6DoF là gì? So sánh với 3DoF và ứng dụng trong XR

6DoF, viết tắt của Six Degrees of Freedom, là sáu bậc tự do chuyển động trong không gian ba chiều: ba bậc xoay và ba bậc tịnh tiến. Trong thiết bị VR và AR, khả năng theo dõi 6DoF cho phép hệ thống xác định cả hướng lẫn vị trí của thiết bị. Trong khi đó, khả năng theo dõi 3DoF chỉ xác định hướng thông qua chuyển động xoay. Đây là khác biệt cơ bản được giải thích trong tài liệu Degrees of freedom của Google.

Sự khác biệt nằm ở dữ liệu chuyển động mà hệ thống nhận biết được. Cả hai đều có thể nhận biết khi người dùng quay đầu. Với 6DoF, hệ thống còn nhận biết sự thay đổi vị trí đầu để ứng dụng cập nhật hình ảnh tương ứng.

Tuy nhiên, khả năng theo dõi của thiết bị chỉ là một phần của trải nghiệm. Việc hình ảnh có thay đổi theo vị trí hay người dùng có thể thao tác với vật thể còn phụ thuộc vào nội dung và chức năng của ứng dụng.

1. 6DoF là gì và gồm những chuyển động nào?

Trong không gian ba chiều, một vật thể có thể xoay quanh ba trục và di chuyển dọc theo ba trục. Sáu khả năng chuyển động độc lập này được gọi là sáu bậc tự do.

Chuyển động xoay làm thay đổi hướng của vật thể. Chuyển động tịnh tiến làm thay đổi vị trí của vật thể. Một chuyển động thực tế có thể bao gồm cả xoay và tịnh tiến.

Lưu ý: Tiến và lùi là hai chiều trên cùng một trục, không phải hai bậc tự do riêng biệt. Tương tự, chuyển động lên và xuống thuộc cùng một bậc tịnh tiến.

Trong hệ thống thực tế ảo (VR), 6DoF giúp ứng dụng xác định vị trí và hướng của kính để tính toán góc nhìn. Bộ điều khiển cũng có thể được theo dõi theo sáu bậc tự do, nhưng cần kiểm tra thông số riêng của từng thiết bị. Kính hỗ trợ 6DoF không mặc nhiên có nghĩa bộ điều khiển đi kèm cũng hỗ trợ 6DoF. Một số tài liệu Google VR cũng phân biệt khả năng theo dõi của kính và bộ điều khiển riêng biệt.

Hiểu 6DoF qua một căn phòng ảo

Khi đeo kính VR, quay đầu để nhìn sang trái hoặc nhìn xuống sàn là thay đổi hướng. Khi bước sang bên hoặc ngồi thấp xuống, bạn còn thay đổi vị trí đầu. Hệ thống 6DoF có thể theo dõi cả hai nhóm chuyển động này.

Trong một cảnh 3D phù hợp, ứng dụng dùng vị trí mới để cập nhật góc nhìn. Chẳng hạn, khi bạn nghiêng người sang bên, một phần vật thể trước đó bị che có thể xuất hiện. Đây là khác biệt dễ nhận thấy giữa việc chỉ xoay góc nhìn và quan sát từ một vị trí mới.

Khả năng tracking của kính và bộ điều khiển cần tách riêng biệt. Thông số 6DoF của kính không xác nhận hoặc đảm bảo rằng tay cầm đi kèm cũng theo dõi được vị trí.

2. 3DoF là gì? Khác 6DoF như thế nào?

Trong theo dõi chuyển động VR và AR, 3DoF, viết tắt của Three Degrees of Freedom, là khả năng theo dõi ba bậc xoay: pitch, yaw và roll. Hệ thống có thể xác định thiết bị đang hướng về đâu, nhưng không trực tiếp theo dõi vị trí thay đổi theo ba trục.

Một số hệ thống 3DoF có thể ước lượng sự thay đổi vị trí dựa trên mô hình chuyển động của cổ hoặc cánh tay. Đây là vị trí được tính toán từ giả định, không tương đương với theo dõi chuyển động tịnh tiến thực. W3C có nghiên cứu cụ thể và mô tả giới hạn này trong đặc tả về WebXR.

📍 Bạn cũng có thể theo dõi bài viết về WebXR của VR360 tại đây!

Chúng ta cũng cần phân biệt việc xoay đầu nhìn xuống với việc hạ thấp vị trí đầu. Xoay đầu nhìn xuống thuộc chuyển động xoay mà cả 3DoF và 6DoF đều có thể theo dõi. Hạ thấp vị trí đầu có thêm chuyển động tịnh tiến, thuộc khả năng theo dõi của 6DoF.

Cùng nhìn vào ví dụ sau đây để có cái nhìn rõ hơn: 

Khi xem các video 360° bằng kính hỗ trợ 3DoF, bạn có thể quay đầu nhìn quanh, nhìn lên, nhìn xuống hoặc nghiêng đầu. Tuy nhiên, bước sang bên không cung cấp dữ liệu vị trí đầu được theo dõi để tạo góc nhìn mới tương ứng trong cảnh.

📍 Bạn có thể xem một video 360 về trải nghiệm dù lượn tại Đà Nẵng của VR360!

Vậy...

...3DoF có cho phép tương tác không?

3DoF vẫn có thể được sử dụng trong ứng dụng có tương tác. Người dùng có thể chọn nội dung, mở thông tin hoặc điều hướng bằng bộ điều khiển nếu ứng dụng hỗ trợ.

Giới hạn của 3DoF nằm ở khả năng theo dõi vị trí thực, không phải ở việc ứng dụng có hay không có tương tác. Tương tự, 6DoF cung cấp thêm dữ liệu chuyển động nhưng không tự tạo ra chức năng cầm, kéo hoặc vận hành vật thể ảo.

3. 6DoF được sử dụng thế nào trong VR, AR và XR?

VR là thực tế ảo, trong đó người dùng quan sát môi trường do hệ thống tạo ra. AR là thực tế tăng cường, trong đó nội dung số được hiển thị cùng môi trường thực. MR là thực tế hỗn hợp, thường nhấn mạnh khả năng gắn kết và tương tác giữa nội dung số với môi trường thực.

XR là thuật ngữ bao quát các dạng trải nghiệm này. Vì vậy, 3DoF và 6DoF không phải những loại trải nghiệm ngang hàng với VR hoặc AR; chúng mô tả khả năng theo dõi chuyển động của thiết bị. Phần giới thiệu của đặc tả WebXR trình bày phạm vi thuật ngữ XR và khả năng theo dõi thiết bị.

Trong VR, dữ liệu vị trí và hướng được sử dụng để cập nhật góc nhìn trong môi trường ảo. Trong AR, dữ liệu này giúp ứng dụng hiển thị nội dung số từ góc nhìn phù hợp khi thiết bị di chuyển so với môi trường thực.

Số bậc tự do không cho biết độ phân giải, chất lượng hình ảnh hay độ chính xác của một thiết bị. Hai thiết bị cùng hỗ trợ 6DoF vẫn có thể khác nhau về chất lượng theo dõi và điều kiện sử dụng.

4. 6DoF hoạt động như thế nào?

Quá trình theo dõi chuyển động, thường gọi là tracking, cung cấp dữ liệu để hệ thống ước tính vị trí và hướng của thiết bị theo thời gian. Để đạt được 6DoF, hệ thống cần theo dõi cả chuyển động xoay lẫn tịnh tiến.

Cách thực hiện phụ thuộc vào thiết kế thiết bị. Hệ thống có thể sử dụng cảm biến trên thiết bị, thiết bị tham chiếu bên ngoài hoặc kết hợp nhiều nguồn dữ liệu.

Inside-out và outside-in tracking

Với inside-out tracking, cảm biến nằm trên thiết bị được theo dõi. Camera hoặc cảm biến chiều sâu có thể quan sát môi trường để hỗ trợ xác định vị trí.

Với outside-in tracking, hệ thống sử dụng thiết bị bên ngoài làm nguồn theo dõi hoặc tham chiếu. Tùy cấu hình, đó có thể là camera hoặc nguồn phát tín hiệu giúp xác định vị trí thiết bị.

W3C mô tả cả hai cách tiếp cận trong đặc tả WebXR. Không phải mọi hệ thống 6DoF đều sử dụng cùng loại cảm biến hoặc cùng phương pháp tính toán.

Camera và cảm biến quán tính

Một cách triển khai phổ biến là kết hợp hình ảnh từ camera với dữ liệu cảm biến quán tính. Cảm biến quán tính, thường gọi là IMU, thường gồm con quay hồi chuyển và gia tốc kế, cung cấp dữ liệu về chuyển động xoay và gia tốc.

Camera ghi nhận các đặc điểm dễ phân biệt trong môi trường. Hệ thống theo dõi sự thay đổi của các đặc điểm này qua nhiều khung hình, rồi kết hợp dữ liệu IMU để ước tính vị trí và hướng.

Dữ liệu quán tính có thể tích lũy sai số khi được sử dụng để tính toán chuyển động theo thời gian. Vì vậy, việc bổ sung thông tin hình ảnh hoặc nguồn định vị khác giúp hạn chế sự lệch dần của vị trí ước tính. Tài liệu về sai số định vị của VectorNav giải thích cơ chế tích lũy sai số này.

Vai trò của SLAM

SLAM, viết tắt của Simultaneous Localization and Mapping, là phương pháp định vị và lập bản đồ đồng thời. Hệ thống vừa ước tính vị trí của thiết bị, vừa xây dựng hoặc cập nhật thông tin về môi trường để phục vụ quá trình định vị.

Ví dụ trong ARCore, Google sử dụng các điểm đặc trưng trong hình ảnh kết hợp với dữ liệu IMU để ước tính vị trí và hướng của camera. Tài liệu Fundamental concepts của ARCore cũng giải thích rõ ràng về quy trình này ở góc độ kỹ thuật.

Bản đồ phục vụ định vị không mặc nhiên là mô hình 3D hoàn chỉnh có thể dùng để đo đạc hoặc quản lý công trình. Những mục đích đó cần yêu cầu riêng về dữ liệu, độ chính xác và quy trình số hóa.

Cập nhật góc nhìn và vị trí nội dung

Sau khi nhận được dữ liệu vị trí và hướng, ứng dụng dựng hình từ góc nhìn tương ứng. Khi thiết bị chuyển động, góc nhìn được cập nhật.

Trong AR, ứng dụng còn có thể sử dụng neo không gian, tức vị trí tham chiếu dùng để gắn nội dung số với môi trường thực. Theo dõi chuyển động giúp cập nhật góc nhìn; neo không gian hỗ trợ duy trì vị trí của nội dung khi hệ thống cập nhật thông tin môi trường. 

5. Kính 6DoF có biến video 360° thành không gian đi lại được không?

Video 360° thông thường ghi lại cảnh theo nhiều hướng từ vị trí camera. Người xem có thể thay đổi hướng nhìn, nhưng nội dung không cung cấp đầy đủ thông tin để tạo mọi góc nhìn mới khi vị trí người xem thay đổi.

Do đó, một chiếc kính có khả năng theo dõi 6DoF không tự biến video 360° thành không gian có thể đi quanh. Thiết bị có thể nhận biết vị trí đầu, nhưng ứng dụng vẫn cần nội dung phù hợp để hiển thị cảnh từ vị trí đó.

Để hiểu đúng khả năng của một trải nghiệm, cần xem xét/theo dõi ba thành phần: thiết bị theo dõi được chuyển động nào, nội dung cung cấp những góc nhìn nào và ứng dụng xử lý dữ liệu đó ra sao.

6. 6DoF được ứng dụng thế nào trong doanh nghiệp?

Đào tạo và mô phỏng kỹ thuật

Mô phỏng kỹ thuật là việc tái hiện thiết bị, quy trình hoặc tình huống vận hành trong một môi trường số. Trong đào tạo bằng VR, người học có thể quan sát và thực hành những nhiệm vụ được thiết kế trong môi trường đó.

6DoF phù hợp khi bài học cần phản ứng với vị trí thực của đầu hoặc bộ điều khiển. Khả năng này hỗ trợ việc thay đổi vị trí quan sát và thực hiện thao tác tại các vị trí xác định trong cảnh ảo.

Tuy nhiên, thiết bị 6DoF không tự tạo thành một chương trình đào tạo. Dự án còn cần mô hình thiết bị, nội dung bài học, chức năng thao tác và tiêu chí đánh giá. Hiệu quả đào tạo phải được kiểm chứng bằng kết quả thực tế, không thể suy ra chỉ từ số bậc tự do.

Kiến trúc và thiết kế công trình

Trong VR, 6DoF cho phép góc nhìn phản ứng theo vị trí thực của người xem khi khám phá mô hình công trình. Điều này hỗ trợ việc quan sát không gian từ các vị trí khác nhau và trao đổi về phương án thiết kế.

Độ tin cậy của việc xem xét thiết kế còn phụ thuộc tỷ lệ, mức độ chi tiết và độ chính xác của mô hình. Khả năng theo dõi 6DoF không thay thế việc kiểm tra kích thước hoặc thẩm định chuyên môn.

Hiển thị và tương tác với mô hình trong AR

Trong AR, ứng dụng có thể đặt mô hình 3D vào môi trường thực để người dùng quan sát từ nhiều phía. Dữ liệu theo dõi chuyển động và neo không gian hỗ trợ duy trì quan hệ giữa mô hình với môi trường.

Những chức năng như chọn bộ phận, thay đổi cấu hình hoặc hướng dẫn thao tác phải được xây dựng trong ứng dụng. Chúng không phải khả năng tự có của thiết bị chỉ vì thiết bị hỗ trợ 6DoF.

7. Virtual Tour 360° có cần 6DoF không?

Virtual Tour 360° là trải nghiệm tham quan sử dụng ảnh hoặc video toàn cảnh. Với tour ảnh 360° thông thường, người dùng xoay góc nhìn tại từng điểm chụp và chuyển sang điểm khác qua các nút hoặc điểm tương tác.

Cách tham quan này không yêu cầu hệ thống phải theo dõi chuyển động tịnh tiến thực của người dùng. Vì vậy, 6DoF không phải điều kiện bắt buộc cho mọi Virtual Tour.

Cần phân biệt thêm với việc khám phá mô hình 3D. Người dùng có thể di chuyển trong mô hình bằng chuột, bàn phím hoặc màn hình cảm ứng; đó là điều hướng do ứng dụng xử lý. Theo dõi 6DoF cần được xem xét khi mục tiêu là cập nhật góc nhìn theo sự thay đổi vị trí thực của thiết bị hoặc đầu người dùng.

Đối với dự án số hóa không gian, lựa chọn nên bắt đầu từ nhiệm vụ của người sử dụng. Nhu cầu quan sát địa điểm, khám phá mô hình và thực hành thao tác có yêu cầu khác nhau về dữ liệu, ứng dụng và thiết bị.

8. Lợi ích và giới hạn của 6DoF

Lợi ích chính của 6DoF là cung cấp dữ liệu về cả vị trí lẫn hướng. Khi nội dung và ứng dụng hỗ trợ, hệ thống có thể cập nhật góc nhìn theo chuyển động thực thay vì chỉ phản ứng với việc xoay thiết bị.

Khả năng này không đồng nghĩa vị trí luôn được theo dõi chính xác trong mọi điều kiện. Với hệ thống sử dụng camera, ánh sáng và đặc điểm môi trường có thể ảnh hưởng đến chất lượng theo dõi. Microsoft mô tả tình trạng thiếu sáng, ánh sáng mạnh trực tiếp và môi trường ít đặc điểm dễ phân biệt trong tài liệu về Windows Mixed Reality. Đây là điều kiện của hệ thống được mô tả, không phải thông số áp dụng cho mọi thiết bị.

6DoF cũng không có nghĩa người dùng được di chuyển không giới hạn. Phạm vi sử dụng phụ thuộc thiết bị, cấu hình theo dõi và khu vực trải nghiệm. Trước khi triển khai, cần kiểm tra hệ thống trong môi trường dự kiến và xác định cách ứng dụng xử lý khi mất theo dõi.

Kết luận

Trong VR và AR, 3DoF theo dõi chuyển động xoay, còn 6DoF theo dõi cả xoay và tịnh tiến. Khác biệt này quyết định loại dữ liệu chuyển động mà ứng dụng có thể sử dụng, nhưng không tự quyết định toàn bộ chất lượng hoặc chức năng trải nghiệm.

Với nhu cầu quan sát ảnh hoặc video 360°, hãy ưu tiên chất lượng nội dung và khả năng truy cập. Với nhu cầu cập nhật góc nhìn hoặc thao tác theo vị trí thực, cần kiểm tra đồng thời khả năng theo dõi của thiết bị, dữ liệu nội dung và chức năng ứng dụng. Đây là cơ sở để lựa chọn giải pháp phù hợp cho đào tạo, thiết kế và số hóa không gian.

Tài liệu tham khảo

Google VR - Degrees of freedom: định nghĩa 3DoF, 6DoF và khả năng theo dõi của kính, bộ điều khiển.

W3C - WebXR Device API: thuật ngữ XR và phương thức theo dõi chuyển động.

Google ARCore - Fundamental concepts: camera, IMU, SLAM và cập nhật góc nhìn.

Google ARCore - Working with Anchors: vai trò của neo không gian.

VectorNav - INS error budget: sai số trong định vị quán tính.

ITU-R - Report BT.2420: các mức độ tự do trong trải nghiệm nghe nhìn nhập vai.

Microsoft - How inside-out tracking works: điều kiện môi trường của hệ thống theo dõi bằng camera; tài liệu lưu trữ.