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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG LONG VĂN KỲ KỸ THUẬT MÔ PHỎNG ĐỐI TƯỢNG DẠNG SỢI VÀ ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG TÓC TRONG THỰC TẠI ẢO Chuyên ngành: Khoa học

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

LONG VĂN KỲ

KỸ THUẬT MÔ PHỎNG ĐỐI TƯỢNG DẠNG SỢI VÀ ỨNG

DỤNG

MÔ PHỎNG TÓC TRONG THỰC TẠI ẢO

Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số: 8480101 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN HUÂN

Thái Nguyên 2019

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN htt p : / / l r c tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin –

2

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 6

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ HÌNH DẠNG SỢI 11

1.1 Tổng quan về đồ họa máy tính và thực tại ảo 11

1.1.1 Khái quát về đồ họa máy tính 11

1.1.2 Khái quát về thực tại ảo 12

1.1.3 Các lĩnh vực ứng dụng cơ bản của thực tại ảo 13

1.2 Khái quát mô hình hóa và mô phỏng trong thực tại ảo 15

1.2.1 Mô hình hóa trong thực tại ảo 15

1.2.2 Mô phỏng trong thực tại ảo 20

1.3 Khái quát về đối tượng dạng sợi và mô phỏng 23

1.3.1 Khái quát về đối tượng dạng sợi 23

1.3.2 Vai trò của mô phỏng tóc trong thực tại ảo 25

1.3.3 Mô phỏng tóc 26

1.3 Kết luận và vấn đề nghiên cứu 28

Chương 2 MỘT SỐ KỸ THUẬT MÔ PHỎNG ĐỐI TƯỢNG DẠNG SỢI 30

2.1 Kỹ thuật mô phỏng đối tượng dạng ảnh dựa vào Texture mapping 30

2.1.1 Giới thiệu 30

2.1.3 Ánh xạ các ảnh sợi 2D lên các vùng của mô hình 3D tương ứng 31

2.1.4 Nội suy các điểm còn lại để đảm bảo ràng buộc trong một vùng tóc 33

2.1.5 Nội suy vùng tiếp giáp 35

2.1.6 Thuật toán mô phỏng tóc SDMT 37

2.2 Kỹ thuật mô phỏng đối tượng dựa vào mô hình NURBS 40

2.2.1 Mô hình NURBS trong mô phỏng đối tượng 40

2.2.2 Nâng cao hiệu quả mô phỏng đối tượng dạng sợi, mảnh 43

2.2.3 Thuật toán mô phỏng đối tượng dạng sợi AHS 48

2.3 Kỹ thuật mô phỏng đối tượng dựa vào Mass-Springs 49

2.3.1 Giới thiệu 49

2.3.2 Một số kỹ thuật cơ bản 50

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin –

3

2.3.3 Thuật toán 51

2.4 Kết luận và vấn đề nghiên cứu 54

Chương 3 CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM 56

3.1 Yêu cầu bài toán 56

3.2 Phân tích, lựa chọn công cụ 56

3.3 Một số kết quả của chương trình thử nghiệm 58

3.3.1 Kết quả thử nghiệm kỹ thuật mô phỏng sử dụng NURBS 58

3.3.3 Kết quả thử nghiệm kỹ thuật mô phỏng sử dụng Mass-Springs 66

3.4 Phân tích kết quả đánh giá 68

PHẦN KẾT LUẬN 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

PHỤ LỤC 74

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin –

4

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Hệ thống thiết bị 13

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 17

Hình 1.3 Các khung nhìn khác nhau 17

Hình 1.4 Khung dựng của một quả bóng, được tạo ra sau bước tạo 19

mô hình 19

Hình 1.5 Quả bóng sau khi đã qua bước thể hiện 19

Hình 1.6 Mô phỏng sợi tóc theo Anna Sokol 24

Hình 1.7 Mô phỏng sợi, mảnh vải 25

Hình 2.1 Phân chia mô hình da đầu 3D thành 6 vùng 30

Hình 2.2 Ảnh che phủ (ảnh tóc) lên vùng lưới da đầu 3D 31

Hình 2.3 Ánh xạ mảng tóc 2D lên vùng da đầu 3D 32

Hình 2.4 Ánh xạ ảnh tóc 2D sang vùng da đầu 2D 33

Hình 2.5 Nội suy điểm T’ dựa vào điểm T trên ảnh tóc sử dụng ánh xạ fj 34

Hình 2.6 Nội suy các điểm còn lại thuộc tam giác 35

Hình 2.7 Nội suy vùng tiếp giáp giữa hai vùng da đầu 36

Hình 2.8 Tóc trước và sau khi nội suy vùng tiếp giáp giữa các mảng tóc 37

Hình 2.9 Mô hình hóa và điều chỉnh hình đối tượng bởi NURBS 40

Hình 2.10 Mô phỏng đối tượng dạng sợi 43

Hình 2.11 Mô phỏng đối tượng dạng mảnh 43

Hình 2.12 Xác định vectơ nút ứng với trường hợp tối ưu 45

Hình 2.14: Các hình dạng cơ sở (a) plain; (b) sphere; (c) torus 51

Hình 2.15 Độ dày của mỗi sợi với 9 điểm điều khiển 53

Hình 1.16 Các điểm điều khiển mass-spring trên bề mặt hình trụ NURBS xoắn 53

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin –

5

Hình 3.1 Các khung nhìn khác nhau trên 3DSMax 57

Hình 3.14 Mô phỏng đối tượng dạng sợi 58

Hình 3.3 Xác định vectơ nút ứng với trường hợp tối ưu 59

Hình 3.1 Mô hình thiết kế đầu và chi tiết thành phần (đầu và da đầu) 59

Hình 3.2 Minh họa mô hình render tổng thể 60

Hình 3.3 Chức năng chính của hệ thống 61

Hình 3.4 Giao diện chính và tuỳ chọn cách tạo tóc 62

Hình 3.5 Tóc với số sợi khác nhau 62

Hình 3.6 Bó tóc với số sợi khác nhau 63

Hình 3.7 Hai kiểu tóc màu trắng và đen xoắn cùng với gió thổi 63

Hình 3.15 Một số mô hình tóc khi không có lực tác động 63

Hình 3.12 Một số mô hình tóc khi có lực tác động 64

Hình 3.13 Tóc Messy trên plain trong một khung viền với các 66

điểm điều khiển mass-spring và các bề mặt NURBS xoắn 66

Hình 3.14 Tóc Messy trên plain trong một khung viền với bề mặt NURBS xoắn 66

Hình 3.15 Tóc dày, messy trên plain với bề mặt NURBS xoắn 67

Hình 3.16 Tóc dài, messy trên plain với bề mặt NURBS xoắn 67

Hình 3.17 Sợi ngắn, cong trên sphere với bề mặt NURBS xoắn 67

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin –

6

1 Đặt vấn đề

PHẦN MỞ ĐẦU

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 sắpxếp, bố trí theo một trật tự logic theo thực tế và có thể tương tác, chuyển động tùythuộc vào từng loại đối tượng khác nhau Đối tượng trong thực tại ảo có thể là đốitượng tĩnh, động và đối tượng tổng hợp cả tĩnh và động, đối tượng tồn tại dướinhiều hình dạng khác nhau phù hợp với các đối tượng trong thực tế chẳng hạn nhưđối tượng là nhân vật con người ảo, để mô phỏng được nhân vật con người ảo nàythì chúng ta cần mô phỏng những thành phần trên cơ thể con người ảo đó như chấtliệu vải quần áo dạng sợi hay bông, mô phỏng các sợi tóc, lông trên nhân vật ngườiảo,…

Tùy thuộc vào từng đối tượng khác nhau mà yêu cầu việc mô hình hóa và môphỏng đối tượng dạng sợi ở mức độ trung thực khác nhau Với những ứng dụngkhông yêu cầu cao tính trung thực của đối tượng mà yêu cầu về tốc độ tính toán thìchúng 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 tươngtác của mô hình kết quả thì chúng ta cần mô hình hóa và mô phỏng đối tượng dạngsợi ở mức tinh, tức là cần phải sử dụng mô hình toán học để biểu diễn đối tượng.Đối tượng dạng sợi có thể là tóc, lưới, vải, để mô phỏng được những đốitượng này thì chúng ta cần phải biểu diễn các mô hình của chúng bằng mô hình toánhọc Khi đó, chúng ta mới có thể biểu diễn được các thành phần biến cần thiết để đốitượng có thể tương tác và chuyển động được như lực hấp dẫn, trọng lực, Để môhình 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 đềxuất nhiều công trình khoa học khác nhau và cũng có nhiều phương pháp được đềxuất Một trong những phương pháp được sử dụng là các mô hình toán học nhưđường cong Spline, Be’zier, Đặc biệt là mô hình NURBS (Non-Uniform RationalB-Spline) [1] được sử dụng phổ biến hơn Vì các đối tượng dạng sợi như lưới, tóchay

vải, thường là những đối tượng động và có tính chất cục bộ nên việc sử dụngNURBS vào biểu diễn và mô phỏng chúng là phù hợp Chẳng hạn như các nhóm tả

Xu và cộng sự [3]; Noble và cộng sự [1]; Anna Sokol [2]) sử dụng NURBS tổngquát để mô phỏng sợi tóc và những tương tác, chuyển động của tóc

Một vấn đề luôn được đặt ra cho những nhà khoa học và nhà nghiên cứu pháttriển các 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 trongquá trình mô phỏng các đối tượng này Trong khi, NURBS tổng quát chủ yếu đápứng về mặt chất lượng mô hình của các đối tượng

Xuất phát từ thực tế đó, tên đề tài luận văn được lựa chọn là: "Kỹ thuật mô

phỏng đối tượng dạng sợi và ứng dụng mô phỏng tóc trong thực tại ảo" nghiên

cứu một số kỹ thuật nâng cao hiệu quả mô phỏng các đối tượng 3D có hình dạngsợi, nhằm tăng tốc độ mô phỏng đối tượng mà vẫn đảm bảo chất lượng mô hình.Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ được thử nghiệm áp dụng vào mô phỏng đối tượngdạng sợi như tóc trên nhân vật con người ảo, vì tóc là đối tượng có dạng sợi và đặctính hình học giống như sợi nên việc mô phỏng tóc cũng tương tự như mô phỏngđối tượng dạng sợi

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a Đối tượng nghiên cứu

- Đặc tả đối tượng 3D dạng sợi, mảnh như vải, sợi tóc,… với các đặc điểm

như sợi to, nhỏ, dày, mảnh, nặng, nhẹ, gió thổi…

- Các thuật toán giải và ứng dụng trong mô phỏng

- Nghiên cứu ứng dụng xử lý ảnh 3D và ứng dụng

b Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết về Đồ họa máy tính, Thực tại ảo.

- Nghiên cứu công cụ, phương pháp mô hình hóa đối tượng 3D

- Nghiên cứu các kỹ thuật mô phỏng, hiển thị dữ liệu 3D trong thực tại ảo như

mô hình NURBS, Mass Spring, Texture mapping,…

- Biểu diễn, trích xuất và mô tả dữ liệu 3D về đối tượng, các đặc trưng.

- Xây dựng chương trình thực nghiệm về mô phỏng tóc trong thực tại ảo.

3 Hướng nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu lý thuyết, thu thập, phân tích các tài liệu có liên quan đến đối

tượng của đề tài

- Nghiên cứu các kỹ thuật mô hình hóa, biểu diễn dữ liệu mô hình 3D; Mô

phỏng và hiển thị đối tượng 3D dạng sợi trên cơ sở biểu diễn các đặc trưng của đốitượng như điểm điều khiển, độ cong, trơn,…

- Cài đặt thử nghiệm, đánh giá, quan sát và hiệu chỉnh ảnh, kết xuất được các

thành phần, thuộc tính,… của đối tượng mô phỏng ra file định dạng nhằm phục vụcho các yêu cầu thực tế

4 Những nội dung nghiên cứu chính

Bố cục như sau:

Đề tài bao gồm phần mở đầu, phần kết luận và 3 chương nội dung được cấu trúc như sau:

Chương 1: Tổng quan về thực tại ảo và mô phỏng dạng sợi

Trình bày 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, vaitrò 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 cứuthử nghiệm đối tượng dạng sợi dưới dạng là sợi tóc, mảnh tóc hay mái tóc trên conngười ảo Đồng thời giới thiệu khái quát về vai trò của tóc cũng như mô hình hóa vàđiều khiển các mô hình tóc trên hệ thống con người ảo

Chương 2: Một số kỹ thuật mô phỏng đối tượng dạng sợi

Trình bày ba kỹ thuật mô phỏng, cụ thể: Kỹ thuật mô phỏng sợi dưới dạng ảnhdựa vào phân chia mô hình 3D thành các vùng tương ứng và kỹ thuật ánh xạ, nhằmkhắc phục hiện tượng biến dạng trong quá trình ánh xạ từ ảnh sợi 2D lên các vùng

mô hình 3D tương ứng; Kỹ thuật mô phỏng sợi sử dụng mô hình NURBS nhằm tăngtốc độ mô phỏng, thể hiện tính cục bộ của sợi dựa vào giảm miền ảnh hưởng củacác

điểm điều khiển lên một điểm đang xét; Kỹ thuật mô phỏng Mass-Springs thì nhữngsợi khác nhau, những thuộc tính ràng buộc khác nhau được thiết lập và lựa chọn đểtạo 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 giữanghiên 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

+ Nghiên cứu, đánh giá và lựa chọn phương pháp, giải pháp công nghệ cài đặtthử 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 hệthống 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 kếtquả mô phỏng

- Là cơ sở khoa học nhằm hỗ trợ nâng cao hiệu quả và thay đổi nhìn nhận vềlĩnh vực ứng dụng Công nghệ thông tin, cụ thể là ứng dụng Thực tại ảo vào môphỏng 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 vàxây 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 đánhdấu 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 vàthay 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 củacông nghệ thông tin và đã có nhiều quan điểm khác nhau về đồ họa máy tính Tuynhiên, 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 sởtoán học, các thuật toán cũng như các kỹ thuật để cho phép tạo, hiển thị và điềukhiển hình ảnh trên màn hình máy tính Đồ họa máy tính có liên quan ít nhiều đếnmột 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 dùngtrong 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 phươngpháp và kỹ thuật tạo hình ảnh từ các mô hình toán học mô tả các đối tượng hay dữliệu lấy được từ các đối tượng trong thực tế

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phần cứng và phần mềm, cũng nhưcác yêu cầu khắt khe của con người thì đồ họa máy tính đã phát triển vượt bậc Ngàynay, đồ họa máy tính không chỉ đơn thuần là mô hình hoá và hiển thị các đối tượngvật thể thực vào trong máy tính mà đã phát triển lên một tầng cao mới, đó là đồ họamáy tính có khả năng tương tác, tức là con người có thể điều khiển, tương tác đượcvới 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 cáclĩnh 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 thểđịnh nghĩa như sau:

Thực tại ảo là một môi trường ba chiều được phát sinh, tổng hợp và điều khiểnthông qua máy vi tính nhằm mục đích mô phỏng lại thế giới thực hoặc một thế giớitheo tưởng tượng của con người Đồng thời, thực tại ảo cho phép người dùng thôngqua các thiết bị ngoại vi và bộ chuyển đổi tương tác với những sự vật, hành động củathế 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 cảmnhận được một vật khi chạm vào vật đó Trong đó thiết bị ngoại vi sẽ làm nhiệm vụchuyển những hoạt động của người sử dụng vào bộ chuyển đổi, sau đó bộ chuyểnđổi sẽ chuyển những tín hiệu này thành các tương tác vào môi trường ảo, đồng thờimôi trường cũng chuyển những tác dụng của nó đến bộ chuyển đổi và bộ chuyểnđổi chuyển đến các thiết bị ngoại vi, sau đó các thiết bị ngoại vi sẽ tác động đếnngười 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 bịrất nhạy nhằm xác định vị trí góc quay của HMD Từ đó, hệ thống sẽ tính toán gócnhìn 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 taycầm ở màn hình Khi bạn nhìn vào màn hình dịch chuyển nó, lập tức thiết bị nhạycũng 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, côngnghệ mới ngày càng đưa ra nhiều thiết bị hiện đại hơn cho phép con người tiến gầntới thực tại ảo hơn, như: găng tay dữ liệu, áo dữ liệu và các thiết bị đầu vào ba chiềunhư 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 đồhoạ và các thông tin này luôn luôn biến đổi Do đó, trong các ứng dụng thực tếkhông thể dùng các phương pháp thông thường để truy cập bộ nhớ đồ họa, mà phảidùng 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, dướiđây 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 vũkhí, 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 tiệngiáo dục rất mạnh đối với một số ngành nghề đòi hỏi phải thực hành như huấnluyện phi công, lái xe,

Y học: Việc ứng dụng thực tại ảo vào y học khá phong phú Đặc biệt ở Mỹ,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin –

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 Cácbác sĩ cũng có thể tiến hành các cuộc phẫu thuật từ xa thông qua các thiết bị củathực 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 kỳcủa 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 vớihàng hoá để có thể đánh giá chất lượng mà không cần có hàng trực tiếp, Trong dulịch, 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 làtrong môi trường đó con người có thể thực hiện những điều mà trên thực tế họkhông thể thực hiện được Với khả năng kết hợp các thiết bị vào ra, các hiệu ứng đồhoạ chỉ có thể thấy được trên máy tính, thực tại ảo nhanh chóng trở thành một ứngdụng 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, nhữngcảnh mà trên thực tế không thể thực hiện được Trong điện ảnh, con người có thểdựng được những thước phim tưởng chừng như không thể dựng được với các kỹ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin –

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 conngười 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 bayđến 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 Chấtliệu được ứng dụng vào việc mô phỏng cho nhiều đối tượng khác nhau, do đó nógồm 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 thuỷtinh, bình đựng dung dịch”, “bàn gỗ, giá đỡ, đinh ốc” Tóc là một loại chất liệukhông 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 đượcứng dụng phổ biến trong việc mô hình hoá và mô phỏng các đối tượng trong thựctại 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 Hiệnnay, 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 điềukhiển về mặt hình dạng

Kỹ thuật mô hình hóa vật thể được xây dựng dựa trên các thông tin biểu diễnđầy đủ, chính xác, rõ ràng một đối tượng trong không gian, chúng có thể tạo ra các

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin –

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 vịtrí và giá trị mẫu Thuận lợi của ứng dụng này là dễ dàng thay đổi ảnh bằng cáchthay đổi màu sắc hay vị trí của các điểm ảnh, hoặc di chuyển vùng ảnh từ nơi nàysang nơi khác Tuy nhiên, điều bất lợi là không thể xem xét đối tượng từ các gócnhìn khác nhau Ứng dụng đồ họa dựa trên đặc trưng hình học bao gồm các đốitượng đồ họa cơ sở như đoạn thẳng, đa giác, Chúng được lưu trữ bằng các môhình 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 cácđiểm 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 phầnmềm chuyên dụng Hiện nay, có rất nhiều phần mềm chuyên dụng xử lý 3D khácnhau như: Maya, 3DS Max, Bryce 3D, InfiniD, Soft Image, … nhưng được đánhgiá mạnh nhất và hay sử dụng nhất là hai phần mềm: Maya và 3DS Max Hai phầnmềm 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 tượnggắn 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 dụnghiện 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 hìnhcầu, hình trụ, hình hộp, mặt phẳng, đường cong,…Từ các đối tượng nguyên thuỷnày ta sử dụng các thao tác như dịch chuyển, xoay, co giãn cùng với các kỹ thuật

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin –

chỉnh sửa như cắt xén, mở rộng, thêm bớt… để tạo nên đối tượng mong muốntrong 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 màusắc, da, tóc , mắt …) và được tạo các chuyển động mô phỏng một cách sinh độngcác 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 củađối tượng, 4 khung nhìn này sẽ cho ta nhìn được đối tượng ở các góc độ khác nhaumột 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin –

nhìn này ta có thể thao tác dễ dàng hơn, khi một thay đổi xuất hiện ở một khungnhìn 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 độnày như là các đường kinh tuyến và vĩ tuyến của trái đất Hệ tọa độ này chủ yếuđược 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 chunglàm 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 thể3D 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 hiệnnhân 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 racác khung dựng của các đối tượng, ta có thể tưởng tượng giai đoạn này là quá trìnhtạo 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 hoạthọa (animation) để tạo hoạt động cho người Ta có thể hiểu rõ công việc của từnggiai đoạn bằng các hình ảnh minh họa ở hình 1.4 và hình 1.5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin –

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

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 vàotừng đối tượng cụ thể, ta dùng phương pháp sao cho phù hợp với thuộc tính của cácloại đối tượng đó Chẳng hạn, để biểu diễn các đối tượng Euclid đơn giản như là cáckhối ellipse, khối đa diện ta sử dụng các mặt đa giác và mặt bậc hai Để biểu diễncác mặt tròn xoay và các đối tượng dùng để thiết kế các mô hình máy bay, bánhrăng 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 diễnmột cách chính xác các đối tượng như mây, thảm cỏ và các đối tượng tự nhiên khác

Biểu diễn mặt lư ớ i 3 D : 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 thểtrông thấy thông qua các mặt phẳng cắt ngang)

Khi thể hiện bằng mô hình này, các đối tượng này không giống thực tế lắm Vìvậy, người ta dùng các kỹ thuật tạo bóng và loại bỏ các đường và mặt khuất Môhình này thường nhanh nên người ta thường dùng nó trong việc xem phác thảo cácđối 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 thànhcác tam giác.

Biểu diễn bề mặt trơn t ham 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 Mỗithành 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 quacác thiết bị như bàn phím, chuột hay Joystick/Trackball/ Keyboard/Styplus để cungcấp 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 mớiđược 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 hòaDân chủ Nhân dân Lào, công nghệ VR đang dần được chú ý bởi những thế mạnhcủa nó chẳng hạn như cho phép tạo và hiển thị được dữ liệu lớn Điều này rất quantrọng cho những ứng dụng như là tạo thiết kế đô thị, ứng phó với các tình huốngkhẩn cấp, du lịch, giải trí, quản lý giao thông, xây dựng những dự án quy mô lớn, vàgiáo 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 hệthống là mô phỏng các hiệu ứng quan sát và cảm nhận khi thị sát trên một khu vựcnhất định Hệ thống này là sự kết hợp các kỹ thuật mô phỏng sử dụng đồ hoạ 3Dvới các thiết bị phần cứng

Mô phỏng là quá trình "bắt chước” một hệ thống có thực Các chương trìnhmáy tính hiện nay có thể tạo ra các Models Mô phỏng như Mô phỏng về binh khí kỹthuật, 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 gianthực

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 trangthiết bị và khả năng của chúng trong các hoạt động tác chiến trên chiến trường, cáchoạt động của chiến sỹ các quân binh chủng khác nhau trên chiến trường, các hoạtđộng tác chiến của các đơn vị trên chiến trường trong các điều kiện thời tiến, khíhậu, 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 hệthống đều được mô tả định tính, định lượng dựa trên cơ sở của những thuật toánngẫu 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 trìnhmáy tính hiện nay có thể tạo ra các Models 2D & 3D như Mô phỏngvề binh khí kỹthuật, 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 gianthực

Mô phỏng là một công cụ hiệu quả và quan trọng bởi nó giúp người sử dụngcác phương thức các thiết kế lựa chọn (hoặc kế hoạch tác chiến, phương án sử dụnglực lượng, đồng thời có thể lựa chọn đến tối ưu hóa các giải pháp đề ra, phát huycao nhất năng lực cán bộ chiến sỹ) đánh giá chính xác kế quả mà không cần phảithực 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 khôngcần 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 hiệnđại Thông thường khi đào tạo, huấn luyện trong điều kiện thực tế, chúng ta đã sửdụng nhiều mô hình mô phỏng, như các khí cụ, phương tiện huấn luyện như các môhình cắt bộ là những công cụ mô phỏng đơn giản đầu tiên giúp người chiến sỹ, họcviên hiểu được tính năng, cấu tạo và thông qua lời giảng của cán bộ huấn luyện, đãhiểu được cơ bản những vấn đề cần truyền đạt

Công nghệ mô phỏng được sử dụng thường xuyên trong các lĩnh vực khácnhau như: các hoạt động diễn tập, huấn luyện tác chiến cấp phân đội, từ tổ 3 ngườiđến 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 đượcdiễn 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 rộngrãi 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 Khônggian chiến trường đã chiều, đa hướng công kích với rất nhiều mũi tấn công tànghình, bí mật, bất ngờ, từ trên vũ trụ, trên không, trên mặt đất, trên đại dương và dướiđại dương với sức công phá rất lớn, độ chính xác cao và có tính hủy diệt mục tiêurất nghiêm trọng

Đứng trước những biến đổi vô cùng phức tạp của chiến tranh hiện đại, ngoàinhiệm 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 kỹcác phương tiện chiến tranh của các nước có nền công nghiệp quân sự hiện đại, nắmchắc 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 chiếntrường, có trình độ kỹ chiến thuật cao để có thể sử dụng các loại vũ khí thôngthường, hiện có trong biên chế để đánh thắng vũ khí công nghệ cao, có khả năng chỉhuy và điều khiển các hoạt động tác chiến chính xác trong môi trường chiến tranhhiện 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 trongđiều khiển chiến trường Với những nước có nền công nghiệp phát triển, đã từngbước ứng dụng công nghệ mô phỏng vào các hoạt động huấn luyện, giảng dạy vàđào tạo, từng bước đưa công nghệ mô phỏng 3D vào thực tế nhiệm vụ bảo vệ Tổquốc

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 củanước ngoài, giống như sự phát triển của xã hội, công nghệ mô phỏng 3D phải phùhợp 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 xãhội

Chính vì vậy, phát triển công nghệ mô phỏng 3D thường bắt đầu từ việc môhình 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 thựctại ảo, vì thực tại ảo thực chất là môi trường 3D gồm có các đối tượng (3D) đượcsắp xếp, bố trí theo một trật tự logic theo thực tế và có thể tương tác, chuyển độngtùy thuộc vào từng loại đối tượng khác nhau Đối tượng trong thực tại ảo có thể làđối tượng tĩnh, động và đối tượng tổng hợp cả tĩnh và động, đối tượng tồn tại dướinhiều hình dạng khác nhau phù hợp với các đối tượng trong thực tế, có đối tượngdạng 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 yêucầu việc mô hình hóa và mô phỏng đối tượng dạng sợi ở mức độ trung thực khácnhau Với những ứng dụng không yêu cầu cao tính trung thực của đối tượng mà yêucầu về tốc độ tính toán thì chúng ta có thể mô hình hóa và mô phỏng đối tượng dạngsợi ở mức thô, tức có thể là hình ảnh, còn những ứng dụng yêu cầu tính trung thựccao 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 tượngdạng 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 diễnđược các thành phần biến cần thiết để đối tượng có thể tương tác và chuyển độngđược như lực hấp dẫn, trọng lực, Để mô hình hóa và mô phỏng được những đốitượng dạng sợi trong thực tại ảo, ngày nay đã có nhiều nhà khoa học trong nước vàthế giới đã quan tâm nghiên cứu và họ đã đề xuất nhiều công trình khoa học khácnhau và cũng có nhiều phương pháp được đề xuất Một trong những phương phápđược 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; AnnaSokol sử dụng NURBS tổng quát để mô phỏng sợi tóc và những tương tác, chuyểnđộng 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, nhữngtương tác của vải

Hình 1.7 Mô phỏng sợi, mảnh vải

Như vậy, NURBS tổng quát có thể được sử dụng tốt để mô hình hóa và môphỏng 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 nhàkhoa 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 mộtthực tế cho thấy là các dữ liệu trong các bài toán mô hình hóa và mô phỏng thườngquá lớn Điều này đã dẫn đến ảnh hưởng lớn trong quá trình mô phỏng các đốitượng này Trong khi, NURBS tổng quát chủ yếu đáp ứng về mặt chất lượng môhình của các đối tượng

Trong báo cáo luận văn thạc sỹ, tác giả tập trung vào mô phỏng thử nghiệmđối 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 tóckhông phải nhỏ Mái tóc cũng là một trong những yếu tố quyết định dáng vẻ củamỗi người Chúng ta có thể nhận ra bạn bè, người thân qua kiểu dáng cũng như cácđặc điểm của tóc Mái tóc đẹp làm ta trở nên duyên dáng hơn Với đà tiến bộ của xãhội ngày nay, nhiều người còn cho rằng một mái tóc đẹp sẽ giúp chúng ta dễ thànhcông 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 trởnên 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 nghệcao đó là kỹ xảo điện ảnh và game online Từ các mô hình tóc được thiết kế nhàsản xuất sẽ tạo ra các nhân vật với các sắc thái và tính cách phù hợp với nó Bêncạnh đó, việc tạo ra được mô hình tóc cũng đóng góp phần quan trọng trong an ninhphòng 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 lôngdựa 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, màusắc…khác nhau sẽ ảnh hưởng rất lớn tới quá trình làm các hiệu ứng tương tác củachúng 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 môphỏng tóc là một công việc yêu cầu nhiều thời gian và công sức, trí tuệ chứ khôngphải 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 conngười ảo là hiệu ứng tóc Hiệu ứng tóc tạo ra cảm giác thật, lôi cuốn cho hệ vốnkhông phải là những hình ảnh thật, nó tạo ra sự hài hoà, nhẹ nhàng cho nhữngchuyển động của đối tượng Việc thể hiện thành công hiệu ứng tóc trên mỗi đốitượng sẽ cho phép ta đi sâu vào thế giới ảo để tạo ra những giá trị thực cho cuộcsống con người Như vậy, chất liệu tóc có một vai trò hết sức quan trọng trong hệthống 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 hìnhtoán học sát với mô hình thực là vấn đề được quan tâm hàng đầu của các chuyêngia Việc nghiên cứu và mô hình hoá các mô hình phục vụ cho mô phỏng có xét đếncác yếu tố chất liệu của các đối tượng tham gia là một trong các hướng nghiên cứuđang 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 nhiềuđối 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 tượngtrong cuộc sống Ngoài ra, việc mô phỏng tóc còn làm cơ sở cho mô phỏng lông, vìlông 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 cơbản, góp phần vào việc tạo ra và mô phỏng những con người ảo Mặt khác, tóc làđối tượng phức tạp với số lượng lớn, nhiều kiểu dáng, hình dạng, màu sắc và tươngtác giữa tóc với tóc, giữa tóc với các đối tượng khác, Nên trong quá trình môphỏng tóc, cần phải dựa trên những đặc trưng về cấu trúc, kiểu dáng, của tócnhằm 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 môhình hoá và điều khiển các mô hình tóc nhằm mô phỏng tính chân thực của mô hìnhtóc 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 dạngcủa tóc, kết hợp các cấu trúc hình học của tóc và xác định mật độ, phân bố và địnhhướng 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 nhaugiữa tóc với tóc,… Ngoài ra, khâu này còn gồm việc mô phỏng tóc chuyển độngtheo thời gian thực, đặc biệt là mô phỏng thể hiện kết cấu, màu sắc, độ bóng, kiểudáng 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 chiềutrong 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 đốivới từng ứng dụng mà có thể sử dụng những phương pháp mô hình hoá, mô phỏngkhác 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 đểthử nghiệm và phát triển sản phẩm Trong công nghiệp giải trí với đặc trưng hìnhảnh 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 củatóc 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 cácđối 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 đódẫn 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 tròcủa tóc cũng như mô hình hóa và điều khiển các mô hình tóc trên hệ thống conngười 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 nhữnghướng tiếp cận được sử dụng phổ biến là theo hướng tiếp cận mô phỏng đối tượngdưới dạng khối, tức là cho phép mô phỏng dưới dạng ảnh 2D, rồi ánh xạ sang môhình 3D (Koh và Huang [9,10]; Gibbs[11]; Ward và Kim[12], Bando và cộngsự[13]) Tuy nhiên, cách này gây ra những biến dạng, tạo ra những chỗ lồi lõm vàảnh hưởng đến quá trình ánh xạ, vì trường hợp mô hình 3D có khi là mô hình mặtcong

Để giảm độ cong, khắc phục sự biến dạng và những chỗ lồi lõm khi thựchiện việc ánh xạ từ ảnh 2D sang mô hình 3D, người ta đã chia mô hình 3D thànhcác 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 vàHuang[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 sợinhư 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 3Dtương ứng Kỹ thuật đề xuất này nhằm giảm bớt độ cong của mô hình 3D, thuận lợicho việc ánh xạ các ảnh lên các vùng 3D tương ứng và linh hoạt trong việc môphỏng 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 môhình 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 nhânvật cần mô tả Hình 2.2 là minh họa cho ảnh tóc tương ứng với vùng lưới da đầu củanam giới

2

3 1 4

Hình 2.2 Ảnh che phủ (ảnh tóc) lên vùng lưới da đầu 3D

Việc ánh xạ các ảnh tóc hai chiều sang các vùng da đầu ba chiều tương ứng,

ba chiều Để giải quyết vấn đề này, người ta có thể sử dụng một trong hai cách sauđây:

i=1 n, P i là các điểm trên ảnh tóc, còn là các điểm tương ứng trên vùng da đầu

Việc tìm này thường dựa trên một tiêu chuẩn tối ưu nào đó, chẳng hạn tổng

độ lệch bình phương tối thiểu

Việc giải hệ phương trình tuyến tính này thường là phức tạp và phụ thuộc

Hình dưới đây minh họa quá trình ánh xạ ảnh tóc hai chiều lên vùng da đầu

f j y

x

(0,0,0)

Hình 2.3 Ánh xạ mảng tóc 2D lên vùng da đầu 3D

Cách thứ hai: Chiếu vùng da đầu 3D tương ứng xuống mặt phẳng 2D, khi đó

bài toán ánh xạ các ảnh tóc 2D lên các vùng da đầu 3D trở thành bài toán ánh xạ các

f j

Hình 2.4 Ánh xạ ảnh tóc 2D sang vùng da đầu 2D

2.1.4 Nội suy các điểm còn lại để đảm bảo ràng buộc trong một vùng tóc

Trong thực tế, khi ánh xạ các ảnh tóc 2D lên các vùng da đầu 3D tương ứngnhư trong kỹ thuật ánh xạ trên mục 2.1.3, đôi khi người ta thường chỉ ánh xạ mộtphần các điểm của ảnh tóc 2D lên vùng da đầu 3D tương ứng, các điểm còn lại sẽđược nội suy trên cơ sở các điểm này nhằm đảm bảo sự ràng buộc trong một vùngtóc và đặc biệt là thể hiện tính cục bộ tại các vị trí khác nhau trên từng vùng Mặc

dù, kỹ thuật ánh xạ được trình bày mục 2.1.3 đã đảm bảo việc ánh xạ các ảnh tócvào các vùng da đầu phù hợp trên mô hình hộp sọ 3D

f j

a) Ảnh tóc b) Nội suy điểm T’ sử dụng ánh xạ fj

Hình 2.5 Nội suy điểm T’ dựa vào điểm T trên ảnh tóc sử dụng ánh xạ f j

PiAj, Cj, i=1, ,n, j=1, ,6, Aj là sáu ảnh tóc, Cj là sáu vùng da đầu Chúng ta

Trong đó:

P’=f j (P) PP ax

đầu, cụ thể:

Tính các hệ số 1, 2, 3 dựa vào diện tích của các tam giác:

T= 1 *QQ u +2 *QQ v +3 *QQ w

Q u , Q v , Q w trên ảnh tóc bằng ánh xạ fj tìm được ở trên:

=f j (Q u ), =f j (Q v ), =f j (Q w )

= f j (T) = f j (1 *QQ u +2 *QQ v +3 *QQ w )

= 1 *Q +2 *Q +3 *Q (2.3)

a) Lưới tam giác và nội suy điểm b) Tóc sau khi nội suy

Hình 2.6 Nội suy các điểm còn lại thuộc tam giác

2.1.5 Nội suy vùng tiếp giáp

Hàm ánh xạ f tìm được trong kỹ thuật ánh xạ trên mục 2.1.3 thực hiện ánh xạcác ảnh tóc 2D lên các vùng da đầu 3D sẽ tạo ra vùng tiếp giáp giữa các mảng tóctrên bề mặt da đầu chưa đảm bảo được trơn và liên tục

Mặt khác, khi thực hiện chia bề mặt da đầu 3D thành các vùng da đầu thìmột điểm thuộc vùng biên (ranh giới) giữa các vùng có thể sẽ tạo ra hai điểm thuộc

về hai vùng da đầu có giá trị toạ độ khác nhau (điểm M, N) Do đó, khi ánh xạ từ

đảm bảo các vùng tiếp giáp được trơn và liên tục, chúng ta sử dụng kỹ thuật nội suypháp tuyến để xấp xỉ hai điểm M, N thành điểm V

a) Vùng tiếp giáp b) Cách tính vectơ pháp

Hình 2.7 Nội suy vùng tiếp giáp giữa hai vùng da đầu

là hai vectơ pháp tuyến tại hai điểm M, N tương ứng Độ dài đoạn MV và NVtương ứng là a và b

tại các điểm M và N tương ứng Sau khi tính được các vectơ pháp tuyến tại M

Như vậy, ta xuất phát từ một vectơ pháp tuyến cho mỗi điểm hoặc điểm ảnh,

đó là một xấp xỉ đối với pháp tuyến thực trên bề mặt cong được xấp xỉ Sau đó,

Hình 2.8 là mô hình tóc được mô phỏng bởi 6 mảng tóc tương ứng 6 vùng dađầu, mô hình tóc trước và sau khi nội suy vùng tiếp giáp giữa các cặp mảng tóc

a) Tóc trước khi nội suy b) Tóc sau khi nội suy

Hình 2.8 Tóc trước và sau khi nội suy vùng tiếp giáp giữa các mảng tóc

2.1.6 Thuật toán mô phỏng tóc SDMT

Thuật toán mô phỏng tóc SDMT (Scalp Division and Mapping Technique)thực hiện việc mô phỏng tóc dựa vào phân chia da đầu và kỹ thuật ánh xạ trên cơ sởtổng hợp các mục 2.1.3, 2.1.4 và 2.1.5

Thuật toán bao gồm hai hai chính:

các điểm nội suy để đảm bảo tính ràng buộc trong một vùng

Pha 2: Nội suy các cặp điểm tương ứng thuộc hai vùng tiếp giáp nhau bằngcách sử dụng phép nội suy theo hướng vectơ pháp tuyến nhằm đảm bảo độ trơn vàtính liên tục trên mô hình tóc kết quả

Thuật toán mô phỏng tóc SDMT:

6 ảnh tóc tương ứng A={Aj}|j=1, ,6,

Đầu ra: Bề mặt da đầu C đã phủ ảnh tóc A

Các bước thực hiện của thuật toán:

Begin

j=1, ,6begin

với P iA j , C j , i=1, ,n

Tìm ánh xạ f j :A jC j

Ngược lại, quay lại Bước 1 hoặc kết thúc.

P’=f j (P) PP ax

4.2 Với TP ns

begin+ Tìm một tam giác Q u Q v Q w chứa điểm T và Q u , Q v , Q w thuộc P ax

Tính các hệ số 1 , 2 , 3:

1 =S(Q u Q v T)/S(Q u Q v Q w )

2 =S(Q v Q w T)/S(Q u Q v Q w )

3 =S(Q w Q u T)/S(Q u Q v Q w ) //S là diện tích của các tam giác

Sao cho 1 +2 +3 =1 và 1 , 2 , 3[0,1]

Khi đó, xác định được điểm TQ u Q v Q w của Aj ứng với các hệ số 1, 2, 3:

T= 1 *QQ u +2 *QQ v +3 *QQ w

=f j (Q u ), =f j (Q v ), =f j (Q w )

TQ u Q v Q w:

Tính vectơ pháp tuyến tại điểm V:

Điểm V thuộc vào đoạn MN, a=MV, b=NV.

End.

* Nhận xét: Thuật toán SDMT thực hiện việc ánh xạ 6 ảnh tóc lên 6 vùng da

đầu tương ứng luôn đảm bảo tính đúng đắn và cho kết quả, vì:

- Số điểm trên các ảnh tóc và vùng da đầu đều xác định, nên việc lựa chọn

được thực hiện

- Trong quá trình ánh xạ, đôi khi chỉ ánh xạ một phần các điểm từ ảnh tóc lênvùng da đầu, các điểm còn lại người ta sử dụng phương pháp nội suy nhằm đảm bảotính ràng buộc và thể hiện tính cục bộ trong một vùng

- Việc ánh xạ từ 6 ảnh tóc lên 6 vùng da đầu tương ứng sẽ không đảm bảo độtrơn và tính liên tục tại các vùng tiếp giáp Do đó, việc sử dụng phép nội suy hướngcủa vectơ pháp tuyến sẽ đảm bảo cho vùng tiếp giáp của mô hình kết quả được trơn

và liên tục, làm tăng thêm tính chân thực của tóc