613 MÔ HÌNH HÓA CƠ THỂ BẰNG KỸ THUẬT ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Nguyễn Phương Thảo, Đỗ Kiều Trang, Trần Thị Thiên Hương, Nguyễn Ngọc Tố Uyên Khoa Kiến Trúc Mỹ thuật, Trường Đại học Công nghệ TP Hồ Chí Minh GVHD[.]
MƠ HÌNH HĨA CƠ THỂ BẰNG KỸ THUẬT ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Nguyễn Phương Thảo, Đỗ Kiều Trang, Trần Thị Thiên Hương, Nguyễn Ngọc Tố Uyên Khoa Kiến Trúc Mỹ thuật, Trường Đại học Cơng nghệ TP.Hồ Chí Minh GVHD: TS Nguyễn Thị Ngọc Qun TĨM TẮT Mơ hình hóa đối tượng thực không gian ảo hướng nghiên cứu quan tâm lĩnh vực đồ họa máy tính Kỹ thuật chủ yếu mơ hình hóa dựa dạng hình học bản, hình học tự do, dựa vào cấu trúc vật lý, giải phẫu học nhân trắc học thể người Từ khóa: Mơ hình hóa thể, đồ họa máy tính, hình học bản, mơ CÁC PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH HĨA CƠ THỂ 1.1 Mơ hình hóa từ dạng hình học Một nghiên cứu sớm xem cột mốc quan trọng mơ hình hóa từ dạng hình học trình bày Barr [ Barr – 1984] Trong thời gian này, người ta sử dụng dạng hình học để thiết kế mơ hình mong muốn Barr dùng phương pháp di chuyển góc, hướng hình học để thiết kế mơ hình phức tạp theo tham số đường cong Từ điểm lồi, lõm, góc hình đa giác ngun thủy, Ơng xây dựng thành hình đa giác chiều phức tạp Ngịai việc tạo hình chiều từ hình bản, Ơng thực phép biến đổi bảo tồn góc để uốn cong xoắn hình khơng gian chiều Hình điển hình cho thiết kế hình đa giác chiều từ hình đa giác nguyên thủy 2D Hình 1: Thiết kế hình đa giác 3D từ hình đa giác 2D Sau thành cơng mơ hình đa giác chiều, Barr [Barr – 1984] tiếp tục phát triển nghiên cứu mơ hình hóa mơ xoắn, uốn cong kéo dài đỉnh đối tượng hình học Hướng thay đổi phương pháp tập trung vào không gian vector bề mặt tiếp xúc cần biến thể, tìm vector tiếp tuyến mơ hình biến thể vector tịnh tiến vị trí mơ hình biến thể Barr lấy cảm 613 hứng từ mơ hình động thể uốn cong khủyu tay, chân, chỗ to, chỗ nhỏ khối bắp thể biến thể Chức biến thể Barr sử dụng để đạt biến thể dọc theo trục đỉnh mơ hình Blanc [Blanc – 1994 ] tổng quát chức để đạt tới khả biến dạng tồn mơ hình, đỉnh mơ hình khơng gian ánh xạ tới đỉnh khác mặt phẳng không gian Các chức biến thể thực hịên như: thắt nút, vuốt nhọn, xoắn, biến dạng, uốn cong Kết kỹ thuật biến thể thể Hình Hình 2: Kết biến thể mơ hình 1.2 Tạo mơ hình biến thể từ dạng hình học tự Kế tiếp cơng việc Barr, Sederberg Parry [Sederberg Parry - 1986 ] đưa kỹ thuật biến thể dạng hình học tự (gọi tắt FFD), kỹ thuật thơng dụng có nhiều hướng mở để giải vấn đề biến thể mơ hình Trong kỹ thuật này, mơ hình đưa vào khung lưới gồm nhiều điểm kiểm soát thực biến thể mơ hình Thay dịch chuyển bề mặt đỉnh mơ hình, điểm lưới dịch chuyển tạo biến thể mơ hình, điều thể Hình Hình 3: a: Biến thể từ kỹ thuật FFD, uốn hình lập phương; b: Biến thể hình đầu Để tạo biến thể linh hoạt hơn, Lamousi [Lamousi – 1994] mở rộng kỹ thuật FFD khung lưới để tạo biến thể không đồng dạng gọi tắt (NURBS) thay biến thể đồng dạng trước NFFD kiểm sốt nhiều mơ hình mà điều kỹ thuật FFD đạt Lamousin áp dụng kỹ thuật biến dạng NFFD với mơ hình chân người Hình 614 Hình 4: Biến thể mơ hình chân người kỹ thuật NFFD Borrel Rappoport [Borrel Rappoport – 1994] nghiên cứu kỹ thuật biến thể dựa vào kỹ thuật FFD gọi biến thể nhân tạo Việc kiểm soát điểm biến thể không gian điểm phương pháp Để tạo biến dạng cục bộ, giới hạn miền (s) dọc theo đường cong Hình 5: Biến thể khung lưới Bằng phương pháp này, ta kiểm soát kỹ miền nhỏ với đỉnh bề mặt miền Trong q trình dịch chuyển, sử dụng đường cong kiểm soát dạng khác để tạo biến dạng phức tạp miền Hình trình bày việc ứng dụng phương pháp tương tự nghiên cứu cho phận thể người, bắp chân người Kasap [Kasap Magnenat – Thalmann – 2007] áp dụng nhiều biến dạng để tạo mơ hình bắp chân với nhiều kích cỡ khác Hình 6: Biến thể mơ hình chân người 615 Sự khác biệt phương pháp phương pháp trước kích thước miền Khơng giới hạn hình 2D mu bàn chân mà tạo cột kiểm sốt miền bắp chân Trong Hình 6, thể vùng bắp chân theo hình dáng nhân trắc học với mốc kiểm soát tương ứng Giống vùng bắp chân, phận khác thể tay, bụng, đùi xác định Theo cách khống chế Borel’s, phần thể biến dạng theo cấp trình bày mơ hình Hình Hình 7: Biến thể mơ hình thể người Tùy vùng thể, đường cong kiểm soát sử dụng để làm biến đổi kích thước thể ta muốn Một kỹ thuật biến dạng khác mà kết giống phương pháp nêu trên, kỹ thuật gọi ‘khung lưới’ Singh [Singh Fiume 1998] lấy cảm hứng từ nhà điêu khắc, sử dụng lưới cong để tạo lược đồ biến dạng Dọc theo đường cong, khung lưới cong kéo dãn theo cột Ưu điểm kỹ thuật độc lập với phức tạp đối tượng Một ứng dụng điển hình kỹ thuật mơ hình hóa đầu người Điển hình Hình thể biến dạng phần khuôn mặt hay tồn cánh tay Hình 8: Ứng dụng biến thể lưới cho mơ hình đầu người cánh tay Một nghiên cứu khác biến thể dùng phương pháp qt mơ hình Hyun [Hyun – 200]) nghiên cứu Trong phương pháp này, lấy ví dụ mơ hình chân, người ta tạo elip với kích cỡ khác khau dọc khắp mơ hình chân thay đổi hình dạng, kích thuớc elip phải phù hợp với mơ hình chân ban đầu kết Hình 616 Hình 9: Mơ hình chân elip Gần phương pháp biến dạng hình học bắp trình bày Pratscher [ Pratscher cộng 2005] Ý tưởng sử dụng cấu trúc tốn học để mơ hình hóa Hình 10 Hình 10: a: Mơ hình hệ thống bắp chân; b: Mơ hình có da Sử dụng thuật giải di truyền, mơ hình lưới chia thành nhiều đoạn theo màu để tượng trưng cho bắp Hệ thống phát triển có khả kết nối bắp lưu trữ liệu kích thước, mẫu xương để áp dụng nhiều mơ hình khác 1.3 Mơ hình hóa dựa cấu trúc vật lý Mơ hình hóa dựa theo cấu trúc vật lý giúp tăng độ xác kết mơ nhiều mơ hình thực tế Nhưng mơ chi tiết bề mặt mơ hình thể người theo quy luật tự nhiên, bắp, thớ thịt, mỡ phận thể phải tính tốn phức tạp khó thực kỹ thuật mơ hình hóa hình học mà phải thực kỹ thuật mơ hình hóa vật lý Tuy nhiên, định chọn kỹ thuật mơ hình học hay vật lý phụ thuộc nhiều vào thuật toán Các lớp bắp mơ hình đ i hỏi phải kỹ thuật mơ hình hóa đặc biệt để mơ giống mơ hình biến thể theo hành vi vận động thực tế Mơ mơ hình thể sống, hoạt động, chuyển động bắp, lớp thịt thay đổi thể vận động, chạy kỹ thuật mơ hình học khơng thể làm Một mô trước dùng kỹ thuật đồ họa thực Terzopoulos [Terzopoulos cộng -1987] Họ sử dụng lý thuyết đàn hồi cho vật liệu cao su, vải Sau kỹ thuật áp dụng để mơ hình hóa thể theo cách tiếp cận khác Một vài nghiên cứu Teran [Teran cộng - 2005] mơ hình hóa thể, lớp da, bắp theo phương pháp mô 617 vật lý thay đổi bề mặt lưới da theo biến dạng bên lớp da Tuy nhiên kết hợp phương pháp mơ hình học vật lý cho hiệu tối ưu Ví dụ, phương pháp mơ hình hóa thể theo cách mơ vật lý thể chia mơ hình làm phần: xương, bắp da Mục tiêu thực khung xương, biến dạng bắp tham số bề mặt lớp da Điển hình nghiên cứu Neded [Neded -1998] Để chứng minh hiệu nghiên cứu này, ông ta đưa mơ hình hóa cánh tay có bắp mơ hình biến dạng Thiết kế mơ hình cánh tay lấy từ sưu tập hình mẫu giải phẫu học cánh tay hình ảnh bắp tay vận động, điều thể Hình 11 Hình 11: Kết hợp xương bắp thịt để tạo mơ hình 3D 1.4 Mơ hình hóa thể dựa theo giải phẫu học nhân trắc học Những nghiên cứu ban đầu mơ hình hóa thể từ năm 1950 Trong thời gian này, quan trọng cho nhiều tổ chức sản xuất máy bay tơ tìm kích thuớc thể người phù hợp với sản phẩm họ Sau đó, năm 1980, nhiều chương trình thiết kế với hỗ trợ máy tính phát triển ứng dụng tích cực kỹ thuật Dooley [Dooley -1982] nghiên cứu vấn đề Sau đó, với phát triển công nghệ lĩnh vực giải trí, phần mềm trị chơi máy tính sử dụng mơ hình thể ảo Gần đây, lĩnh vực dệt may, y tế, thể thao sử dụng mơ hình hóa thể mơ sản phẩm họ Nói chung, mơ hình hóa thể dựa theo dạng hình học hay vật lý kết hợp với phương pháp riêng Trong lĩnh vực y tế, mơ hình thể thật mơ phương pháp mơ hình hóa vật lý Trong ứng dụng đ i hỏi độ xác mơ hình, cách thực theo giải phẫu học mơ hình hóa vật lý cho kết tốt Trong trường hợp thuật toán bị hạn chế, phương pháp mơ hình hóa hình học sử dụng phù hợp Nhân trắc học khoa học đo lường thể tập trung vào biến đổi vật lý kích thước thể Xét mơ hình thể người không gian ảo, kiến thức nhân trắc học đưa vào đồ họa vi tính thiết kế mơ hình thể theo kích thước khác nhau, ứng dụng mơ hình cho nhiều lĩnh vực khác nhau, ví dụ lĩnh vực dệt may Ứng dụng tính nhân trắc học để tạo mơ hình thể ảo mơ quần áo lên thể người thông tin thơng số mơ Hình 12 618 Hình 12: Trình bày mốc đo nhân trắc thiết kế Một hệ thống trước dựa mơ hình hóa thể ảo phát triển Magnenat-Thalmann [Magnenat-Thalmann -1987] Hệ thống có tên ‚hệ thống nhà máy tạo người‛ gồm phương pháp mơ hình hóa hình học vật lý Hệ thống thiết kế theo cấu trúc modul modul có khả kiểm sốt người ảo Hệ thống điều khiển xương, khuôn mặt dựa modul cho phép khung mơ hình hóa thể hoàn chỉnh Sử dụng hệ thống này, tác giả thực phim phút ‘Rendez-Vous a Montreal’ Magnenat-Thalmann [Magnenat-Thalmann -1987] Ngày nay, theo phát triển cơng nghệ, hiệu ứng hình ảnh phức tạp hơn, tiếng nói, cơng nghệ nhận dạng, nhận dạng khn mặt giống modul đề cập hệ thống Song song việc thực modul, yêu cầu phải có thuật tốn xây dựng mơ hình phù hợp Biến dạng mơ hình thể người khơng tạo mơ hình với kích thước khác Nó cịn sử dụng để tạo mơ hình động biến đổi trạng thái vật lý khuôn mặt MagnenatThalmann [Magnenat-Thalmann -1988 ] phát triển hệ thống việc tạo biến dạng phần (JLD) để tạo biến dạng mơ hình cánh tay người cho phim hoạt hình Mỗi thao tác biến dạng (JLD) diễn viên kiểu riêng lưu giữ xác định thao tác vận động khớp Cấu trúc xương cánh tay sử dụng để thực mơ hình khớp Sau Magnenat-Thalmann [Magnenat-Thalmann -1988] sử dụng phương pháp cho thể động với đầy đủ khớp xương Các cấp độ khớp xương ứng dụng kỹ thuật trình bày Hình 13 Hình 13: Mơ hình diễn viên 619 ... phận thể phải tính tốn phức tạp khó thực kỹ thuật mơ hình hóa hình học mà phải thực kỹ thuật mơ hình hóa vật lý Tuy nhiên, định chọn kỹ thuật mơ hình học hay vật lý phụ thuộc nhiều vào thuật. .. điều thể Hình Hình 3: a: Biến thể từ kỹ thuật FFD, uốn hình lập phương; b: Biến thể hình đầu Để tạo biến thể linh hoạt hơn, Lamousi [Lamousi – 1994] mở rộng kỹ thuật FFD khung lưới để tạo biến thể. .. biến thể mơ hình 1.2 Tạo mơ hình biến thể từ dạng hình học tự Kế tiếp cơng việc Barr, Sederberg Parry [Sederberg Parry - 1986 ] đưa kỹ thuật biến thể dạng hình học tự (gọi tắt FFD), kỹ thuật