Môi Trường Và Ngôn Ngữ Lập Trình Cho Đồ Họa 3D

Hình 1.8: Thiết bị mô phỏng SENSORAMA

Năm 1961 những kĩ sư của công ty Philco đã phát triển một chiếc mũ đội hiển thị (Head mounted display – HMD). Nó bao gồm một màn ảnh và hệ thống theo dõi video đã được những kĩ sư liên kết tới một hệ thống camera. HMD được sử dụng trong những tình huống nguy hiểm của quân sự, hỗ trợ cho các phi công trong môi trường thiếu ánh sáng.

Năm 1965, một nhà khoa học máy tính tên là Ivan Sutherland hình dung ra một điều mà ông gọi là "Ultimate Display". Khi sử dụng hiển thị này, một người có thể thấy một thế giới ảo hiện ra như thế giới vật lý thật.Điều này đã định hướng toàn bộ tầm nhìn về VR. Khái niệm của Suntherland bao gồm:

Một thế giới giới ảo mà ta có thể quan sát thông qua một HMD

Một máy tính để duy trì các mô hình trong thời gian thực

Các khả năng cho người sử dụng để thao tác những đối tượng thực tế một cách trực quan nhất.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 81 trang tài liệu này.

Hình 1.9 Jaron Lanier người đưa ra thuật ngữ VR

1.2. Môi trường và ngôn ngữ lập trình cho đồ họa 3D

1.2.1. Mô phỏng không gian 3D

Với phát triển mạnh mẽ của công nghệ mô phỏng, người sử dụng hoàn toàn có thể xây dựng lại môi trường làm việc gần tương đương với thực tế để nhìn xem ứng xử của vật liệu hoặc sản phẩm mình thiết kế trong môi trường tính toán ảo trên máy tính. Nền tảng của công nghệ này là phương pháp phần tử hữu hạn và thể tích hữu hạn.

Có 3 bước cơ bản để xây dựng tính toán mô phỏng: Tiền xử lý(Pre Pro cessing), Tính toán(Processing), xuất kết quả (Post Processing)

Tiền xử lý (Pre Processing): Nhập vào máy tính các thông số của bài toán: mô hình CAD 3D, vật liệu, môi trường vật lý, chia lưới..

Tính toán(Processing): Khi các thông số đầy đủ, các phần phềm CAD

– CAE sẽ thực hiện các giải thuật để quy bài toán mô hình về hệ phương trình vi phân để giải và xuất kết quả.

Xuất kết quả(Post Processing): Các kết quả thường được lưu trên máy tính với các thông tin về: trường chuyển vị, trường ứng xuất, hình ảnh chuyển động của mô hình,..

1.2.2. Mô hình hóa mô hình 3D

Khi thiết kế một sản phẩm thao tác dựng mô hình 3D là bước đầu tiên và quan trọng nhất.Hiện nay có rất nhiều phần mềm thiết kế được sử dụng rộng rãi, mỗi phần mềm đều có những điểm hay và thú vị riêng. Nhìn chung lại hầu hết đều có chung một kỹ thuật vẽ khá giống nhau. Một vật thể bất kỳ được xây dựng dựa trên: điểm, đường thẳng, mặt phẳng và cuối cùng là dùng các phép dựng hình 3D để tạo nên vật thể. Sau khi có một mô hình 3D thì công việc tiếp theo là tinh chỉnh sao cho sản phẩm đạt yêu cầu nhất.

Một vật thể 3D bất kỳ là sự tổ hợp của các phép dựng hình được xây dựng sẵn trong các chương trình vẽ 3D. Mặc dù với tên gọi mỗi chức năng ở mỗi phần mềm có thể khác nhau đôi chút nhưng đều có các chức năng cơ bản như sau:

Kỹ thuật dựng hình dựa trên hình phẳng cơ sở kết hợp với phép tịnh tiến theo đường thẳng( Extruded): với một hình phẳng 2D được vẽ bất kỳ sau khi tịnh tiến tạo một khối 3D.

Kỹ thuật tạo vật thể bằng cách quay mặt cơ sở theo một trục cố định (Revolved): tạo mặt cơ sở với biên khép kính bất kỳ, sau đó vẽ trục làm tâm quay để tạo vật thể

Kỹ thuật dựng hình dựa trên hình phẳng cơ sở kết hợp với phép tịnh tiến theo đường cong bất kỳ ( swept): với một hình phẳng 2D được vẽ bất kỳ sau khi tịnh tiến cong tạo một khối 3D.

Kỹ thuật dựng hình dựa trên nhiều mặt phẳng cơ sở (lofted): tạo 2 hay nhiều mặt phẳng song song trên mỗi mặt tạo biên kính riêng, tạo mặt phẳng xây dựng từ các mặt phẳng trên.

Nếu như các kỹ thuật Extruded/ Revolved/ Swept.. tạo thể tích cho vật thể thì các chức năng Extruded Cut / Revolved Cut / Swept Cut giúp chúng ta làm rỗng phần thể tích được thao tác:

Để tạo thẩm mỹ cho sản phẩm cũng như an toàn cho người dùng hầu hết vật thể đều được gọt nhẵn ở các cạnh biên, có hai phương pháp vát cạnh: vát theo góc nghiêng hoặc bo tròn.

Tạo nhanh một vật thể bằng cách lấy đối xứng qua mặt phẳng (Mirror):

Như vậy, một mô hình 3D được dựng lên một cách dễ dàng bằng các phép chiếu 3D. Do đó việc xây dựng các hình phẳng 2D chính là cơ sở cho các phép chiếu. Nói cách khác để xây dựng vật thể 3D chúng ta phải dựng những đường nét cơ bản từ 2D trước sau đó mới dựng mô hình 3D. Đường nét cơ bản trong vẽ 2D gồm các chức năng vẽ: điểm, đường thẳng, đường tròn, hình chữ nhật, đường cong (Spline), lục giác, …Ngoài ra còn có các hình dạng đặc biệt khác thường dùng trong thiết kế: dạng then, chuỗi ký tự…

Sau khi phát thảo đường nét chính của vật thể, chúng ta dùng các thước đo của phần mềm để tinh chỉnh chiều dài theo ý muốn.

Để việc thiết kế được nhanh hơn, người ta còn xây dựng các chức năng cắt tỉa đường nét 2D (TRIM), việc này được thực hiện một cách khá dễ dàng với ý tưởng như hình:

Có ba cách phổ biến để thể hiện một mô hình:

Mô hình hóa đa giác - Các điểm trong không gian 3D, được gọi là các đỉnh, được kết nối bởi các đoạn đường để tạo thành một lưới đa giác. Phần lớn các mô hình 3D ngày nay được xây dựng dưới dạng mô hình đa giác có kết cấu, bởi vì chúng linh hoạt và vì máy tính có thể hiển thị chúng rất nhanh. Tuy nhiên, đa giác là mặt phẳng và chỉ có thể xấp xỉ các bề mặt cong bằng nhiều đa giác.

Mô hình đường cong - Bề mặt được xác định bởi các đường cong, bị ảnh hưởng bởi các điểm kiểm soát có trọng số. Đường cong theo sau (nhưng không nhất thiết phải nội suy) các điểm. Tăng trọng lượng cho một điểm sẽ kéo đường cong lại gần điểm đó. Các loại đường cong bao gồm B-spline hợp lý không đồng nhất (NURBS), spline, miếng vá và nguyên thủy hình học

Điêu khắc kỹ thuật số - Vẫn là một phương pháp mô hình khá mới, điêu khắc 3D đã trở nên rất phổ biến trong vài năm qua. Hiện tại có ba loại điêu khắc kỹ thuật số: Dịch chuyển, được sử dụng rộng rãi nhất trong số các ứng dụng tại thời điểm này, sử dụng mô hình dày đặc (thường được tạo bởi các bề mặt phân chia của lưới điều khiển đa giác) và lưu trữ vị trí mới cho đỉnh vị trí thông qua việc sử dụng bản đồ hình ảnh lưu trữ các vị trí được điều chỉnh. Thể tích, dựa trên voxels lỏng lẻo, có khả năng tương tự như sự dịch chuyển nhưng không bị kéo dài đa giác khi không có đủ đa giác trong một vùng để đạt được biến dạng. Tính năng động tương tự như voxel nhưng phân chia bề mặt bằng cách sử dụng tam giác để duy trì bề mặt mịn và cho phép

các chi tiết mịn hơn. Các phương pháp này cho phép khám phá rất nghệ thuật vì mô hình sẽ có một cấu trúc liên kết mới được tạo ra trên nó một khi mô hình hình thành và có thể các chi tiết đã được điêu khắc. Lưới mới thường sẽ có thông tin lưới có độ phân giải cao ban đầu được truyền vào dữ liệu dịch chuyển hoặc dữ liệu bản đồ thông thường nếu dành cho công cụ trò chơi.

1.2.3 . Bài toán mô phỏng thực tại ảo

Đồ họa máy tính là một lĩnh vực phát triển nhất trong tin học. Nó được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: điện ảnh, hoạt hình, kiến trúc và các ứng dụng xây dựng các mô hình thực tại ảo…Hiện nay đồ họa 3D đã được phát triển ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn

Bóng (Shadow) là một vùng tối nằm giữa một vùng được chiếu sáng, bóng xuất hiện khi một vật thể được chiếu sáng toàn bộ hoặc một phần, bóng là một trong những yếu tố quan trọng nhất của tri giác con người về việc nhận biết các vật thể trong thế giới 3 chiều. Bóng giúp cho ta nhận biết được vị trí tương đối của vật đổ bóng (occlude) với mặt nhận bóng (receiver), nhận biết được kích thước và dạng hình học của cả vật đổ bóng và mặt nhận bóng.

Bóng là một thuộc tính quan trọng của vật thể trong tự nhiên, nhất là khi tạo hình trong mô phỏng (video, phim hoạt hình…với các hình ảnh động), nếu mô phỏng không đúng sẽ gây hiệu ứng sai hoặc giả tạo đối với thực tiễn (độ dài bóng, hướng, sự di chuyển bóng của một vật di động).

Nhận biết được sự quan trọng của bóng, với mục đích mô phỏng được sự ảnh hưởng của các nguồn sáng tạo ra bóng của đối tượng ba chiều trên cơ sở đó mô phỏng một số hiện vật một cách trung thực trưng bày trong không gian bảo tàng. Tôi đã lựa chọn đề tài:” Mô phỏng sự tạo bóng của vật thể từ MỘT nguồn sáng trong thực tại ảo”. 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.