Từ Trái Sang Phải Là Các Thao Tác Dịch Chuyển, Xoay, Co Giãn, Ứng Với Mỗi Trục

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

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.

Hình 1.4. Khung dựng của một quả bóng, được tạo ra sau bước tạo

mô hình

Hình 1.5. Quả bóng sau khi đã qua bước thể hiện

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 81 trang tài liệu này.

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

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

chương trình học tập, huấn luyện, đào tạo, tính năng kỹ chiến thuật của các trang thiết bị và khả năng của chúng trong các hoạt động tác chiến trên chiến trường, các hoạt động của chiến sỹ các quân binh chủng khác nhau trên chiến trường, các hoạt động tác chiến của các đơn vị trên chiến trường trong các điều kiện thời tiến, khí hậu, địa hình v.v…) để xác định và hiểu rõ những nhân tố điều khiển hệ thống, hay dự đoán/dự báo hành vi hoạt động của hệ thống trong tương lai. Phần lớn các hệ thống đều được mô tả định tính, định lượng dựa trên cơ sở của những thuật toán ngẫu nhiên, được lập trình theo những nguyên tắc giảng dạy, học tập, huấn luyện, diễn tập được mô phỏng.

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 2D & 3D như Mô phỏngvề 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 là một công cụ hiệu quả và quan trọng bởi nó giúp người sử dụng các phương thức các thiết kế lựa chọn (hoặc kế hoạch tác chiến, phương án sử dụng lực lượng, đồng thời có thể lựa chọn đến tối ưu hóa các giải pháp đề ra, phát huy cao nhất năng lực cán bộ chiến sỹ) đánh giá chính xác kế quả mà không cần phải thực nghiệm trên hệ thống thực (điều này có thể tiêu tốn nhiều kinh phí, thời gian, nguy hiểm và tốn nhiều thời gian cho công tác chuẩn bị). Nó cho phép người cán bộ, chiến sỹ trả lời câu hỏi "Điều gì sẽ xảy ra nếu…?” về một quyết định mà không cần trải nghiệm thật sự trên chính kết quả của quyết định đó.

1.2.2.2. Công nghệ mô phỏng

Công nghệ mô phỏng không phải là công nghệ đòi hỏi những thiết bị rất hiện đại. Thông thường khi đào tạo, huấn luyện trong điều kiện thực tế, chúng ta đã sử dụng nhiều mô hình mô phỏng, như các khí cụ, phương tiện huấn luyện như các mô hình cắt bộ là những công cụ mô phỏng đơn giản đầu tiên giúp người chiến sỹ, học viên hiểu được tính năng, cấu tạo và thông qua lời giảng của cán bộ huấn luyện, đã hiểu được cơ bản những vấn đề cần truyền đạt.

Công nghệ mô phỏng được sử dụng thường xuyên trong các lĩnh vực khác nhau như: các hoạt động diễn tập, huấn luyện tác chiến cấp phân đội, từ tổ 3 người đến cấp tiểu đội, trung đội và các cấp cao hơn thông qua sa bàn, được đắp nổi, bản đồ chiến thuật, đồng thời các hoạt động diễn tập của ban chỉ huy các đơn vị được diễn ra trên các sa bàn, sơ đồ, bản đồ mô phỏng này.

Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ quân sự, với sự ra đời rộng rãi của các loại vũ khí hiện đại đã đưa đến các phương thức tác chiến hiện đại, các mô hình chiến tranh trong tương lai càng ngày càng trở lên phức tạp hơn. Không gian chiến trường đã chiều, đa hướng công kích với rất nhiều mũi tấn công tàng hình, bí mật, bất ngờ, từ trên vũ trụ, trên không, trên mặt đất, trên đại dương và dưới đại dương với sức công phá rất lớn, độ chính xác cao và có tính hủy diệt mục tiêu rất nghiêm trọng.

Đứng trước những biến đổi vô cùng phức tạp của chiến tranh hiện đại, ngoài nhiệm vụ từng bước hiện đại hóa các lực lượng vũ trang theo yêu cầu nhiệm vụ, người học viên nghiên cứu công tác quốc phòng cần hiểu biết sâu, rộng và rất kỹ các phương tiện chiến tranh của các nước có nền công nghiệp quân sự hiện đại, nắm chắc các loại vũ khí trang thiết bị có trong biên chế, cần có kiến thức sâu rộng, hiểu rõ ta và địch, khả năng của từng loại vũ khí trang bị có thể sử dụng trên chiến trường, có trình độ kỹ chiến thuật cao để có thể sử dụng các loại vũ khí thông thường, hiện có trong biên chế để đánh thắng vũ khí công nghệ cao, có khả năng chỉ huy và điều khiển các hoạt động tác chiến chính xác trong môi trường chiến tranh hiện đại. Để thực hiện những yêu cầu nói trên, các nước có nền công nghiệp quân sự hiện đại đã đưa công nghệ mô phỏng 3D như một công nghệ ứng dụng trong điều khiển chiến trường. Với những nước có nền công nghiệp phát triển, đã từng bước ứng dụng công nghệ mô phỏng vào các hoạt động huấn luyện, giảng dạy và đào tạo, từng bước đưa công nghệ mô phỏng 3D vào thực tế nhiệm vụ bảo vệ Tổ quốc.

Công nghệ mô phỏng 2D 3D ( 2D-3D simulation) có sự phát triển đặc thù, hoàn toàn không giống như sự phát triển của các ngành công nghệ ứng dụng khác

như công nghệ phần mềm hoặc khai thác sử dụng công nghệ hiện đại nhập khẩu của nước ngoài, giống như sự phát triển của xã hội, công nghệ mô phỏng 3D phải phù hợp với thực tế tình hình công tác quốc phòng và quân sự của một môi trường kinh tế. Có thể nói, phát triển công nghệ mô phỏng 3D phải phù hợp với thực tế biên chế vũ khí trang bị, trình độ khoa học công nghệ của đất nước, mặt bằng tri thức của xã hội.

Chính vì vậy, phát triển công nghệ mô phỏng 3D thường bắt đầu từ việc mô hình hóa các đối tượng thực trong gian đoạn ngày nay.

1.3. Khái quát về đối tượng dạng sợi và mô phỏng

1.3.1. Khái quát về đối tượng dạng sợi

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, có đối tượng dạng khối, sợi,... Trong bài báo này, nhóm tác giả tập trung vào nghiên cứu đề xuất kỹ thuật nâng hiệu quả mô phỏng đối tượng dạng sợi như: tóc, lưới, vải,...

Trong thực tế, tùy thuộc vào từng đối tượng hay ứng dụng 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. Bài báo này tập trung vào nghiên cứu mô phỏng đối tượng dạng sợi ở mức tinh có sử dụng mô hình toán học.

Đối tượng dạng sợi thường là đối tượng động như tóc, lưới, vải,... Vì vậy, để mô phỏng được những đối tượng dạng này thì chúng ta bắt buộc 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) được sử dụng phổ biến hơn. Vì các đối tượng dạng sợi như lưới, tóc hay 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; Noble và cộng sự; Anna Sokol sử dụng NURBS tổng quát để mô phỏng sợi tóc và những tương tác, chuyển động của tóc.

Hình 1.6. Mô phỏng sợi tóc theo Anna Sokol

Các nhóm tác giả House and Breen [7], Baraff and Witkin [6], Fan and Zhu

[8] sử dụng mô hình NURBS tổng quát để mô phỏng các sợi và mảnh vải, những tương tác của vải.