Luận văn Thạc sĩ Khoa học máy tính: Nghiên cứu kỹ thuật tạo bóng bề mặt của vật thể và ứng dụng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:66

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu các thuật toán đã và đang được vận dụng tại Việt Nam và thế giới để khái quát hóa lựa chọn công cụ phù hợp nhất cho việc cài đặt. Lựa chọn các vật thể và không gian thích hợp để phân tích các hình ảnh thực tiễn làm cơ sở đối chứng cho kết quả cài đặt. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học máy tính: Nghiên cứu kỹ thuật tạo bóng bề mặt của vật thể và ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG PHẠM THỊ PHƯƠNG NGA NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TẠO BÓNG BỀ MẶT CỦA VẬT THỂ VÀ ỨNG DỤNG Ngành: Khoa học máy tính. Mã số: 8 48 01 01. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Vũ Đức Thái Thái Nguyên năm 2020
i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Phạm Thị Phương Nga Sinh ngày: 08/10/1979 Học viên lớp cao học CHK17A - Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trường THCS Quang Sơn - Đồng Hỷ - tỉnh Thái Nguyên. Xin cam đoan: Đề tài “ Nghiên cứu kỹ thuật tạo bóng bề mặt của vật thể và ứng dụng”, do TS. Vũ Đức Thái hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật. Thái Nguyên, ngày 17 tháng 09 năm 2020 Tác giả luận văn Phạm Thị Phương Nga
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Vũ Đức Thái, là thầy giáo trực tiếp hướng dẫn khoa học cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo, cán bộ trong trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên cùng các anh chị đồng nghiệp trong cơ quan đã tạo những điều kiện thuận lợi cho tôi học tập và nghiên cứu hoàn thành chương trình học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, các chị và các bạn học viên lớp Cao học Khoa học máy tính CK -17A, trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên đã luôn động viên, giúp đỡ và nhiệt tình chia sẻ với tôi những kinh nghiệm học tập, công tác trong suốt khoá học. Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, những người thân luôn bên cạnh và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp. Mặc dù rất cố gắng, song luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót, kính mong được sự chỉ dẫn của các quý thầy cô và các bạn. Thái Nguyên, ngày 17 tháng 9 năm 2020 Học viên Phạm Thị Phương Nga
iii MỤC LỤC Lời cam đoan ................................................................................................. i Lời cảm ơn .................................................................................................... ii Mục lục ........................................................................................................ iii Danh mục hình ảnh......................................................................................iv MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................ 1 2. Mục tiêu ...................................................................................................... 4 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài .............................................. 4 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ MÔ HÌNH BÓNG BỀ MẶT ......................................................................... 5 1.1. Tổng quan về thực tại ảo.......................................................................... 5 1.1.1.Thực tại ảo là gì ..................................................................................... 5 1.1.2. Lịch sử phát triển của thực tại ảo ......................................................................5 1.1.3 .Ứng dụng của thực tại ảo ..................................................................................6 1.2. Mô hình 3D trong thực tại ảo ................................................................... 6 1.3. Vai trò của việc mô phỏng không gian 3D ............................................ 10 1.4. Mô hình hóa mô hình 3D ....................................................................... 11 1.4.1. Hệ trục tọa độ...................................................................................... 12 1.4.2. Kỹ thuật hiển thị mô hình Bump Mapping. ........................................ 13 1.4.3. Kỹ thuật xử lý ảnh hoa văn ................................................................. 19 1.4.4. Kỹ thuật Ánh xạ bề mặt chạm nổi...................................................................20 1.4.5. Kỹ thuật sử dụng môi trường ánh xạ bump mapping .....................................20 Chương 2. MỘT SỐ KỸ THUẬT HIỂN THỊ BỀ MẶT CỦA VẬT THỂ 3D ................................................................................................................. 22 2.1. Kỹ thuật chiếu sáng ............................................................................... 22 2.2. Hiệu ứng ánh sáng ................................................................................. 24
2.2.1.Các hiệu ứng ánh sáng .....................................................................................24 2.3.Thuật toán chiếu sáng toàn cục ............................................................... 28 2.3.1.Một số thuật toán chiếu sáng toàn cục .............................................................28 2.4.Kỹ thuật chiếu sáng cục bộ ..................................................................... 32 Chương 3. MÔ PHỎNG TÁC ĐỘNG ÁNH SÁNG LÊN BỀ MẶT VẬT THỂ .............................................................................................................. 44 3.1. Phân tích các yêu cầu hệ thống .............................................................. 44 3.2. Phân tích chi tiết .................................................................................... 45 3.2.1. Phân tích hình ảnh .............................................................................. 45 3.2.2. Phân tích chức năng người dùng ......................................................... 46 3.2.3.Phân tích các yêu cầu biểu diễn ........................................................... 47 3.3 . Thiết kế các thuật toán .......................................................................... 49 3.3.1.Thuật toán xác định hướng ánh sáng trong môi trường ....................... 49 3.3.2. Thuật toán tính toán tương tác giữa các vật thể khi xoay.................... 50 3.4. Thiết kế giao diện .................................................................................. 51 KẾT LUẬN.................................................................................................. 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 58 PHỤ LỤC
iv DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Một hình ảnh kết quả thực nghiệm ................................................. 10 Hình 1.2. Hệ trục tọa độ Trục ......................................................................... 12 Hình 1.3. Bề mặt đá tại nhà thờ đá Phát Diệm................................................ 14 Hình 1.4. Cây đổ bóng .................................................................................... 15 Hình 1.5. Không gian tiếp tuyến ..................................................................... 17 Hình 1.6. Sự phản xạ của tia sáng trên bề mặt ............................................... 18 Hình 2.1. Nguyên tắc đặt đèn trong trưng bày ................................................ 23 Hình 2.2. Minh họa quá trình sinh và dò tia của ray tracing .......................... 29 Hình 2.3. Các bước xử lý trong giải thuật Ray tracing ................................... 30 Hình 2.4. So sánh giữa Scan line và ray tracing ............................................. 31 Hình 2.5. Chiếu sáng bằng photon mapping ................................................... 32 Hình 2.6. Các bước xử lý trong giải thuật Scan line. ...................................... 33 Hình 2.7. MAX cung cấp ba loại điều chỉnh điểm chốt ................................ 38 Hình 2.8. Use Selection Center (tâm của tập chọn) ....................................... 39 Hình 2.9. Transform Coordinate Center (tâm của hệ tọa độ phép biến đổi) .. 39 Hình 2.10. Trước khi Occlusion Culling. ....................................................... 40 Hình 2.11. Dung lượng phát triển bóng Culling. ........................................... 42 Hình 2.12. Một ảnh hoa văn phức tạp ............................................................. 43 Hình 3.1. Một số vật thể trưng bày ................................................................. 45 Hình 3.2. Bề mặt vật thể trong suốt ................................................................ 46 Hình 3.3. So sánh ảnh bị nhiễu sáng và đã chỉnh sửa ..................................... 46 Hình 3.4. Biểu đồ Use case ............................................................................. 47 Hình 3.5. Sơ đồ phân tích ............................................................................. 48 Hình 3.6. Mô hình thuật toán xác định hướng ánh sáng trong môi trường .... 49 Hình 3.7. Sơ đồ khối của phương pháp tích phân số hỗn hợp ........................ 51 Hình 3.8. Biểu diễn hiện vật Trống với hướng chiếu sáng từ trên xuống ...... 53 Hình 3.9. Biểu diễn hiện vật Bình với hướng chiếu sáng từ trên xuống ........ 54 Hình 4.0. Biểu diễn hiện vật Cồng với hướng chiếu sáng từ trên xuống ...... 55 Hình 4.1. Biểu diễn hiện vật Giỏ với hướng chiếu sáng từ trên xuống ......... 56
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trưng bày ảo là một lĩnh vực đã và được ứng dụng trong giải quyết nhiều vấn đề của đời sống thực tế. Trong bảo tàng, trưng bày ảo được ứng dụng để tạo ra các phòng trưng bày ảo, qua đó khách tham quan có thể đến bảo tàng, xem và hiểu biết thông tin về các hiện vật, v.v. của bảo tàng mà không cần đến tận nơi. Trong thương mại, đặc biệt là thương mại điện tử, trưng bày ảo là nơi cho phép các nhà sản xuất, nhà kinh doanh, v.v. giới thiệu quảng bá sản phẩm của mình đến người tiêu dùng một cách đầy đủ và chính xác. Trong lĩnh vực văn hóa nghệ thuật, trưng bày ảo chính là một công cụ hữu hiệu để các nghệ sỹ giới thiệu và quảng bá sản phẩm tinh thần của mình đến với độc giả. Trong hầu hết các lĩnh vực của thực tế chúng ta đều có thể tìm thấy một vấn đề có thể ứng dụng, sử dụng trưng bày ảo như là một công cụ trực tiếp hoặc gián tiếp để giải quyết vấn đề đó. Thời gian gần đây với sự phát triền mạnh mẽ của các công nghệ Thực tại ảo, Thực tại ảo trộn, Thực tại tăng cường, đã tạo một khả năng phát triển mạnh mẽ cho việc phát triển và ứng dụng của trưng bày ảo. Với sự hỗ trợ của các công nghệ mới này, người ta có thể đưa những hiện vật ảo ra ngoài không gian thực để người tham quan có thể xem thậm chí là tương tác và sử dụng hiện vật ảo đó như thật. Qua đó, giải quyết được nhiều vấn đề như: thiếu hiện vật, bảo quản hiện vật trong bảo tàng hoặc các vấn đề về kinh tế (chi phí làm sản phẩm mẫu) trong thương mại. Để xây dựng các ứng dụng thực tế sử dụng công nghệ trưng bày ảo có rất nhiều vấn đề được đặt ra cần nghiên cứu và giả quyết ví dụ như: vấn đề về xây dựng và tối ưu hóa mô hình để có thể sử dụng được, vấn đề về quản lý thông tin bao gồm cả các thông tin về vị trí trưng bày của từng hiện vật, vấn đề về tính toán va chạm gi ữa hiện vật ảo với môi trường thật, v.v. Vấn đề quan trọng nhất trong các ứng dụng đồ họa ba chiều thời gian thực nói chung và trong các ứng dụng trưng bày ảo nói riêng là tạo ra những hình ảnh chân thật. Để có được những hình ảnh như vậy điều quan trọng là tính toán được
2 các tác động của môi trường lên biểu diễn bề mặt đối tượng. Các tác động của môi trường lên bề mặt đối tượng có thể phân thành hai loại chính: một là các tác động không làm thay đổi bản chất bề mặt của đối tượng mà chỉ làm thay đổi hình ảnh từ người quan sát; hai là các tác động làm thay đổi kết cấu, tính chất, đặc điểm bề mặt thậm chí là đặc điểm hình học của đối tượng. Với loại thứ nhất, thể hiện các tác động làm thay đổi hình ảnh quan sát của đối tượng. Việc tính toán các tác động này về bản chất, chính là quá trình kết xuất ảnh hai chiều từ đối tượng, góc quan sát và các điều kiện môi trường, toàn bộ quá trình này được gọi là (Rendering) [7, 22]. Trong Rendering ngoài yếu tố nội tại của đối tượng, ánh sáng là yếu tố quan trọng và có ảnh hưởng nhiều đến việc biểu diễn bề mặt đối tượng, đây là yếu tố mà mọi ứng dụng ba chiều đều không thể bỏ qua. Việc tính toán ảnh hưởng của ánh sáng lên biểu diễn bề mặt đối tượng được thể hiện thông qua hai hiệu ứng chính đó là hiệu ứng bóng bề mặt (Shading) và hiệu ứng bóng đổ (Shadow). Nghiên cứu về bóng bề mặt là các nghiên cứu cơ bản và quan trọng trong đồ họa ba chiều thời gian thực. Có nhiều kỹ thuật tô bóng đã được đề xuất và đang được sử dụng rộng rãi hiện nay có thể kể đến như kỹ thuật tô bóng Gouraud [7] được đề xuất năm 1971 đây chính là kỹ thuật nền tảng cho mọi kỹ thuật tiếp theo; kỹ thuật tô bóng Phong [12] và Phong Blinn [2] là hai kỹ thuật được cài đặt và sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Ngoài các kỹ thuật trên hiện nay các kỹ thuật sử dụng bản đồ phụ trợ như Normal Mapping, Parallax Mapping, Displacement Mapping [5, 16, 18] nhằm làm tăng độ chi tiết của bề mặt đối tượng nhưng không làm thay đổi số lượng đa giác biểu diễn cũng đang được sử dụng rộng rãi. Vấn đề tô bóng là vấn đề kinh điển và đã được nghiên cứu từ rất lâu tuy nhiên do phải đáp ứng yêu cầu thời gian thực nên việc tô bóng cho các đối tượng như như lông, tóc, khói, mây, các đối tượng lỏng, v.v. hoặc việc thể hiện các hiệu ứng gương, khúc xạ, thấu kính, v.v. là những vấn đề khó và tiếp tục được nghiên cứu. Các công trình nghiên cứu tiêu biểu có thể xem trong các tài liệu tham khảo [9, 10, 11, 14, 20] .
3 Một trong những vấn đề quan trọng cần nghiên cứu để xây dựng các ứng dụng trưng bày ảo đó là ảnh hưởng của môi trường đến biểu diễn bề mặt đối tượng đặc biệt là ảnh hưởng của ánh sáng thông qua các nguồn sáng đến biểu diễn bề mặt đối tượng. Ảnh hưởng của nguồn sáng lên biển diễn bề mặt đối tượng như đã biết gồm hai phần chính do là ảnh hưởng đến việc hiển thị đối tượng và ảnh hưởng thứ hai là làm thay đổi bề mặt đối tượng. Ảnh hưởng của nguồn sáng lên hiển thị đối tượng thông qua chiếu sáng là việc không thể thiếu được vì phải có chiếu sáng thì mời có đồ họa ba chiều và trưng bày ảo đồng thời trưng bày ảo có một số đặc điểm riêng biệt của nó vì vậy nghiên cứu về chiếu sáng và chiếu sáng trong trưng bày ảo là một vấn đề cần thiết. Trên thực tế các đối tượng thay đổi theo thời gian do đó nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn sáng và các điều kiện môi trường đến bề mặt đối tượng không chỉ có tác đụng làm tăng chất lượng hình ảnh của ứng dụng trưng bày ảo mà các kết quả nghiên cứu này còn có thể sử dụng làm công cụ để trợ giúp cho việc trưng bày đối tượng thực làm để cho chúng ít bị thay đổi, phá hủy theo thời gian dưới sự tác động của ánh sáng và môi trường. Nhận biết được sự quan trọng đó, với mục đích mô phỏng được sự ảnh hưởng của các nguồn sáng vào biểu diễn bề mặt của đối tượng ba chiều trên cơ sở đó phát triển hệ thống trưng bày ảo các hiện vật ảo ba chiều. Mục tiêu cụ thể là nghiên cứu các kỹ thuật chiếu sáng và hiệu ứng bóng bề mặt của vật thể trưng bày trong không gian ba chiều Tôi đã lựa chọn đề tài:” Nghiên cứu kỹ thuật tạo bóng bề mặt của vật thể và ứng dụng”. Đề tài nghiên cứu các thuật toán để cài đặt mô phỏng cho một số hiện vật trong Nhà bảo tàng văn hóa các dân tộc Việt Nam tại thành phố Thái Nguyên. Ứng dụng kết quả đã nghiên cứu vào xây dựng một phần mềm trưng bày ảo cho một số hiện vật tại Bảo tàng Văn hóa các dân tộc Việt Nam tại TP Thái Nguyên với các lý thuyết phân tích về tác động của môi trường lên hiện vật.
4 2. Mục tiêu - Nghiên cứu các thuật toán đã và đang được vận dụng tại Việt Nam và thế giới để khái quát hóa lựa chọn công cụ phù hợp nhất cho việc cài đặt. - Lựa chọn các vật thể và không gian thích hợp để phân tích các hình ảnh thực tiễn làm cơ sở đối chứng cho kết quả cài đặt - Đánh giá rút kinh nghiệm về thuật toán để có thể cải tiến việc mô phỏng tốt hơn. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài + Đối tượng nghiên cứu:  Đối tượng nghiên cứu là các kỹ thuật chiếu sáng, các kỹ thuật biểu diễn sự biến đổi của đối tượng dưới sự tác động của ánh sáng và điều kiện môi trường trong lĩnh vực thực tại ảo và đồ họa ba chiều. + Phạm vi nghiên cứu:  Tập trung nghiên cứu các kỹ thuật tính toán bản đồ chiếu sáng và ứng dụng kết hợp bản đồ chiếu sáng cho các ứng dụng trưng bày ảo. Ảnh hưởng của ánh sáng lên sự biến đổi bề mặt một số loại chất liệu phổ biến trong lĩnh vực trưng bày ảo.
5 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ MÔ HÌNH BÓNG BỀ MẶT 1.1. Tổng quan về thực tại ảo 1.1.1.Thực tại ảo là gì Thực tại ảo (Virtual reality- VR) là một hệ thống mô phỏng trong đó đồ họa máy tính được sử dụng để tạo ra một thế giới "như thật". Hơn nữa, thế giới "nhân tạo" này không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn (tín hiệu vào) của người sử dụng (nhờ hành động, lời nói,..). Điều này xác định một đặc tính chính của VR, đó là tương tác thời gian thực. Thời gian thực ở đây có nghĩa là máy tính có khả năng nhận biết được tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức thế giới ảo. Người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn và bị thu hút bởi sự mô phỏng này. Tương tác và khả năng thu hút của VR góp phần lớn vào cảm giác đắm chìm, cảm giác trở thành một phần của hành động trên màn hình mà người sử dụng đang trải nghiệm. Nhưng VR còn đẩy cảm giác này "thật" hơn nữa nhờ tác động lên tất cả các kênh cảm giác của con người. Trong thực tế, người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D nổi, điều khiển (xoay, di chuyển,..) được đối tượng trên màn hình (như trong game), mà còn sờ và cảm thấy chúng như có thật. Ngoài khả năng nhìn (thị giác), nghe (thính giác), sờ (xúc giác), các nhà nghiên cứu cũng đã nghiên cứu để tạo các cảm giác khác như ngửi (khứu giác), nếm (vị giác). Tuy nhiên hiện nay trong VR các cảm giác này cũng ít được sử dụng đến. Như vậy: “Thực tại ảo là công nghệ sử dụng các kỹ thuật mô hình hoá không gian ba chiều với sự hỗ trợ của các thiết bị đa phương tiện hiện đại để xây dựng một thế giới mô phỏng bằng máy tính”, [3,4,6,7,8] 1.1.2. Lịch sử phát triển của thực tại ảo Thực tại ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện khoảng đầu thập kỷ 90, nhưng ở Mỹ và châu Âu VR đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực (nghiên cứu và công nghiệp, giáo dục và đào tạo cũng như thương mại, giải trí,…) tiềm năng kinh tế cũng như tính lưỡng dụng
6 (trong dân dụng, quân sự) của nó. VR không phải là một phát minh mới, mà ngay từ năm 1962 Morton Heilig (Mỹ) đã phát minh ra thiết bị mô phỏng SENSORAMA. Tuy nhiên cũng như nhiều ngành công nghệ khác, VR chỉ thực sự được phát triển ứng dụng rộng rãi trong những năm gần đây nhờ vào sự phát triển của tin học (phần mềm) và máy tính (phần cứng). Thuật ngữ “virtual reality – thực tại ảo được đưa ra bởi Jaron Lanier (người sáng lập công ty VPL Research, tại Redwood – California, một trong những công ty đầu tiên cung cấp các sản phẩm cho môi trường ảo). Sự hình dung liên quan đến các tác động đầu ra mà máy tính tạo ra về thị giác, thính giác hay các giác quan khác khi người sử dụng tương tác với thế giới bên trong máy tính. Thế giới này có thể là các mô hình được thiết kế với sự trợ giúp của máy tính, là sự mô phỏng hay là cách nhìn nhận một cơ sở dữ liệu. Hệ thống có thể có tính động, các mô phỏng vật lý hay các hoạt cảnh. 1.1.3 .Ứng dụng của thực tại ảo Tại các nước phát triển, chúng ta có thể nhận thấy VR được ứng dụng trong mọi lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch,... và đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu- Giáo dục- Thương mại-dịch vụ. Y học, du lịch là lĩnh vực ứng dụng truyền thống của VR. Bên cạnh đó VR cũng được ứng dụng trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí, du lịch ảo (Virtual Tour), bất động sản... Trong lĩnh vực quân sự, VR cũng được ứng dụng rất nhiều ở các nước phát triển. Bên cạnh các ứng dụng truyền thống ở trên, cũng có một số ứng dụng mới nổi lên trong thời gian gần đây của VR như: VR ứng dụng trong sản xuất, VR ứng dụng trong ngành rôbốt, VR ứng dụng trong hiển thị thông tin (thăm dò dầu mỏ, hiển thị thông tin khối, ứng dụng cho ngành du lịch, ứng dụng cho thị trường bất động sản....) VR có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn. Có thể nói tóm lại một điều: Mọi lĩnh vực "có thật " trong cuộc sống đều có thể ứng dụng "thực tế ảo" để nghiên cứu và phát triển hoàn thiện hơn [1]. 1.2. Mô hình 3D trong thực tại ảo Mô hình 3D hiện đang ngày càng phổ biến và sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng mô phỏng, thực tại ảo. Ta thấy, với các khoảng cách khác nhau trong khi quan sát chúng ta sẽ thấy các độ chi tiết khác nhau của mô hình. Điều này có nghĩa các mô hình ở gần sẽ rất chi tiết trong khi các mô hình càng ở xa sẽ càng mờ. Để tối ưu
7 tính toán chúng ta thường phải có sẵn các mô hình 3D với các mức độ chi tiết khác nhau. Khi biểu diễn vật ở mỗi khoảng cách nhất định chương trình sẽ gọi và sử dụng mô hình với độ chi tiết tương ứng, kỹ thuật này trong thực tại ảo gọi là LOD (Level Of Detail) . Kỹ thuật này đã được F. Biljecki , H. Ledoux và J. Stoter trình bày để biểu diễn các mô hình 3D các tòa nhà năm 2016 [15], Như vậy, mỗi mô hình 3D phải thiết kế lại nhiều lần với độ chi tiết khác nhau. Điều này dẫn tới thời gian và chi phí tạo ra mô hình ra tăng và đồng nghĩa với tổng chi phí cho một hệ thống trưng bày ảo là lớn. Để giảm chi phí khi xây dựng mô hình cần áp dụng các chiến lược tự động tối ưu mô hình dựa trên khoảng cách quan sát ngay khi chương trình đang chạy. Quá trình tối ưu này gọi là LOD tự động. Trong đó, độ chi tiết của mô hình được tự động tính toán dựa trên khoảng cách của nó tới vị trí quan sát. Có ba phương pháp chính để tạo ra mô hình 3D: Một là sử dụng các phần mềm thiết kế 3D tạo ra thư viện mô hình (do các nhà thiết tạo ra). Hai là sử dụng các lệnh trong ngôn ngữ lập trình để vẽ ra các mô hình. Ba là sử dụng các thiết bị máy quét 3D tạo mô hình từ vật thể thực. Phương pháp dùng lệnh rất vất vả tốn kém và hầu như không còn được sử dụng nữa. Phương pháp sử dụng các thiết bị phần cứng là máy quét để tạo mô hình 3D mang nhiều ưu điểm như thời gian tạo ra một mô hình ngắn, độ chính xác cao, tính ổn định, chi phí rẻ v.v.. Tuy nhiên, mô hình tạo ra từ máy quét có một nhược điểm chính là số lượng lưới lớn. Do đó, trên thực tế đa phần các chương trình mô phỏng thực tại ảo thường sử dụng các mô hình sinh ra từ phần mềm thiết kế 3D. Khi xây dựng ứng dụng, chúng ta cần giải pháp tiết kiệm các chi phí khi xây dựng mô hình. Ý tưởng của giải pháp chúng ta chỉ thiết kế mô hình 3D của đối tượng một lần duy nhất còn các cấp độ giảm lưới sẽ tự động tạo ra mô hình mới tương ứng. Đầu tiên, ta phải xây dựng các mô hình hiện vật 3D ở mức độ chi tiết nhất. Sau đó dựa vào khoảng cách từ mắt người tham quan ảo đến vị trí của hiện vật 3D sẽ tiến hành rút gọn bề mặt lưới của mô hình đó. Quy luật là khoảng cách càng xa thì lưới của mô hình đó càng giảm. Chúng tôi chia độ chi tiết của mô hình thành bốn mức từ LOD1 tới LOD4. Trong đó, lưới mức độ một (LOD1) ở trong khoảng cách gần nhất với mức mô tả chi tiết nhất, và lưới cấp độ bốn (LOD4) ở khoảng cách xa nhất.
8 Quá trình chuyển từ LOD1 sang thấp hơn là quá trình rút gọn lưới của các mô hình trong cảnh của bảo tàng mà chúng tôi mong muốn [2]. Số lưới của mô hình cấp độ LOD2 bằng khoảng 50% số lưới của mô hình cấp độ LOD1, tương tự ta quy định số lưới LOD3 bằng khoảng 25% số lưới LOD1, và số lưới LOD4 bằng khoảng 12,5% số lưới LOD1. Với việc giảm lưới này thì các mô hình sẽ bị biến dạng và đôi khi sẽ không còn là chính mô hình đó mà biến thành một mô hình khác và điều này không chấp nhận được. Do đó, chúng ta cần một thuật toán rút gọn lưới hợp lý sao cho khi chúng ta giảm lưới ở các cấp độ khác nhau thì việc mô hình bị biến dạng là thấp nhất. Trong các phần tiếp theo của bài báo chúng tôi trình bày kỹ thuật tối ưu lưới và kết quả sau quá trình cài đặt ứng dụng trong bài toàn trưng bày ảo. Có hai dạng bài toán tối ưu mô hình 3D thường được nhắc đến trong lĩnh vực mô phỏng 3D với đầu vào và đầu ra cùng là mô hình 3D nhưng mang những đặc điểm khác nhau giữa mô hình trước tối ưu và sau tối ưu. Thứ nhất, là tối ưu về mặt hình ảnh. Ở đó, với đầu vào là một mô hình 3D đã được thiết kế hoặc thu từ máy quét người xử lý cần nâng cao chất lượng hình ảnh của mô hình. Khi đó chúng ta cần chú ý tới việc tối ưu chất lượng hình ảnh hoặc lưới của mô hình, điều này dẫn tới các bài toán xử lý về ánh sáng, góc cạnh để khi render thu được hình ảnh chân thực nhất có thể. Trên thực tế quá trình tối ưu này dẫn tới một trường phái thiết kế siêu thực. Ở đó những nhà thiết kế có thể thay thế nhân vật thực bằng nhân vật thiết kế ảo. Thứ hai, là tối số lượng lưới (mặt và đỉnh trong mô hình) với bài toán này đầu vào là một mô hình 3D (thường là mô hình thu được từ máy quét) và đầu ra là mô hình đó với số lượng lưới giảm đi nhưng vẫn đảm bảo hình dạng và hình ảnh của đối tượng không thay đổi nhiều giữa trước và sau tối ưu. Trong nội dung luận văn tập trung vào giải quyết bài toán thứ hai. Tức là nghiên cứu các kỹ thuật làm giảm lưới mô hình 3D nhưng vẫn đảm bảo giữ được hình dạng và hình ảnh của đối tượng sau khi render. Đồ họa máy tính 3D thường được nói đến là mô hình (model) 3D. Ngoài các đồ họa được kết xuất, model được chứa trong các tập tin dữ liệu đồ họa. Tuy nhiên, có sự khác biệt. Model 3D là đại diện toán học của bất kỳ đối tượng ba chiều. Một mô hình không phải là một kỹ thuật đồ họa cho đến khi nó được hiển thị. Một mô hình có thể được hiển thị trực quan như là một hình ảnh hai chiều thông qua một quá trình gọi là kết xuất 3D, hoặc được sử dụng trong mô phỏng máy tính phi đồ
9 họa và tính toán. Đồ hoạ 3D đang được nghiên cứu ứng dụng trong mọi lĩnh vực một cách mạnh mẽ hiện nay là: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch, địa ốc... và đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu - Giáo dục - Thương mại - dịch vụ. Bên cạnh các ứng dụng truyền thống ở trên, cũng có một số ứng dụng mới nổi lên trong thời gian gần đây của đồ hoạ 3D như: đồ hoạ 3D ứng dụng trong sản suất, trong ngành rôbốt, trong hiển thị thông tin (thăm dò dầu mỏ, hiển thị thông tin khối, …) đồ hoạ 3D có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn. Có thể nói: Mọi lĩnh vực “có thật” trong cuộc sống đều có thể ứng dụng “thực tế ảo” để nghiên cứu và phát triển hoàn thiện hơn. Một lĩnh vực đầy hứa hẹn là việc sử dụng trưng bày ảo 3D trong giáo dục - giải trí, cụm từ này đang được sử dụng rộng rãi, nó thể hiện cho một nền giáo dục hiện đại không theo khuôn phép truyền thống, điều đó có nghĩa là vừa có thể học và vừa có thể giải trí trong khi học sinh đang tham gia một kịch bản nhập vai nào đó hoặc có thể tham gia một trò chơi... trên thực tế tương tác nhập vai có thể nắm bắt được sự chú ý của người sử dụng hệ thống, cùng một lúc có thể cung cấp nhiều thông tin không giống như phương pháp trước đây khi sử dụng hệ thống không phải là đa phương tiện. Ngoài ra, trưng bày ảo 3D là một cách thể hiện rất hiện đại của sự tương tác giữa người dùng và máy tính nó không dừng lại ở việc người dùng chỉ sử dụng máy tính với những mục đích cho công việc, mà nó còn mở ra vô vàn những thứ hấp dẫn khác với người sử dụng hệ thống mà người dùng như đang hóa thân thành nhân vật được khám phá nhiều nơi mà mình chưa biết. Hầu hết các trưng bày, trình diễn từ ảnh tĩnh đến các video hoạt hình đều biểu diễn trong không gian 3D, do vậy việc nghiên cứu các kỹ thuật thể hiện hình ảnh 3D ngày càng được phát triển rộng rãi. Việc thể hiện 3D với các tác động của ánh sáng nâng cao hiệu quả thị giác làm cho việc quan sát vật thể rõ hơn tăng cường, nhấn mạnh những phần trọng tâm của vật thể theo mong muốn của người quan sát. Do vậy, việc nghiên cứu tổng quan để đưa ra những vấn đề cần phát triển là cần thiết là mục tiêu đề tài cần đạt được. + Ứng dụng chiếu sáng toàn cục và chiếu sáng cục bộ trong trưng bày ảo - Trong các ứng dụng trưng bày ảo, chúng ta có thể chia thành hai phần độc lập một là không gian trưng bày là nơi mà ta sẽ đặt các hiện vật ảo vào
10 đó, hai là các hiện vật được trưng bày. Không gian trưng bày thường là các phòng cố định, các bố trí chiếu sáng trong không gian này cũng thường cố định do đó chúng ta có thể ứng dụng kỹ thuật chiếu sáng toàn cục để tạo trước bản đồ chiếu sáng cho toàn bộ không gian và trong quá trình kết xuất ảnh của không gian chúng ta sẽ sử dụng trực tiếp bản đồ chiếu sáng này để tính ánh sáng cho từng điểm trong không gian. Các hiện vật ảo được đặt vào các vị trí cho trước trong không gian trưng bày, tại mỗi vị trí ta có thể các hiện vật có thể thay đổi các hiện vật để tạo ra sự sinh động cho không gian, mỗi hiện vật được chiếu sáng để làm nổi bật nó trong không gian do đó chúng ta có thể sử dụng kỹ thuật chiếu sáng cục bộ để chiếu sáng cho từng hiện vật. Với tư tưởng như vậy chúng tôi tiến hành cài đặt và áp dụng nó vào việc trưng bày các hiện vật trong bảo tàng và dưới đây là một số hình ảnh minh họa cho kết quả thực nghiệm. Hình 1.1. Một hình ảnh kết quả thực nghiệm 1.3. Vai trò của việc mô phỏng không gian 3D Từ trước tới nay ,các dự án mô phỏng thường hay tập trung vào 2D đơn giản, từ các hình ảnh 2D, video 2D đã xây dựng, có thể triển khai qua các kênh truyền thống để tạo ra một một hệ thống mô phỏng để mọi người có thể xem, thực hành như trên máy tính, trên nền tảng webstie, hay trên các hệ thống máy chiếu, phong lab chuyên dụng tùy thuộc từng nội dung.
11 Sự hạn chế của công nghệ 2D trở thành 1 rào cản cho sự phát triển, nó không phát huy được hết các ưu điểm của các hệ thống mô phỏng. Công nghệ Mô phỏng 3D là bước tiến tiếp theo, về thực tế công nghệ 3D đã hầu như khắc phục đượ các yếu điểm của công nghệ mô phỏng 2D như : các điểm khuất, góc khuất khi mô phỏng lại các vật thể, máy móc,không gian. Với Công nghệ 3D, các mô phỏng, góc nhìn, tương tác không còn bị hạn chế nữa. Mọi thứ có thể biểu diễn trong không gian 3 chiều và xử lý hầu như dưới mọi góc độ vị trí . Từ các mô hình, không gian 3D ta có thể triển khai sản phẩm dưới video 3D, hoặc trực tiếp trên môi trường 3D của nó. Sự kết hợp giữa không gian 3D và công nghệ thực tế ảo đã tao nên sự khác biệt đôt phá cho các dự án mô phỏng thực tế ảo 3D về mặt thực hành, tương tác, thao tác mà các hệ thống 2D không làm được. 1.4. Mô hình hóa mô hình 3D Để cài đặt lập trình cho mô phỏng một vật thể nói chung và vật thể 3D, chúng ta cần phân tích các hướng chiếu của ánh sáng, xây dựng hệ tọa độ để làm cơ sở tính toán các kích thước, vị trí tương ứng của vật, bóng và môi trường xung quanh. Điều này còn cần xác định một đặc tính khác đó là tương tác thời gian thực. Thời gian thực ở đây có nghĩa là người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình như trong tự nhiên ví dụ một chiếc lá rơi trong không gian khác với một viên đá rơi…Ở trình độ cao, người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D nổi, điều khiển (xoay, di chuyển,..) được đối tượng trên màn hình (như trong game), mà còn có thể sờ và cảm thấy chúng như có thật. Sử dụng các kỹ thuật mô hình hoá không gian ba chiều với sự hỗ trợ của các thiết bị đa phương tiện hiện đại để xây dựng một thế giới mô phỏng bằng máy tính, ta cần có các mô đun tính toán tỉ mỉ chi tiết các thông số, sự biến thiên trong thời gian thực từ đó mới đưa kết quả tính toán vào công cụ vẽ để tạo hình.
12 1.4.1. Hệ trục tọa độ Tọa độ: Trong không gian 3D, phạm vi nhỏ nhất có thể (chiếm chỗ) là điểm. Mỗi điểm được xác định bằng một bộ duy nhất gồm ba thông số, gọi là tọa độ. Ví dụ, tọa độ 0, 0, 0 xác định tâm điểm của không gian 3D, cũng còn gọi là gốc tọa độ. Mỗi điểm trong không gian máy tính có ba giá trị tọa độ, đại diện cho vị trí tại chiều cao, chiều rộng, chiều sâu của điểm đó. Như vậy mỗi tọa độ đại diện cho một trục riêng trong không gian máy tính. Trục tọa độ: Trục là một đường thẳng tưởng tượng trong không gian máy tính nhằm xác định một hướng. Ba trục chuẩn trong MAX gọi là trục X, Y, và Z (xem hình). Trong MAX bạn có thể xem như trục X là chiều rộng, trục Y là chiều dài, và trục Z là chiều cao. Giao điểm của ba trục này trong MAX là gốc tọa độ (0, 0, 0). Nếu bạn vẽ một điểm cách xa môt đơn vị dọc theo phía bên phải của trục X, điểm đó sẽ là 1, 0, 0 (một đơn vị có thể là đơn vị bất kỳ nào bạn muốn – như là một foot, một inch, một milimet, hoặc một centimet). Nếu bạn dịch chuyển điểm đó thêm một đơn vị nữa về cùng một hướng, tọa độ của nó sẽ là 2, 0, 0 và v. v… Nếu bạn đi về phía trái của gốc tọa độ, điểm đầu tiên sẽ là –1, 0, 0, điểm tiếp theo sẽ là (–2, 0, 0) v. v… Tương tự như vậy cho các trục khác, khi bạn di chuyển lên phía trên của trục Y, toạ độ mang giá trị dương, ngược lại là giá trị âm… Hình 1.2. Hệ trục tọa độ Trục Trục là một đường thẳng tưởng tượng trong không gian 3D nhằm xác định một hướng. Ba trục chuẩn dùng trong MAX được gọi là X, Y, và Z. . Khi bạn xoay một đối tượng, ba yếu tố ảnh hưởng đến kết quả là: - Hệ tọa độ hiện hành (World, View, Local hay Screen...)
13 - Vị trí của điểm làm tâm xoay (còn gọi là điểm chốt_Pivot Point) - Trục nào được chọn để xoay đối tượng quanh nó. Điều này cũng đúng khi sử dụng các lệnh thu phóng không đồng nhất, và lệnh nén… Các phép biến đổi (Tranform) dựa vào các trục (Axis) và vùng nhìn (Viewport). Đây là một vấn đề cơ bản rất quan trọng trong MAX, hầu hết các phép biến đổi như di chuyển (move), xoay (rotate), và thu phóng (scale) đều sử dụng hệ tọa độ vùng nhìn (View Coordinate) như hệ tọa độ mặc định của chúng. Với hệ tọa độ view này các trục được thể hiện tại các vùng nhìn phẳng (Top, Front, Left…) theo cách như sau: trục X_ngang, trục Y_dọc, và trục Z thì vuông góc với hai trục XY, đây chính là hệ trục tọa độ Screen trong MAX. Tại vùng nhìn phối cảnh (Perspective), hệ tọa độ lại thể hiện trục X chiều ngang, trục Y chiều sâu (chiều dài), và trục Z là dọc (chiều cao), đây là hệ toạ độ thế giới World trong MAX. Tại các vùng nhìn phẳng bạn có thể di chuyển đối tượng theo hai trục X, hoặc Y, nhưng trục Z thì không (điều này hay gây bối rối cho các bạn mới làm quen với MAX, vì không hiểu sao với công cụ di chuyển, mà lại không xê dịch được đối tượng! một giải thích đơn giản ở đây, là với hệ tọa độ view thì đối tượng tại các vùng nhìn phẳng không thể di chuyển theo trục Z được, bởi vì bạn không thể lôi đối tượng ra khỏi màn hình vi tính! Trục Z vuông góc với hai trục X, Y và hướng ra trước mặt bạn!… trong khi tại vùng phối cảnh perfective thì không gặp trở ngại gì với cả ba trục…)[22, 23] 1.4.2. Kỹ thuật hiển thị mô hình Bump Mapping. Bên cạnh các kỹ thuật hiển thị truyền thống như chọn lọc có loại bỏ và thay thế ảnh 3D bằng ảnh 3D phần mềm mô phỏng còn sử dụng kỹ thuật hiển thị mới đó là bump mapping [1,2] Bump mapping là một kỹ thuật đồ họa máy tính, trong đó một sự nhiễu loạn tới pháp tuyến bề mặt của đối tượng đang được biểu diễn được tìm kiếm trong một ánh xạ texture tại mỗi điểm ảnh và áp dụng trước khi việc tính toán sự chiếu sáng được thực hiện (hãy xem, chẳng hạn như Phong shading). Kết
14 quả thì phong phú hơn, sự mô tả bề mặt được chi tiết hơn giống với chi tiết vốn có trong tự nhiên hơn. Ánh xạ pháp tuyến và ánh xạ thị sai là các cách phổ biến nhất được sử dụng để thực hiện bump, sử dụng các kỹ thuật mới mà tạo ra bump mapping bằng cách sử dụng thang màu xám cũ kỹ. Bump mapping là một kỹ thuật đồ họa máy tính để tạo một bề mặt được biểu diễn nhìn thực tế hơn bằng cách mô hình hóa một texture bề mặt mấp mô cùng với các nguồn sáng trong môi trường. Ánh xạ bề mặt mấp mô làm điều này bằng cách thay đổi độ sáng của điểm ảnh trên bề mặt phản ứng lại với một ảnh raster heightmap được xác định cụ thể cho mỗi mặt. Hình 1.3. Bề mặt đá tại nhà thờ đá Phát Diệm Khi biểu diễn một cảnh 3D, ánh sáng và màu sắc của các điểm ảnh được xác định bởi sự tương tác của một mô hình 3D cùng với ánh sáng trong cảnh [3,4]. Sau khi nó được xác định là một đối tượng có thể nhìn thấy, lượng giác học được sử dụng để tính toán pháp tuyến bề mặt hình học của đối tượng, được định nghĩa như một vector tại mỗi vị trí điểm ảnh trên đối tượng.Ví dụ, ánh xạ tẩm phủ tạo gạch cho hình ảnh 3D một bức tường đang rung chuyển (chỗ ánh xạ rung động cung cấpnhững ám hiệu ánh sáng và bóng tốt để làm viên gạch nhìn có vẻ như 3D hơn) có thể được mô tả như một sự kết hợp của một kết cấu căn hộ màu đỏ, hai hoặc ba trạng thái vẽ của va chạm ánh xạ (việc vẽ ánh sáng và bóng), ánh xạ ánh sáng cho các bóng toàn cục và có thể ánh xạ hiệu ứng chiếu sáng lóng lánh nếu đối tượng được gắn kính hoặc những mẩu kim loại nhỏ.