ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Trần Trung Billboard và giả lập mô hình 3D trong thực tại ảo
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngành: Công Nghệ Thông tin
Mã số: 60.48.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Đỗ Năng Toàn
Hà Nội - 2007
1
LỜI CAM ĐOAN
Nội dung luận văn này chưa từng được công bố hay xuất bản dưới bất kỳ
hình thức nào và cũng không được sao chép từ bất kỳ một công trình nghiên cứu
nào.
Tất cả phần mã nguồn của chương trình đều do tôi tự thiết kế và xây dựng,
3
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 1
LỜI CẢM ƠN 2
MỤC LỤC 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 4
PHẦN MỞ ĐẦU 5
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ ĐỒ HỌA 3D 7
1.1. Thực tại ảo và ứng dụng 7
1.1.1. Thực tại ảo là gì? 7
1.1.2. Sơ lƣợc lịch sử phát triển 10
1.1.3. Các ứng dụng cơ bản của Thực tại ảo 11
1.1.3.1. Kiến trúc và thiết kế thiết bị công nghệ 11
1.1.3.2. Giải trí 13
1.1.3.3. Giáo dục và Đào tạo 14
1.1.3.4. Y học 15
1.2. Biểu diễn mô hình 3D 17
1.2.1. Sơ lƣợc về quy trình hiển thị 17
1.2.2. Mô hình khung nối kết (Wireframe Model) 19
1.2.2.1. Khái niệm 19
1.2.2.2. Biểu diễn các vật thể ba chiều bằng mô hình khung nối kết 19
1.2.2.3. Vẽ các đối tượng theo mô hình khung nối kết bằng cách sử dụng các phép
chiếu 21
1.2.3. Biểu diễn đối tƣợng ba chiều 27
1.2.3.1. Biểu diễn mặt đa giác 28
1.3. Tổng quan về Billboard 35
CHƢƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT TẠO LẬP BILLBOARD 37
2.1. Các kỹ thuật billboard trụ 37
1.14 Vector pháp tuyến của mặt phẳng 31
1.15 Vector pháp tuyến hướng từ trong ra ngoài 31
1.16 Minh họa cách xác định mặt phẳng 33
1.17 Cách tạo ra một patch 34
1.18 Strip và quadrilateral mesh 34
2.1 Cách quay đối tượng trong kỹ thuật billboard trụ thực sự 41
2.2 Xác định góc quay trong billboard trụ thực sự (a) 42
2.3 Xác định góc quay trong billboard trụ thực sự (b) 43
2.4 Xác định góc quay trong billboard trụ thực sự (c) 43
2.5 Phương pháp giả billboard cầu 47
2.6 Bản chất của phương pháp giả billboard cầu 47
2.7 Phép quay đối tượng quanh right vector 51
3.1 Những cái cây khi chưa áp dụng kỹ thuật billboard 57
3.2 Những cái cây sau khi áp dụng kỹ thuật giả billboard trụ 57
3.3 Áp dụng phương pháp giả billboard trụ 58
3.4 Áp dụng phương pháp billboard trụ thực sự 58
3.5 Áp dụng phương pháp giả billboard cầu 60
3.6 Áp dụng phương pháp billboard cầu thực sự 60 5
PHẦN MỞ ĐẦU
Ngày nay trước sự phát triển mạnh của các ngành khoa học kỹ thuật
và những ứng dụng của khoa học kỹ thuật vào cuộc sống đã mang lại hiệu quả
to lớn đặc biệt là Công nghệ thông tin. Bất kỳ đâu và bất kể lĩnh vực nào của
cuộc sống Công nghệ thông tin đều có mặt, hiệu quả mà Công nghệ thông tin
mang lại thật to lớn và là điều được tất cả mọi người quan tâm.
hiện nay ở Việt Nam chưa nhiều. Xuất phát từ những lý do trên, dưới sự gợi ý
của thầy hướng dẫn, em đã chọn đề tài “Billboard và giả lập mô hình 3D
trong thực tại ảo”.
Bố cục của luận văn gồm Phần mở đầu, Phần kết luận, Tài liệu tham khảo
và 3 chương nội dung, cụ thể:
Chương 1: Tổng quan về Thực tại ảo và đồ họa 3D
Trình bày tổng quan về thực tại ảo, các lĩnh vực ứng dụng cơ bản của
thực tại ảo, các kỹ thuật biểu diễn bề mặt trong xây dựng mô hình và đặt ra
nhiệm vụ của luận văn là nghiên cứu các kỹ thuật billboard và ứng dụng trong
giả lập mô hình 3D.
Chương 2: Các kỹ thuật tạo lập Billboard
Trình bày hai phương pháp tạo lập billboard là billboard cầu và billboard
trụ, ứng với mỗi phương pháp là các kỹ thuật giả billboard và kỹ thuật
billboard thực sự.
Chương 3: Ứng dụng trong xây dựng mô hình 3D
Xây dựng chương trình áp dụng các kỹ thuật tạo lập billboard để giả lập
đối tượng 3D bằng hình ảnh 2D. 7
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ ĐỒ HỌA 3D
Công nghệ thông tin đã và đang xuất hiện trong mọi lĩnh vực của xã hội.
Tuy nhiên phần lớn các mô hình được xây dựng trên máy tính là hai chiều và
con người không thể tương tác với các đối tượng trong mô hình đó như là ở
trong thế giới thực, những chương trình nghiên cứu khắc phục nhược điểm này
đã dẫn đến việc xuất hiện một lĩnh vực mới của Công nghệ thông tin
đó là thực tại ảo.
1.1. Thực tại ảo và ứng dụng
Thực tại ảo là một lĩnh vực mới ở nước ta và có ít công trình nghiên cứu về
lĩnh vực mới này tuy nhiên những ứng dụng và hiệu quả của thực tại ảo là vô
và chúng ta có thể trải nghiệm những chuyện li kỳ như trong phim "Ma trận"
(Matrix) của anh em nhà Wachowski. Để thật sự cảm nhận thực tại ảo,
chỉ màn hình máy tính không đủ mà cần cả một hệ thống trình chiếu, các thiết bị
cảm ứng, mũ và kính đặc dụng
VR có tiềm năng ứng dụng rất lớn. Giới quân sự sử dụng công nghệ VR để
mô phỏng chiến địa, tạo các thiết bị và môi trường ảo giúp tập bắn, tập lái xe
tăng, lái máy bay Với một máy tính cài phần mềm xem thực tại ảo, các
kiến trúc sư có thể giúp khách hàng của mình nhìn ngắm bên ngoài, xem xét bên
trong ngôi nhà mà họ sắp xây. Khách hàng còn có thể tải thử các loại đồ nội
thất ảo từ server của một nhà cung cấp về bố trí trong nhà ảo xem có ưng ý hay
không. Các bác sĩ có thể thử nghiệm phẫu thuật trên những bệnh nhân
mô phỏng, vừa nâng cao tay nghề, vừa giảm nguy hiểm cho người bệnh.
Các công ty du lịch có thể cho khách xem trước khách sạn và một phần
quang cảnh địa phương nơi khách sắp đến du lịch.
Thời gian gần đây, VR đã được ứng dụng nhiều trong sản xuất, chế tạo
robot, hiển thị thông tin (thăm dò dầu mỏ, dự báo thời tiết), giáo dục,
thương mại, bất kỳ lĩnh vực nào. Những ứng dụng đó phụ thuộc rất nhiều vào
khả năng tưởng tượng của con người. Trí tưởng tượng (Imagination), được coi là
một đặc tính của VR. 9
Ấn tượng nhất có lẽ là ứng dụng VR trong giải trí. Tại Nhật Bản, người ta
đã xây dựng những "phòng trượt tuyết ảo". Tới đó, người chơi không chỉ được
trượt tuyết thỏa thích mà còn tha hồ lựa chọn những bãi tuyết đẹp trên thế giới.
Nếu bạn muốn thử nhảy dù từ một độ cao thật đáng sợ, VR sẽ giúp bạn
trải nghiệm cảm giác đó. VR cũng có thể đặt chúng ta vào những môi trường
giả tưởng, hoàn toàn khác thế giới thực nhưng lại rất thực theo cảm nhận của các
giác quan. Theo hướng này, sự ly kỳ của những game nhập vai trong thực tại ảo
có lẽ chỉ còn phụ thuộc vào biên độ của trí tưởng tượng.
1.1.2. Sơ lƣợc lịch sử phát triển
Mặc dù Thực tại ảo được mô tả như một công nghệ mới mang tính
cách mạng, nhưng ý tưởng về việc nhúng người sử dụng vào một môi trường
nhân tạo không còn mới. Thực tại ảo có thể được xem như một sự mở rộng của
những ý tưởng đã ra đời khá lâu như hệ thống mô phỏng bay (flight simulation),
rạp chiếu phim màn ảnh rộng (như Cinerama hay IMAX). Sử dụng các hệ thống
như vậy, người dùng được quan sát hình ảnh trong một màn hình có trường nhìn
rộng lớn cho họ cảm giác như đang tồn tại trong trường không gian đó.
Sự ra đời của các máy điện toán mini và bài báo khoa học của
Ivan Sutherland có tên “Màn hình tối tân” (Ultimate Display) vào năm 1965
được xem là hai bước đột phá lớn vào những năm 1960 cho công nghệ
Thực tại ảo. Trong bài báo của mình, Sutherland đã tiên đoán sự phát triển của
Thiết bị Hiển thị đội đầu (Head Mounted Display-HMD) đầu tiên, mà sau đó
chính ông đã tạo ra một thiết bị như vậy, có tên là “Thanh kiếm của Damocles”
(The Sword of Damocles). Sutherland cũng nhận ra tiềm năng của
máy điện toán trong việc tạo lập hình ảnh cho hệ thống mô phỏng bay, trong khi
những hình ảnh này trước đó được xây dựng bằng video camera.
Những ý tưởng này được hai nhà khoa học Mỹ ở NASA là Fisher và
McGreevy kết hợp lại trong một dự án có tên là “trạm làm việc ảo”
(visual workstation) vào năm 1984. Cũng từ đó NASA phát triển
thiết bị Hiển thị đội đầu có tính thương mại đầu tiên, được gọi là 11
màn hình môi trường trực quan (visual environment display - VIVED), thiết kế
dựa trên mẫu hình mặt nạ lặn với các màn hình quang học mà hình ảnh được
cung cấp bởi hai thiết bị truyền hình cầm tay Sony Watchman. Sự phát triển của
thiết bị này đã thành công ngoài dự đoán, bởi NASA đã sản xuất được một
thiết bị HMD có giá chấp nhận được trên thị trường, và như vậy ngành
công nghiệp Thực tại ảo đã ra đời.
hình ảnh lập thể của công nghệ Thực tại ảo cho phép người thiết kế thể hiện
được một cách trực quan nhất ý tưởng thiết kế của mình, đánh giá cơ bản về
hiệu năng của thiết bị dựa trên những thử nghiệm mô phỏng trên thiết bị ảo, từ
đó có những hiệu chỉnh cần thiết trước khi thiết bị thực sự được sản xuất.
Điều này rõ ràng góp phần không nhỏ trong thành công của thiết bị công nghệ,
giảm bớt những chi phí phát sinh.
1.2 Ứng dụng công nghệ Thực tại ảo trong thiết kế thiết bị công nghệ 13
1.1.3.2. Giải trí
Thị trường giải trí cũng là một ứng dụng tiêu biểu khác của các môi trường
Thực tại ảo. Trên thực tế, đây là lĩnh vực ứng dụng lớn nhất xét theo khía cạnh
lợi ích về tài chính. Rất nhiều công ty đang sản xuất ra các trò chơi có sử dụng
các nguyên lý Thực tại ảo. Số lượng người bị cuốn hút theo các trò chơi như
vậy, đặc biệt là giới trẻ, tăng theo cấp số nhân đánh dấu tiềm năng thương mại
to lớn của công nghệ Thực tại ảo trong lĩnh vực này.
1.3 Ứng dụng thực tại ảo trong lĩnh vực giải trí
Hơn thế, ngành công nghiệp trò chơi điện tử có những ảnh hưởng to lớn tới
lĩnh vực Thực tại ảo. Nó tạo ra động lực cần thiết để thúc đẩy sự phát triển của
rất nhiều phần cứng Thực tại ảo, chẳng hạn như card tăng tốc đồ hoạ
(graphic accelerator cards). Nếu như chúng ta trở lại khoảng 10 năm về trước,
thật khó có thể tìm thấy một card tăng tốc đồ hoạ có đủ năng lực tính toán
cần thiết cho phép tạo ra các ứng dụng Thực tại ảo thời gian thực. Tại thời điểm
đó, những chiếc card như vậy trị giá hàng ngàn đô-la và chỉ đủ khả năng
sinh 100.000 đa giác/giây ở mức độ phân giải trung bình. Những thiết bị
phần cứng khác như Găng tay dữ liệu (DataGloves) và Thiết bị hiển thị đội đầu
(Head Mounted Displays-HMD) cũng chịu ảnh hưởng phần nào của
sự hứng thú trong học tập cũng như khả năng ghi nhớ các khái niệm quan trọng
trong bài giảng. Xét về mặt này, khả năng tương tác với môi trường ảo là một
khía cạnh đáng lưu ý. Nếu thiếu đi khả năng tương tác (hai chiều) giữa
môi trường ảo và người tham dự, Thực tại ảo không gì khác hơn là
một giao diện lập thể ấn tượng nhưng không có sự sống. Trong các
phòng thí nghiệm hay huấn luyện ảo, thực hiện các thao tác trên các đối tượng
trong môi trường ảo, nhận được những phản hồi kịp thời và có nghĩa từ các
vật thể và môi trường là một trong những yếu tố tiên quyết khiến cho học viên
có cảm nhận đang được trải nghiệm trong những tình huống thực. Từ đó,
học viên nắm bắt được nhanh chóng và có ý thức hơn với những
tính huống được học.
1.1.3.4. Y học
Y học là một trong những lĩnh vực ứng dụng tiềm năng trong công nghệ
Thực tại ảo và là một trong số ít lĩnh vực ứng dụng thuộc ngành khoa học
của Thực tại ảo. Cho đến nay, lĩnh vực nổi bật trong y học áp dụng thành công
công nghệ Thực tại ảo là giả lập giải phẫu (Surgical Simulation).
Trên cơ sở các kỹ thuật đồ hoạ máy tính và Thực tại ảo, hệ thống đào tạo
y học này bao gồm hai bộ phận cơ bản: Khối tương tác ba chiều là mô hình
sinh thể ảo cho phép người sử dụng thực hiện các thao tác giải phẫu thông qua
các dụng cụ giải phẫu ảo; Khối giao diện người dùng hai chiều cung cấp những
thông tin phản hồi trực quan từ mô hình trong quá trình giải phẫu cũng như
những thông tin hướng dẫn trong phiên đào tạo. 16 1.5 Phẫu thuật ảo – Phƣơng pháp đào tạo phẫu thuật mới dùng công nghệ Thực tại ảo
Phương pháp đào tạo có tính tương tác cao này mang nhiều ưu điểm so với
các phương pháp truyền thống như thực hành trên mô hình plastic hay trên bệnh
1.6 Quy trình hiển thị đối tƣợng ba chiều
Quy trình bắt đầu bằng việc xây dựng các mô hình đối tượng. Các mô hình
này thường được mô tả trong không gian ba chiều (x,y,z). Các mô hình thường
thể hiện vật thể (solid) hoặc bề mặt (boundaries) của đối tượng. Như vậy ta có
hai kiểu mô hình hóa. Trong solid modeling các đối tượng đồ họa cơ sở thường 18
được dùng để mô tả các đối tượng có thể tích (volume). Trong boundary
representations(B-reps), các đối tượng được định nghĩa bởi bề mặt của chúng.
Các mô hình thường được biểu diễn trong một hệ tọa độ cục bộ, mà ta gọi
là hệ tọa độ đối tượng. Trong hệ tọa độ này chỉ có bản thân đối tượng được định
nghĩa, vì vậy gốc tọa độ và đơn vị đo lường thường được chọn sao cho việc biểu
diễn đối tượng tiện lợi nhất.
Bước đầu tiên trong quy trình hiển thị là biến đổi đối tượng từ không gian
đối tượng (object-space) vào một không gian chung gọi là không gian thực
(world space). Trong không gian này các đối tượng, nguồn sáng, và người quan
sát cùng tồn tại. Bước này được gọi là giai đoạn biến đổi mô hình
(modeling transformation).
Bước tiếp theo là một bước tối ưu hóa. Trong giai đoạn loại bỏ đơn giản
(trivial rejection) ta cần loại trừ tất cả các đối tượng không thể nhìn thấy. Điều
này giúp chúng ta tránh được việc xử lí một số phần không cần thiết của cảnh
(scene) mà ta đang chuẩn bị hiển thị ở các bước sau.
Tiếp theo ta phải chiếu sáng (illumination) các đối tượng có thể nhìn thấy
được bằng cách gán cho chúng màu sắc dựa trên các đặc tính của các chất tạo
nên vật và các nguồn sáng tồn tại trong cảnh.
Sau khi chiếu sáng, ta phải thực hiện một phép biến đổi hệ tọa độ để đặt vị
trí quan sát (viewing position) về gốc tọa độ và mặt phẳng quan sát (viewing
plane) về một vị trí mong ước. Bước này gọi là bước đổi hệ quan sát. Sau bước
cho biết cặp các đỉnh tạo ra cạnh.
Bảng danh sách các cạnh và đỉnh biểu diễn vật thể
Vertex List
Edge List
Vertex
x
y
z Edge
Vertex1
Vertex2 20
1
0
0
0
back
side
1
1
2
2
0
1
5
5
1
6
1
0
0
front
side
6
6
7
7
1
1
0 7
7
8
8
1
1
1 8
8 12
2
7
13
3
8
14
4
9
(phẳng) của đối tượng. Mỗi mặt được định nghĩa bởi một đa giác bao.
1.2.2.3. Vẽ các đối tượng theo mô hình khung nối kết bằng cách sử dụng các
phép chiếu
Để vẽ các đối tượng biểu diễn bằng mô hình khung nối kết, đơn giản chúng
ta chỉ cần vẽ các cạnh trong danh sách các cạnh mà thôi. Tuy nhiên do các đỉnh
và cạnh đều được định nghĩa trong ba chiều nên vấn đề đặt ra ở đây là làm thế
nào để vẽ các đường thẳng ba chiều trong mặt phẳng hai chiều. Để làm điều này,
chúng ta phải thực hiện phép chiếu từ ba chiều vào hai chiều để bỏ bớt một
chiều. Có hai loại phép chiếu đơn giản thường dùng đó là phép chiếu song song
(parallel projection) và phép chiếu phối cảnh (perspective projection). Phép
chiếu song song sử dụng các đường thẳng song song đi qua các đỉnh của đối
tượng, trong khi đó phép chiếu phối cảnh dùng các đường thẳng qua các đỉnh
của đối tượng hội tụ về một điểm gọi là tâm chiếu (center of projection). Các
đường thẳng trên được gọi là tia chiếu và giao điểm của các đường thẳng này
với mặt phẳng chiếu (hay còn gọi là mặt phẳng quan sát (view plane)) chính là
các hình chiếu của các đỉnh hay còn gọi là điểm chiếu. Trong phần này, chúng ta
giả sử rằng mặt phẳng chiếu là mặt phẳng z=0.
Phép chiếu song song bảo toàn được mối quan hệ giữa các chiều của đối
tượng, đây chính là kĩ thuật được dùng trong phác thảo để tạo ra phần khung của
đối tượng ba chiều. Người ta dùng phương pháp này để quan sát chính xác ở các
mặt khác nhau của đối tượng. Tuy nhiên, phép chiếu song song không cho một
biểu diễn thực của đối tượng ba chiều.
Trong khi đó, phép chiếu phối cảnh tạo ra được biểu diễn thực hơn nhưng
lại không bảo toàn được mối liên hệ giữa các chiều. Các đường thẳng càng xa sẽ
có các ảnh chiếu nhỏ hơn. 22
Nói chung, kĩ thuật để vẽ một đường thẳng ba chiều là :
+ Chiếu mỗi điểm đầu mút thành các điểm hai chiều.
(top-view) hoặc dưới lên (bottom-view). Có hai phép chiếu khác
cũng khá thông dụng là:
Phép nhìn từ phía trước (front-view): Tia chiếu song song với trục x và
mặt phẳng quan sát là yz. Phép chiếu này loại bỏ thành phần x của P.
Phép nhìn từ phía bên cạnh (side-view): Tia chiếu song song với trục y và
mặt phẳng quan sát là xz. Phép chiếu này loại bỏ thành phần y của P.
Hình 1.9 minh họa ba phép chiếu trực giao đã đề cập ở trên lên một vật thể
là ngôi nhà. Nhận xét rằng với phép chiếu nhìn từ phía trước ta không phân biệt
được tường trước và tường sau vì chúng nằm chồng lên nhau, cũng tương tự cho
trường hợp phép chiếu nhìn từ phía bên cạnh.
Copyright: Tài liệu đại học ©