Luận văn Thạc sĩ Khoa học máy tính: Kỹ thuật mô phỏng đối tượng dạng sợi và ứng dụng mô phỏng tóc trong thực tại ảo

Chia sẻ: Tri Nhân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:78

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu ứng dụng công nghệ thực tại ảo vào thực tiễn xây dựng hệ thống mô phỏng các mẫu tóc; nghiên cứu xây dựng Cơ sở dữ liệu ảnh 3D về sợi; nghiên cứu đề xuất ứng dụng một số kỹ thuật mô phỏng, hiển thị dữ liệu 3D về mô phỏng sợi; nghiên cứu một số giải thuật, phương pháp để đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng....Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học máy tính: Kỹ thuật mô phỏng đối tượng dạng sợi và ứng dụng mô phỏng tóc trong thực tại ảo

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG LONG VĂN KỲ KỸ THUẬT MÔ PHỎNG ĐỐI TƯỢNG DẠNG SỢI VÀ ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG TÓC TRONG THỰC TẠI ẢO Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 8480101 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN HUÂN Thái Nguyên 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
2 MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................... 6 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ HÌNH DẠNG SỢI .. 11 1.1. Tổng quan về đồ họa máy tính và thực tại ảo ............................................... 11 1.1.1. Khái quát về đồ họa máy tính.............................................................. 11 1.1.2. Khái quát về thực tại ảo ....................................................................... 12 1.1.3. Các lĩnh vực ứng dụng cơ bản của thực tại ảo .................................... 13 1.2. Khái quát mô hình hóa và mô phỏng trong thực tại ảo ................................ 15 1.2.1. Mô hình hóa trong thực tại ảo .............................................................. 15 1.2.2. Mô phỏng trong thực tại ảo .................................................................. 20 1.3. Khái quát về đối tượng dạng sợi và mô phỏng ............................................. 23 1.3.1. Khái quát về đối tượng dạng sợi .......................................................... 23 1.3.2. Vai trò của mô phỏng tóc trong thực tại ảo ......................................... 25 1.3.3. Mô phỏng tóc ....................................................................................... 26 1.3. Kết luận và vấn đề nghiên cứu ..................................................................... 28 Chương 2 MỘT SỐ KỸ THUẬT MÔ PHỎNG ĐỐI TƯỢNG DẠNG SỢI.. 30 2.1. Kỹ thuật mô phỏng đối tượng dạng ảnh dựa vào Texture mapping ............. 30 2.1.1. Giới thiệu ............................................................................................. 30 2.1.3. Ánh xạ các ảnh sợi 2D lên các vùng của mô hình 3D tương ứng ....... 31 2.1.4. Nội suy các điểm còn lại để đảm bảo ràng buộc trong một vùng tóc .. 33 2.1.5. Nội suy vùng tiếp giáp ......................................................................... 35 2.1.6. Thuật toán mô phỏng tóc SDMT ......................................................... 37 2.2. Kỹ thuật mô phỏng đối tượng dựa vào mô hình NURBS ............................ 40 2.2.1. Mô hình NURBS trong mô phỏng đối tượng ...................................... 40 2.2.2. Nâng cao hiệu quả mô phỏng đối tượng dạng sợi, mảnh..................... 43 2.2.3. Thuật toán mô phỏng đối tượng dạng sợi AHS .................................. 48 2.3. Kỹ thuật mô phỏng đối tượng dựa vào Mass-Springs .................................. 49 2.3.1. Giới thiệu ............................................................................................. 49 2.3.2. Một số kỹ thuật cơ bản ......................................................................... 50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
3 2.3.3. Thuật toán ............................................................................................ 51 2.4. Kết luận và vấn đề nghiên cứu ..................................................................... 54 Chương 3 CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM ............................................ 56 3.1. Yêu cầu bài toán ........................................................................................... 56 3.2. Phân tích, lựa chọn công cụ .......................................................................... 56 3.3. Một số kết quả của chương trình thử nghiệm ............................................... 58 3.3.1. Kết quả thử nghiệm kỹ thuật mô phỏng sử dụng NURBS .................. 58 3.3.3. Kết quả thử nghiệm kỹ thuật mô phỏng sử dụng Mass-Springs .......... 66 3.4. Phân tích kết quả đánh giá ............................................................................ 68 PHẦN KẾT LUẬN ......................................................................................... 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 71 PHỤ LỤC ........................................................................................................ 74 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
4 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Hệ thống thiết bị .............................................................................. 13 Hình 1.2. Từ trái sang phải là các thao tác dịch chuyển, xoay, co giãn, ứng với mỗi trục toạ độ là một màu. ..................................................................... 17 Hình 1.3. Các khung nhìn khác nhau. ............................................................. 17 Hình 1.4. Khung dựng của một quả bóng, được tạo ra sau bước tạo ............ 19 mô hình ............................................................................................................ 19 Hình 1.5. Quả bóng sau khi đã qua bước thể hiện ......................................... 19 Hình 1.6. Mô phỏng sợi tóc theo Anna Sokol ................................................. 24 Hình 1.7. Mô phỏng sợi, mảnh vải .................................................................. 25 Hình 2.1. Phân chia mô hình da đầu 3D thành 6 vùng .................................. 30 Hình 2.2. Ảnh che phủ (ảnh tóc) lên vùng lưới da đầu 3D ............................. 31 Hình 2.3. Ánh xạ mảng tóc 2D lên vùng da đầu 3D ....................................... 32 Hình 2.4. Ánh xạ ảnh tóc 2D sang vùng da đầu 2D ....................................... 33 Hình 2.5. Nội suy điểm T’ dựa vào điểm T trên ảnh tóc sử dụng ánh xạ fj .... 34 Hình 2.6. Nội suy các điểm còn lại thuộc tam giác ........................................ 35 Hình 2.7. Nội suy vùng tiếp giáp giữa hai vùng da đầu ................................. 36 Hình 2.8. Tóc trước và sau khi nội suy vùng tiếp giáp giữa các mảng tóc .... 37 Hình 2.9. Mô hình hóa và điều chỉnh hình đối tượng bởi NURBS ................. 40 Hình 2.10. Mô phỏng đối tượng dạng sợi ....................................................... 43 Hình 2.11. Mô phỏng đối tượng dạng mảnh ................................................... 43 Hình 2.12. Xác định vectơ nút ứng với trường hợp tối ưu .............................. 45 Hình 2.14: Các hình dạng cơ sở (a) plain; (b) sphere; (c) torus ................... 51 Hình 2.15. Độ dày của mỗi sợi với 9 điểm điều khiển. ................................... 53 Hình 1.16. Các điểm điều khiển mass-spring trên bề mặt hình trụ NURBS xoắn ................................................................................................................. 53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
5 Hình 3.1. Các khung nhìn khác nhau trên 3DSMax ....................................... 57 Hình 3.14. Mô phỏng đối tượng dạng sợi ....................................................... 58 Hình 3.3. Xác định vectơ nút ứng với trường hợp tối ưu ................................ 59 Hình 3.1. Mô hình thiết kế đầu và chi tiết thành phần (đầu và da đầu) ......... 59 Hình 3.2. Minh họa mô hình render tổng thể ................................................. 60 Hình 3.3. Chức năng chính của hệ thống ....................................................... 61 Hình 3.4. Giao diện chính và tuỳ chọn cách tạo tóc ....................................... 62 Hình 3.5. Tóc với số sợi khác nhau ................................................................. 62 Hình 3.6. Bó tóc với số sợi khác nhau ............................................................ 63 Hình 3.7. Hai kiểu tóc màu trắng và đen xoắn cùng với gió thổi ................... 63 Hình 3.15. Một số mô hình tóc khi không có lực tác động ............................. 63 Hình 3.12. Một số mô hình tóc khi có lực tác động ........................................ 64 Hình 3.13. Tóc Messy trên plain trong một khung viền với các ..................... 66 điểm điều khiển mass-spring và các bề mặt NURBS xoắn ............................. 66 Hình 3.14. Tóc Messy trên plain trong một khung viền với bề mặt NURBS xoắn ................................................................................................................. 66 Hình 3.15. Tóc dày, messy trên plain với bề mặt NURBS xoắn ..................... 67 Hình 3.16. Tóc dài, messy trên plain với bề mặt NURBS xoắn ...................... 67 Hình 3.17. Sợi ngắn, cong trên sphere với bề mặt NURBS xoắn ................... 67 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
6 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Đối tượng có một vai trò quan trọng góp phần tạo nên một môi trường thực tại ảo, vì thực tại ảo thực chất là môi trường 3D gồm có các đối tượng (3D) được sắp xếp, bố trí theo một trật tự logic theo thực tế và có thể tương tác, chuyển động tùy thuộc vào từng loại đối tượng khác nhau. Đối tượng trong thực tại ảo có thể là đối tượng tĩnh, động và đối tượng tổng hợp cả tĩnh và động, đối tượng tồn tại dưới nhiều hình dạng khác nhau phù hợp với các đối tượng trong thực tế chẳng hạn như đối tượng là nhân vật con người ảo, để mô phỏng được nhân vật con người ảo này thì chúng ta cần mô phỏng những thành phần trên cơ thể con người ảo đó như chất liệu vải quần áo dạng sợi hay bông, mô phỏng các sợi tóc, lông trên nhân vật người ảo,… Tùy thuộc vào từng đối tượng khác nhau mà yêu cầu việc mô hình hóa và mô phỏng đối tượng dạng sợi ở mức độ trung thực khác nhau. Với những ứng dụng không yêu cầu cao tính trung thực của đối tượng mà yêu cầu về tốc độ tính toán thì chúng ta có thể mô hình hóa và mô phỏng đối tượng dạng sợi ở mức thô, tức có thể là hình ảnh, còn những ứng dụng yêu cầu tính trung thực cao và chuyển động tương tác của mô hình kết quả thì chúng ta cần mô hình hóa và mô phỏng đối tượng dạng sợi ở mức tinh, tức là cần phải sử dụng mô hình toán học để biểu diễn đối tượng. Đối tượng dạng sợi có thể là tóc, lưới, vải,... để mô phỏng được những đối tượng này thì chúng ta cần phải biểu diễn các mô hình của chúng bằng mô hình toán học. Khi đó, chúng ta mới có thể biểu diễn được các thành phần biến cần thiết để đối tượng có thể tương tác và chuyển động được như lực hấp dẫn, trọng lực,... Để mô hình hóa và mô phỏng được những đối tượng dạng sợi trong thực tại ảo, ngày nay đã có nhiều nhà khoa học trong nước và thế giới đã quan tâm nghiên cứu và họ đã đề xuất nhiều công trình khoa học khác nhau và cũng có nhiều phương pháp được đề xuất. Một trong những phương pháp được sử dụng là các mô hình toán học như đường cong Spline, Be’zier,... Đặc biệt là mô hình NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline) [1] được sử dụng phổ biến hơn. Vì các đối tượng dạng sợi như lưới, tóc hay Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
7 vải,... thường là những đối tượng động và có tính chất cục bộ nên việc sử dụng NURBS vào biểu diễn và mô phỏng chúng là phù hợp. Chẳng hạn như các nhóm tả Xu và cộng sự [3]; Noble và cộng sự [1]; Anna Sokol [2]) sử dụng NURBS tổng quát để mô phỏng sợi tóc và những tương tác, chuyển động của tóc. Một vấn đề luôn được đặt ra cho những nhà khoa học và nhà nghiên cứu phát triển các phần mềm trong mô hình hóa và mô phỏng các nhân vật, đối tượng 2D, 3D, đó là vấn đề về tốc độ xử lý vì một thực tế cho thấy là các dữ liệu trong các bài toán mô hình hóa và mô phỏng thường quá lớn. Điều này đã dẫn đến ảnh hưởng lớn trong quá trình mô phỏng các đối tượng này. Trong khi, NURBS tổng quát chủ yếu đáp ứng về mặt chất lượng mô hình của các đối tượng. Xuất phát từ thực tế đó, tên đề tài luận văn được lựa chọn là: "Kỹ thuật mô phỏng đối tượng dạng sợi và ứng dụng mô phỏng tóc trong thực tại ảo" nghiên cứu một số kỹ thuật nâng cao hiệu quả mô phỏng các đối tượng 3D có hình dạng sợi,... nhằm tăng tốc độ mô phỏng đối tượng mà vẫn đảm bảo chất lượng mô hình. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ được thử nghiệm áp dụng vào mô phỏng đối tượng dạng sợi như tóc trên nhân vật con người ảo, vì tóc là đối tượng có dạng sợi và đặc tính hình học giống như sợi nên việc mô phỏng tóc cũng tương tự như mô phỏng đối tượng dạng sợi. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a. Đối tượng nghiên cứu - Đặc tả đối tượng 3D dạng sợi, mảnh như vải, sợi tóc,… với các đặc điểm như sợi to, nhỏ, dày, mảnh, nặng, nhẹ, gió thổi…. - Các thuật toán giải và ứng dụng trong mô phỏng - Nghiên cứu ứng dụng xử lý ảnh 3D và ứng dụng b. Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết về Đồ họa máy tính, Thực tại ảo. - Nghiên cứu công cụ, phương pháp mô hình hóa đối tượng 3D - Nghiên cứu các kỹ thuật mô phỏng, hiển thị dữ liệu 3D trong thực tại ảo như mô hình NURBS, Mass Spring, Texture mapping,… Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
8 - Biểu diễn, trích xuất và mô tả dữ liệu 3D về đối tượng, các đặc trưng. - Xây dựng chương trình thực nghiệm về mô phỏng tóc trong thực tại ảo. 3. Hướng nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu lý thuyết, thu thập, phân tích các tài liệu có liên quan đến đối tượng của đề tài. - Nghiên cứu các kỹ thuật mô hình hóa, biểu diễn dữ liệu mô hình 3D; Mô phỏng và hiển thị đối tượng 3D dạng sợi trên cơ sở biểu diễn các đặc trưng của đối tượng như điểm điều khiển, độ cong, trơn,… - Cài đặt thử nghiệm, đánh giá, quan sát và hiệu chỉnh ảnh, kết xuất được các thành phần, thuộc tính,… của đối tượng mô phỏng ra file định dạng nhằm phục vụ cho các yêu cầu thực tế. 4. Những nội dung nghiên cứu chính Bố cục như sau: Đề tài bao gồm phần mở đầu, phần kết luận và 3 chương nội dung được cấu trúc như sau: Chương 1: Tổng quan về thực tại ảo và mô phỏng dạng sợi Trình bày tổng quan về đồ họa máy tính, thực tại ảo, nghiên cứu khái quát về mô hình hóa 3D, phương pháp mô hình hóa, dựng hình 3D cũng như mô phỏng, vai trò của mô phỏng và công nghệ mô phỏng trong thực tại ảo. Nghiên cứu tổng quan về mô phỏng đối tượng dạng sơi, mảnh, trên cơ sở đó dẫn tới đề xuất nghiên cứu thử nghiệm đối tượng dạng sợi dưới dạng là sợi tóc, mảnh tóc hay mái tóc trên con người ảo. Đồng thời giới thiệu khái quát về vai trò của tóc cũng như mô hình hóa và điều khiển các mô hình tóc trên hệ thống con người ảo Chương 2: Một số kỹ thuật mô phỏng đối tượng dạng sợi Trình bày ba kỹ thuật mô phỏng, cụ thể: Kỹ thuật mô phỏng sợi dưới dạng ảnh dựa vào phân chia mô hình 3D thành các vùng tương ứng và kỹ thuật ánh xạ, nhằm khắc phục hiện tượng biến dạng trong quá trình ánh xạ từ ảnh sợi 2D lên các vùng mô hình 3D tương ứng; Kỹ thuật mô phỏng sợi sử dụng mô hình NURBS nhằm tăng tốc độ mô phỏng, thể hiện tính cục bộ của sợi dựa vào giảm miền ảnh hưởng của các Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
9 điểm điều khiển lên một điểm đang xét; Kỹ thuật mô phỏng Mass-Springs thì những sợi khác nhau, những thuộc tính ràng buộc khác nhau được thiết lập và lựa chọn để tạo ra những kiểu khác nhau phù hợp với từng yêu cầu cụ thể. Chương 3: Chương trình thực nghiệm Trình bày kết quả thử nghiệm hai kỹ thuật mô phỏng: Kỹ thuật mô phỏng dựa vào mô hình NURBS và Kỹ thuật mô phỏng dựa vào Mass-Springs. 5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của đề tài luận văn được sử dụng là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu thập tài liệu, đọc hiểu các kiến thức cơ bản về Đồ họa máy tính, Thực tại ảo; Nghiên cứu một số kỹ thuật mô phỏng, hiển thị dữ liệu 3D đối tượng dạng sợi dựa vào các đặc điểm của sợi như to, nhỏ, mật độ, nặng, khô, ướt,... Tìm hiểu một số công cụ hỗ trợ lập trình, mã nguồn mở OpenGL. - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: + Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu ảnh 3D về đối tượng mô phỏng. + Nghiên cứu, đánh giá và lựa chọn phương pháp, giải pháp công nghệ cài đặt thử nghiệm với một số mẫu dữ liệu và đánh giá kết quả. - Phương pháp trao đổi khoa học: Công bố, trao đổi, thảo luận và báo cáo tại các hội thảo, hội nghị khoa học,… 6. Ý nghĩa khoa học của đề tài - Nghiên cứu ứng dụng Công nghệ Thực tại ảo vào thực tiễn xây dựng hệ thống mô phỏng các mẫu tóc. - Nghiên cứu xây dựng Cơ sở dữ liệu ảnh 3D về sợi. - Nghiên cứu đề xuất ứng dụng một số kỹ thuật mô phỏng, hiển thị dữ liệu 3D về mô phỏng sợi. - Nghiên cứu một số giải thuật, phương pháp để đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
10 - Là cơ sở khoa học nhằm hỗ trợ nâng cao hiệu quả và thay đổi nhìn nhận về lĩnh vực ứng dụng Công nghệ thông tin, cụ thể là ứng dụng Thực tại ảo vào mô phỏng các đối tượng trong thực tế vào môi trường ảo có dạng sợi như lông, tóc, vải,… Đồng thời, các kết quả của đề tài sẽ còn làm cơ sở khoa học cho việc đề xuất và xây dựng các chương trình ứng dụng cho nhiều ứng dụng thực tế. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
11 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ HÌNH DẠNG SỢI 1.1. Tổng quan về đồ họa máy tính và thực tại ảo 1.1.1. Khái quát về đồ họa máy tính Lịch sử của đồ họa máy tính ra đời từ rất sớm vào thập niên 1960 được đánh dấu bởi dự án SketchPad và được phát triển tại Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT) bởi Ivan Sutherland. Kết quả này đã đánh dấu cho một sự tạo mới, hiển thị và thay đổi được dữ liệu hình ảnh trực tiếp trên màn hình máy tính trong thời gian thực. Ngày nay, đồ họa máy tính đã trở thành một lĩnh vực phát triển phổ biến của công nghệ thông tin và đã có nhiều quan điểm khác nhau về đồ họa máy tính. Tuy nhiên, có một số quan điểm chung được hiểu như sau: Đồ họa máy tính là một lĩnh vực của khoa học máy tính nghiên cứu về cơ sở toán học, các thuật toán cũng như các kỹ thuật để cho phép tạo, hiển thị và điều khiển hình ảnh trên màn hình máy tính. Đồ họa máy tính có liên quan ít nhiều đến một số lĩnh vực như đại số, hình học giải tích, hình học họa hình, quang học,... và kỹ thuật máy tính, đặc biệt là chế tạo phần cứng (các loại màn hình, các thiết bị xuất, nhập, các vi mạch đồ họa,...). Theo nghĩa rộng hơn, đồ họa máy tính là phương pháp và công nghệ dùng trong việc chuyển đổi qua lại giữa dữ liệu và hình ảnh trên màn hình bằng máy tính. Đồ họa máy tính hay kỹ thuật đồ họa máy tính còn được hiểu dưới dạng phương pháp và kỹ thuật tạo hình ảnh từ các mô hình toán học mô tả các đối tượng hay dữ liệu lấy được từ các đối tượng trong thực tế. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phần cứng và phần mềm, cũng như các yêu cầu khắt khe của con người thì đồ họa máy tính đã phát triển vượt bậc. Ngày nay, đồ họa máy tính không chỉ đơn thuần là mô hình hoá và hiển thị các đối tượng vật thể thực vào trong máy tính mà đã phát triển lên một tầng cao mới, đó là đồ họa máy tính có khả năng tương tác, tức là con người có thể điều khiển, tương tác được với các đối tượng vật thể trong máy tính như điều khiển, tương tác với các đối tượng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
12 vật thể trong thế giới thực, đó là thực tại ảo. Như vậy, thực tại ảo là một trong các lĩnh vực của đồ họa máy tính. 1.1.2. Khái quát về thực tại ảo Có nhiều khái niệm khác nhau về thực tại ảo, song một cách chung nhất có thể định nghĩa như sau: Thực tại ảo là một môi trường ba chiều được phát sinh, tổng hợp và điều khiển thông qua máy vi tính nhằm mục đích mô phỏng lại thế giới thực hoặc một thế giới theo tưởng tượng của con người. Đồng thời, thực tại ảo cho phép người dùng thông qua các thiết bị ngoại vi và bộ chuyển đổi tương tác với những sự vật, hành động của thế giới ảo giống như tương tác với các sự kiện, hành động của thế giới thực [4,5]. Người sử dụng có thể dịch chuyển một vật trong thế giới ảo, hoặc có thể cảm nhận được một vật khi chạm vào vật đó. Trong đó thiết bị ngoại vi sẽ làm nhiệm vụ chuyển những hoạt động của người sử dụng vào bộ chuyển đổi, sau đó bộ chuyển đổi sẽ chuyển những tín hiệu này thành các tương tác vào môi trường ảo, đồng thời môi trường cũng chuyển những tác dụng của nó đến bộ chuyển đổi và bộ chuyển đổi chuyển đến các thiết bị ngoại vi, sau đó các thiết bị ngoại vi sẽ tác động đến người sử dụng. Các thiết bị ngoại vi sử dụng trong lĩnh vực thực tại ảo ngày càng hiện đại và đa dạng. Một trong những thiết bị phải kể đến là hệ thống HMD (Head-Mounted Display). Hệ thống này gồm có hai màn hình gắn trực tiếp vào hai mắt, cho phép bạn nhìn, cảm nhận thế giới ảo như là không gian trong thế giới thực và một thiết bị rất nhạy nhằm xác định vị trí góc quay của HMD. Từ đó, hệ thống sẽ tính toán góc nhìn và vị trí của bạn trong thế giới ảo. Ngoài ra, còn có một hệ thống tương tự như HMD là BOOM (Binocular Omni-Orientation Monitor), song chúng có một vài điểm khác, ví dụ như BOOM không dùng mũ gắn trên đầu mà dùng một cái cần gắn màn hình vào một đầu có tay cầm ở màn hình. Khi bạn nhìn vào màn hình dịch chuyển nó, lập tức thiết bị nhạy cũng dịch chuyển và theo đó góc nhìn, vị trí nhìn của bạn cũng thay đổi. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
13 a) Hệ thống HMD b) Hệ thống BOOM Hình 1.1. Hệ thống thiết bị Ngày nay, các thiết bị trên đã và đang được phát triển hoàn thiện hơn, công nghệ mới ngày càng đưa ra nhiều thiết bị hiện đại hơn cho phép con người tiến gần tới thực tại ảo hơn, như: găng tay dữ liệu, áo dữ liệu và các thiết bị đầu vào ba chiều như máy quét 3 chiều, máy quay 3 chiều,… Thực tại ảo là một môi trường 3D và sử dụng một lượng lớn các thông tin đồ hoạ và các thông tin này luôn luôn biến đổi. Do đó, trong các ứng dụng thực tế không thể dùng các phương pháp thông thường để truy cập bộ nhớ đồ họa, mà phải dùng phương pháp truy cập trực tiếp bộ nhớ và sử dụng bộ tăng tốc đồ hoạ. Vì vậy, người ta cần phần mềm để truy cập trực tiếp bộ nhớ và điều khiển tăng tốc đồ hoạ. Hiện nay, một số chuẩn phần mềm được sử dụng phổ biến như DirectX, OpenGL, MiniGL,... 1.1.3. Các lĩnh vực ứng dụng cơ bản của thực tại ảo Thực tại ảo được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong đời sống xã hội, dưới đây minh hoạ một số lĩnh vực ứng dụng cụ thể: Khoa học quân sự, quốc phòng: Hiện nay, những ứng dụng của thực tại ảo trong lĩnh vực này rất phong phú như huấn luyện quân lính, thử nghiệm các loại vũ khí, các phương tiện chiến tranh, bản đồ hoá từng khu vực,... Giáo dục và đào tạo: Thực tại ảo đã, đang và sẽ trở thành một công cụ hữu hiệu trong giáo dục, đặc biệt là với trẻ em. Ngoài ra, nó cũng là một phương tiện giáo dục rất mạnh đối với một số ngành nghề đòi hỏi phải thực hành như huấn luyện phi công, lái xe,... Y học: Việc ứng dụng thực tại ảo vào y học khá phong phú. Đặc biệt ở Mỹ, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
14 trong phẫu thuật, bác sĩ đã có thể tiến hành các cuộc phẫu thuật trong môi trường ảo, không cần có bệnh nhân mà vẫn như đang phẫu thuật một bệnh nhân thật. Các bác sĩ cũng có thể tiến hành các cuộc phẫu thuật từ xa thông qua các thiết bị của thực tại ảo. Thiết kế xây dựng: Với sự trợ giúp của thực tại ảo, những thiết kế giờ đây không chỉ đơn thuần là những thiết kế nữa mà nó đã tiến gần tới sản phẩm thực. Không những con người có thể xem được hình ảnh trực quan của thiết bị cần thiết kế mà thậm chí người ta còn có khả năng sử dụng các thiết bị đó. Khoa học cơ bản: Hầu hết các ngành khoa học đều có thể ứng dụng thực tại ảo, đặc biệt là các ngành như vật lý, hoá học, khảo cổ, sinh học, vũ trụ. Trong vật lý, có thể mô phỏng lại chính xác các hiện tượng của vật lý một cách trực quan. Trong khảo cổ học, dựng lại các kiến trúc đã bị chôn vùi, mô phỏng lại các thời kỳ của tự nhiên. Thương mại, du lịch: Trong thương mại, đặc biệt là trong ngành quảng cáo, thực tại ảo đang có một vị trí quan trọng. Nó giúp khách hàng tiếp cận gần hơn với hàng hoá để có thể đánh giá chất lượng mà không cần có hàng trực tiếp,... Trong du lịch, với sự hỗ trợ của thực tại ảo khách hàng có thể xem xét cảnh quan của nơi mà họ sẽ đến để chắc chắn có một chuyến du lịch thú vị. Trong giải trí: Cho phép mô phỏng các mô hình 3D với những tương tác trong môi trường ảo kết hợp với âm thanh nổi, các thiết bị vào ra làm cho con người ta ở trong môi trường ảo mà như ở trong môi trường thực. Điều hấp dẫn hơn là trong môi trường đó con người có thể thực hiện những điều mà trên thực tế họ không thể thực hiện được. Với khả năng kết hợp các thiết bị vào ra, các hiệu ứng đồ hoạ chỉ có thể thấy được trên máy tính, thực tại ảo nhanh chóng trở thành một ứng dụng không thể thiếu trong các trò chơi. Trong điện ảnh: Một vài năm gần đây, nhiều bộ phim đã ứng dụng thực tại ảo và những phương pháp xử lý đồ hoạ mạnh nhằm tạo ra những hiệu ứng, những cảnh mà trên thực tế không thể thực hiện được. Trong điện ảnh, con người có thể dựng được những thước phim tưởng chừng như không thể dựng được với các kỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
15 xảo điện ảnh thông thường, ví dụ trong một số cảnh của phim “Vua bọ cạp”,… Trong hàng không vũ trụ: Xây dựng hệ thống mô phỏng cho phi công tập luyện kết hợp với các thiết bị phần cứng để tạo ra một môi trường làm cho con người tưởng như ở trên một chiếc máy bay thật và mọi thứ diễn ra như ngoài thực tế. Hệ thống mô phỏng này cho phép người phi công thực hiện những chuyến bay đến các sân bay đã được xây dựng sẵn với các tình huống nhằm nâng cao kỹ năng xử lý tình huống như trong thực tế. Trong mô phỏng chất liệu: Chất liệu đóng một vai trò rất quan trọng trong thực tại ảo, nó góp phần tạo ra sự phong phú đa dạng của các đối tượng 3D. Chất liệu được ứng dụng vào việc mô phỏng cho nhiều đối tượng khác nhau, do đó nó gồm nhiều loại chất liệu khác nhau như gỗ, đá, kim loại, nước, vải, lông, tóc,… Chẳng hạn như mô phỏng các dụng cụ phòng thí nghiệm “ống nghiệm, đũa thuỷ tinh, bình đựng dung dịch”, “bàn gỗ, giá đỡ, đinh ốc”. Tóc là một loại chất liệu không thể thiếu trên con người ảo, vì vậy việc mô hình hoá và mô phỏng con người ảo thì chúng ta bắt buộc phải sử dụng đến tóc. Như vậy, có thể nói chất liệu được ứng dụng phổ biến trong việc mô hình hoá và mô phỏng các đối tượng trong thực tại ảo. 1.2. Khái quát mô hình hóa và mô phỏng trong thực tại ảo 1.2.1. Mô hình hóa trong thực tại ảo 1.2.1.1. Tổng quan về mô hình hóa 3D Trong kỹ thuật biểu diễn, người ta phân thành 2 nhóm : Mô hình hóa vật thể và Mô hình hóa hình học. Kỹ thuật mô hình hóa hình học được phát triển trong các ngành công nghiệp tự động hóa và chủ yếu được sử dụng để thiết kế các hình dạng của xe hơi. Hiện nay, mô hình này còn được ứng dụng trong các ngành như công nghiệp hàng không, hải quân,... và một số lĩnh vực khác. Mô hình này cũng hỗ trợ chính cho việc điều khiển về mặt hình dạng. Kỹ thuật mô hình hóa vật thể được xây dựng dựa trên các thông tin biểu diễn đầy đủ, chính xác, rõ ràng một đối tượng trong không gian, chúng có thể tạo ra các Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
16 mô hình trên máy tính với khả năng phân loại bất kỳ điểm nào trong không gian 3 chiều : phía trong, phía ngoài, hoặc là trên bề mặt của đối tượng. 1.2.1.2. Mô hình hóa 3D Hai mô hình cơ bản của ứng dụng đồ họa là dựa trên mẫu số hóa và dựa trên đặc trưng hình học. Trong ứng dụng đồ họa dựa trên mẫu số hóa thì các đối tượng đồ họa được tạo ra bởi lưới các điểm ảnh rời rạc. Các điểm ảnh này có thể được tạo ra bằng các chương trình vẽ, máy quét,... Các điểm ảnh này mô tả tọa độ xác định vị trí và giá trị mẫu. Thuận lợi của ứng dụng này là dễ dàng thay đổi ảnh bằng cách thay đổi màu sắc hay vị trí của các điểm ảnh, hoặc di chuyển vùng ảnh từ nơi này sang nơi khác. Tuy nhiên, điều bất lợi là không thể xem xét đối tượng từ các góc nhìn khác nhau. Ứng dụng đồ họa dựa trên đặc trưng hình học bao gồm các đối tượng đồ họa cơ sở như đoạn thẳng, đa giác,... Chúng được lưu trữ bằng các mô hình và các thuộc tính. Ví dụ : đoạn thẳng được mô hình bằng hai điểm đầu và cuối, có thuộc tính như màu sắc, độ dày. Người sử dụng không thao tác trực tiếp trên các điểm ảnh mà thao tác trên các thành phần hình học của đối tượng. Việc tạo mô hình 3 chiều thường thông qua máy quét 3 chiều hoặc các phần mềm chuyên dụng. Hiện nay, có rất nhiều phần mềm chuyên dụng xử lý 3D khác nhau như: Maya, 3DS Max, Bryce 3D, InfiniD, Soft Image, … nhưng được đánh giá mạnh nhất và hay sử dụng nhất là hai phần mềm: Maya và 3DS Max. Hai phần mềm này đều là công nghệ chuẩn 3 chiều. Với phạm vi của đề tài này, việc tạo ra các mô hình 3 chiều với các hiện tượng gắn với nó là một đòi hỏi tất yếu. Luận văn trình bày kỹ thuật tiếp cận trong việc tạo mô hình 3 chiều trên cơ sở kết hợp 2 phần mềm tạo mô hình 3 chiều thông dụng hiện nay là Maya và 3DS Max. Maya, 3DS Max cũng như các phần mềm tạo mô hình 3 chiều khác giúp tạo mô hình 3 chiều mô phỏng thế giới thực. Nó có các đối tượng nguyên thuỷ như hình cầu, hình trụ, hình hộp, mặt phẳng, đường cong,…Từ các đối tượng nguyên thuỷ này ta sử dụng các thao tác như dịch chuyển, xoay, co giãn cùng với các kỹ thuật Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
17 chỉnh sửa như cắt xén, mở rộng, thêm bớt… để tạo nên đối tượng mong muốn trong thế giới thực. Hình 1.2. Từ trái sang phải là các thao tác dịch chuyển, xoay, co giãn, ứng với mỗi trục toạ độ là một màu. Sau đó các đối tượng sẽ được thêm xương (nếu có), tính chất bề mặt (như màu sắc, da, tóc , mắt …) và được tạo các chuyển động mô phỏng một cách sinh động các thể hiện của đối tượng trong thế giới thực. Khi làm việc với các phần mềm ta sẽ thao tác trên 4 khung nhìn khác nhau của đối tượng, 4 khung nhìn này sẽ cho ta nhìn được đối tượng ở các góc độ khác nhau một cách đồng thời, những hình ảnh dưới đây minh họa điều này rất rõ: Hình 1.3. Các khung nhìn khác nhau. Ta có hệ trục tọa độ 3 chiều XYZ, màu xanh lam ứng với trục Y, đỏ với trục X và xanh đậm với trục Z. Góc trên phải là khung làm việc cho phép ta thao tác trong 3 chiều, 3 góc còn lại cho phép ta làm việc ở 3 mặt cắt của mô hình. Với các khung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
18 nhìn này ta có thể thao tác dễ dàng hơn, khi một thay đổi xuất hiện ở một khung nhìn sẽ cho hiệu ứng đối với các khung nhìn khác. Bên cạnh hệ trục tọa độ XYZ ta còn có hệ tọa độ UV, hệ tọa độ UV bao bọc bề mặt theo 2 chiều trái sang phải và dưới lên trên. Có thể hình dung ra hệ tọa độ này như là các đường kinh tuyến và vĩ tuyến của trái đất. Hệ tọa độ này chủ yếu được sử dụng trong quá trình thêm tính chất bề mặt cho mô hình. 1.2.1.3. Các kỹ thuật dựng hình chính 3D Qua nghiên cứu các phần mềm dựng mô hình khác nhau cho thấy, nói chung làm việc trong môi trường 3D có các công tác chính sau: - Kỹ thuật tạo mô hình (modelling): Đây là phần sử dụng các công cụ dựng hình để tạo ra các mô hình, chỉnh sửa chúng theo ý muốn. Từ đó các vật thể 3D được định hình; - Kỹ thuật hoạt hoá nhân vật (animation): gồm những thao tác để gắn nhân vật vào một tập các khoá (key). Mỗi một khoá đại diện cho vị trí, hình dạng của nhân vật tại những thời điểm khác nhau. Sự chuyển động của nhân vật là sự thể hiện nhân vật tại mỗi vị trí khoá này; - Kỹ thuật kết xuất (rendering): Đây là phần để gán vật liệu lên các nhân vật và tạo kết xuất ; Vậy chúng ta có thể hiểu kỹ thuật tạo mô hình (Modeling) là kỹ thuật tạo ra các khung dựng của các đối tượng, ta có thể tưởng tượng giai đoạn này là quá trình tạo ra khung xương cho cơ thể một con người, sau đó nhờ các kỹ thuật thể hiện (rendering) để thêm da thịt cho con người đó, và tiếp theo là nhờ kỹ thuật tạo hoạt họa (animation) để tạo hoạt động cho người. Ta có thể hiểu rõ công việc của từng giai đoạn bằng các hình ảnh minh họa ở hình 1.4 và hình 1.5. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
19 Hình 1.4. Khung dựng của một quả Hình 1.5. Quả bóng sau khi đã qua bóng, được tạo ra sau bước tạo bước thể hiện mô hình Với đề tài này, phạm vi khai thác dừng lại ở tìm hiểu các kĩ thuật tạo đối tượng và kết xuất. Nên phần việc chính hay sử dụng là modelling và rendering Có nhiều phương pháp khác nhau để mô tả các đối tượng 3D. Tùy thuộc vào từng đối tượng cụ thể, ta dùng phương pháp sao cho phù hợp với thuộc tính của các loại đối tượng đó. Chẳng hạn, để biểu diễn các đối tượng Euclid đơn giản như là các khối ellipse, khối đa diện ta sử dụng các mặt đa giác và mặt bậc hai. Để biểu diễn các mặt tròn xoay và các đối tượng dùng để thiết kế các mô hình máy bay, bánh răng và các cấu trúc công nghệ khác thường được biểu diễn thông qua mặt cong (curves). Các phương pháp tiếp cận thủ tục như Fractal cho phép chúng ta biểu diễn một cách chính xác các đối tượng như mây, thảm cỏ và các đối tượng tự nhiên khác. Biểu diễn mặt lưới 3D : Việc sử dụng mô hình khung lưới cho phép ta hình dung được kết cấu bên trong của một mô hình 3D bằng cách xoay chuyển đối tượng và chọn lựa xóa các đường ẩn (những đường mà thường khi người ta không thể trông thấy thông qua các mặt phẳng cắt ngang). Khi thể hiện bằng mô hình này, các đối tượng này không giống thực tế lắm. Vì vậy, người ta dùng các kỹ thuật tạo bóng và loại bỏ các đường và mặt khuất. Mô hình này thường nhanh nên người ta thường dùng nó trong việc xem phác thảo các đối tượng, đặc biệt là trong các hệ CAD. Một dạng thông thường của lưới đa giác là các dãy tam giác. Khi đa giác được mô tả bởi nhiều hơn 3 đỉnh, các đỉnh của nó có thể không đồng phẳng. Điều này có Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
20 thể dẫn đến các lỗi tính toán. Một phương pháp đơn giản là phân đa giác này thành các tam giác. Biểu diễn bề mặt trơn tham số : Trong trường hợp các đối tượng thực sự phức tạp, người ta thường dùng một hay nhiều mặt cong trơn ghép nối lại với nhau. Mỗi thành phần dùng để ghép nối được gọi là mặt vá. 1.2.2. Mô phỏng trong thực tại ảo 1.2.2.1. Tổng quan về mô phỏng Theo cách truyền thống, việc tương tác với máy tính được thực hiện thông qua các thiết bị như bàn phím, chuột hay Joystick/Trackball/ Keyboard/Styplus để cung cấp thông tin đầu vào và sử dụng khối hiển thị trực quan để nhận thông tin đầu ra từ hệ thống. Với sự ra đời của các hệ thống thực tại ảo, các phương thức giao tiếp mới được phát triển cho phép người sử dụng tương tác một cách tích cực với máy tính. Công nghệ VR hiện đang rất phát triển trên thế giới. Hiện nay, ở nước Công hòa Dân chủ Nhân dân Lào, công nghệ VR đang dần được chú ý bởi những thế mạnh của nó chẳng hạn như cho phép tạo và hiển thị được dữ liệu lớn. Điều này rất quan trọng cho những ứng dụng như là tạo thiết kế đô thị, ứng phó với các tình huống khẩn cấp, du lịch, giải trí, quản lý giao thông, xây dựng những dự án quy mô lớn, và giáo dục. Trong những lĩnh vực này, thì việc trực quan hóa tương tác của mô hình là sự tối quan trọng cho sự phân tích chiều sâu của tập hợp dữ liệu. Mục đích của hệ thống là mô phỏng các hiệu ứng quan sát và cảm nhận khi thị sát trên một khu vực nhất định. Hệ thống này là sự kết hợp các kỹ thuật mô phỏng sử dụng đồ hoạ 3D với các thiết bị phần cứng. Mô phỏng là quá trình "bắt chước” một hệ thống có thực. Các chương trình máy tính hiện nay có thể tạo ra các Models Mô phỏng như Mô phỏng về binh khí kỹ thuật, tính năng kỹ chiến thuật của nó, khả năng khai thác sử dụng trên thực địa, thậm chí là các hoạt động tác chiến trên chiến trường không gian ảo với thời gian thực. Mô phỏng có thể được định nghĩa là một quá trình tạo một mô hình (chẳng hạn như để mô tả một khái niệm trừu tượng) của một hệ thống có sẵn (như một Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn