Khái Niệm Mixed Reality (MR)

Công nghệ MR – (Tạm dịch: Thực tế hỗn hợp tăng cường) thiết lập trạng thái cảm nhận của con người về môi trường thực tế được tăng cường thêm thực thể ảo do máy tính tạo ra theo các cấp độ khác nhau. Sự hòa trộn hai môi trường thực và ảo (virtual object) để tạo nên một môi trường mới trong sự cảm nhận của con người, tại đó các vật thể vật lý và vật thể ảo cùng tồn tại, tương tác lẫn nhau trong thời gian thực (real-time). Khái niệm MR nằm trong chuỗi xác lập trạng thái Mixed Reality Continuum (Paul Milgram đưa ra năm 1994). Trên sơ đồ chuỗi MR Continuum, Paul Milgram đã miêu tả chuỗi trạng thái nối tiếp từ Thực đến Ảo, theo đó Môi trường thực và môi trường ảo thuần nhất mà chúng ta vẫn thường biết nằm ở 2 cực (đầu mút) của chuỗi trạng thái này, khoảng giữa (bao gồm sự pha trộn các cấp độ Real và Virtual) gọi là Mixed Reality. Hiện nay, trong nghiên cứu và ứng dụng khoa học kỹ thuật, khi nói đến công nghệ MR chúng ta cần hiểu nó bao hàm cả 2 khái niệm VR& AR (MR=VR+AR) và tùy theo các cấp độ tăng cường thực thể ảo (không phải như gần đây đã xuất hiện sự nhận định MR≠VR&AR). VR: Virtual Reality, AR: Augmented Reality

Từ những năm 60, công nghệ MR đã ra đời và hỗ trợ hiệu quả các ngành khoa học kỹ thuật như: Hàng không, quốc phòng, truyền hình, phẫu thuật y tế, thương mại…

Trung tâm văn hóa Heydar Aliev (Azecbaijan) của Zaha Hadid- Thiết kế với mô hình thông số (parametric design) đã tạo nên những hình thái kiến trúc mới hiện đại.

Ứng dụng MR trong Kiến trúc – Xây dựng

Công việc thiết kế và xây dựng kiến trúc ngày càng phát triển và đa dạng trong tất cả các giai đoạn: Khảo sát và quảng bá, tiếp xúc chủ đầu tư, tìm ý tưởng, thiết kế concept, thiết kế kỹ thuật, xây lắp – sản xuất, quản lý vận hành, bảo dưỡng – duy tu… Khi việc thiết kế – xây dựng các công trình hiện đại ngày càng phức tạp và yêu cầu trình khoa học kỹ thuật độ cao, thì các bước làm việc truyền thống đã không thể đáp ứng hết yêu cầu thực tế đặt ra.

Do vậy, rất cần sự hỗ trợ mạnh mẽ của các ứng dụng multimedia khi: Họp lên phương án, trao đổi ý tưởng (concept), trình bày không gian kiến trúc với khách hàng, đào tạo – hướng dẫn – mô phỏng xây lắp… tất cả những hoạt động này rất cần sự hỗ trợ của máy tính trong mô phỏng trực quan để sao cho các “quan điểm” của các bên tham gia công việc thiết kế – xây dựng đều thấu hiểu (hội tụ) và có sự thống nhất cao. Theo đó, công nghệ Mixed Reality đã tiếp bước vào lĩnh vực kiến trúc – xây dựng và đang thể hiện những tiềm năng mạnh mẽ và hấp dẫn – tạo nên những giao diện hiển thị mới hiệu quả và sinh động cho diễn họa Kiến trúc – Xây dựng.

Chuỗi xác định môi trường Thực-Ảo của Paul Milgram (1994)<br / MR: Mixed Reality
Các ứng dụng cơ bản ban đầu của công nghệ MR: Y tế – Truyền hình – Kỹ thuật công nghệ – Huấn luyện quốc phòng – Giao dịch thương mại

Trong 15 năm gần đây, việc nghiên cứu phát triển các công nghệ MR (VR& AR) để ứng dụng trong thiết kế kỹ thuật công nghiệp nói chung và thiết kế kiến trúc – xây dựng nói riêng đã được nhiều nước quan tâm phát triển, phải kể đến những nước đi đầu như: Mỹ, Nhật, Hàn Quốc, Saudi Arabia, Phần Lan, Úc, Singapore, Hongkong, New Zealand, Trung Quốc… Các nội dung liên quan đến phát triển ứng dụng MR trong kiến trúc – xây dựng cũng đã trở thành môn học hoặc chuyên ngành riêng được nhiều trường định hình và giảng dạy trong các Khoa công nghệ – Kiến trúc – Xây dựng, với tên gọi là Máy tính hỗ trợ thiết kế Kiến trúc (CAAD – Computer – Aided Architectural Design)

Các nước Châu Á cũng đang quan tâm và phát triển mạnh các nghiên cứu – ứng dụng tự động hóa thiết kế và MR trong Kiến trúc-Xây dựng. Hàng năm, diễn đàn CAADRIA khu vực Châu Á (The Association for Computer – Aided Architectural Design Research in Asia) đều tổ chức hội thảo quốc gia do các trường ĐH kỹ thuật công nghệ – ĐH Kiến trúc và Xây dựng và cơ sở nghiên cứu khoa học kỹ thuật đảm nhận. Các trường ĐH Kỹ thuật đa ngành hàng đầu khu vực Châu Á từ lâu đã xây dựng các VR lab – MR Lab, bên cạnh các trường ĐH này thì các School hay College đào tạo Kiến trúc và Xây dựng đều đã quan tâm nghiên cứu – ứng dụng CN Mixed Reality (ĐH Yonsei, ĐH Kyungpook, ĐHQG Seoul, ĐHQG Singapore, ĐH QG Đài Loan, ĐH Hồng Kong, ĐH Tokyo, ĐH Osaka, ĐH Chualalongkorn…) và hiện nay họ đã có các Bộ môn chuyên nghiên cứu về lĩnh vực MR hỗ trợ Kiến trúc – Xây dựng.

Các bên tham gia dự án làm việc trên các bản vẽ giấy thông thường thì sẽ khó khăn đi đến thống nhất ở các dự án phức tạp vì thiếu giao diện trực quan chung.

Với sự phát triển vượt trội của công nghệ kỹ thuật số các nước đang bước vào cuộc cách mạng công nghệ 4.0 với công nghệ điện toán đám mây (Cloud Computing), với xu hướng Internet vạn vật (IoT), Số hóa vạn vật, Smart space, Smart environment. Đây cũng chính là “cơ sở kết cấu hạ tầng” thuận lợi để các công nghệ VR&AR (MR) bước đến giai đoạn phát triển vượt trội.

VR trong Kiến trúc – Xây dựng các cấp độ ứng dụng

– Chúng ta vẫn cần hiểu rằng VR nằm trong khái niệm là công nghệ khởi đầu của MR.

– Công nghệ VR đã và đang phát triển phổ biến tạo nên các VR view, VR space, VR tour để con người cảm nhận sâu hơn về không gian và công trình kiến trúc đang thiết kế.

VR Cave mô phỏng không gian kiến trúc (VR Space)
Immersive VR – Người dùng kính HTC Vive đang “chìm đắm” trong Virtual Space và tương tác trực tiếp với các vật thể ảo trông qua tay điều khiển trigger

– Bản chất các ứng dụng đồ họa thiết kế thông dụng hiện nay như BIM software (Revit, ArchiCad, Naviswork, Teckla…) hay AutoCAD, SketchUp…đều chú trọng thiết lập cho khách hàng các giao diện VR trên desktop để quan sát sản phẩm trong mô hình 3D và thời gian thực. Đây được xem là cấp độ hiển thị cơ bản nhất của VR.

– Bước phát triển tiếp theo, công nghệ VR mong muốn đưa tri giác người dùng “chìm đắm” vào không gian nhân tạo, cho phép con người trải nghiệm và tương tác Thời gian thực (Real-time) trong môi trường kiến trúc VR.

– Tiếp theo là các phát triển công nghệ digital hỗ trợ nâng cao (cùng các thiết bị di động – mobile device) giúp con người cảm nhận sâu hơn trong không gian kiến trúc nhân tạo, thậm chí mô phỏng yếu tố thực để minh họa lại trong môi trường VR dưới dạng hình ảnh avatar thay thế

Công nghệ AR-Mô hình bàn chậu rửa xuất hiện trong không gian thực

Ứng dụng AR trong Kiến trúc – Xây dựng

– Công nghệ AR là sự hiển thị hòa trộn vật thể ảo trong môi trường thực nên thường được hiểu gần hơn với khái niệm Mixed Reality.

Immersive VR – Hệ thống MobileVR của hãng Siemens cho phép hành khách trải nghiệm thiết kế phương tiện vận tải một cách thực tế nhất (avatar mô phỏng lại hoạt động của người dùng)

– Trong khái niệm chung của công nghệ MR thì AR là bước phát triển tiếp theo từ VR đã có, nhằm đưa các thực thể ảo do máy tính tạo ra “thoát khỏi màn hình” kết nối và tăng cường thêm trong môi trường thực mà người dùng đang khảo sát. Với AR, môi trường thực vẫn giữ vai trò chủ đạo trong tri giác của người dùng – Người dùng không mất đi cảm nhận với môi trường thực xung quanh mà còn có thể tương tác real-time với các thực thể ảo được máy tính “tăng cường” vào. Thấu hiểu điều này chúng ta sẽ thấy có rất nhiều ý tưởng (idea) để ứng dụng AR trong kiến trúc- xây dựng hiện đại, bởi bấy lâu nay những người làm thiết kế – xây dựng luôn không ngừng mong muốn tìm thêm các giải pháp mô phỏng – trình bày thiết kế công trình. Công nghệ AR nói riêng và MR nói chung có tiềm năng hỗ trợ rất tích cực trong công việc mô phỏng – tham chiếu – trình bày các sản phẩm đồ họa thiết kế, nhằm tạo nên “mối liên hệ trực quan sớm” của các thực thể kiến trúc đang thiết kế với môi trường thực địa, giúp người dùng (giới KTS, Kỹ sư XD, nhà thầu, khách hàng, kỹ thuật viên, công nhân…) trải nghiệm và đánh giá đúng thiết kế trước khi xây dựng.

Công nghệ AR – Sự kết hợp mô phỏng của Ecotect Analysis (BIM) và AR (Tác giả cùng nhóm nghiên cứu tại ĐHQG Kyungpook Hàn Quốc năm 2011)

Gần đây, rất nhiều hạng mục kiến trúc đã sử dụng chính công nghệ MR để tạo nên sản phẩm công nghệ cao trong công trình (Interactive kitchen, Interactive Table, Interactive bar, Smart space, Interactive working-roundtable…). Xu hướng xây dựng và phát triển không gian kiến trúc thông minh (có hiệu ứng tương tác) Smart space- smart environment hiện nay đang khai thác ứng dụng rất nhiều kỹ thuật công nghệ MR.

Công nghệ ứng dụng MR trong Kiến trúc – Xây dựng tại Việt Nam

Những năm gần đây kỹ thuật công nghệ MR đã được quan tâm và nghiên cứu nền tảng cơ bản bởi các chuyên gia công nghệ thông tin Việt Nam tại các Lab có chuyên môn Computer Vision như: Viện MICA – Đại học Bách Khoa Hà Nội, Bộ môn Xây dựng Công nghiệp – ĐH Bách Khoa Hà Nội, Học viện Bưu chính viễn thông – ngành Multimedia, Viện Kỹ thuật quân sự, Viện CNTT – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam và các Khoa CNTT tại các trường ĐH khác. Các ứng dụng thương mại MR cơ bản đang dần phổ biến với vai trò là ứng dụng tiện ích cao cấp trong các công trình kiến trúc và các hoạt động giải trí của con người (ví dụ như Game Pokemon, bộ đồ chơi AR Kun, Kinect Box, sách AR Book…)

Công nghệ AR – Chi tiết ảo (ống thông gió) được trình bày đồng thời khi người dùng xem và tương tác với bản vẽ thiết kế thật – Thực nghiệm của tác giả – Mô phỏng các lớp cấu trúc của thiết kế kiến trúc công nghiệp.

Bên cạnh đó, hiện nay đã có một vài đơn vị xúc tiến ứng dụng và thương mại hóa công nghệ MR, để đưa vào hoạt động thiết kế – diễn họa kiến trúc cũng như thiết kế số hóa cho sản phẩm công nghiệp (Công ty 3D Vni, VR3D,…và một số công ty nước ngoài cung cấp giải pháp hỗ trợ xây dựng như Viasys VDC Việt Nam). Đây được xem là các kết quả ban đầu rất tích cực và tiềm năng phát huy của công nghệ MR vẫn còn rất nhiều ở phía trước. Tại Việt Nam, về nền tảng nghiên cứu cơ bản chúng ta hoàn toàn có khả năng tiếp cận – nghiên cứu – và từng bước làm chủ các công nghệ hỗ trợ MR để ứng dụng trong kiến trúc – xây dựng.

Interactive bar – Một biến thể khác VR&AR nhưng vẫn thuộc MR (gọi là Augmented Virtuality)

Từ cuối năm 2016, Thủ tướng đã Phê duyệt Đề án về lộ trình ứng dụng công nghệ tự động hóa xây dựng BIM đến năm 2020. Việc nghiên cứu để kết nối công nghệ hiển thị MR với Mô hình thông tin công trình BIM cũng rất có tiềm năng phát triển và cần được nghiên cứu sâu thêm.

Theo xu hướng đó, cần có sự quan tâm nghiên cứu của các trường ĐH đào tạo chuyên ngành Kiến trúc – Xây dựng, tiếp theo đó các KTS công nghệ khi bắt tay nghiên cứu rất cần sự gắn kết và hỗ trợ của các chuyên gia công nghệ thông tin. Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ Mixed Reality giống như các ngành khoa học khác (như công nghệ thông tin) cũng đòi hỏi có sự đầu tư nhất định về các thiết bị hiển thị (như kính HMD Head-Mounted Display, Tracking Camera, Projector& Screen) hay đòi hỏi cao cấp hơn nữa là các dụng cụ điện tử hỗ trợ tương tác (như Interactive Glove, Tracking device…). Tuy nhiên, bước đầu, các nghiên cứu MR hoàn toàn có thể tiến hành ngay từ những ứng dụng cơ bản để nắm bắt công nghệ mà chưa đòi hỏi sự đầu tư quá lớn.

Người dùng quan sát và tương tác với mô hình kiến trúc 4D qua kính Hololens HMD- Thực nghiệm thương mại của Cty 3D Vni
Interactive Kitchen- Một biến thể khác của VR&AR nhưng vẫn thuộc MR (gọi là Augmented Virtuality)

Theo bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 6/2017

Leave a Response