Nghiên cứu kỹ thuật biểu diễn mô hình 3d và ứng dụng trong mô phỏng thực thể sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN ĐẶNG KỲ DUYÊN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT BIỂU DIỄN MÔ HÌNH 3D VÀ ỨNG DỤNG TRONG MÔ PHỎNG THỰC THỂ SINH HỌC Chuyên ngành Khoa học máy tính Mã số 8480101 Ngƣời hƣ[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN ĐẶNG KỲ DUYÊN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT BIỂU DIỄN MƠ HÌNH 3D VÀ ỨNG DỤNG TRONG MƠ PHỎNG THỰC THỂ SINH HỌC Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 8480101 Ngƣời hƣớng dẫn: TS LÊ THỊ KIM NGA LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung trình bày luận văn kết tìm hiểu, nghiên cứu thân hướng dẫn TS Lê Thị Kim Nga nhà nghiên cứu trước Nội dung tham khảo, kế thừa, phát triển từ cơng trình cơng bố trích dẫn, ghi rõ nguồn gốc Kết mơ phỏng, thí nghiệm lấy từ chương trình thân Bình Định, ngày 10 tháng 10 năm 2022 Tác giả luận văn Đặng Kỳ Duyên LỜI CẢM ƠN Trong trình thực luận văn gặp nhiều khó khăn nhận quan tâm, giúp đỡ từ thầy cô, đồng nghiệp bạn bè người thân Đây nguồn động lực giúp tơi hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời chân thành cảm ơn tới TS Lê Thị Kim Nga tận tình giúp đỡ, hướng dẫn bảo trình thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn tới quý thầy, cô trường Đại học Quy Nhơn tận tình bảo, truyền đạt kiến thức quý báu giúp tơi hồn thành nhiệm vụ học tập suốt thời gian theo học trường Quý thầy cô giúp tơi có kiến thức quan trọng lĩnh vực Công nghệ thông tin, tảng vững cho nghiên cứu thân thời gian tới Tôi xin cảm ơn anh em, đồng nghiệp giúp đỡ, ủng hộ tinh thần thời gian tham gia học tập Cuối cùng, xin cảm ơn tất người luôn quan tâm, sẻ chia động viên tơi Bình Định, ngày 10 tháng 10 năm 2022 Tác giả luận văn Đặng Kỳ Duyên MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH ẢNH PHẦN MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Đóng góp đề tài Cấu trúc luận văn PHẦN NỘI DUNG Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỐI TƢỢNG 3D VÀ PHƢƠNG PHÁP BIỂU DIỄN ĐỐI TƢỢNG 3D 1.1 Khái quát đối tượng 3D 1.1.1 Sơ lược lịch sử 1.1.2 Một số khái niệm đồ họa 3D 1.1.3 Các ứng dụng đồ họa 3D 1.2 Biểu diễn đối tượng 3D 1.2.1 Biểu diễn mặt lưới 3D 10 1.2.2 Biểu diễn bề mặt trơn tham số 11 1.2.3 Đường mặt cong tham số NURBS 11 1.3 Kết luận chương 13 Chƣơng 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT BIỂU DIỄN MƠ HÌNH 3D 14 2.1 Kỹ thuật biểu diễn mơ hình 3D dựa lưới đa giác 14 2.1.1 Bề mặt đa giác 14 2.1.2 Biểu diễn lưới đa giác 15 2.2 Biểu diễn mơ hình 3D kỹ thuật NURBS 22 2.2.1 Đường cong tham số NURBS 22 2.2.1.1 Đường cong – CURVE 22 2.2.1.2 Điểm biểu diễn đường cong (curve represents points) 22 2.2.1.3 Đường cong đa thức bậc ba tham biến 23 2.2.1.4 Đường cong Hermite 24 2.2.1.5 Đường cong Bezier 26 2.2.1.6 Đường cong B-Splines 29 2.2.1.7 Đường cong tham số NURBS 36 2.2.2 Bề mặt NURBS 38 2.2.2.1 Mơ hình bề mặt (Surface) phương pháp xây dựng 38 2.2.2.2 Mặt từ đường cong 41 2.2.2.3 Bề mặt NURBS 47 2.2.2.4 Thuật toán NURBS biểu diễn bề mặt 49 2.3 Kết luận chương 50 Chƣơng 3: ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG THỰC THỂ SINH HỌC 51 3.1 Bài toán 51 3.2 Phân tích u cầu tốn 52 3.2.1 Phân tích yêu cầu 52 3.2.2 Lựa chọn công cụ 53 3.3 Môi trường cài đặt kết cài đặt thử nghiệm 53 3.3.1 Môi trường cài đặt 53 3.3.2 Kết thử nghiệm 54 3.4 Kết luận chương 58 KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt 2D Two-dimensional Không gian hai chiều 3D Three-dimensional Không gian ba chiều CAD Computer-aided design Thiết kế hỗ trợ máy tính CP Control point Một điềm điều khiển hình dạng đối tượng CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm CT Computed Tomography Chụp quét cắt lớp điện toán CV Control vertex Một điểm mà điều khiển hình dạng đường cong NURBS hay bề mặt EP Edit point Một điểm mà nằm đường cong điểm nối đa thức biểu diễn đường cong NURBS Non-Uniform Rational B- B-spline hữu tỉ không đồng spline DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Biểu diễn đường cong mặt cong 10 Hình 1.2: Lưới tam giác lưới tứ giác 11 Hình 1.3: Biểu diễn mặt đa giác 11 Hình 1.4: Minh họa tiến trình dựng cốc đơn giản NURBS 12 Hình 2.1: Lưới đa giác xác định số danh sách 16 Hình 2.2: Lưới đa giác xác định danh sách cạnh cho đa giác (λ biểu diễn giá trị rỗng) 17 Hình 2.3: Biểu diễn mặt câu lưới đa giác 18 Hình 2.4: Đường cong đa thức bậc 23 Hình 2.5: Đường cong Hermite 25 Hình 2.6: Đường cong Hermite 26 Hình 2.7: Đường cong Bezier 27 Hình 2.8: Hàm hợp đường cong Bezier 27 Hình 2.9: Kết nối hai đường cong 30 Hình 2.10: Phân đoạn đường cong Spline – Hermite 32 Hình 2.11: Đường cong B-Spline 35 Hình 12: Biểu diễn mảng tứ giác 39 Hình 2.13: Kết nối mảng tứ giác 39 Hình 2.14: Mảnh tam giác 40 Hình 2.15: Mặt cong Hermite điểm liệu 42 Hình 2.16: Mặt cong Bezier 43 Hình 2.17: Nối hai mảnh Bezier bậc ba 45 Hình 2.18: Bề mặt NURBS 48 Hình 1: Mơ hình 3D hình thái đứng thẳng 54 Hình 2: Mơ hình 3D hình thái góc nhìn chéo 55 Hình 3: Mơ hình 3D hình thái góc nhìn ngang 55 Hình 4: Mơ hình 3D rễ góc đứng 56 Hình 5: Mơ hình 3D rễ góc nghiêng 56 Hình 6: Mơ hình 3D xương sườn phận thể người 57 Hình 7: Mơ hình 3D quản phận thể người 57 Hình 8: Mơ hình 3D lưỡi phận thể người 58 PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong năm gần đây, công nghệ thông tin ứng dụng mạnh mẽ hầu hết tất lĩnh vực Các ứng dụng vào sống ngày phong phú, đa dạng thiết thực Từ lĩnh vực khoa học bản, đến lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật lĩnh vực giải trí, du lịch; khơng lĩnh vực khơng có ứng dụng thiết thực hiệu công nghệ thông tin Sự phát triển không ngừng sức mạnh máy tính làm cho số lĩnh vực khó phát triển trước kia, có khả phát triển đạt thành tựu đáng kể, là: Các hệ chuyên gia, hệ xử lý thời gian thực v.v lĩnh vực phát triển mạnh giới, cơng nghệ mô Việc “tái tạo” tượng, vật giới thực máy tính có nhiều tác dụng Trong giải trí, giúp xây dựng trò chơi sống động, gần gũi với người tạo sức lôi mạnh mẽ Trong xây dựng, việc dựng mơ hình thực ảo cho phép có nhìn trực quan, xác để đưa định, sáng kiến thiết kế công trình xây dựng đắn Trong giáo dục, thí nghiệm, ví dụ mơ tả sát thực máy tính giúp cho người học hứng thú hơn, kiến thức thể rõ hơn, trực quan hơn, đầy đủ Đối với phương pháp dạy học truyền thống đạt nhiều hiệu nhiên trước tiến việc ứng dụng khoa học kỹ thuật bộc lộ nhiều hạn chế việc mơ hình hố, biểu diễn, quan sát đối tượng tinh vi, phức tạp có tính trừu tượng cao điều kiện trang thiết bị phục vụ giảng dạy hạn chế, đắt đỏ, thiếu thốn Đặc biệt nhà trường phổ thông, nhiều môn học cần mơ hoạt động để đem lại nhìn trực quan, dễ hiểu cho học sinh vật lý, sinh học, hình học… Xuất phát từ thực tế đó, định chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật biểu diễn mơ hình 3D ứng dụng mơ thực thể sinh học” để nghiên cứu Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu 2.1 Mục đích nghiên cứu Tìm hiểu nghiên cứu chung phương pháp biểu diễn mơ hình 3D mơ thực thể Sinh học, từ sâu vào kỹ thuật ứng dụng quy trình 2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu Nhằm đạt đến mục đích trình bày, đề tài hướng đến nhiệm vụ cụ thể sau: - Nghiên cứu khái quát đối tượng 3D phương pháp biểu diễn đối tượng 3D - Nghiên cứu số kỹ thuật biểu diễn mơ hình 3D - Cài đặt thử nghiệm đánh giá kết Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Thực thể sinh học - Phạm vi nghiên cứu: Đối tượng thực thể sinh học chương trình phổ thông Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu đề tài lựa chọn lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Các vấn đề cần giải liên quan đến thuật toán lý thuyết truyền thông mạng, thị giác máy đồ họa máy tính thực phần mềm máy tính với đầu vào thông tin thu nhận từ thực tế Quá ... biểu diễn mơ hình 3D Trong chương này, tơi trình bày kỹ thuật biểu diễn mơ hình 3D kỹ thuật biểu diễn mơ hình 3D dựa lưới đa giác kỹ thuật biểu diễn mơ hình 3D NURBS Chƣơng 3: Ứng dụng mô thực thể. .. mơ thực thể sinh học? ?? để nghiên cứu Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu 2.1 Mục đích nghiên cứu Tìm hiểu nghiên cứu chung phương pháp biểu diễn mơ hình 3D mơ thực thể Sinh học, từ sâu vào kỹ thuật ứng. .. Đóng góp đề tài Thực đề tài ? ?Nghiên cứu kỹ thuật biểu diễn mơ hình 3d ứng dụng mô thực thể sinh học? ??, tạo điều kiện cho học sinh hình thành khái niệm nhanh hơn, ghi nhớ tốt hơn, học tập chất lượng