Kỹ thuật LOD tự động áp dụng tối ưu hóa mô hình 3D trong trưng bày bảo tàng ảo

Vũ Đức Thái và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 189(13): 9 - 14<br /> <br /> KỸ THUẬT LOD TỰ ĐỘNG ÁP DỤNG TỐI ƯU HÓA MÔ HÌNH 3D<br /> TRONG TRƯNG BÀY BẢO TÀNG ẢO<br /> Vũ Đức Thái*, Mã Văn Thu, Lê Sơn Thái, Đỗ Thị Chi<br /> Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Thực tại ảo và thực tại ảo tăng cường đang là công nghệ được áp dụng nhiều trong các bài toán về<br /> mô phỏng thế giới thực. Một trong những ứng dụng là mô hình hóa trình diễn các hiện vật từ thực<br /> tiễn thậm chí khôi phục từ tư liệu khảo cứu để đưa vào trưng bày trong bảo tàng ảo. Vấn đề chính<br /> khi ứng dụng xây dựng bảo tàng ảo là các mô hình 3D cần được thể hiện tỉ mỉ, chi tiết đảm bảo<br /> giống với vật khi quan sát trong không gian thế giới thực. Ta biết, mỗi hình ảnh 3D cần rất nhiều<br /> hình 2D với các hướng nhìn, góc và vị trí quan sát. Điều này có nghĩa là khi có nhiều hiện vật cần<br /> mô phỏng thì sẽ cần dung lượng lớn để lưu trữ và máy tính cần thực hiện nhiều các phép tính toán<br /> trong quá trình biểu diễn hình ảnh với mỗi hiện vật ảo. Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã<br /> nghiên cứu sử dụng kỹ thuật LOD tự động để cài đặt ứng dụng trong phần mềm trưng bày ảo tại<br /> Bảo tảng Văn hóa các dân tộc Việt Nam tại thành phố Thái Nguyên. LOD là kỹ thuật hỗ trợ xác<br /> định độ chi tiết về hình ảnh của đối tượng ba chiều phụ thuộc vào khoảng cách từ vị trí của vật tới<br /> vị trí người quan sát. Qua đó giảm bớt khối lượng cần tính toán của máy tính trong một đơn vị thời<br /> gian, giúp tăng số lượng và chất lượng hiện vật được trưng bày. Trong nội dung bài báo, chúng tôi<br /> trình bày một kỹ thuật tối ưu lưới cho mô hình 3D. Kỹ thuật này được áp dụng trong thời gian thực<br /> từ đó tạo ra kỹ thuật LOD tự động áp dụng cho bài toán trong trưng bày bảo tàng ảo.<br /> Từ khóa: tối ưu hóa lưới, tối ưu hóa tam giác, tối ưu bề mặt lưới mô hình, lod tự động<br /> <br /> MỞ ĐẦU*<br /> Mô hình 3D hiện đang ngày càng phổ biến và<br /> sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng mô<br /> phỏng, thực tại ảo. Ta thấy, với các khoảng<br /> cách khác nhau trong khi quan sát chúng ta sẽ<br /> thấy các độ chi tiết khác nhau của mô hình.<br /> Điều này có nghĩa các mô hình ở gần sẽ rất<br /> chi tiết trong khi các mô hình càng ở xa sẽ<br /> càng mờ. Để tối ưu tính toán chúng ta thường<br /> phải có sẵn các mô hình 3D với các mức độ<br /> chi tiết khác nhau. Khi biểu diễn vật ở mỗi<br /> khoảng cách nhất định chương trình sẽ gọi và<br /> sử dụng mô hình với độ chi tiết tương ứng, kỹ<br /> thuật này trong thực tại ảo gọi là LOD (Level<br /> Of Detail) [4]. Kỹ thuật này đã được F.<br /> Biljecki , H. Ledoux và J. Stoter trình bày để<br /> biểu diễn các mô hình 3D các tòa nhà năm<br /> 2016 [3], Như vậy, mỗi mô hình 3D phải thiết<br /> kế lại nhiều lần với độ chi tiết khác nhau.<br /> Điều này dẫn tới thời gian và chi phí tạo ra<br /> mô hình ra tăng và đồng nghĩa với tổng chi<br /> phí cho một hệ thống trưng bày ảo là lớn. Để<br /> giảm chi phí khi xây dựng mô hình cần áp<br /> *<br /> <br /> dụng các chiến lược tự động tối ưu mô hình<br /> dựa trên khoảng cách quan sát ngay khi<br /> chương trình đang chạy. Quá trình tối ưu này<br /> gọi là LOD tự động. Trong đó, độ chi tiết của<br /> mô hình được tự động tính toán dựa trên<br /> khoảng cách của nó tới vị trí quan sát.<br /> Có ba phương pháp chính để tạo ra mô hình<br /> 3D: Một là sử dụng các phần mềm thiết kế 3D<br /> tạo ra thư viện mô hình (do các nhà thiết tạo<br /> ra). Hai là sử dụng các lệnh trong ngôn ngữ<br /> lập trình để vẽ ra các mô hình. Ba là sử dụng<br /> các thiết bị máy quét 3D tạo mô hình từ vật<br /> thể thực. Phương pháp dùng lệnh rất vất vả<br /> tốn kém và hầu như không còn được sử dụng<br /> nữa. Phương pháp sử dụng các thiết bị phần<br /> cứng là máy quét để tạo mô hình 3D mang<br /> nhiều ưu điểm như thời gian tạo ra một mô<br /> hình ngắn, độ chính xác cao, tính ổn định, chi<br /> phí rẻ v.v.. Tuy nhiên, mô hình tạo ra từ máy<br /> quét có một nhược điểm chính là số lượng<br /> lưới lớn. Do đó, trên thực tế đa phần các<br /> chương trình mô phỏng thực tại ảo thường sử<br /> dụng các mô hình sinh ra từ phần mềm thiết<br /> kế 3D.<br /> <br /> Tel: 0985 158998, Email: vdthai@ictu.edu.vn<br /> <br /> 9<br /> <br /> Vũ Đức Thái và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Khi xây dựng ứng dụng, chúng ta cần giải<br /> pháp tiết kiệm các chi phí khi xây dựng mô<br /> hình. Ý tưởng của giải pháp chúng ta chỉ thiết<br /> kế mô hình 3D của đối tượng một lần duy<br /> nhất còn các cấp độ giảm lưới sẽ tự động tạo<br /> ra mô hình mới tương ứng.<br /> Đầu tiên, ta phải xây dựng các mô hình hiện<br /> vật 3D ở mức độ chi tiết nhất. Sau đó dựa vào<br /> khoảng cách từ mắt người tham quan ảo đến<br /> vị trí của hiện vật 3D sẽ tiến hành rút gọn bề<br /> mặt lưới của mô hình đó. Quy luật là khoảng<br /> cách càng xa thì lưới của mô hình đó càng<br /> giảm. Chúng tôi chia độ chi tiết của mô hình<br /> thành bốn mức từ LOD1 tới LOD4. Trong đó,<br /> lưới mức độ một (LOD1) ở trong khoảng cách<br /> gần nhất với mức mô tả chi tiết nhất, và lưới<br /> cấp độ bốn (LOD4) ở khoảng cách xa nhất.<br /> Quá trình chuyển từ LOD1 sang thấp hơn là<br /> quá trình rút gọn lưới của các mô hình trong<br /> cảnh của bảo tàng mà chúng tôi mong muốn<br /> [2]. Số lưới của mô hình cấp độ LOD2 bằng<br /> khoảng 50% số lưới của mô hình cấp độ<br /> LOD1, tương tự ta quy định số lưới LOD3<br /> bằng khoảng 25% số lưới LOD1, và số lưới<br /> LOD4 bằng khoảng 12,5% số lưới LOD1.<br /> Với việc giảm lưới này thì các mô hình sẽ bị<br /> biến dạng và đôi khi sẽ không còn là chính<br /> mô hình đó mà biến thành một mô hình khác<br /> và điều này không chấp nhận được. Do đó,<br /> chúng ta cần một thuật toán rút gọn lưới hợp<br /> lý sao cho khi chúng ta giảm lưới ở các cấp<br /> độ khác nhau thì việc mô hình bị biến dạng là<br /> thấp nhất. Trong các phần tiếp theo của bài<br /> báo chúng tôi trình bày kỹ thuật tối ưu lưới và<br /> kết quả sau quá trình cài đặt ứng dụng trong<br /> bài toàn trưng bày ảo.<br /> <br /> Hình 1. So sánh hình ảnh rút gọn bề mặt lưới<br /> <br /> PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU LƯỚI MÔ HÌNH<br /> 10<br /> <br /> 189(13): 9 - 14<br /> <br /> Tối ưu lưới mô hình 3D là rút gọn số lượng<br /> đa giác của lưới trên mô hình, giải pháp đưa<br /> ra là xóa bỏ một đỉnh và phục hồi bề mặt mô<br /> hình. Ba toán tử chính để loại bỏ điểm là:<br /> vertex removal (xóa điểm), edge collapse<br /> (gộp hai điểm trên cạnh thành một điểm), half<br /> edge collapse (gộp hai điểm thành một điểm,<br /> trong đó một điểm sẽ được giữ nguyên vị trí<br /> như ban đầu).Thứ tự xóa điểm dựa trên một<br /> số hàm ưu tiên [4][6], quy trình cho việc tối<br /> ưu hóa bề mặt lưới tam giác như sau:<br /> Repeat<br /> {<br /> Chọn đối tượng 3D;<br /> Xóa đỉnh, giảm lưới đối tượng;<br /> Kết xuất đối tượng 3D;<br /> }<br /> Until (mục tiêu tối giản được đáp ứng);<br /> Quy trình loại bỏ đỉnh và phục hồi bề mặt áp<br /> dụng theo thứ tự ưu tiên để loại bỏ điểm ra<br /> khỏi mô hình, sau khi đã xóa điểm xong thì<br /> cần thêm bước phục hồi bề mặt của đối<br /> tượng. Việc xử lý loại bỏ đỉnh dừng khi số<br /> lượng lưới thấp nhất có thể mà bề mặt mô<br /> hình vẫn đảm bảo về hình dáng [4].<br /> <br /> Hình 2. Loại bỏ và phục hồi bề mặt<br /> <br /> Một phép đo được sử dụng tính các lỗi dự<br /> kiến xảy ra khi áp dụng các toán tử. Phép đo<br /> lỗi gần đúng này được sử dụng để ưu tiên loại<br /> bỏ đỉnh, đánh giá chất lượng của các kết quả.<br /> Đại lượng Error metrics [4] là giá trị thể hiện<br /> sự khác nhau về hình dáng giữa hai mô hình<br /> trước và sau khi rút gọn lưới đa giác. Error<br /> metrics giữa hai mô hình là nhỏ, có nghĩa là<br /> hai mô hình gần giống nhau. Các độ đo khi<br /> tính toán việc giảm lưới gồm: edge length (độ<br /> dài các cạnh kết nối từ điểm đang xét đến các<br /> <br /> Vũ Đức Thái và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 189(13): 9 - 14<br /> <br /> điểm láng giềng), distance to plane (khoảng<br /> cách từ điểm tới mặt phẳng chứa láng giềng<br /> của nó), curvature (bề mặt cong của các mặt<br /> phẳng chứa điểm), volume (thể tích).<br /> <br /> Áp dụng công thức (1), chúng tôi đã thử<br /> nghiệm cho một số mô hình và thấy rõ về mặt<br /> tối ưu lưới. Tuy nhiên, lưới tối ưu còn rất<br /> nhiều lỗi khi chúng ta thực hiện rút gọn lưới<br /> như lưới xóa không đều, một số mặt khi tối<br /> ưu bị biến dạng [2]. Để khắc phục các lỗi<br /> trên, chúng tôi đưa ra một số giả thiết về<br /> trường hợp ngoại lai của các điểm cần tối ưu<br /> trên bề mặt mô hình 3D khi áp dụng theo<br /> phương pháp này và đề xuất thuật toán để giải<br /> quyết bài toán tương ứng các trường hợp.<br /> <br /> Hình 3. Rút gọn lưới theo tổng góc curvature<br /> <br /> Trường hợp thứ nhất, trong hình 4 nếu điểm<br /> v1 chúng ta có thể xóa mà không ảnh hưởng<br /> đến bề mặt đối tượng.<br /> <br /> Khi đó xấp xỉ độ cong bề mặt K tại đỉnh<br /> v0được tính theo công thức (1) [5]:<br /> K=<br /> <br /> (1)<br /> <br /> Với<br /> : là các góc tại đỉnh v0 sinh ra từ các<br /> cạnh kề nhau cùng kết nối đến đỉnh v0.<br /> Theo công thức trên, với K càng nhỏ thì đỉnh<br /> v0 càng dễ xóa bỏ. Bởi vì với một điểm bất kỳ<br /> nằm trên một mặt phẳng thì tổng các góc<br /> xung quanh nó là 2 = 3600, khi đó K =0.Thì<br /> việc xóa điểm v0 sẽ không hề ảnh hưởng đến<br /> hình dạng của mô hình. Một ngưỡng α được<br /> cho trước để thỏa mãn điều kiện loại bỏ điểm<br /> v0, thuật toán chi tiết:<br /> Khởi tạo:<br /> ∀v ∈ V: v.errormetric: = CalcErrorMetric (v);<br /> Sort_Vertexlist ();<br /> Repeat<br /> {<br /> Lấy v0;<br /> <br /> Hình 4. Góc tại đỉnh v1 so với v và v2<br /> <br /> Những điểm v2 nằm trên đường thẳng, mà<br /> đường thẳng này là giao của hai mặt phẳng<br /> vuông góc với nhau. Ta nhận thấy tổng các<br /> góc xung quanh điểm v2 là 360o và điểm v là<br /> giao của ba mặt phẳng có tổng các góc xung<br /> quanh lớn hơn 360o, nhưng nếu chúng ta xóa<br /> đỉnh v2 và đỉnh v thì mô hình thu được sau khi<br /> tối ưu sẽ bị méo mó. Khi đó công thức (1)<br /> được thay thế bằng công thức (2) [2]:<br /> <br /> if (v0.errrormetric