i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu kỹ thuật số hóa hiện vật sử dụng
công nghệ 3D” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi tìm hiểu, nghiên cứu dưới
sự hướng dẫn của PGS.TS ĐỖ NĂNG TOÀN. Các kết quả là hoàn toàn trung
thực, toàn bộ nội dung nghiên cứu của luận văn, các vấn đề được trình bày đều là
những tìm hiểu và nghiên cứu của chính cá nhân tôi hoặc là được trích dẫn từ các
nguồn tài liệu được trích dẫn và chú thích đầy đủ.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Đinh Thị Hương


ii

LỜI CẢM ƠN
Học viên xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô giáo Viện
công nghệ thông tin, các thầy cô giáo Trường Đại học Công nghệ thông tin và
truyền thông - Đại học Thái Nguyên đã mang lại cho học viên kiến thức vô cùng quý
giá và bổ ích trong suốt quá trình học tập chương trình cao học tại trường. Đặc biệt
học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS ĐỖ NĂNG TOÀN
đã định hướng khoa học và đưa ra những góp ý, gợi ý, chỉnh sửa quý báu, quan tâm,
tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng, học viên xin chân thành cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp, gia
đình và người thân đã quan tâm, giúp đỡ và chia sẻ với học viên trong suốt quá
trình học tập.
Do thời gian và kiến thức có hạn nên luận văn chắc không tránh khỏi
những thiếu sót nhất định. Học viên rất mong nhận được những sự góp ý quý báu
của thầy cô và các bạn.

1.2.3 Ưu điểm và hạn chế ............................................................................. 18
CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT SỐ HÓA 3D ...............................................20
2.1 Các dạng hình học cơ bản ................................................................................20
2.1.1 Shape ............................................................................................................20
2.1.2 Cube .............................................................................................................20
2.1.3 Cylinder ........................................................................................................20
2.1.4 Cone .............................................................................................................21
2.1.5 Sphere...........................................................................................................21
2.1.6 Ưu và nhược điểm ........................................................................................22


iv

2.2 Kỹ thuật sử dụng máy quét 3 chiều ..................................................................22
2.2.1 Khái niệm máy quét 3 chiều..........................................................................22
2.2.2 Ý tưởng .......................................................................................................24
2.2.3 Sử dụng máy quét với Planmeca Romexis ....................................................24
2.3 Kỹ thuật sử dụng phần mềm chuyên dụng .......................................................25
2.4 Kỹ thuật Marching cubes ................................................................................28
2.4.1 Ý tưởng.........................................................................................................28
2.4.2 Cách thức thực hiện .....................................................................................29
2.4.3 Ưu và nhược điểm của thuật toán Marching Cubes ......................................33
2.5 Kỹ thuật Shear-warp ........................................................................................34
2.5.1 Ý tưởng.........................................................................................................34
2.5.2 Cách thức thực hiện ......................................................................................34
2.5.3 Ưu và nhược điểm........................................................................................37
2.6 Các phương pháp biểu diễn bề mặt đa giác trong 3D .......................................37
2.6.1 Bề mặt đa giác ..............................................................................................37
2.6.1.1 Biểu diễn lưới đa giác ................................................................................38
2.6.1.2 Phương trình mặt phẳng .............................................................................41

Hình 1.2 William Fetter xây dựng mô hình buồng lái máy bay cho hãng Boeing. ...4
Hình 1.3 Bề mặt được chiếu sáng bởi cả hai loại nguồn sáng. ..................................6
Hình 1.4. Ảnh đồ hoạ điểm. .....................................................................................7
Hình 1.5.Kỹ thuật đồ hoạ điểm. ...............................................................................7
Hình 1.6. Mô hình đồ hoạ vector. ............................................................................8
Hình 1.7. Ví dụ về đồ hoạ vector. ............................................................................9
Hình 1.8. Giao diện phần mềm 3Ds Max. ..............................................................11
Hình 1.9. Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 3D .........................11
Hình 1.10 Các thành phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác. .....................................12
Hình 1.11 Các ứng dụng của kỹ thuật đồ hoạ. .......................................................14
Hình 1.12 Số hóa tài liệu .......................................................................................15
Hình1.13 Quy trình số hóa.....................................................................................17
Hình 2.1. Định nghiã các thành phần của một Cube 3D. ........................................20
Hình 2.2 Định nghiã các thành phần của một Cylinder 3D. ...................................21
Hình 2.3. Định nghiã các thành phần của một Cone 3D. ........................................21
Hình 2.4 Định nghiã các thành phần của một Sphere 3D. ......................................22
Hình 2.5 Máy quét 3 chiều ....................................................................................23
Hình 2.6 Số hóa hiện vật 3D dựa vào phần mềm ...................................................28
Hình 2.7 Chọn một tế bào từ khối dữ liệu ..............................................................29
Hình 2.8 So sánh giá trị tại đỉnh với isovalue ........................................................30
Hình 2.9Đánh dấu những đỉnh nằm trong mặt phẳng .............................................30
Hình 2.10 Xây dựng bề mặt theo giá trị của các đỉnh .............................................30
Hình 2.11 Các trường hợp đối xứng .......................................................................31
Hình 2.1215 trường hợp sau khi đã giản ước..........................................................31
Hình 2.13 Tạo chỉ số cho các đỉnh và cạnh ...........................................................31
Hình 2.14 Nội suy tính vị trí đỉnh của tam giác .....................................................32


vii


1

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây việc sử dụng nhập vai trong thực tại ảo là một xu
hướng công nghệ tương đối mới và thích thú của cộng đồng nghiên cứu và phát triển
khoa học, quân sự và công nghiệp. Tuy nhiên như các công nghệ VR chính thức,
nghiên cứu được mở rộng trong quân sự, khoa học và áp dụng vào nhiều lĩnh vực như
giáo dục, nghệ thuật, văn hóa.... Nghiên cứu công nghệ thực tại ảo trong bảo tàng, tái
tạo không gian cổ xưa giúp người dùng có cái nhìn trực quan hơn, gìn giữ phát huy
những giá trị tốt đẹp của nhân loại, hay những bài toán trong công nghiệp áp dụng
công nghệ 3D có thể tạo ra các sản phẩm có hình dạng phức tạp, giá thành rẻ mà trước
đây chỉ thủ công mới làm được.
Ứng dụng công nghệ thực tại ảo khối công việc được chia làm hai mảng chính
là: Mô hình hóa và điều khiển. Để có một ứng dụng tốt, đẹp mắt và chân thực nhiệm
vụ mô hình hóa là việc hết sức quan trọng nó là bước được đánh giá còn quan trọng
hơn nhiều so với việc lập trình điều khiển, nhất là đối với những ứng dụng đòi hỏi độ
chân thực cao như trong lĩnh vực bảo tàng hay những lĩnh vực liên quan đến bảo tồn
lưu trữ. Nó đòi hỏi độ chính xác cao về kích thước và hình dáng, màu sắc... Học viên
nhận thấy công việc mô hình hóa hay số hóa các đối tượng 3D là rất quan trọng vì vậy
luận văn lựa chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật số hóa hiện vật sử dụng công nghệ
3D” nhằm hệ thống hóa các quy trình, các phương pháp số hóa hiện vật thông dụng
nhất hiện nay đồng thời nghiên cứu cũng nhằm đạt kết quả của mô hình có thể sử dụng
cho các ứng dụng tiếp theo đảm bảo yêu cầu về thời gian thực trong các ứng dụng thực
tại ảo.
Cấu trúc của luận văn bao gồm “Phần mở đầu”, “Phần kết luận” và ba chương
nội dung, cụ thể:
Chương 1: “Khái quát về đồ họa 3D và bài toán số hóa hiện vật”. Nội dung chính
của “Chương 1” là những vấn đề cơ bản về đồ họa 3D, đồng thời cũng nêu lên bài
toán số hóa hiện vật vai trò của nó trong các ứng dụng thực tại ảo.


Hình 1.1 William Fetter kĩ thuật đồ họa máy tính năm 1960
William Fetter đã dựa trên các hình ảnh 3 chiều của mô hình người phi công
trong buồng lái để xây dựng nên mô hình buồng lái tối ưu cho máy bay Boeing. Đây là
phương pháp nghiên cứu rất mới vào thời kì đó. Phương pháp này cho phép các nhà


4

thiết kế quan sát một cách trực quan vị trí của người lái trong khoang buồng lái.
William Fetter đã đặt tên cho phương pháp của mình là computer graphics...

Hình 1.2 William Fetter xây dựng mô hình buồng lái máy bay cho hãng Boeing
Hệ đồ họa bao giờ cũng có hai thành phần chính đó là phần cứng và phần mềm
[3]. Phần cứng gồm thiết bị hiển thị và nhập dữ liệu, … Phần mềm gồm công cụ lập
trình và các trình ứng dụng đồ họa. Công cụ lập trình cung cấp tập các hàm đồ họa có
thể được dùng trong các ngôn ngữ lập trình cấp cao như C, Pascal, ... Các hàm cơ sở
của đồ hoạ bao gồm việc tạo đối tượng cơ sở của hình ảnh như đoạn thẳng, đa giác,
đường tròn, …, thay đổi màu sắc, chọn khung nhìn, áp dụng các phép biến đổi,
…Ứng dụng đồ họa được thiết kế cho những người dùng không phải là lập trình viên
tạo được đối tượng, hình ảnh, … mà không cần quan tâm tới việc chúng được tạo ra
như thế nào. Ví dụ như là Photoshop, AutoCAD, …
Việc thể hiện các đối tượng 3D trên máy tính là cần thiết vì phần lớn các đối
tượng trong thế giới thực là đối tượng 3D còn thiết bị hiển thị chỉ hiển thị ảnh 2
chiều. Do vậy muốn có hình ảnh 3 chiều ta cần phải giả lập. Biểu diễn đối tượng 3D
bằng máy tính phải tuân theo quy luật về phối cảnh, sáng, tối… giúp người xem nhìn
thấy hình ảnh gần đúng nhất. Chiến lược cơ bản là chuyển đổi từng bước. Hình ảnh
sẽ được hình thành ngày càng chi tiết hơn. Khi mô hình hóa và hiển thị một hình ảnh
3D chúng ta xét rất nhiều khía cạnh và các vấn đề khác nhau không đơn giản là thêm
một tọa độ thứ 3 cho các đối tượng [5]. Bề mặt đối tượng có thể được xây dựng bởi

(ambient light) hay ánh sang nền (background light).
Trên các bề mặt có hai loại hiệu ứng phát sáng là khuếch tán (diffuse light - ánh
sáng phát đi theo mọi hướng) và phản xạ gương (specular light).


6

Nguồn sáng tự phát

Nguồn sáng phản xạ

Mặt người

Hình 1.3 Bề mặt được chiếu sáng bởi cả hai loại nguồn sáng
+ Vấn đề tạo bóng (Shading)
Để tạo bóng, có thể ứng dụng các mô hình xác định cường độ sáng theo nhiều
kiểu khác nhau tùy thuộc bài toán cụ thể. Đối với các vật có bề mặt phẳng ta có thể chỉ
cần tính một cường độ sáng chung cho một bề mặt là có thể hiển thị đối tượng tương
đối thật. Các vật có bề mặt cong ta phải tính cường độ sáng cho từng pixel trên bề mặt
của nó.
Để tăng tốc độ ta có thể xấp xỉ các mặt cong bởi một tập hợp các mặt phẳng. Với
mỗi mặt phẳng này ta có thể áp dụng mô hình cường độ không đổi (Flat shading) hoặc
cường độ nội suy (Gouraud shading, Phong shading) để tạo bóng.
+ Trực quan hóa (Visualization)
Trực quan hóa trong đồ họa máy tính là sử dụng máy tính để tính toán dữ liệu sau
đó sử dụng đồ họa máy tính, đặc biệt là đồ họa 3D để minh họa, biểu diễn dữ liệu
thành những hình ảnh mà con người có thể hiểu được dễ dàng và giúp cho con người
có thể tương tác với dữ liệu. Dữ liệu đó có thể là các dữ liệu phát sinh do mô phỏng
hoặc do đo đạc trong thực tế. Kết quả biểu diễn phải biểu diễn chính xác tính chất của
tập dữ liệu.

của đối tượng.
1.2.2.2 Kỹ thuật đồ họa Vector
Đồ họa vector sử dụng các đối tượng hình học cơ bản như điểm, đường thẳng,
đường cong hoặc đa giác, đường tròn, elip dựa vào các công thức toán học để biểu
diễn hình học.
Đồ họa vector dựa trên các hình ảnh được tạo bởi các vector (còn được gọi là
các đường hoặc nét) được định nghĩa bằng các điểm điều khiển. Mỗi điểm đều có tọa
độ x và y trên mặt phẳng làm việc và hướng của vector (còn gọi là track). Mỗi track có
thể được gán cả màu sắc, hình dáng, độ dày nét và nền tô bên trong hình.
Ảnh vector khi zoom to không bị nứt nét hoặc nhòe và không ảnh hưởng đến
kích thước của file dữ liệu bởi vì các thông tin được lưu dưới dạng cấu trúc chứ không
phải điểm ảnh như đồ họa mành (raster graphics).
Khi in ấn, các file đồ họa vector được in dưới dạng ảnh bitmap sau khi chuyển từ
dạng vector sang bitmap.
Các phần mềm CAD đều dùng đồ họa vector.

Hình 1.6. Mô hình đồ hoạ vector


9

- Mô hình hình học cho mô hình hoặc hình ảnh của đối tượng.
- Xác định các thuộc tính của mô hình hình học này
- Quá trình tô trát (rendering) để hiển thị từng điểm của mô hình, hình ảnh thực
của đối tượng.
Có thể định nghĩa đồ hoạ vector: Đồ hoạ vector = geometrical model + rendering.
Đồ hoạ điểm (Raster Graphics)
- Hình ảnh và mô hình của các vật

Đồ hoạ vector (Vector Graphics)

cách dễ dàng từ hệ phần cứng này sang hệ phần cứng khác và được dùng trong nhiều
cài đặt và ứng dụng khác nhau.
GKS (Graphics Kernel System): chuẩn xác định các hàm đồ hoạ chuẩn, được
thiết kế như một tập hợp các công cụ đồ hoạ hai chiều và ba chiều.
GKS Functional Description, ANSI X3.124 - 1985.GKS - 3D Functional
Description, ISO Doc #8805:1988.
CGI (Computer Graphics Interface System): hệ chuẩn cho các phương pháp giao
tiếp với các thiết bị ngoại vi.
CGM (Computer Graphics Metafile): xác định các chuẩn cho việc lưu trữ và
chuyển đổi hình ảnh.
VRML (Virtual Reality Modeling Language): ngôn ngữ thực tại ảo, một hướng
phát triển trong công nghệ hiển thị được đề xuất bởi hãng Silicon Graphics, sau đó đã
được chuẩn hóa như một chuẩn công nghiệp.
PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive Graphics Standard): Xác định các
phương pháp chuẩn cho các mô hình thời gian thực và lập trình hướng đối tượng.
PHIGS Functional Description, ANSI X3.144 - 1985.+ Functional Description,
1988, 1992.
OPENGL thư viện đồ họa của hãng Silicon Graphics, được xây dựng theo đúng
chuẩn của một hệ đồ họa năm 1993.
DIRECTX thư viện đồ hoạ của hãng Microsoft, Direct X/Direct3D 1997.
1.1.4 Phần mềm đồ hoạ (Graphics Software)
* 3Ds Max.
Autodesk® 3ds Max® đã từng được biết đến với tên 3D Studio MAX là một
phần mềm đồ họa vi tính ba chiều (3D graphics application) của công ty Autodesk
Media & Entertainment, hoạt động trên hệ điều hành Windows Win32 hoặc Win64.
Phiên bản của 3ds Max vào năm 2006 là 3ds Max 9.


11


liệu dạng số ở frame buffer thành các điểm sáng trên màn hình.

Hình 1.10 Các thành phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác


13

1.1.6 Các ứng dụng cơ bản của đồ hoạ 3D
Đồ hoạ 3D đang được nghiên cứu ứng dụng trong mọi lĩnh vực một cách mạnh
mẽ hiện nay là: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch, địa ốc... và đáp
ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu - Giáo dục - Thương mại - dịch vụ. Bên cạnh các ứng
dụng truyền thống ở trên, cũng có một số ứng dụng mới nổi lên trong thời gian gần
đây của đồ hoạ 3D như: đồ hoạ 3D ứng dụng trong sản suất, trong ngành rôbốt, trong
hiển thị thông tin (thăm dò dầu mỏ, hiển thị thông tin khối, …) đồ hoạ 3D có tiềm
năng ứng dụng vô cùng lớn. Có thể nói: 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.
Một lĩnh vực đầy hứa hẹn là việc sử dụng trưng bày ảo 3D trong giáo dục - giải
trí, cụm từ này đang được sử dụng rộng rãi, nó thể hiện cho một nền giáo dục hiện đại
không theo khuôn phép truyền thống, điều đó có nghĩa là vừa có thể học và vừa có thể
giải trí trong khi học sinh đang tham gia một kịch bản nhập vai nào đó hoặc có thể
tham gia một trò chơi... trên thực tế tương tác nhập vai có thể nắm bắt được sự chú ý
của người sử dụng hệ thống, cùng một lúc có thể cung cấp nhiều thông tin không
giống như phương pháp trước đây khi sử dụng hệ thống không phải là đa phương tiện.
Ngoài ra, trưng bày ảo 3D là một cách thể hiện rất hiện đại của sự tương tác giữa
người dùng và máy tính nó không dừng lại ở việc người dùng chỉ sử dụng máy tính với
những mục đích cho công việc, mà nó còn mở ra vô vàn những thứ hấp dẫn khác với
người sử dụng hệ thống mà người dùng như đang hóa thân thành nhân vật được khám
phá nhiều nơi mà mình chưa biết.
Trên đây là khái niệm chung nhất về trưng bày ảo 3D, nó có rất nhiều ưu điểm và
một sự thể hiện rất tốt cho trưng bày ảo chính là phòng truyền thống ảo 3D. Về mặt


quan trọng. Nó là yếu tố quyết định cho sự thành công của bất cứ một ứng dụng


15

thực tại ảo nào.
Ví dụ: số hóa cấu kiện kiết trúc, các chi tiết máy móc cần độ chính xác cao. Hay số
hóa các vật thể trong bảo tàng cũng cần độ chính xác để người xem như cảm nhận
được đang đứng trong không gian thật. (Việc số hóa hiện vật rất quan trọng, quan
trọng hơn cả lập trình). Như vậy việc tìm hiểu công nghệ số hóa hiện vật 3D là rất
quan trọng và tùy từng đối tượng cần số hóa chúng ta áp dụng những phương pháp
khác nhau.
* Số hoá

Hình 1.12 Số hóa tài liệu
Thuật ngữ “số hoá” (tiếng Anh: Digitization) được sử dụng để chỉ quá trình
chuyển đổi dữ liệu truyền thống sang dữ liệu số mà máy tính điện tử có thể hiểu được.
Thông thường, các dữ liệu truyền thống bao gồm các dạng tài liệu: văn bản, bằng
khen, giấy khen, tranh vẽ, bản đồ, băng hình, băng ghi âm… sử dụng trên máy tính và
được máy tính nhận biết đúng định dạng, được gọi chung là dữ liệu số.
Vậy, tài liệu số hóa có nguồn gốc từ tài liệu điện tử, nhưng không đồng nhất với
tài liệu điện tử. Tài liệu số hóa trở thành tài liệu điện tử qua quá trình số hóa dữ liệu.
Đây là quá trình chuyển các dạng dữ liệu truyền thống như các bản viết tay, bản in trên
giấy, hình ảnh… sang chuẩn dữ liệu trên các phương tiện điện tử và được các phương
tiện đó nhận biết được gọi là số hóa dữ liệu và chúng trở thành dữ liệu số. Từ đó, về
mặt lý thuyết, ta hiểu số hóa dữ liệu là quá trình chuyển các dạng dữ liệu truyền thống
sang chuẩn dữ liệu trên máy tính và được máy tính nhận biết.



khai thác, sử dụng tài liệu lưu trữ. Từ đó, các cơ quan lưu trữ có thể tạo cho độc giả
tăng khả năng tiếp cận, sử dụng tài liệu được nhanh chóng, chính xác và tiện lợi.


17

1.2.2 Quy trình số hóa

Hình 1.13 Quy trình số hóa