ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN TIẾN CÔNG

MÔ HÌNH HÓA 3D HỆ TIÊU HÓA TRONG
THỰC TẠI ẢO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên - 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Tên đề tài :
MÔ HÌNH HÓA 3D HỆ TIÊU HÓA TRONG THỰC TẠI ẢO
(3D MODELING DIGESTIVE SYSTEM IN VIRTUAL REALITY)
Giáo viên hƣớng dẫn : TS. Nguyễn Văn Huân
Học viên thực hiện :

Nguyễn Tiến Công

Lớp : Cao học Khóa 12 (CHK12C)
Cơ sở đào tạo : Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông (Đại học Thái Nguyên)
Chuyên ngành : Khoa học máy tính
Mã số chuyên ngành : 60.48.0101

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thày, cô giáo Viện Công nghệ Thông
tin quốc gia, Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại
học Thái Nguyên đã truyền đạt kiến thức và phƣơng pháp nghiên cứu khoa
học trong suốt thời gian học vừa qua.
Xin chân thành cảm ơn các anh chị em học viên Cao học K12C
và các bạn đồng nghiệp đã động viên, khích lệ tôi trong quá trình học
tập, nghiên cứu.
Và tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, ngƣời thân, những
ngƣời luôn động viên, khuyến khích và giúp đỡ về mọi mặt để tôi có thể hoàn
thành công việc nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn./.

Thái Nguyên - Tháng 6 năm 2015.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Tiến Công

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

MỤC LỤC
Nội dung

Stt

Chƣơng 1
1.1

Trang


17

Hệ tiêu hóa .........................................

17

2.1.1 Mô tả cấu tạo hệ tiêu hóa của ngƣời ..............................

17

2.1.2 Mô phỏng cấu tạo hệ tiêu hóa của ngƣời .................................

17

Công cụ mô hình hóa 3D ...................................................

2.2

28

2.2.1 Tổng quan về mô hình hóa 3D ..............................

28

2.2.2 Mô hình hóa 3D .................................

28

2.2.3 Các kỹ thuật dựng hình chính 3D .................................


2.4

48

2.4.1 Thêm tính chất bề mặt cho mô hình (Texturing) ..............................

48

2.4.2 Kết xuất(Rendering) .................................

50

Chƣơng 3

CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM

52

3.1

Yêu cầu bài toán .................................

52

3.2

Phân tích, lựa chọn công cụ .....................................................

52

Trang

Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3

Một hệ thống VR tại Viện Fraunhofer (CHLB Đức)
Ba đặc tính của VR
Các thành phần một VR

7
7
8

Hình 1.4

Công nghệ cho phép phục chế những di sản đang gặp nguy hiểm,
với bầu không khí và bối cảnh của các tòa nhà thuộc thời đại đó

11

Hình 1.5

Bảo tàng 3D ở gần công viên quốc gia Mures Floodplain
(Romania)

12

Hình 2.1
Hình 2.2

Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12

Quả bóng sau khi đã qua bƣớc thể hiện
Điểm, cạnh, mặt
Các đối tƣợng nguyên thuỷ của Polygon
Các kiểu làm trơn cho Polygon
Minh họa tiến trình dựng một chiếc búa bằng mô hình Polygon

32
34
35
36
36

Hình 2.13 Minh họa tiến trình dựng một chiếc búa bằng mô hình Polygon
Hình 2.14 Mặt phẳng Nurbs và Polygon
Hình 2.15 So sánh số điểm điều khiển giữa mô hình polygon và Nurbs

36
37
38

Hình 2.5

Hình 2.16
Hình 2.17
Hình 2.18
Hình 2.19


45

Hình 2.25 Minh họa mô hình ngƣời theo hƣớng rời rạc
Hình 2.26 Minh họa mô hình ngƣời theo hƣớng rời rạc

45
46

Hình 2.27 Minh họa mô hình ngƣời theo hƣớng rời rạc

46

Hình 2.28 Minh họa mô hình ngƣời theo hƣớng rời rạc
Hình 2.29 Minh họa mô hình ngƣời theo hƣớng rời rạc

46
47

Hình 2.30 Tạo khuôn mặt
Hình 2.31 Tạo các ngón tay

47
47

Hình 2.32 Tạo bàn tay

48

Hình 2.33 Tạo không gian

Hình 3.6 Mô hình 3D hệ tiêu hóa hoàn chỉnh
Hình 3.7-8 Xoay và quan sát đƣợc các góc nhìn của mô hình 3D hệ tiêu hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

57
58

/>

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề

Trong thực tế hiện nay, ngành Y nói chung và các cơ sở đào tạo y khoa,
các viện nghiên cứu, bệnh viện trên toàn quốc nói riêng đang rất cần cơ thể
ngƣời thật (xác) để phục vụ cho công tác nghiên cứu, giải phẫu, thực tập các
thao tác nội soi,... và hơn ai hết, các thày thuốc và sinh viên ngành Y là những
ngƣời cảm nhận sâu sắc về giá trị thực tiễn khi đƣợc nghiên cứu, thực hành
phẫu thuật trên cơ thể ngƣời thật trong những ca mổ, các đề tài nghiên cứu y
khoa. Để có đƣợc xác ngƣời đạt yêu cầu thì chủ yếu đều từ nguồn hiến xác tự
nguyện là chính. Tuy nhiên, nguồn này cũng bị hạn chế bởi nhu cầu lớn của
hàng ngàn cơ sở y tế.
Trong những năm gần đây, sự phát triển của công nghệ đồ họa máy tính
đã làm thay đổi hoàn toàn việc tƣơng tác giữa ngƣời và máy. Nhờ đó mà một
loạt các ứng dụng đồ họa máy tính ra đời, đáp ứng đƣợc nhiều nhu cầu của xã
hội. Cụ thể nhƣ trong các lĩnh vực : giải trí, y tế, xây dựng, văn hóa, quân sự...
Xuất phát từ tình hình thực tế nhƣ vậy, ngành Y cũng đang triệt để ứng dụng
công nghệ thông tin (CNTT) để phục vụ cho nhu cầu của ngành mình. Trên
thế giới hiện nay đã sử dụng những công nghệ mô hình hóa cơ thể ngƣời thật
trên không gian 3 chiều ảo để phục vụ cho nghiên cứu, thực hành phẫu thuật

- Nghiên cứu lý thuyết, thu thập, phân tích các tài liệu có liên quan đến
đối tƣợng của đề tài.
- Nghiên cứu, xây dựng mô hình 3D hệ tiêu hóa của ngƣời trong thực tại
ảo (VR).
- Đánh giá, quan sát và hiệu chỉnh đối tƣợng 3D theo nhiều góc nhìn,
phóng to thu nhỏ hệ tiêu hóa nhằm phục vụ cho các yêu cầu thực tế.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu tài liệu, đọc hiểu các kiến
thức cơ bản về kỹ thuật xử lý ảnh, về mô hình khoa học về hệ thống tiêu hóa
của ngƣời.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu, phân tích và lựa
chọn giải pháp công nghệ biểu diễn mô hình hóa ảnh 3D cho hệ thống tiêu
hóa của con ngƣời.
- Phương pháp trao đổi khoa học: Trao đổi hƣớng nghiên cứu với ngƣời
hƣớng dẫn, các đối tác có liên quan để đề xuất và giải quyết các nội dung luận
văn đề ra.
- Kết quả : Kiểm tra, thử nghiệm, biểu diễn và đánh giá kết quả.
5. Mục tiêu ý nghĩa khoa học của đề tài

- Xây dựng mô hình hóa 3D (thực tại ảo) đối tƣợng là hệ tiêu hóa của
ngƣời dựa trên lý thuyết xử lý ảnh;
- Nghiên cứu, phân tích lựa chọn cung cấp chức năng mô hình hóa đối
tƣợng 3D, thao tác trình diễn đối tƣợng trong môi trƣờng không gian 3D;
- Là cơ sở để giải quyết vấn đề biểu diễn đƣợc mô hình 3D toàn bộ cơ

Các yêu cầu đối với một hệ thống VR : Vậy VR nhƣ thế nào ? Trƣớc hết
chúng ta hãy giải thích nó qua khía cạnh chức năng. VR là một hệ thống mô
phỏng trong đó đồ họa máy tính đƣợc sử dụng để tạo ra một thế giới "nhƣ
thật". Hơn nữa, thế giới "nhân tạo" này không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay
đổi theo ý muốn (tín hiệu vào) của ngƣời sử dụng (nhờ hành động, lời nói,..).
Điều này xác định một đặc tính chính của VR, đó là tƣơng tác thời gian thực
(real-time interactivity). Thời gian thực ở đây có nghĩa là máy tính có khả


năng nhận biết đƣợc tín hiệu vào của ngƣời sử dụng và thay đổi ngay lập tức
thế giới ảo. Ngƣời sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo
ý muốn của họ và bị thu hút bởi sự mô phỏng này. Điều này, chúng ta có thể
nhận thấy ngay khi quan sát trẻ nhỏ chơi Video game. Theo báo Bild (Đức),
có hai trẻ nhỏ ở Anh bị thu hút và mải mê chơi Nintendo đến nỗi ngay cả khi
nhà chúng đang bị cháy cũng không hề hay biết! Tƣơng tác và khả năng thu
hút của VR góp phần lớn vào cảm giác đắm chìm (immersion), cảm giác trở
thành một phần của hành động trên màn hình mà ngƣời sử dụng đang trải
nghiệm. Nhƣng VR còn đẩy cảm giác này "thật" hơn nữa nhờ tác động lên tất
cả các kênh cảm giác của con ngƣời. Trong thực tế, ngƣời dùng không những
nhìn thấy đối tƣợng đồ họa 3D nổi (nhƣ hình nổi ở trang cuối báo Hoa học trò
đã đăng trƣớc kia), điều khiển (xoay, di chuyển,..) đƣợc đối tƣợng trên màn
hình (nhƣ trong game), mà còn sờ và cảm thấy chúng nhƣ có thật. Ngoài khả
năng nhìn (thị giác), nghe (thính giác), sờ (xúc giác), các nhà nghiên cứu cũng
đã nghiên cứu để tạo các cảm giác khác nhƣ ngửi (khứu giác), nếm (vị giác).
Tuy nhiên, hiện nay trong VR các cảm giác này cũng ít đƣợc sử dụng đến.
Từ các phân tích trên, chúng ta có thể thấy định nghĩa sau đây của C.
Burdea và P.Coiffet về VR là tƣơng đối chính xác: VR-Thực tại ảo là một hệ
thống giao diện cấp cao giữa Ngƣời sử dụng và Máy tính. Hệ thống này mô
phỏng các sự vật và hiện tƣợng theo thời gian thực và tƣơng tác với ngƣời sử
dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác. Đó là ngũ giác gồm: thị giác, thính

(phần cứng), còn các thành phần khác: Mạng liên kết, Ngƣời dùng, Các ứng
dụng sẽ không đề cập.
Phần cứng (Hardware) của một VR bao gồm:
1. Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh).
2. Các thiết bị đầu vào (Input devices): là các thiết bị có khả năng kích
thích các giác quan để tạo nên cảm giác hiện hữu trong thế giới ảo gồm
có : Bộ dò vị trí (position tracking) để xác định vị trí quan sát. Bộ giao
diện định vị (Navigation interfaces) để di chuyển vị trí ngƣời sử dụng.
Bộ giao diện cử chỉ (Gesture interfaces) nhƣ găng tay dữ liệu (data
glove) để ngƣời sử dụng có thể điều khiển đối tƣợng.
3. Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (nhƣ màn
hình, mũ đội đầu có màn hiển thị HDM,..) để nhìn đƣợc đối tƣợng 3D
nổi. Thiết bị âm thanh (loa) để nghe đƣợc âm thanh vòm (nhƣ Hi-Fi,
Surround,..). Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback nhƣ găng tay,..)
để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tƣợng. Bộ phản hồi xung lực (Force


Feedback) để tạo lực tác động nhƣ khi cƣỡi ngựa, đạp xe, đi đƣờng
xóc,...
Phần mềm (Software) luôn là linh hồn của VR cũng nhƣ đối với bất cứ
một hệ thống máy tính hiện đại nào. Về mặt nguyên tắc có thể dùng bất cứ
ngôn ngữ lập trình hay phần mềm đồ họa nào để mô hình hóa (modelling) và
mô phỏng (simulation) các đối tƣợng của VR. Ví dụ, nhƣ các ngôn ngữ (có
thể tìm miễn phí) OpenGL, C++, Java3D, VRML, X3D,... hay các phần mềm
thƣơng mại nhƣ WorldToolKit, PeopleShop,... Phần mềm của bất kỳ VR nào
cũng phải bảo đảm 2 công dụng chính: Tạo hình vào Mô phỏng. Các đối
tƣợng của VR đƣợc mô hình hóa nhờ chính phần mềm này hay chuyển sang
từ các mô hình 3D (thiết kế nhờ các phần mềm CAD khác nhƣ AutoCAD, 3D
Studio,..). Sau đó phần mềm VR phải có khả năng mô phỏng động học, động
lực học, và mô phỏng ứng xử của đối tƣợng.

đứng đầu danh sách 10 công nghệ chiến lƣợc năm 2009 và là hƣớng lựa chọn
đầu tƣ phát triển tiềm năng của tƣơng lai.
1.1.2. Một số ứng dụng cơ bản của thực tại ảo

Tại các nƣớc phát triển, chúng ta có thể nhận thấy VR đƣợc ứng dụng
trong mọi lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch, địa
ốc... và đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu- Giáo dục- Thƣơng mại-dịch vụ. Y
học, du lịch là lĩnh vực ứng dụng truyền thống của VR. Bên cạnh đó VR cũng
đƣợc ứng dụng trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí, du lịch ảo (Virtual Tour),
bất động sản... Trong lĩnh vực quân sự, VR cũng đƣợc ứng dụng rất nhiều ở
các nƣớc phát triển. Bên cạnh các ứng dụng truyền thống ở trên, cũng có một
số ứng dụng mới nổi lên trong thời gian gần đây của VR nhƣ: VR ứng dụng
trong sản xuất, VR ứng dụng trong ngành rôbốt, VR ứng dụng trong hiển thị
thông tin (thăm dò dầu mỏ, hiển thị thông tin khối, ứng dụng cho ngành du
lịch, ứng dụng cho thị trƣờng bất động sản....) VR có tiềm năng ứng dụng vô


cùng lớn. Có thể nói tóm lại một điều: Mọi lĩnh vực "có thật " trong cuộc sống
đều có thể ứng dụng "thực tế ảo" để nghiên cứu và phát triển hoàn thiện hơn.
1.2. MÔ HÌNH HÓA 3D TRONG THỰC TẠI ẢO

Hiện nay, thực tại ảo giúp các nhà nghiên cứu khoa học về lịch sử có thể
duy trì các di sản văn hóa, cụ thể nhƣ nhóm Miralab đã phát triển các mô hình
thực tại ảo của hai thánh đƣờng Hồi giáo Thổ Nhĩ Kỳ thuộc niên đại
OTSman, thế kỷ 16, cho phép “du khách” vãn cảnh và khám phá tòa dinh thự
trong thời gian thực. Cả hai công trình này đều là di sản văn hóa thể giới tại
thành phố Istanbul của Thổ Nhĩ Kỳ. Lúc mới xây dựng, cùng vào thế kỷ 6,
thánh đƣờng Hagia Sofia vốn là một nhà thờ Thiên Chúa giáo, còn thánh
đƣờng Aya Sofya từng là nhà thờ thánh Sergius và Bacchus.


Nội. Công nghệ thực tại ảo hiện đang phát triển trên thế giới và đã được ứng
dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau”. Từng chi tiết nhỏ nhƣ đồ nội thất, màu
sắc và kết cấu của các công trình đều đƣợc tạo hình trung thực với lịch sử.
Khung cảnh, ánh sáng và âm thanh cũng thay đổi theo vị trí quan sát... Một
thành viên của nhóm cho biết: “Chương trình mà nhóm nghiên cứu đang nỗ


lực xây dựng sẽ giúp cho người xem tương tác với di tích với cảm giác hết sức
sống động. Họ không chỉ được cung cấp thông tin về di tích, mà còn có được
rất nhiều cảm xúc “sống thực trong không gian ảo”. Đó là hiệu ứng của công
nghệ số, là điều hết sức thú vị cho khách tham quan”.
Tại nhiều nƣớc trong khu vực nhƣ Nhật Bản, Thái Lan..., công nghệ thực
tại ảo đã đem lại hiệu quả rất lớn trong công tác bảo tồn và phục chế các di
sản kiến trúc. Tuy nhiên, với nhóm nghiên cứu trẻ này của Việt Nam, hiện tại,
do nhiều hạn chế về kiến thức lịch sử, nhân lực, kinh phí... nên nhóm mới chỉ
thu thập đƣợc những thông tin về hiện trạng, mà chƣa có đƣợc những thông
tin đầy đủ về lịch sử hình thành và tồn tại của các di tích để hoàn thiện với
mục tiêu của đề án.
Với một hệ thống thực tế ảo thì tính tƣơng tác, các đồ họa 3 chiều thời
gian thực và cảm giác đắm chìm đƣợc xem là các đặc tính then chốt.
Tƣơng tác thời gian thực (real-time interactivity): có nghĩa là máy tính
có khả năng nhận biết đƣợc tín hiệu vào của ngƣời sử dụng và thay đổi ngay
lập tức thế giới ảo. Ngƣời sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình
ngay theo ý muốn của họ và bị thu hút bởi sự mô phỏng này.
Cảm giác đắm chìm (immersion): là một hiệu ứng tạo khả năng tập trung
sự chú ý cao nhất một cách có chọn lọc vào chính những thông tin từ ngƣời sử
dụng hệ thống thực tế ảo. Ngƣời sử dụng cảm thấy mình là một phần của thế
giới ảo, hòa lẫn vào thế giới đó. VR còn đẩy cảm giác này “thật” hơn nữa nhờ
tác động lên các kênh cảm giác khác. Ngƣời dùng không những nhìn thấy đối
tƣợng đồ họa 3D, điều khiển (xoay, di chuyển..) đƣợc đối tƣợng mà còn sờ và

công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng
rãi trong mọi lĩnh vực: khoa học kỹ thuật, kiến
trúc, quân sự, giải trí, giáo dục, thƣơng mại, y học,
sản xuất… Với một máy tính cài phần mềm xem
thực tại ảo, các kiến trúc sƣ 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 của một nhà cung cấp về bố trí trong nhà ảo xem có ƣng 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 ngƣời bệnh. Giới
quân sự sử dụng công nghệ VR để mô phỏng chiến địa, tạo các thiết bị và môi
trƣờng ảo giúp tập bắn, tập lái xe tăng, lái máy bay, nhảy dù... Các công ty du
lịch có thể cho khách xem trƣớc khách sạn và một phần quang cảnh địa
phƣơng nơi khách sắp đến du lịch. Một số ứng dụng thực tế ảo thể hiện các
hiệu ứng khó có thể đạt đƣợc trong những điều kiện thông thƣờng nhƣ việc
thể hiện các vụ thử hạt nhân, các thí nghiệm khoa học, các hệ thống điều
khiển không lƣu… Tại nhiều nƣớc trong khu vực nhƣ Nhật Bản, Thái Lan…
VR đã đem lại hiệu quả rất lớn trong công tác bảo tồn và phục chế các di sản
kiến trúc.
Ứng dụng nhiều triển vọng khác của thực tế ảo là điều trị các chứng sợ,
nhƣ sợ nói trƣớc đám đông, sợ đi máy bay, sợ độ cao, côn trùng… bằng cách
cho bệnh nhân tiếp xúc trực tiếp qua mô hình đồ họa của vật hay sự cố mà họ
sợ hãi. Chẳng hạn nhƣ “thế giới nhện” là chƣơng trình đƣợc thiết kế để giúp
bệnh nhân trị chứng bệnh sợ nhện. Với chƣơng trình này, bệnh nhân có thể
điều khiển bàn tay ảo, dần dần tiếp cận và làm quen với nhện. Mục đích cuối
cùng là giúp bệnh nhân có cảm giác cầm đƣợc một con nhện mà trƣớc đó họ
rất sợ hãi nhƣng thật ra họ cầm một con nhện (ảo) trong bàn tay (ảo). Có thể
nói không quá lời rằng với những ngƣời đó, thực tế ảo đã trở thành một liệu

non vào máu. Quá trình tiêu hóa xảy ra trong đƣờng tiêu hóa hoặc ống tiêu
hoá, trải dài từ miệng đến hậu môn.
Hệ tiêu hóa đƣợc chia thành từng phần, với mỗi phần thích nghi với từng
chức năng riêng. Ống tiêu hóa: miệng, hầu, thực quản, dạ dày, ruột non, ruột
già, trực tràng, ống hậu môn và hậu môn. Những cấu trúc phối
hợp: răng, môi, má, lƣỡi, tuyến nƣớc bọt, tuỵ, gan và túi mật.
Những thành phần của đƣờng tiêu hóa có các chức năng chuyên biệt,
nhƣng tất cả đều đƣợc tạo bằng cùng những lớp mô cơ bản giống nhau. Thành
của ống từ trong ra ngoài: niêm mạc, dƣới niêm mạc, lớp cơ và lớp thanh
mạc.
2.1.2. Mô phỏng cấu tạo hệ tiêu hóa của ngƣời

Sơ đồ mô phỏng hệ tiêu hóa của ngƣời :


Hình 2.1. Sơ đồ mô phỏng hệ tiêu hóa của ngƣời.

2.1.2.1. Mô tả chung hệ tiêu hóa :
a) Cấu tạo:
Hệ tiêu hóa của ngƣời gồm hệ thống ống tiêu hóa và các tuyến tiêu hóa: