Kỹ Thuật Mô Phỏng Đối Tượng Dạng Ảnh Dựa Vào Texture Mapping

Hình 1.7. Mô phỏng sợi, mảnh vải

Như vậy, NURBS tổng quát có thể được sử dụng tốt để mô hình hóa và mô phỏng những đối tượng có dạng sợi, mảnh và có tính chất cục bộ, không đều.

Tuy nhiên, một trong những vấn đề vẫn luôn luôn được đặt ra cho những nhà khoa học và nhà nghiên cứu phát triển lên các công cụ 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.

Trong báo cáo luận văn thạc sỹ, tác giả tập trung vào mô phỏng thử nghiệm đối với đối tượng dạng sợi, mảnh là những sợi tóc, mái tóc,...

1.3.2. Vai trò của mô phỏng tóc trong thực tại ảo

Mái tóc đẹp là niềm tự hào của mọi người, đặc biệt là đối với phụ nữ. Ông bà ta đã có câu "Cái răng, cái tóc là góc con người", chứng tỏ tầm quan trọng của tóc không phải nhỏ. Mái tóc cũng là một trong những yếu tố quyết định dáng vẻ của mỗi người. Chúng ta có thể nhận ra bạn bè, người thân qua kiểu dáng cũng như các đặc điểm của tóc. Mái tóc đẹp làm ta trở nên duyên dáng hơn. Với đà tiến bộ của xã hội ngày nay, nhiều người còn cho rằng một mái tóc đẹp sẽ giúp chúng ta dễ thành công hơn trong nghề nghiệp.

Thông thường mái tóc của chúng ta có khoảng trên 100 nghìn sợi. Đôi khi dựa vào tóc chúng ta có thể phân biệt được đó là đàn ông hay đàn bà, chủng tộc của

người đó là người gì, thậm chí nhìn vào kiểu dáng tóc của người nào đó ta có thể đoán được tính cách của người đó…

Với những ứng dụng của thực tại ảo thì việc thiết kế ra mô hình tóc càng trở nên quan trọng góp phần vào việc mô phỏng thế giới thực qua môi trường ảo. Không những thế nó là một điểm nhấn cho sự phát triển của các ngành công nghệ cao đó là kỹ xảo điện ảnh và game online... Từ các mô hình tóc được thiết kế nhà sản xuất sẽ tạo ra các nhân vật với các sắc thái và tính cách phù hợp với nó. Bên cạnh đó, việc tạo ra được mô hình tóc cũng đóng góp phần quan trọng trong an ninh phòng chống tội phạm, bằng cách xây dựng lại khuôn mặt của tội phạm qua sự mô tả của nhân chứng, như vậy sẽ giúp quá trình điều tra được nhanh chóng. Ngoài ra, sự thiết kế thành công mô hình tóc sẽ kéo theo việc phát triển thiết kế mô hình lông dựa trên nền tảng cơ sở mô hình tóc, từ đó sẽ mở rộng được cách thức biểu diễn và mô phỏng đối tượng trong thế giới thực.

Không những thế, việc tạo ra các mô hình tóc với các mẫu, kiểu, dáng, màu sắc…khác nhau sẽ ảnh hưởng rất lớn tới quá trình làm các hiệu ứng tương tác của chúng sau này. Điều này rất quan trọng khi ta phối cảnh trong một không gian mà có các tác nhân tương tác như gió, nước, lực hấp dẫn, trọng lực,… Công việc mô phỏng tóc là một công việc yêu cầu nhiều thời gian và công sức, trí tuệ chứ không phải chuyện ngày một ngày hai là có thể giải quyết ngay.

Ngoài ra, một vấn đề không thể thiếu trong hệ thống mô phỏng tóc trên con người ảo là hiệu ứng tóc. Hiệu ứng tóc tạo ra cảm giác thật, lôi cuốn cho hệ vốn không phải là những hình ảnh thật, nó tạo ra sự hài hoà, nhẹ nhàng cho những chuyển động của đối tượng. Việc thể hiện thành công hiệu ứng tóc trên mỗi đối tượng sẽ cho phép ta đi sâu vào thế giới ảo để tạo ra những giá trị thực cho cuộc sống con người. Như vậy, chất liệu tóc có một vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống mô phỏng con người ảo.

1.3.3. Mô phỏng tóc

Kỹ thuật mô hình hoá và điều khiển các mô hình đối tượng đã và đang đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như khoa học, công nghệ, sản xuất và an

ninh quốc phòng. Trong điều khiển các mô hình đối tượng, việc xây dựng mô hình toán học sát với mô hình thực là vấn đề được quan tâm hàng đầu của các chuyên gia. Việc nghiên cứu và mô hình hoá các mô hình phục vụ cho mô phỏng có xét đến các yếu tố chất liệu của các đối tượng tham gia là một trong các hướng nghiên cứu đang được quan tâm nhiều trong lĩnh vực thực tại ảo.

Do bài toán mô phỏng có xét đến yếu tố chất liệu của các đối tượng tham gia, mà chất liệu có nhiều loại khác nhau như gỗ, nước, vải, kim loại, lông, tóc,... Luận án này tập trung nghiên cứu mô phỏng về một loại chất liệu cụ thể, đó là tóc nhằm hỗ trợ trong hệ thống mô phỏng con người ảo.

Tóc là một trong những thành phần quan trọng, không thể thiếu đối với nhiều đối tượng như: con người, động vật,... Tóc cũng là lĩnh vực có nhiều nghiên cứu đã và đang đưa vào ứng dụng một cách hiệu quả bởi vì tóc gắn liền với nhiều đối tượng trong cuộc sống. Ngoài ra, việc mô phỏng tóc còn làm cơ sở cho mô phỏng lông, vì lông gắn liền với nhiều động vật khác nhau. Như vậy, có thể nói, tóc được ứng dụng mô phỏng trên nhiều đối tượng khác nhau.

Trong mô phỏng con người ảo, tóc có một vai trò quan trọng, là nền tảng cơ bản, góp phần vào việc tạo ra và mô phỏng những con người ảo. Mặt khác, tóc là đối tượng phức tạp với số lượng lớn, nhiều kiểu dáng, hình dạng, màu sắc và tương tác giữa tóc với tóc, giữa tóc với các đối tượng khác,... Nên trong quá trình mô phỏng tóc, cần phải dựa trên những đặc trưng về cấu trúc, kiểu dáng,... của tóc nhằm mô phỏng tính chân thực của tóc. Tuy nhiên, để đưa ra được một cấu trúc tóc, sự xuất hiện và chuyển động trực quan còn mở ra nhiều thách thức.

Hai khâu quan trọng trong mô phỏng tóc trên hệ thống con người ảo là mô hình hoá và điều khiển các mô hình tóc nhằm mô phỏng tính chân thực của mô hình tóc ảo so với mô hình tóc thực tế.

- Trong khâu mô hình hoá tóc: Bao gồm việc mô hình hoá tóc dưới dạng ảnh tóc, sợi và bó tóc,… Đồng thời, khâu này còn bao gồm cả việc tạo hình dạng của tóc, kết hợp các cấu trúc hình học của tóc và xác định mật độ, phân bố và định hướng của tóc nhằm thiết kế kiểu dáng tóc hợp lý.

- Trong khâu điều khiển mô hình tóc: Bao gồm việc mô phỏng chuyển động của tóc dưới dạng sợi, bó tóc và sự xuất hiện chi tiết của tóc. Bên cạnh đó, khâu này còn bao gồm cả việc mô phỏng phát hiện và điều khiển va chạm giữa tóc và các đối tượng khác như đầu hoặc cơ thể, cũng như mô phỏng tương tác lẫn nhau giữa tóc với tóc,… Ngoài ra, khâu này còn gồm việc mô phỏng tóc chuyển động theo thời gian thực, đặc biệt là mô phỏng thể hiện kết cấu, màu sắc, độ bóng, kiểu dáng tóc (styles) và những đặc trưng của tóc như xoáy tóc.

Trong mô phỏng tóc, chúng ta cần phải nghiên cứu về mô hình, kết cấu tóc mà bắt đầu từ việc quan sát từng sợi tóc riêng lẻ hay những đường cong một chiều trong không gian 3 chiều. Trên nền tảng đó, nghiên cứu cách tiếp cận để các sợi tóc có thể liên kết lại thành một bó tóc, từ đó mô phỏng một mái tóc đầy đủ.

Mặt khác, trong quá trình mô phỏng, tuỳ thuộc đặc điểm của mỗi kiểu tóc đối với từng ứng dụng mà có thể sử dụng những phương pháp mô hình hoá, mô phỏng khác nhau. Chẳng hạn, với những ứng dụng trong phẫu thuật thẩm mỹ thì cần phải mô hình hoá được tóc dựa vào các tính chất hoá học và vật lý chính xác của tóc để thử nghiệm và phát triển sản phẩm. Trong công nghiệp giải trí với đặc trưng hình ảnh thì mô hình hoá tóc đúng về mặt vật lý.

Như vậy, mục tiêu nghiên cứu mô phỏng tóc là tập trung mô phỏng cấu trúc, hình thái của tóc, điều khiển các hình dạng, sự chuyển động và những thuộc tính của tóc sao cho gần với thực tế nhất.

1.3. Kết luận và vấn đề nghiên cứu

Chương này đã trình bày tổng quan về nghiên cứu mô phỏng khái quát các đối tượng dạng sợi, mảnh trong thực tại ảo, cụ thể:

- Nghiên cứu 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

2.1. Kỹ thuật mô phỏng đối tượng dạng ảnh dựa vào Texture mapping

2.1.1. Giới thiệu

Trong mô phỏng đối tượng dạng sợi chẳng hạn như tóc, một trong những hướng tiếp cận được sử dụng phổ biến là theo hướng tiếp cận mô phỏng đối tượng dưới dạng khối, tức là cho phép mô phỏng dưới dạng ảnh 2D, rồi ánh xạ sang mô hình 3D (Koh và Huang [9,10]; Gibbs[11]; Ward và Kim[12], Bando và cộng sự[13]). Tuy nhiên, cách này gây ra những biến dạng, tạo ra những chỗ lồi lõm và ảnh hưởng đến quá trình ánh xạ, vì trường hợp mô hình 3D có khi là mô hình mặt cong.

Để giảm độ cong, khắc phục sự biến dạng và những chỗ lồi lõm khi thực hiện việc ánh xạ từ ảnh 2D sang mô hình 3D, người ta đã chia mô hình 3D thành các vùng khác nhau như: Lee và cộng sự [14] chia mô hình da đầu thành 10 vùng, Kim và Neumann[15] chia mô hình da đầu thành 4 vùng trong khi Liang và Huang[16] lại chia mô hình da đầu thành 3 vùng.

Trong phần này, luận văn đề xuất một kỹ thuật mô phỏng đối tượng dạng sợi như tóc,... dưới dạng ảnh dựa vào phân chia mô hình 3D thành các vùng tương ứng. Việc mô phỏng sẽ được thể hiện thông qua việc ánh xạ các ảnh 2D lên các vùng 3D tương ứng. Kỹ thuật đề xuất này nhằm giảm bớt độ cong của mô hình 3D, thuận lợi cho việc ánh xạ các ảnh lên các vùng 3D tương ứng và linh hoạt trong việc mô phỏng nhiều kiểu sợi (tóc) khác nhau.

Trong luận văn này, sử dụng mô hình 3D là mô hình da đầu như sau:

Hình 2.1. Phân chia mô hình da đầu 3D thành 6 vùng

2.1.3. Ánh xạ các ảnh sợi 2D lên các vùng của mô hình 3D tương ứng

Trong trường hợp này, báo cáo sử dựng mô hình sợi là sợi tóc, đối tượng mô hình da đầu 3D để thể hiện cho thuận tiện.

Để thực hiện việc ánh xạ các ảnh sợi 2D lên các vùng mô hình 3D tương ứng, ta sẽ chuẩn bị 6 ảnh sợi (tóc) 2D có kích thước phù hợp, tương ứng với từng vùng da đầu. Các bức ảnh tóc này thể hiện kiểu tóc mà ta muốn thể hiện cho những nhân vật cần mô tả. Hình 2.2 là minh họa cho ảnh tóc tương ứng với vùng lưới da đầu của nam giới.

3 1

6 4

3 1

a) 6 ảnh che phủ 2D

b) 6 vùng da đầu