như sợ nói trước đám đông, sợ đi máy bay, sợ độ cao, côn trùng… bằng cách cho bệnh nhân tiếp xúc trực tiếp qua mô hình đồ họa của vật hay sự cố mà họ sợ hãi. Chẳng hạn như “thế giới nhện” là chương trình được thiết kế để giúp bệnh nhân trị chứng sợ nhện. Với chương trình này, bệnh nhân có thể điều khiển bàn tay ảo, dần dần tiếp cận và làm quen với nhện. Mục đích cuối cùng là giúp bệnh nhân có cảm giác cầm được một con nhện mà trước đó họ rất sợ hãi nhưng thật ra họ cầm một con nhện (ảo) trong bàn tay (ảo). Có thể nói không quá lời rằng với những người đó, thực tế ảo đã trở thành một liệu pháp điều trị mang tính cứu giúp họ.
Một chuyến đi thực tế thông qua môi trường ảo rõ ràng là thú vị, đó là một trong những lý do của VR đang được khai thác tiềm năng trong các ngành công nghiệp giải trí. Tại Nhật Bản, người ta đã xây dựng những “phòng trượt tuyết ảo”. Tới đó, người chơi không chỉ được trượt tuyết thỏa thích mà còn tha hồ lựa chọn những bãi tuyết đẹp trên thế giới.
Ngày nay VR đã trở thành một ngành công nghiệp và thị trường VR tăng trưởng hàng năm khoảng 21% và dự tính đạt khoảng 3,4 tỷ USD năm 2005 (theo Machover, 2004). Thị trường VR tại Mỹ trong các lĩnh vực giáo dục phẫu thuật y khoa và một số lĩnh vực khác được ước đạt 290 triệu USD vào năm 2010 (theo Neurovr.org).
Công nghệ VR đang phá vỡ những mảng tường chắn giữa thế giới thực và thế giới tưởng tượng. Mặc dù trong thời điểm hiện tại, chi phí để phát triển và đưa thiết bị, dịch vụ VR đến người dùng còn cao, nhưng tiềm năng ứng dụng của nó thật khó có thể bỏ qua. Có thể 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.