Mô hình hóa thông tin môi trường và ứng dụng cho các bài toán môi trường

Thông tin môi trường được mô hình hóa bao gồm: 1 thông tin về kích thước, hình dạng, chất liệu của cấu trúc vật lý trong môi trường tường, cửa ra vào, cửa sổ, cầu thang, thang máy, sàn n

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu được trích dẫn có nguồn gốc Các kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Đình Văn

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, cho tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành tới TS Đào Trung Kiên, người thầy, người anh đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và viết luận văn để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp tại Viện nghiên cứu Quốc tế MICA, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tập thể phòng môi trường cảm thụ và tương tác

đã tạo điều kiện giúp dỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và những người bạn đã động viên, chia sẻ, ủng hộ và là chỗ dựa tinh thần giúp tôi tập trung nghiên cứu và hoàn thành luận văn của mình

Nguyễn Đình Văn

MỤC LỤC

PHẦN mở đầu 1

Chương 1 Tổng Quan 4

1.1 Các khái niệm cơ bản 4

1.2 Đặt vấn đề 6

1.3 Cấu trúc luận văn 6

Chương 2 Tổng quan về các phương pháp mô hình hóa môi trường 8

2.1 Các phương pháp mô hình hóa thông tin môi trường tự động 8

2.2 Các phương pháp mô hình hóa thông tin môi trường bán tự động 10

2.3 Đánh giá và nhận xét 10

Chương 3 Xây dựng giải pháp mô hình hóa môi trường 12

3.1 Phân tích thiết kế hệ thống 12

3.2 Bước tiền xử lý thông tin môi trường 14

3.3 Xây dựng cấu trúc văn bản XML mô tả thông tin môi trường 16

3.3.1 Tại sao XML 16

3.3.2 Hướng thiết kế cấu trúc XML cho mô hình hóa môi trường 18

3.3.3 Thiết kế cụ thể cấu trúc XML mô tả thông tin môi trường 21

Chương 4 Xây dựng các mô-đun hỗ trợ và ứng dụng mô hình hóa môi trường 29 4.1 Mô-đun chuyển đổi XML sang SQL 29

4.2 Mô-đun chuyển đổi XML sang 3D 33

4.3 Ứng dụng tìm đường đi ngắn nhất trong môi trường nhiều vật cản động 35

4.4 Ứng dụng cải thiện kết quả định vị dựa trên thông tin môi trường 44

4.4.1 Trường hợp hai vị trí thuộc cùng một vùng 47

4.4.2 Trường hợp hai vị trí thuộc hai vùng khác nhau 49

Chương 5 Kết quả thử nghiệm và đánh giá 53

Kết luận 63

Tài liệu tham khảo 65

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2-1 Một ví dụ về RobotMapping sử dụng cảm biến Lỗi bị tích lũy dần theo thời gian Hình (a)thể hiện đồ thị được vẽ bởi robot so với đồ thị thực tế và (b) thể

hiện một doạn đường đi thẳng bị sai số tích lũy của robot [26] 9

Hình 3-1 Tổng quan về hệ thống mô hình hóa môi trường 13

Hình 3-2 Ví dụ về mô hình AutoCAD 2D của môi trường 15

Hình 3-3 Hệ trục tọa độ địa phương 16

Hình 3-4 Mô hình đối tượng tổng quát XML 20

Hình 3-5 Ví dụ áp dụng phép tham số hóa để thể hiện hai đối tượng tường có kích cỡ, vị trí cửa sổ và cửa ra vào khác nhau với cùng một mô tả tổng quát 21

Hình 3-6 Thiết kế tổng quan XML Schema 22

Hình 3-7 Định nghĩa XML Schema cho <point> 22

Hình 3-8: Định nghĩa XML schema cho <wall> 23

Hình 3-9 Định nghĩa XML schema cho đối tượng <door> và <window> 24

Hình 3-10 Mô tả XML schema cho các đối tượng ngữ nghĩa 25

Hình 3-11 Mô tả XML schema cho các đối tượng tĩnh 25

Hình 3-12 Định nghĩa XML schema cho thẻ tag <include> 26

Hình 4-1 Một phần của thiết kế CSDL MySQL từ Xschema 31

Hình 4-2 Quy trình chuyển đổi XML sang SQL 32

Hình 4-3 Mô hình 3D theo chuẩn COLLADA 34

Hình 4-4 Phát biểu về bài toán tìm đường đi ngắn nhất 36

Hình 4-5 Tổng quan về thuật toán tìm đường đi ngắn nhất 37

Hình 4-6 Mọi điểm trong đa giác lồi đều nhìn thấy nhau 40

Hình 4-7 vật cản đặt trên cạnh của đa giác lồi 40

Hình 4-8 Tập các lược đồ Voronoi được xây dựng từ môi trường tĩnh 42

Hình 4-9 Tập các đường đi khả thi sau khi xử lý lược đồ Voronoi 42

Hình 4-10 Ví dụ về phương pháp mở rộng biên môi trường 43

Hình 4-11 Ví dụ về sai số độ cao 44

Hình 4-12 Ví dụ về việc sử dụng ngữ nghĩa và lịch sử định vị để cải thiện kết quả định vị 46

Hình 5-1 Mô hình AutoCAD 2D 3 tầng 8, 9, 10 tòa nhà B1 – Đại học Bách Khoa Hà Nội 53

Hình 5-2 Bản vẽ kĩ thuật của tầng 2 nhà D trường Nguyễn Đình Chiểu 54

Hình 5-3 Mô hình 2D AutoCAD tầng 2, nhà D trường Nguyễn Đình Chiểu 54

Hình 5-4 Tóm tắt của văn bản XML mô tả trường Nguyễn Đình Chiểu 54

Hình 5-5 Phần mềm xây dựng 3D sử dụng OpenGL và C++ cho môi trường nhà D Nguyễn Đình Chiểu 55

Hình 5-6 tầng 2, nhà D trường Nguyễn Đình Chiểu 55

Hình 5-7 bản đồ 2D của nhà D, trường Nguyễn Đình Chiểu trên Google Map với tọa độ thật 56

Hình 5-8 Mô tả 3D sử dụng OpenGL của tòa nhà B1, ĐHBKHN 56

Hình 5-9 Mô tả 3D sử dụng ngôn ngữ COLLADA 57

Hình 5-10 Thể hiện 2D của mô hình dưới dạng đa giác 57

Hình 5-11 Visibility Map của môi trường 59

Hình 5-12 Đường đi ngắn nhất giữa hai điểm bất kì tầng 8, tòa nhà B1, DHBKHN 60

Hình 5-13 Đường đi ngắn nhất giữa hai điểm bất kì với các cửa và vật cản được cập nhật 60

Hình 5-14 Kết quả định vị trong nhà sử dụng WiFi với việc áp dụng thông tin môi trường 61 Hình 5-15 Phân bố lỗi của kết quả định vị và Độ tin cậy của các kết quả định vị 62

PHẦN MỞ ĐẦU

Hiện nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của mạng internet và các thiết bị cầm tay (điện thoại thông minh, máy tính bảng,…) việc kết hợp công nghệ cao vào nhằm đưa ra các giải pháp phục vụ, nâng cao đời sống con người hàng ngày đang dần trở nên phổ biến Chính sự kết hợp này đã cho phép giải quyết một số các bài toán như: xây dựng môi trường nhà thông minh, văn phòng thông minh, hỗ trợ người khiếm thị di chuyển trong môi trường có vật cản di động hay cho phép robot

tự hành di chuyển và thực hiện các tác vụ phục vụ con người trong môi trường phức tạp Xuất phát từ các điều kiện và nhu cầu trên, việc nghiên cứu và phát triển một hệ thống môi trường cảm thụ thông minh hoàn thiện, có thể ứng dụng và phát triển nhanh chóng cho mục đích khác nhau là vô cùng cần thiết

Một trong những bài toán nền tảng nhằm triển khai một hệ thống môi trường thông minh là việc tái tạo và quản lý môi trường vật lý trên hệ thống thông tin hay còn gọi là bài toán mô hình hóa thông tin môi trường Giải quyết bài toán này sẽ giúp hệ thống có những thông tin cơ bản và quan trọng về môi trường thực tế để từ

đó xây dựng những hệ thống xử lý thông minh một cách chính xác Luận văn này sẽ tập trung giải quyết bài toán nói trên hướng tới cho phép mô hình hóa và biểu diễn thông tin môi trường nhanh chóng, chính xác và tiết kiệm Ở đây, môi trường được quan tâm sẽ là các tòa nhà hoặc một phần của tòa nhà nơi triển khai hệ thống môi trường cảm thụ Thông tin môi trường được mô hình hóa bao gồm: (1) thông tin về kích thước, hình dạng, chất liệu của cấu trúc vật lý trong môi trường (tường, cửa ra vào, cửa sổ, cầu thang, thang máy, sàn nhà …); (2) thông tin ngữ cảnh về môi trường cũng như người dùng (tên vùng, vật liệu cấu thành, đặc điểm quan tâm, sở thích người dùng, …); và (3) thông tin về các đối tượng tĩnh (các cảm biến, các vật dụng tĩnh, ) được quan tâm trong bài toán cụ thể

Việc thu thập và mô hình hóa thông tin môi trường đã được triển khai với nhiều phương pháp khác nhau trên thế giới Hai phương pháp chính được sử dụng hiện nay như: Phương pháp mô hình hóa tự động (sử dụng robot và các cảm biến

môi trường) và phương pháp mô hình hóa bán tự động (đòi hỏi có sự can thiệp, đo đạc của con người) Tuy nhiên, với xuất phát điểm nhằm nghiên cứu bài toán định

vị trong nhà và dẫn đường cho người khiếm thị đòi hỏi độ chính xác cao với chi phí thấp, việc áp dụng các phương pháp tự động hoàn toàn gặp nhiều khó khăn Vì vậy,trong luận văn này, một phương pháp thu thập và lưu trữ thông tin môi trường bán tự động sử dụng cấu trúc XML sẽ được nghiên cứu và phát triển thành một bộ công cụ mô hình hóa môi trường hoàn thiện nhằm giải quyết các vấn đề trên

Với nghiên cứu trình bày trong luận văn này, tác giả mong muốn sẽ xây dựng được một bộ công cụ mô hình hóa thông tin môi trường hoàn thiện nhằm đóng góp vào việc triển khai các hệ thống môi trường cảm thụ cả ở mức độ nghiên cứu và thực tiễn một cách hiệu quả Trước mắt, kết quả của luận văn sẽ được ứng dụng vào các đề tài cấp cao hơn như: đề tài liện kết Việt – Bỉ (VLIR), đề tài cấp bộ mã số B20130148

Kết quả của luận văn bao gồm:

- Báo cáo luận văn

- Cấu trúc chuẩn XML cho phép mô tả thông tin môi trường một cách tổng quát, có khả năng áp dụng cho nhiều môi trường khác nhau

- Bộ công cụ hoàn thiện mô hình hóa môi trường cho phép biểu diễn môi trường dưới nhiều hình thức (Cơ sở dữ liệu MySQL, mô hình 2D, mô hình 3D)

- Mô-đun sử dụng thông tin môi trường nhằm hỗ trợ các bài toán môi trường cảm thụ (Mô-đun hỗ trợ tìm đường đi ngắn nhất trong môi trường động, mô-đun giúp cải thiện chất lượng định vị trong nhà sử dụng thông tin môi trường)

- Các bài báo liên quan đến kết quả luận văn:

o Dinh-Van Nguyen, Eric Castelli, Trung-Kien Dao, Duc-Tho Le,

Lan-Huong Nguyen, Salim Attig, "Application of Environment Constraints

on Improving Localization Accuracy", The 8th International

Confer-ence on Ubiquitous Information Technologies and Applications

(CUTE2013) – December 2013 – Best Paper Award

o Trung-Kien Dao, Hung-Long Nguyen, Thanh-Thuy Pham, Eric

Cas-telli, Viet-Tung Nguyen, and Dinh-Van Nguyen, “User Localization

in Complex Environments by Multimodal Combination of GPS, WiFi, RFID, and Pedometer Technologies”, The Scientific World Journal,

vol 2014, Article ID 814538, 7 pages, 2014

o Dinh-Van Nguyen, Trung-Kien Dao, Eric Castelli, Long Nguyen, “A

Method for Efficient Environment Modeling in Pervasive tions”, The 2014 IEEE Fifth International Conference on Communica-

Applica-tions and Electronics

o Nguyen Quoc Hung, Vu Hai, Tran Thi Thanh Hai, Dinh-Van

Ngu-yen, Nguyen Quang Hoan, “Navigation system for visually impaired

people in small scale using assistant Robot”, 2014 National

Confer-ence on Electronics, Communications and Information Technology, Nha Trang – Viet Nam

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Các khái niệm cơ bản

Bài toán môi trường cảm thụ là bài toán xây dựng hệ thống thông minh cho phép con người tương tác với môi trường sinh hoạt thông qua mạng các cảm biến (Sen-sors network) hay các thiết bị di động thông minh Mục tiêu chính của bài toán này nhằm xây dựng một môi trường sống thông minh, hiện đại, phục vụ tốt hơn nhu cầu của con người Một số ví dụ điển hình về bài toán này có thể kể đến như: nhà thông minh, văn phòng thông minh, hỗ trợ người khuyết tật bằng hệ thống cảm biến hay theo dõi và cảnh báo bất thường các bệnh nhân trong bệnh viện,… Trong các bài toán này, môi trường sinh hoạt được hướng tới rất đa dạng, không giới hạn trong nhà hay ngoài trời Tuy nhiên, có những điểm khác biệt lớn khi triển khai bài toán môi trường cảm thụ ở từng môi trường khác nhau Một trong những sự khác biệt có thể kể đến là việc giải quyết bài toán nền tảng mô hình hóa thông tin môi trường Bài toán mô hình hóa thông tin môi trường là bài toán nền tảng vô cùng quan trọng của mọi bài toàn môi trường cảm thụ Giải quyết bài toán này, thông tin về môi trường sinh hoạt vật lý sẽ được thu thập, ghi nhận, tái tạo và quản lý trên hệ thống máy tính nhằm hỗ trợ các bộ máy xử lý thông minh cho bài toán môi trường cảm thụ Các thông tin môi trường được mô tả trong bài toán mô hình hóa thông tin môi trường cũng hết sức đa dạng như: thông tin về cấu trúc vật lý của môi trường, thông tin về ngữ nghĩa của môi trường, các thông số về nhiệt độ, độ ẩm, ảnh sáng

và đặc tính của môi trường,… Tùy thuộc vào yêu cầu của bài toán môi trường cảm thụ cũng như môi trường sinh hoạt được hướng tới để triển khai, các thông tin môi trường cần được mô hình hóa cũng thay đổi Trong hơn mười năm qua, rất nhiều các hệ thống mô hình hóa môi trường được nghiên cứu và phát triển Có thể kể đến như hệ thống Modular Modeling System (MMS)[15], Open Modeling Engine (OME) [24], Regional Analysis by Intelligetn Systems on MicroComputer (RAISON) [5] hay UbikSim [10]… Bên cạnh các hệ thống thử nghiệm này, đã có

những hệ thống rất thành công như Geographic Information System (GIS) [3],[4], kĩ thuật mô hình hóa sử dụng Kinect hoặc sử dụng đèn laser,… Tùy thuộc vào đặc điểm của môi trường cần mô hình hóa mà các phương pháp trên sẽ có những ưu nhược điểm khác nhau

Trong khuôn khổ luận văn, các bài toán môi trường cảm thụ sẽ hướng tới các môi trường trong nhà như: nhà ở, văn phòng làm việc, kí túc xá, bệnh viện, Hai bài toán môi trường cảm thụ cụ thể được giải quyết ở đây là (1) bài toán định vị và đưa

ra các dịch vụ dựa trên vị trí cho người dùng trong nhà cũng như (2) bài toán hỗ trợ người khiếm thị di chuyển trong môi trường trong nhà Với việc xử lý các bài toán như trên, thông tin môi trường cần được mô tả sẽ được xác định trong phạm vi như sau:

- Thông tin vật lý về cấu trúc của toàn nhà, văn phòng, nơi triển khai hệ thống môi trường cảm thụ Cụ thể là mô tả kích thước, chất liệu các đối tượng như: tường, cửa ra vào, cửa sổ, trần nhà, cầu thang, thang máy,…

- Thông tin ngữ nghĩa của môi trường nơi triển khai hệ thống môi trường cảm thụ như: tên vùng, quyền hạn truy cập từng vùng của người dùng,…

- Thông tin về các đối tượng tĩnh nếu được quan tâm như: bàn, ghế, các cảm biến môi trường,…

Với phạm vi môi trường này, luận văn sẽ nghiên cứu và đưa ra một giải pháp mô hình hóa thông tin môi trường bán tự động với các tiêu chí như sau:

- Khả năng triển khai mô hình hóa thông tin môi trường ở mức thử nghiệm và thực tế cao, hiệu quả, đáp ứng đa dạng môi trường

- Chi phí thấp, chính xác và nhanh chóng

- Hỗ trợ nhều mục đích sử dụng trong bài toán môi trường cảm thụ

- Hỗ trợ mô hình hóa thông tin ngữ nghĩa của môi trường một cách hiệu quả

1.2 Đặt vấn đề

Như đã trình bày ở phần trên, Bối cảnh nghiên cứu của luận văn là việc triển khai một hệ thống môi trường cảm thụ phục vụ bài toán định vị trong nhà và dẫn đường cho người khiếm thị Trong điều kiện phát triển của hai bài toán này, các tiêu chí chính được đặt ra như sau:

- Khả năng mô hình hóa thông tin môi trường nhanh chóng

- Độ chính xác cao nhằm đảm bảo an toàn cho người dùng (người khiếm thị) cũng như đảm bảo độ chính xác cho bài toán định vị trong nhà

- Có khả năng mô tả ngữ nghĩa cho môi trường tốt

- Chi phí đầu tư thấp nhằm triển khai được ở các môi trường nhỏ và vừa, các công trình công cộng, từ thiện

Tuy nhiên, các phương pháp mô hình hóa thông tin môi trường sẵn có không hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu này Điểm thiếu sót của các phương pháp này

sẽ được phân tích kĩ hơn ở chương 2 Vì vậy, cần thiết phải xây dựng một phương pháp mô hình hóa thông tin môi trường mới, giải quyết được các vấn đề trên

1.3 Cấu trúc luận văn

Luận văn sẽ được trình bày thành các phần chính như sau:

- Chương 1: Giới thiệu chung về bài toán mô hình hóa môi trường Đưa ra cấu trúc tổng quát của luận văn

- Chương 2: Khái quát về các phương pháp mô hình hóa môi trường đã và đang được nghiên cứu Những điểm mạnh và điểm yếu của những phương pháp mô hình hóa này cũng sẽ được đặt ra nhằm giải thích lý do và phạm vi lựa chọn đề tài của luận văn

- Chương 3: Trình bày cơ bản về phương pháp mô hình hóa môi trường sử dụng văn bản XML và một số công cụ hỗ trợ Thiết kế và các điểm đặc biệt trong phương pháp mô hình hóa này cũng sẽ được trình bày

- Chương 4: Trình bày các mô-đun tự động đi kèm phương pháp mô hình hóa môi trường này Các mô đun này nhằm hỗ trợ chuyển hóa văn bản XML sang các định dạng dữ liệu khác nhau phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau Bên cạnh đó, các ứng dụng sử dụng thông tin môi trường, thông tin ngữ nghĩa cũng sẽ được trình bày nhằm tối ưu hóa việc sử dụng mô hình

- Chương 5: Đưa ra các thử nghiệm và kết quả chứng minh tính đúng đắn của phương pháp cũng như hiệu quả của nó Các thử nghiệm được tiến hành trong hai môi trường thực tế khác nhau và đưa ra những kết quả tương đối khả quan

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG

Có rất nhiều phương pháp mô hình hóa môi trường đã được nghiên cứu và tìm hiểu trong những năm gần đây, tuy nhiên các cách tiếp cận thường được chia thành

2 hướng chính: (1) Hướng tiếp cận tự động và (2) hướng tiếp cận bán tự động Các hướng tiếp cận này sẽ được phân tích kĩ hơn dưới đây

2.1 Các phương pháp mô hình hóa thông tin môi trường

tự động

Một ví dụ điển hình của các phương pháp tiếp cận này là việc sử dụng robot tự hành với những cảm biến như : cảm biến hồng ngoại, cảm biến âm thanh , cảm biến laser để tiến hành đo đạc môi trường [2],[16], [11] Các thông tin thu thập được sẽ được xử lý dựa trên các thuật toán hình học nhằm đưa ra các mô phỏng 2D hoặc 3D tương ứng Các kĩ thuật này có chi phí đầu tư khá cao, phụ thuộc vào mức độ chính xác của các cảm biến, khả năng di chuyển của robot và yêu cầu bài toán Bên cạnh

đó, việc mô hình hóa môi trường thông qua các kết quả thu nhận từ cảm biến sẽ khiến cho quá trình cập nhật môi trường sau này đòi hỏi phải tiến hành các bước tương tự dẫn đến khả năng áp dụng thực tế cho các bài toán môi trường cảm thụ bị hạn chế Một trong những vấn đề lớn nhất của phương pháp này là việc xử lý nhiễu sinh ra do quá trình vận hành robot, nhiễu từ các sensor và nhiễu từ môi trường [13], [8] Các nhiễu trong quá trình xây dựng bản đồ (2D hoặc 3D) của phương pháp này thường được tích lũy và dẫn đến sai số lớn dần tỉ lệ với độ dài quãng đường robot dịch chuyển (như được minh họa trong Hình 2-1)

Hình 2-1 Một ví dụ về RobotMapping sử dụng cảm biến Lỗi bị tích lũy dần theo thời gian Hình (a)thể hiện đồ thị được vẽ bởi robot so với đồ thị thực tế và (b) thể hiện một doạn đường đi thẳng bị sai số tích lũy của robot [26]

Một hạn chế nữa của phương pháp này là việc mô hình không gian ba chiều Vấn đề này có thể thấy rõ ràng thông qua việc Robot di chuyển trong môi trường rất khó để thu thập đủ thông tin ba chiều về các vật thể xung quanh Lỗi dữ liệu trong trường hợp này sẽ được tích lũy ở cả 3 trục X,Y,Z thay vì chỉ X,Y như trong trường hợp trên Cùng với các thuật toán xử lý thông tin cảm biến và nhiễu như trên, các dữ liệu môi trường trong phương pháp này thường được lưu trữ dưới dạng các cơ sở dữ liệu kinh điển như SQL Tuy đáp ứng được nhu cầu về xử lý và hiển thị dữ liệu, SQL gặp vấn đề khi cần cập nhật và sửa chữa bởi người dùng thông thường Bên cạnh đó, việc mô tả ngữ nghĩa trực tiếp trên SQL là tương đối khó khăn và không trong sáng

Tuy nhiên, các phương pháp tự động thể hiện điểm mạnh của mình trong việc mô phỏng toàn bộ môi trường không cần (hoặc cần rất ít) sự can thiệp của con người Do đó, việc sử dụng các phương pháp mô hình hóa thông tin môi trường này rất thích hợp cho các bài toán môi trường cảm thụ có môi trường cần mô hính hóa lớn, yêu cầu độ chính xác không cao và bao gồm các vùng không thể đo đạc, thu thập thông tin bằng tay

2.2 Các phương pháp mô hình hóa thông tin môi trường bán tự động

Các phương pháp mô hình hóa bán tự động thường đòi hỏi có sự can thiệp nhiều từ con người với việc đo đạc, thu thập và ghi nhận thông tin từ môi trường Các thông số đo đạc được sau đó sẽ được xây dựng lại bằng các phần mềm xây dựng 3D chuyên nghiệp như: Google Sketchup, AutoCAD, 3Dmax, Sweethome… Thông thường, các phần mềm này hỗ trợ hiển thị mô hình 3D rất chính xác với các công cụ cho phép trích xuất thông tin ra các định dạng khác nhau như: XML, csv,… Một trong những vấn đề của phương pháp này là khả năng lưu trữ thông tin một cách trong sáng và dưới nhiều định dạng khác nhau Người dùng sẽ cần phải có

kĩ năng xây dựng đồ họa 3D rất tốt nhằm mô phỏng và cập nhật môi trường khi cần thiết Các định dạng lưu trữ như XML của các phần mềm này là khá phức tạp và không hỗ trợ mô tả ngữ nghĩa cho môi trường Thêm vào đó, thời gian triển khai của một môi trường sử dụng phương pháp bán tự động phụ thuộc nhiều vào diện tích môi trường, kĩ năng mô phỏng và yêu cầu của bài toán môi trường cảm thụ Tuy nhiên, phương pháp tiếp cận này cũng có ưu điểm như: mô hình có độ chính xác cao (so với phương pháp tự động hoàn toàn) do tránh được các nhiễu thiết

bị, chi phí đầu tư thấp và phù hợp cho các môi trường vừa và nhỏ

2.3 Đánh giá và nhận xét

Hai phương pháp trên có những lợi thế riêng biệt tùy vào bài toán môi trường cảm thụ cụ thể Với các bài toán xác định cho môi trường rộng, không yêu cầu độ chính xác quá cao (vài chục cm) và không hạn chế về kinh phí các phương pháp mô phỏng tự động hóa tỏ ra rất hiệu quả Tương ứng với đó, các bài toán môi trường cảm thụ cho môi trường hẹp, đòi hỏi độ chính xác cao và hạn chế về kinh phí triển khai, các phương pháp bán tự động sẽ được xem xét ưu tiên

Do đó, phương pháp mô hình hóa được xác định trong luận văn này sẽ là phương pháp mô hình hóa bán tự động Tuy nhiên, nhằm hoàn thiện hơn nữa các phương pháp bán tự động này để phục vụ hai bài toán môi trường cảm thụ đã đề cập

ở chương 1, các điểm yếu về khả năng mô tả trong sáng thông tin môi trường, mô tả ngữ nghĩa của môi trường hay khả năng hiển thị, lưu trữ dưới nhiều dạng khác nhau thông tin môi trường cần được cải thiện

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG GIẢI PHÁP MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG

3.1 Phân tích thiết kế hệ thống

Từ những đánh giá trên về các hệ quản trị cơ sở dữ liệu cũng như các phương thức tiếp cận mô tả thông tin môi trường, người dùng và bối cảnh bằng hình ảnh, bài toán đặt ra trong luận văn này là việc xử lý các điểm yếu của các hướng tiếp cận

đó nhằm đưa ra một giải pháp kết hợp có tính ứng dụng cao Các yêu cầu được đặt

ra cho hệ cơ sở dữ liệu cần thiết kế như sau:

- Đảm bảo thông tin bối cảnh người dùng: Các thông tin về đối tượng trừu tượng trong môi trường như các vùng, các phòng, cầu thang máy hay cầu thang bộ… phải được mô tả một cách chính xác và đầy đủ nhằm đưa ra các dịch vụ dựa trên bối cảnh người dùng một cách chính xác nhất

- Đảm bảo tính chính xác của thông tin môi trường: Thông tin thu thập được

từ môi trường như độ cao, chiều dài, rộng, các vật liệu và ảnh hưởng của vật liệu đến môi trường phải được đảm bảo trong quá trình mô tả Đây là các thông tin đóng vai trò quan trọng cho tính chính xác của mô-đun định vị trong nhà

- Đáp ứng đa dạng các yêu cầu về định dạng cơ sở dữ liệu: Các bài toán về môi trường thông minh thường đặt ra cho nhà quản lý nhiều yêu cầu đa dạng như: mô phỏng môi trường, quản lý tài nguyên, tính toán thời gian thực thông tin môi trường … Các yêu cầu này phải được xử lý thông qua cơ sở dữ liệu môi trường một cách đồng bộ và nhanh chóng Do đó, cơ sở dữ liệu được thiết kế phải đáp ứng được đa dạng các yêu cầu từ xử lý thông tin đến hiển thị và trình bày thông tin/ tri thức thu thập được

- Tính khả dụng, độ linh hoạt cao: Thông tin về môi trường bao gồm môi trường tĩnh (vd: kết cấu tòa nhà, các thiết bị cố định,…), môi trường động

(vd: các đối tượng di chuyển như người dùng, cửa đóng mở, robot,…) và các thông tin trừu tượng (vùng, phân cấp quyền theo vùng của người dùng,…) Các thông tin này phải liên tục được cập nhập nhằm đáp ứng sự thay đổi của môi trường và đảm bảo tính chính xác của hệ thống Vì thế, cơ sở dữ liệu đề

ra phải có tính đa dạng, linh hoạt cao, dễ dàng cho người dùng thiết kế và cập nhật, thay đổi

Với các yêu cầu trên, phương án được đặt ra trong luận văn này là hướng tiếp cận lai ghép giữa những hướng cũ như mô tả Ontology, xử dụng nền tảng SQL hay

mô hình 3D của môi trường Phương pháp tiếp cận này sẽ giúp cơ sở dữ liệu tránh được những điểm yếu của từng biện pháp cũng như tận dụng được những điểm mạnh của chúng

Quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu được mô tả trong Hình 3-1 dưới đây

Pre-Processing XML

System Database (MySQL)

Visualization (3D, 2D)

Hình 3-1 Tổng quan về hệ thống mô hình hóa môi trường

Trong đó, quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu môi trường được chia làm 3 phần chính:

- Xử lý dữ liệu đầu vào (tiền xử lý)

- Xây dựng mô hình môi trường với cấu trúc văn bản XML

- Chuyển đổi tự động các định dạng cơ sở dữ liệu

- Thể hiện và ứng dụng vào bài toán môi trường cảm thụ

Trong các chương tiếp theo của luận văn, từng phần của bộ công cụ sẽ được mô

tả về thiết kế, triển khai kèm theo những đánh giá về ưu khuyết điểm của chúng

3.2 Bước tiền xử lý thông tin môi trường

Tiền xử lý thông tin môi trường là một trong những bước đầu tiên nhằm số hóa các thông tin thu thập được từ môi trường thực tế Nhiệm vụ chính của bước này là xây dựng một mô tả có hệ thống ban đầu kèm theo các thông số (chiều cao, chất liệu, tính chất vật liệu) của môi trường nhằm phục vụ lưu trữ dưới một cấu trúc nhất định ở bước sau Bên cạnh đó, đây cũng là bước xác định hệ trục tọa độ địa phương (hệ trục tọa độ của môi trường cần xét) tương ứng với hệ trục tọa độ trái đất (ở đây, chúng ta xét đến kinh độ, vĩ độ và cao độ) nhằm thực hiện các bước biến đổi tương ứng sau này

Với một môi trường bất kì, công việc đầu tiên cho quá trình mô hình hóa môi trường sẽ là các bước đo đạc, thu thập về kích thước cũng như tính chất của các đối tượng trong môi trường Khác với cách tiếp cận bằng các công cụ mô hình 3D chuyên dụng đã đề cập ở chương II, ở bước này, một mô hình 2 chiều đơn giản của môi trường được xây dựng với sự hỗ trợ của công cụ AutoCAD Việc xây dựng một

mô hình 2D với AutoCAD dựa trên các khảo sát thực tế, bản vẽ kĩ thuật của môi trường (với đa số các tòa nhà, bản vẽ 2D AutoCAD là hoàn toàn có sẵn) là đơn giản hơn so với việc xây dựng mô hình 3D của toàn bộ môi trường Bên cạnh đó, thông tin môi trường thu được từ bản vẽ này cũng sẽ được tận dụng và tự động trích xuất nhằm đưa về định dạng thông tin XML sẽ được trình bày trong mục sau Một ví dụ

về mô hình 2D đơn giản của môi trường được thể hiện trong Hình 3-2 sau:

Hình 3-2 Ví dụ về mô hình AutoCAD 2D của môi trường

Sau khi thu được bản vẽ 2D này, các thông tin về tọa độ điểm, các tường, cửa sẽ được trích xuất tự động nhờ một thuật toán tìm kiếm, so sánh thuần túy Tọa

độ trong bản vẽ này cũng sẽ được sử dụng làm hệ trục tọa độ địa phương cho môi trường được mô hình

Tuy nhiên, ở bước này, tọa độ của các điểm, tường và cửa được trích xuất là tọa độ địa phương (local coordinate) với gốc tọa độ nằm tại một điểm được xác định trong tòa nhà Nhằm đảm bảo tính tổng quan và khả dụng cho môi trường, tọa độ địa phương này sẽ được chuyển đổi sang tọa độ trái đất ( kinh độ, vĩ độ, cao độ) Việc chuyển đổi hệ tọa được thực hiện dựa trên việc lựa chọn điểm gốc của tọa độ địa phương và xác định kinh độ, vĩ độ của điểm này trên thực tế Điểm gốc này sẽ

được gọi là origin Một điểm bất kì theo trục Ox của tòa nhà cũng sẽ được xác định

kinh độ, vĩ độ và được đặt tên extent Khi đó, hệ trục tọa độ địa phương (các vec tơ

,

Oy Oz còn lại) sẽ được xác định tự động như trong Hình 3-3:

origin extent

Ox

Oz

Oy

Hình 3-3 Hệ trục tọa độ địa phương

Sau đó, việc ánh xạ điểm giữa hai hệ trục tọa độ (địa phương và trái đất) sẽ được xác định bằng thuật toán đề xuất bởi Michael Kleder [20]

3.3 Xây dựng cấu trúc văn bản XML mô tả thông tin môi trường

Như đã trình bày ở trên, kết thúc bước tiền xử lý, thông tin môi trường thu nhận được sẽ phần nào được tự động biểu điễn và trích xuất từ bản vẽ AutoCAD Tuy nhiên, thông tin trích xuất cần được lưu trữ ở một cấu trúc xác định và có tính ứng dụng cao Giải pháp được lựa chọn ở đây là xây dựng một cấu trúc văn bản XML để thể hiện mô hình của môi trường

3.3.1 Tại sao XML

Extensible Markup Language (XML) là một ngôn ngữ được xây dựng nhằm

mô tả thông tin, không bị phụ thuộc vào phần mềm/phần cứng nhất định và có khả năng lưu trữ thông tin phong phú XML đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như: thể hiện đồ họa 3D, thể hiện thông tin ngữ nghĩa (ontology) hay trở thành một cơ sở dữ liệu hiệu quả cho rất nhiều phần mềm khác nhau… Những điểm mạnh được hướng tới của XML trong luận văn này bao gồm: cấu trúc linh hoạt, tính

độc lập và phổ dụng, khả năng truyền tải và mô tả ngữ nghĩa cao cũng như việc

XML rất dễ sử dụng

Tinh linh hoạt của cấu trúc là tính chất giúp người dùng có thể mở rộng mô

tả XML có sẵn mà vẫn đảm bảo tính đúng đắn của dữ liệu Một ví dụ cho trường

hợp này là một mô tả thiết bị được định nghĩa như sau:

< xs:element name ="device">

< xs:complexType >

< xs:attribute name ="type" type ="xs:string"/>

< xs:attribute name ="name" type ="xs:string"/>

< xs:attribute name ="class" type ="xs:string"/>

< xs:attribute name ="lat" type ="xs:double"/>

< xs:attribute name ="long" type ="xs:double"/>

< xs:attribute name ="alt" type ="xs:double"/>

< xs:attribute name ="area" type ="xs:string"/>

< xs:element name ="param" type ="xs:string"/>

</ xs:complexType >

</ xs:element >

Với việc định nghĩa phần tử device như trên, mô tả của device trong văn bản

XML sẽ trở nên linh hoạt với phần tử param được định nghĩa mở Cùng với định

nghĩa device như trên, một số mô tả thực tế của XML có thể được sử dụng như sau:

< device type ="camera" name ="Galaxy Tab" class ="CamAndroid" >

< param name ="address" value ="172.16.76.197" />

</ device >

-

< device type ="microphone" name ="Mic4" class ="(Undefined)" l at ="" long =""

alt ="" floor ="8th" area ="Showroom" >

< param name ="address" value ="172.16.100.114" />

</ device >

-

< device type ="wifiap" name ="AP1" class ="(Undefined)" lat ="21.00421571749263"

long ="105.84666721522808" alt ="31" floor ="8th" area ="Hallway" >

< param name ="mac" value ="68:7f:74:e7:76:c9" />

< param name ="ssid" value ="MICA" />

< param name ="power" value ="5" />

< param name ="address" value ="172.16.120.81" />

</ device >

Ở ví dụ này, 3 thiết bị (device) khác nhau được mô tả dựa theo cùng một định nghĩa

ban đầu

Tính độc lập và phổ dụng cũng là một trong những điểm mạnh của văn bản

XML Do XML là một ngôn ngữ mô tả dữ liệu dạng văn bản, các thông tin ở đây sẽ

được hiểu không phụ thuộc vào phần mềm, trình biên dịch hay các thiết bị phần cứng nào Thêm vào đó, XML còn được chọn lựa để làm cấu trúc dữ liệu trung gian cho nhiều phần mềm như: Google sketchup, 3Dmax (mô hình 3D) hay Google maps, open streetview (mô hình 2D) … Nhờ tính chất này, XML sẽ dễ tương tác và

hỗ trợ hơn với các hệ thống sẵn có

Khả năng mô tả ngữ nghĩa cũng là một trong những điểm mạnh đáng kể nhất của XML Điển hình cho khả năng này là các ngôn ngữ mô tả ngữ nghĩa Ontology thường được xây dựng trên nền tảng của XML (RDF, DAML, SHOE,…) Với mục tiêu hướng tới một môi trường cảm thụ có xét đến các thông tin ngữ cảnh, một ngôn ngữ giàu tính mô tả ngữ nghĩa như XML sẽ trở nên vô cùng hữu ích Đây cũng là điểm mạnh của mô tả XML so với cách tiếp cận bằng xử lý ảnh hoặc bằng các phần mềm mô phỏng không gian ba chiều khác

Cuối cùng, tính đơn giản, dễ học dễ sử dụng cho phép người dùng (với kiến thức cơ bản, đơn giản về XML) có thể đóng góp và sửa chữa thông tin môi trường khi cần thiết Khác với việc tiếp cận sử dụng các phần mềm xây dựng hình ảnh ba chiều hay xử lý ảnh, cập nhật thông tin ở các văn bản XML sẽ đơn giản hơn rất nhiều, không tốn nhiều thời gian, chi phí cho những cập nhật nhỏ của môi trường

Để thiết kế một văn bản XML có tính cấu trúc và có khả năng kiểm tra tính đúng đắn của dữ liệu, một mô tả XML schema sẽ được xây dựng XML schema là một văn bản nhằm mô tả cấu trúc cho một nhóm các văn bản XML nào đó Ví dụ về một mô tả XML schema được trình bày như sau:

< xs:attribute name ="name" type ="xs:string"/>

< xs:attribute name ="lat" type ="xs:double"/>

< xs:attribute name ="long" type ="xs:double"/>

- Đảm bảo tính tổng quát, khả năng mở rộng của văn bản XML

- Đảm bảo tính ngữ nghĩa của văn bản XML

- Thiết kế cho phép tham số hóa các văn bản XML mô tả các đối tượng tổng quát để vào mô tả các đối tượng cụ thể

Tính tổng quát và việc đảm bảo ngữ nghĩa cho văn bản XML đã được trình bày

ở mục trên Ở phần này, tiêu chí được đi sâu trình bày là việc cho phép tham số hóa các đối tượng tổng quát trong một văn bản XML Đây là một tính chất được thiết kế riêng cho bộ công cụ này nhằm tối ưu hóa quy trình mô hình hóa môi trường Về mặt ý nghĩa, một đối tượng tổng quát khi được kết hợp với các tham số đầu vào sẽ cho ra các đối tượng cụ thể khác nhau Hình 3-4 Điều này giúp tối ưu hóa quá trình

mô tả Thay vì thực hiện các mô tả XML thủ công lặp lại của các đối tượng có đặc điểm giống nhau, việc cho phép sử dụng khái niệm tham số hóa sẽ giúp quá trình

mô tả trở nên đơn giản và nhanh chóng

Merging Module

Hình 3-4 Mô hình đối tượng tổng quát XML

Tuy nhiên, bản thân XML không hỗ trợ khái niệm này Do vậy, một mô-đun kết hợp được đề xuất nhằm hiện thực hóa quá yêu cầu trên Khi đó, việc mô tả một môi trường cụ thể sẽ có thể bao gồm rất nhiều các đối tượng cụ thể được cấu thành

từ việc điều chỉnh tham số của một văn bản XML khác Một ví dụ cho trường hợp này có thể được mô tả như Hình 3-5 Giả sử một văn bản XML mô tả một đối tượng

tổng quát tường bao gồm cửa ra vào và cửa sổ Bằng việc tham số hóa văn bản này,

việc mô tả các loại tường khác nhau có cùng các phần tử như trên nhưng khác nhau

về kích cỡ sẽ trở nên đơn giản và hiệu quả hơn Như vậy, với cùng một mô tả tổng quát tường, việc thay đổi tham số sẽ đưa ra hai đối tượng tường cụ thể khác nhau giúp giảm thời gian mô hình hóa thông tin

Hình 3-5 Ví dụ áp dụng phép tham số hóa để thể hiện hai đối tượng tường có kích

cỡ, vị trí cửa sổ và cửa ra vào khác nhau với cùng một mô tả tổng quát

Ví dụ trên đây là một trong những ví dụ đơn giản cho ứng dụng của tham số hóa Bên cạnh việc tăng hiệu quả quá trình mô hình, tham số hóa còn giúp đảm bảo tính tổng quát của dữ liệu đầu vào nhờ việc cho phép người dùng tự định nghĩa các

mô tả XML tổng quát

Với những mục tiêu và tính chất bài toán đã đặt ra ở trên, việc thiết kế mô hình XML được thực hiện với các bước như sau:

- Thiết kế tổng quan XML schema

- Định nghĩa thẻ tag cho phép thể hiện phép tham số hóa các đối tượng tổng quát

- Xây dựng mô-đun xử lý các thẻ tham số hóa

Thiết kế tổng quan của XML Schema được thể hiện như hình sau đây:

Hình 3-6 Thiết kế tổng quan XML Schema

Trong đó, các tượng trong mô tả XML được chia làm 3 kiểu chính: các đối tượng được trích xuất tự động từ bản vẽ 2D AutoCAD, các thông tin ngữ nghĩa được thêm vào thủ công và các đối tượng tĩnh ít thay đổi trong môi trường

Kiểu đối tượng đầu tiên là các yếu tố được trích xuất trực tiếp từ bản vẽ toCAD Các đối tượng này gồm có: điểm (point), cửa (door, window), tường (wall)

Au-Điểm (point) trong môi trường là đối tượng cơ bản giúp xác định tọa độ và

cấu thành các đối tượng khác Mô tả của một điểm sử dụng thẻ tag <point> như

Hình 3-7

Hình 3-7 Định nghĩa XML Schema cho <point>

< point name ="origin" lat ="21.0041527314897" long ="105.84660046011209" />

< point name ="extent" lat ="21.00420833245197" long ="105.84666804469794" />

< point name ="ground_point1" lat ="21.00829" long ="105.84098" />

< point name ="ground_point2" lat ="21.00829" long ="105.85191" />

Trong đó, như đã trình bày ở mục tiền xử lý dữ liệu, hai <point> duy nhất được định nghĩa thủ công là origin và extent Ngoài ra, các <point> khác sẽ được

trích xuất, chuyển đổi tọa độ từ XYZ sang kinh độ, vĩ độ một cách tự động từ bản

vẽ AutoCAD

Dựa trên lớp các đối tượng điểm, việc định nghĩa các đối tượng phức tạp hơn như tường, cửa ra vào và cửa sổ được thực hiện như Hình 3-8 sau đây:

Hình 3-8: Định nghĩa XML schema cho <wall>

< wall name ="director.6" point1 ="209" point2 ="211" alt ="30.3" height ="1.7" thickness ="0.2" material ="brick"/>

Các thuộc tính của 1 đối tượng tường bao gồm: tên – name, point1 – điểm bắt đầu, point2 – điểm kết thúc, alt – độ cao tính từ mặt đất lên chân tường, height –

độ cao tính từ chân tường đến đỉnh tường, thickness – độ dày của tường, material – vật liệu làm tường Hiện tại, đối tượng tường được xây dựng với hình dạng mặc định là hình hộp chữ nhật nhằm đơn giản hóa quá trình mô tả, xây dựng cũng như ứng dụng thông tin môi trường Bên cạnh đó, các giả định về độ phân bố và tính đồng đều của vật liệu xây dựng tường được đặt ra nhằm giảm thiểu độ phức tạp của môi trường

Tương tự như vậy, lớp đối tượng cửa ra vào và cửa sổ được mô tả như sau:

Hình 3-9 Định nghĩa XML schema cho đối tượng <door> và <window>

< window name ="d.window2" point1 ="d.w4" point2 ="d.w3" alt ="29.45" height ="0.85" thickness ="0.01" material ="glass" />

< door name ="d.door2" point1 ="211" point2 ="210.1" alt ="28" height ="2.30" ness ="0.04" material ="aluminum" />

thick-Hai lớp đối tượng này cũng được mô tả với hình hộp chữ nhật tương tự như

với đối tượng <wall>

Kiểu đối tượng thứ hai trong mô tả XML này là các đối tượng ngữ nghĩa được thêm vào thủ công nhằm bổ sung ý nghĩa ngữ cảnh cho môi trường Các đối

tượng này bao gồm: giới hạn các vùng <area>, định nghĩa tầng <floor>, định nghĩa cầu thang (thang máy, thang bộ) <stair> và định nghĩa tòa nhà <building>

Hình 3-10 Mô tả XML schema cho các đối tượng ngữ nghĩa

Hình 3-10 thể hiện mô tả XML schema cho các đối tượng ngữ nghĩa Các đối tượng này là một trong những thông tin ngữ cảnh hỗ trợ cho các ứng dụng môi trường cảm thụ sau này

Các đối tượng tĩnh khác sẽ được mô tả và thêm vào thủ công bao gồm: người dùng (user), các thiết bị (device), vật liệu (material),… Trong tương lai, cùng với việc mở rộng từ điển các đối tượng cần quan tâm, việc định nghĩa thêm các lớp đối tượng tĩnh là cần thiết Mô tả XML schema cho các đối tượng tĩnh này được thể hiện trong :

Hình 3-11 Mô tả XML schema cho các đối tượng tĩnh

Bên cạnh các kiểu đối tượng được trình bày ở trên, thẻ tag <include> cũng

được giới thiệu trong mô tả XML schema như sau:

Hình 3-12 Định nghĩa XML schema cho thẻ tag <include>

Đây là thẻ tag nhằm áp dụng phép tham số hóa lên các mô tả XML cho các đối tượng tổng quát Thuộc tính name – tên cho phép đặt tên của đối tượng cụ thể (kết quả của việc áp dụng tham số lên mô tả tổng quát) Thuộc tính src – nguồn cho phép xác định văn bản XML tổng quát và các tham số tiếp theo được để mở (any)

cho phép tùy biến các tham số bên trong văn bản XML tổng quát Thẻ tag

<in-clude> sau đó sẽ được xử lý bởi một mô-đun chuyên biệt (sử dụng PHP và DOM

Parser) nhằm đưa ra mô tả chi tiết cuối cùng cho môi trường (thay thế các tag

<in-clude> bằng các mô tả cụ thể dựa trên mô tả tổng quát và tham số đầu vào)

Một ví dụ sử dụng thẻ tag include được đưa ra sau đây:

< include name ="9.Class1.1" src ="l_wall_near_2.xml" point ="604" alt ="32"/>

Thẻ tag <include> này khai báo một đối tượng có tên 9.Class.1.1 với điểm gốc là

“604”, độ cao so với mặt đất 32m và được xây dựng dựa trên một mô tả tổng quát

“l_wall_near_2.xml” Mô tả tổng quát này có nội dung như sau:

thick-< include name ="door" src ="l_door.xml" point ="p1" alt ="0"/>

< include name ="window" src ="l_window.xml" point ="p3" alt ="1.45"/>

</ data >

Mô tả tổng quát “l_wall_near_2.xml” được hỗ trợ bởi một mô tả mối quan

hệ giữa các điểm và điểm gốc đi kèm ở văn bản “l_wall_near_2_point.xml” tương

ứng:

<? xml version ="1.0"?>

< data >

<! wall co 1 door va 1 door mep so nho >

< point name ="p0" lat ="0.0" long ="0.0"/>

< point name ="p1" lat ="0.000001182288329" long ="0.000001454414587"/>

< point name ="p2" lat ="0.000008276018043" long ="0.000010180902507"/>

< point name ="p3" lat ="0.000011231738618" long ="0.000013816939372"/>

< point name ="p4" lat ="0.000026744801676" long ="0.000032900638104"/>

< include name ="door" src ="l_door_point.xml" point ="p1" alt ="0"/>

< include name ="window" src ="l_window_point.xml" point ="p3" alt ="0"/>

</ data >

Có 3 đặc điểm chính cần được lưu ý trong các mô tả tổng quát này như sau:

- Các mô tả đối tượng riêng lẻ trong mô tả tổng quát cũng đảm bảo đúng cấu trúc như văn bản XML mô tả tổng thể đã trình bày trên

- Các dữ liệu tính toán trong mô tả tổng quát này là các số liệu tương đối và

được mô-đun xử lý tính toán, chuyển hóa thành số liệu tuyệt đối khi nhận tham số đầu vào (Điểm gốc, độ cao gốc …)

- Việc sử dụng các thẻ tag <include> tiếp tục được thể hiện trong các đối

tượng tổng quát này, cho phép liên kết các đối tượng nhỏ thành các đối tượng phức tạp hơn một cách hiệu quả nhất

Bên cạnh đó, việc mô tả các đối tượng tổng quát không giới hạn ở những mô tả

mà trong đó mối quan hệ tương đối giữa các phần tử là định nghĩa sẵn (ví dụ khoảng cách giữa các điểm mốc p1 và p2 trong mô tả trên là cố định)

Dựa vào các định nghĩa đối tượng trình bày trên đây, việc mô tả môi trường bằng văn bản XML sẽ được thực hiện, kiểm tra và thử nghiệm với công cụ visual studio nhằm đảm bảo tính đúng đắn của dữ liệu so với định nghĩa XML schema Kết thúc bước này, một mô tả toàn vẹn của môi trường được hoàn tất và lưu trữ dưới dạng văn bản XML có cấu trúc xác định Văn bản XML này có thể được cập

nhật tự động (cho các đối tượng được trích xuất từ AutoCAD) hoặc thủ công (đối với những đối tượng tĩnh hoặc đối tượng ngữ nghĩa) Việc cập nhật văn bản XML diễn ra tương đối đơn giản, không phụ thuộc vào các phần mềm/phần cứng đi kèm Tuy nhiên, để sử dụng những thông tin trong mô tả XML này vào các ứng dụng môi trường cảm thụ, cần phải có những mô-đun chuyển hóa dữ liệu XML sang các định dạng dữ liệu khác phù hợp từng mục đích sử dụng khác nhau Các mô-đun này sẽ được trình bày ở chương sau

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG CÁC MÔ-ĐUN HỖ TRỢ VÀ ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG

Sau khi thu được mô tả môi trường bằng XML, việc áp dụng mô tả này vào các ứng dụng môi trường cảm thụ là không khả thi do đòi hỏi về mặt xử lý dữ liệu theo thời gian thực Vì thế, các mô-đun chuyển đổi XML sang các định dạng dữ liệu phù hợp được xây dựng Dựa trên cấu trúc XML schema đã biết trước của mô tả XML, việc thực hiện hoàn toàn tự động quá trình chuyển đổi là khả thi Ở đây, có hai mục đích chính được hướng tới cho việc xử lý dữ liệu môi trường trong bài toán môi trường cảm thụ:

- Xử lý dữ liệu thời gian thực cho các thuật toán, dịch vụ tương tác người dùng

4.1 Mô-đun chuyển đổi XML sang SQL

SQL là một ngôn ngữ truy cập và xây dựng cơ sở dữ liệu cho các hệ quản trị như MySQL, SQL Server, Access, Orcale,… Với luận văn này, SQL sẽ được hướng tới sử dụng cho hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL

Trong các ứng dụng môi trường cảm thụ, thời gian xử lý của hệ thống là một trong những ràng buộc quan trọng giúp đánh giá mức độ thành công của hệ thống Việc hệ thống phản hồi lại những tương tác của người dùng một cách nhanh chóng

và chính xác là yêu cầu thiết yếu ở mọi bài toán Vì vậy, các ứng dụng môi trường cảm thụ cần có sự hỗ trợ của một hệ quản trị cơ sở dữ liệu mạnh mẽ (ở đây, các kĩ thuật phân tán hay tối ưu cơ sở dữ liệu không nằm trong khuôn khổ luận văn) Dữ

liệu lưu trữ dưới dạng XML thuần túy rất khó đáp ứng yêu cầu về hiệu năng như trên Do đó, luận văn đề xuất một phương pháp chuyển đổi từ cấu trúc XML được định nghĩa ở trên sang cơ sở dữ liệu (CSDL) của hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL nhằm tối ưu hóa việc truy xuất cấu trúc

Như đã trình bày ở chương II, việc sử dụng MySQL (hoặc các hệ quản trị cơ

sở dữ liệu tương đương) cho các ứng dụng môi trường cảm thụ là rất phổ biến và hiệu quả Tuy nhiên, đi kèm với những đảm bảo về mặt hiệu năng cũng như tính bảo mật, MySQL gặp một vấn đề lớn khi thể hiện ngữ nghĩa của dữ liệu môi trường cũng như sự liên kết giữa các dữ liệu này là không trong sáng đối với người dùng Một ví dụ đơn cử cho điểm yếu này của MySQL là: giả sử người dùng cần cập nhật, thay đổi một vài chi tiết của môi trường (thay đổi chiều cao của tường, vị trí của các đối tượng, thêm bớt ngữ nghĩa cho đối tượng…) việc cập nhật dữ liệu này vào các bảng dữ liệu MySQL là không đơn giản đối với người dùng bình thường, đòi hỏi cần có kiến thức nhất định về SQL Mô tả XML nói trên được thiết kế để xử lý những yếu điểm như thế Với sự trong sáng và rõ ràng của thiết kế XML, việc thay đổi thông tin của một đối tượng trong môi trường trở nên trực quan hơn Mặc dù vậy, những điểm yếu của XML về hiệu năng cũng cần được khắc phục và một trong những phương pháp được sử dụng là chuyển hóa tự động văn bản XML sang cơ sở

dữ liệu MySQL

Mô-đun chuyển hóa tự động này hoạt động dựa trên hai điều kiện chính:

- Các dữ liệu mô tả XML đã được định nghĩa trong Xschema và giữ đúng các quy tắc đó

- Các dữ liệu là toàn vẹn (các tham chiếu giữa các đối tượng trong môi trường