Kỹ thuật mô phỏng đối tượng dạng sợi và ứng dụng mô phỏng tóc trong thực tại ảo

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.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 81 trang tài liệu này.

+ 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.

- 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.

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

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.

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,

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

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

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