Thực tế ảo hoạt động như thế nào? Nguyên lý và ứng dụng thực tế

Công nghệ thực tế ảo (Virtual Reality – VR) đã trở thành bước đột phá trong trải nghiệm nội dung kỹ thuật số và mở ra những khả năng mới trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ những trò chơi cuốn hút đến những giải pháp ứng dụng trong giáo dục, y tế, bất động sản và nhiều hơn thế nữa.

Đã có hàng ngàn bài báo viết về những ứng dụng tuyệt vời của VR, nhưng liệu bạn đã bao giờ đặt câu hỏi điều gì đang thực sự diễn ra sau lớp kính thực tế ảo ấy?

Bài viết này sẽ đưa bạn bước đến “hậu trường” của công nghệ VR, tìm hiểu về cách công nghệ VR hoạt động, phối hợp như thế nào để tạo ra một thế giới ảo sống động.

1. Hiểu về công nghệ thực tế ảo VR

Thực tế ảo (tiếng Anh: Virtual Reality) là môi trường nhập vai được tạo ra bởi kính thực tế ảo và bộ điều khiển cầm tay. Bạn có thể được đưa đến một nền tảng trò chơi, một không gian đào tạo hoặc đang ở trong một thành phố nhộn nhịp. 

Điều đặc biệt là ở trong không gian này, người nhập vai hoàn toàn có thể di chuyển, khám phá và tương tác với những thực thể ảo ở mức độ chi tiết thật đáng kinh ngạc, như thể ở ngoài đời thực.

Lịch sử của thực tế ảo đã bắt đầu được nhắc đến từ những năm 1960 khi nhà khoa học máy tính Ivan Sutherland tạo ra nguyên mẫu màn hình đeo đầu (HMD) đầu tiên. Nguyên mẫu này đã đặt nền tảng cho những tiến bộ trong tương lai của công nghệ thực tế ảo. 

Tuy nhiên, phải đến những năm 1990, VR mới thực sự thu hút được sự chú ý của nhiều người với sự ra mắt của các thiết bị phổ biến như Nintendo Virtual Boy. Máy chơi game cầm tay này đã cố gắng mang trải nghiệm thực tế ảo đến với công chúng, nhưng trong thời điểm ban đầu với khả năng hạn chế và việc không được áp dụng rộng rãi đã cản trở thành công.

Để ứng dụng VR thật hiệu quả trong từng lĩnh vực riêng biệt, việc hiểu cách công nghệ VR hoạt động rất quan trọng. Và để bắt đầu với việc trở thành “chuyên gia” về VR, bạn có thể bắt đầu tìm hiểu từ thành phần của công nghệ VR. Nội dung này sẽ được đề cập trong phần tiếp theo.

2. Các loại thực tế ảo khác nhau

Có một số loại thực tế ảo khác nhau, bao gồm thực tế ảo nhập vai hoàn toàn, nơi người dùng hoàn toàn chìm đắm trong không gian thực tế ảo, hay thực tế ảo bán nhập vai và thực tế ảo không nhập vai, sử dụng màn hình để hiển thị môi trường 3D, người dùng vẫn có thể quan sát môi trường xung quanh, chứ không hoàn toàn đắm chìm trong môi trường 3D. Trên thực tế, các hình thức thực tế ảo khác nhau ảnh hưởng trực tiếp đến cách thực tế ảo hoạt động và giúp bạn trả lời rõ hơn câu hỏi: Thực tế ảo hoạt động như thế nào?

• Thực tế ảo không nhập vai: cho phép người dùng tương tác tối thiểu với môi trường ảo. Ở đó, người dùng vẫn có thể quan sát, tương tác với môi trường thực tế xung quanh. Ví dụ điển hình nhất là mô phỏng lái xe trong trường dạy lái xe. Ở phần này, người dùng hầu như không thể tương tác bằng cử chỉ mà phải thông qua các bộ điều khiển. 
• Thực tế ảo bán nhập vai: trong môi trường thực tế ảo bán nhập vai, các "đối tượng" ảo sẽ được đặt trên, phủ lên các đối tượng thật. Thông qua kính thực tế ảo, người dùng có thể tương tác với các thiết bị, các thành phần ảo này như trong môi trường thực tế. Thông thường, loại thực tế ảo này phổ biến trong lĩnh vực giáo dục và giải trí.
• Thực tế ảo nhập vai hoàn toàn: đây là điều hầu hết mọi người nghĩ về thực tế ảo. Meta Quest 2 và Quest 3 là những ví dụ về thực tế ảo nhập vai hoàn toàn. Chúng cung cấp trải nghiệm mô phỏng không gian 360 độ để người dùng bước vào. Với hình thức này, thế giới thực của bạn sẽ được thay thế hoàn toàn bàng thế giới ảo, cả về hình ảnh và âm thanh. Những mẫu kính thực tế ảo dùng các cảm biến và AI để phân tích và tương tác với các hành động của bạn trong môi trường ảo.

Trong một vài trường hợp, đi kèm với thực tế ảo nhập vai hoàn toàn là các thiết bị phản hồi xúc giác, giúp mang đến cảm giác chân thật, hoặc thuyết phục não bộ của bạn đây là "sự thật".

📌 Bài viết liên quan: Tìm hiểu về công nghệ AR - Thực tế ảo tăng cường

3. Thành phần chính của hệ thống thực tế ảo

Tất cả các hình thức thực tế ảo khác nhau đều là kết hợp giữa phần cứng và phần mềm. Nghe thì khá đơn giản, nhưng hệ thống này rất tinh vi với nhiều công nghệ hỗ trợ được tích hợp. Hãy cùng phân tích từng khía cạnh của hệ thống VR tạo ra trải nghiệm thực tế ảo sau đây.

Kính thực tế ảo

Đây là thiết bị quan trọng nhất giúp gắn kết người dùng với không gian ảo, bao gồm các thành phần như: màn hình, máy ảnh, loa, cảm biến chuyển động, cảm biến ánh sáng,... Ngoài chức năng chính là chiếu không gian ảo trực tiếp đến mắt người dùng với nhiều độ phân giải khác nhau, kính thực tế ảo còn đóng vai trò ngăn cách mắt người dùng với không gian thực tế. Giúp mang đến cảm giác chân thật hơn trong môi trường ảo.

Kính thực tế ảo cũng bao gồm nhiều loại, từ các thiết bị có dây, kết nối với PC hoặc dạng kinh độc lập như Meta Quest.

Bên trong kính thực tế ảo gồm nhiều thành phần như:

• Ống kính và màn hình: đây là phần tương tác trực tiếp với mắt người dùng. Chất lượng ống kính và màn hình ảnh hưởng trực tiếp 
• Cảm biến chuyển động: Theo dõi chuyển động và vị trí đầu của người dùng trong không gian thực, từ đó tái hiện chính xác sự di chuyển trong môi trường ảo. Các cảm biến này giúp giảm thiểu hiện tượng say tàu xe và tạo cảm giác tự nhiên, chân thực hơn.
• Bộ xử lý: "Bộ não" của kính VR, chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu, tính toán và hiển thị hình ảnh 3D, đồng thời theo dõi chuyển động của người dùng. Bộ xử lý mạnh mẽ đảm bảo hiệu suất mượt mà, giảm thiểu độ trễ, mang lại trải nghiệm VR ổn định và chân thực.
• Trường nhìn (FOV - Field of View): con người trung bình nhìn thế giới xung quanh trong một vòng cung 200 đến 220 độ xung quanh đầu. Tầm nhìn của chúng ta từ mắt trái và mắt phải chồng lên nhau ở một góc, cho phép chúng ta nhìn theo ba chiều. Tạo ra môi trường 3D tương tự trường nhìn tự nhiên (bao gồm cả việc chia không gian vào 2 mắt kính) với độ trễ tối thiểu giúp não bộ bị thuyết phục về môi trường người dùng đang đắm chìm.
• Cùng với đó là nhiều các công nghệ khác được tích hợp bên trong như độ trễ khung hình, giúp đảm bảo cung cấp số lượng khu hình/giây phù hợp với tốc độ xử lý của não bộ, giảm cảm giác buồn nôn, chóng mặt. Và loa, tai nghe giúp mang đến âm thanh vòm 3D, đồng bộ với hình ảnh đang trình chiếu, tăng cường cảm giác chân thật. Cùng nhiều loại cảm biến khác.

Tay cầm điều khiển (Controllers)

Tay cầm giúp người dùng tương tác với các vật thể trong thế giới ảo, thường tích hợp cảm biến chuyển động, nút bấm và phản hồi rung.

Phần mềm VR

Phần mềm VR bao gồm các ứng dụng và công cụ phát triển, như game, mô phỏng, hoặc trình mô phỏng 3D. Phần mềm này kết hợp:

•  Công cụ phát triển đồ họa: Unreal Engine, Unity là những công cụ phổ biến giúp tạo ra môi trường VR sống động.
•  Mô phỏng vật lý: Các thuật toán tính toán chuyển động, lực và phản ứng trong thế giới ảo để mô phỏng các tương tác chân thực. 
•  Xử lý dữ liệu chuyển động: Phần mềm VR liên tục xử lý dữ liệu từ cảm biến để đồng bộ hình ảnh và chuyển động với thực tế. Các chuyển động phải theo kịp chuyển động của người dùng để trông như thật. Do đó cần có độ trễ hoặc độ trễ thấp để tạo ra sự đắm chìm.   
•  Tốc độ khung hình: Tốc độ khung hình của hệ thống đề cập đến tốc độ bộ xử lý có thể thay đổi hình ảnh cho người dùng. Lý tưởng nhất là tốc độ khung hình nhanh giúp bạn đắm chìm vào môi trường.  
•  Âm thanh không gian 3D: Con người nghe âm thanh ở hầu hết mọi hướng, đó là cách mà VR cần phải phản hồi để đạt được mục đích chân thực. Do đó, âm thanh không gian 3D mô phỏng cuộc sống thực bằng loa tiên tiến.    

4. Cách công nghệ VR hoạt động mang lại trải nghiệm nhập vai như thế nào?

Hiểu một cách đơn giản, dựa vào phần mềm, chúng ta có thể tạo nên các không gian 3D mô phỏng chân thật. Từ đó, màn hình có độ phân giải cao bên trong kính sẽ chịu trách nhiệm trình chiếu không gian mô phỏng này, lắp đầy trường nhìn của người dùng. Dựa vào những cảm biến chuyển động, cảm biến ánh sáng, hệ thống sẽ điều chỉnh hình ảnh phù hợp với chuyển động xoay đầu của người dùng. Giúp người dùng có cảm giác đang đắm chìm trong không gian khác biệt.

Tiếp đến, phần mềm cũng sẽ phát ra âm thanh đúng theo hướng nhìn của bạn nhằm đảm bảo tính chân thật của không gian dựa trên loa tích hợp. Kết hợp với bộ điều khiển cầm tay, người dùng có thể thực các hành động giả lập trong không gian. 

Vì vậy, trải nghiệm thực tế ảo hoàn thiện gần như sẽ can thiệp đến rất nhiều các giác quan của người dùng, từ tính giác, thị giác cho đến các phản hồi xúc giác.

Đôi khi, trong một vài trường hợp, bộ điều khiển có thể được thay thế bằng các thiết bị khác như súng, trong các tựa game bắn súng, để mang đến cảm giác chân thật hơn.

5. Nguyên lý hoạt động của công nghệ VR

Tạo ra không gian ảo (Virtual Environment)

Không gian ảo là môi trường 3D được lập trình bằng các phần mềm chuyên dụng. Các đối tượng trong không gian ảo được mô hình hóa dựa trên:

• Hình học 3D: Dựa trên các điểm (vertices) và bề mặt (surfaces) để tạo hình.
• Texture Mapping: Thêm kết cấu, màu sắc và ánh sáng để tăng tính chân thực.
• Animation: Tạo các chuyển động như cánh cửa mở, nước chảy hoặc nhân vật di chuyển.

Theo dõi chuyển động người dùng (Motion Tracking)

VR sử dụng các cảm biến để theo dõi chuyển động của đầu, tay và cơ thể người dùng. Dựa vào camera ngoài để ghi nhận chuyển động toàn bộ cơ thể để đồng bộ hóa với không gian ảo. 

Hiển thị hình ảnh (Rendering)

Quá trình hiển thị hình ảnh bao gồm:

• Chia hình ảnh cho từng mắt (Stereoscopic Rendering): Mỗi mắt nhận một hình ảnh với góc nhìn khác nhau, tạo hiệu ứng chiều sâu.
• Xử lý độ trễ thấp (Low Latency Processing): Đảm bảo hình ảnh hiển thị ngay lập tức khi người dùng di chuyển đầu.

Âm thanh không gian (Spatial Audio)

Âm thanh VR được lập trình để phát ra từ các vị trí khác nhau trong không gian ảo, mang lại cảm giác âm thanh đến từ phía trước, phía sau, hoặc bên cạnh.

Tương tác với môi trường (Interaction)

Người dùng có thể tương tác với vật thể trong thế giới ảo thông qua cử chỉ tay với tay cầm hoặc găng tay cảm ứng theo dõi chuyển động của ngón tay. Bên cạnh đó, người dùng có thể nhấn các nút bấm trên tay cầm để tiuowng tác với không gian.

6. Khoa học đằng sau công nghệ thực tế ảo

Khi đã hiểu được cách công nghệ VR hoạt động, bạn dễ dàng có thể hiểu được những khoa học đằng sau công nghệ này. Rằng thực tế ảo đã đánh lừa bộ não của con người để nhận thức môi trường được tạo ra bằng kỹ thuật số là thực. Điều này đạt được thông qua sự kết hợp của các yếu tố, bao gồm tín hiệu thị giác, thính giác và xúc giác.

Vậy thực tế ảo đánh lừa não bộ như thế nào?

Một trong những khía cạnh chính của VR là khả năng cung cấp cho người dùng cảm giác hiện diện, nơi họ cảm thấy như thể họ đang có mặt trong môi trường vật lý. Điều này được thực hiện bằng cách cung cấp cho người dùng màn hình hiển thị hình ảnh chất lượng cao bao phủ tầm nhìn của họ, tạo ra "ảo giác" chân thật.

Ảo ảnh thị giác này được tăng cường hơn nữa bằng cách tích hợp âm thanh không gian, cung cấp tín hiệu âm thanh chân thực tương ứng với chuyển động của người dùng trong môi trường ảo. Bằng cách mô phỏng chính xác cách âm thanh hoạt động trong thế giới thực, VR nâng cao trải nghiệm nhập vai tổng thể.

Trọng tâm của trải nghiệm thực tế ảo là việc sử dụng đồ họa 3D. Những đồ họa này được tạo ra theo thời gian thực bởi máy tính và được thiết kế để mô phỏng diện mạo của thế giới thực. Bằng cách sử dụng các kỹ thuật như đổ bóng, lập bản đồ kết cấu và chiếu sáng, thực tế ảo có thể tạo ra một môi trường giống như thật mà về mặt mắt thường không thể phân biệt được.

Đưa công nghệ VR vào thực tế

Công nghệ thực tế ảo được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Một số ứng dụng phổ biến nhất của VR như:

• Giải trí: VR mang đến cho các “game thủ" trải nghiệm nhập vai, cho phép họ đắm chìm hoàn toàn vào thế giới ảo. Từ các trò chơi hành động đến trải nghiệm tương tác, VR cung cấp một cách mới để tận hưởng trải nghiệm, sống trọng với nhân vật trong game.
• Giáo dục và đào tạo: VR có thể được sử dụng trong giáo dục và đào tạo để cung cấp cho sinh viên những trải nghiệm mà nếu ở ngoài đời thực sẽ rất khó khăn, tốn kém hoặc nguy hiểm để thực hiện. 

Ví dụ, VR có thể được sử dụng để mô phỏng một thí nghiệm khoa học, cung cấp cho sinh viên y khoa các mô phỏng phẫu thuật hoặc đào tạo phi công trong các mô phỏng bay.

• Chăm sóc sức khỏe: VR có thể được sử dụng trong lĩnh vực y tế để giúp chẩn đoán và điều trị các tình trạng bệnh lý. Ví dụ, VR có thể được sử dụng để giúp bệnh nhân mắc chứng rối loạn lo âu vượt qua nỗi sợ hãi hoặc cung cấp liệu pháp quản lý cơn đau cho những người bị đau mãn tính.
• Bất động sản và kiến trúc: Công nghệ VR có thể được sử dụng trong bất động sản và kiến trúc để cung cấp cho khách hàng chuyến tham quan ảo một bất động sản, một tòa nhà hoặc một căn phòng, giúp họ hình dung không gian và đưa ra quyết định sáng suốt. 
• Du lịch và khách sạn: VR có thể được sử dụng trong ngành du lịch và khách sạn để cung cấp các chuyến tham quan ảo đến các điểm đến, cho phép du khách khám phá và trải nghiệm một địa điểm trước khi đặt chuyến đi.

Mặc dù có tiềm năng to lớn, thực tế ảo vẫn phải đối mặt với những thách thức cần được giải quyết. Bao gồm phát triển các kính thực tế ảo nhẹ và giá cả phải chăng hơn, giảm những ảnh hưởng trong quá trình trải nghiệm như chóng mặt, đau đầu bằng cách cải thiện độ chính xác và tạo ra nội dung hấp dẫn hơn thu hút nhiều đối tượng hơn.

Hiểu được cách công nghệ VR hoạt động là điều cần thiết để có thể tận dụng công nghệ này một cách triệt để. Từ khái niệm và khoa học đằng sau cho đến các thành phần chính và ứng dụng của VR trong đời sống, VR360 hy vọng sẽ giúp bạn có những góc nhìn sâu hơn về công nghệ này.