(Luận văn) mô hình 3d và một số kỹ thuật mô hình hóa 3d trong mô phỏng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN THỊ HẰNG a lu n va n MƠ HÌNH 3D VÀ MỘT SỐ KỸ THUẬT MƠ HÌNH HĨA 3D p ie gh tn to TRONG MÔ PHỎNG d oa nl w a lu a nv LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH ll u nf m tz n oi z m co l gm @ an Lu THÁI NGUYÊN, NĂM 2018 n va ac th si ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN THỊ HẰNG a lu n MƠ HÌNH 3D VÀ MỘT SỐ KỸ THUẬT MƠ HÌNH HĨA 3D n va p ie gh tn to TRONG MÔ PHỎNG Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 8480101 d oa nl w a lu a nv LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH ll u nf m tz n oi z Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đỗ Năng Toàn m co l gm @ an Lu THÁI NGUYÊN, NĂM 2018 n va ac th si i LỜI CẢM ƠN Trong trình thực luận văn gặp nhiều khó khăn tơi ln nhận quan tâm, giúp đỡ từ thầy cô, đồng nghiệp bạn bè người thân Đây nguồn động lực giúp tơi hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời chân thành cảm ơn tới PGS.TS Đỗ Năng Tồn tận tình giúp đỡ, hướng dẫn bảo q trình thực luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn tới quý thầy, cô trường Đại học Công nghệ thông tin truyền thông - Đại học Thái Nguyên tận tình bảo, truyền a lu đạt kiến thức qúy báu giúp tơi hồn thành nhiệm vụ học tập suốt n thời gian theo học trường Quý thầy cô giúp có kiến n va thức quan trọng lĩnh vực Công nghệ thông tin, tảng vững tn to cho nghiên cứu thân thời gian tới p ie gh Tôi xin cảm ơn anh em, đồng nghiệp giúp đỡ, ủng hộ tinh thần thời gian tham gia học tập oa nl w Cuối cùng, xin cảm ơn tất người luôn quan tâm, sẻ chia động viên d a nv a lu Thái Nguyên, ngày 30 tháng 05 năm 2018 Học viên thực ll u nf m n oi Nguyễn Thị Hằng tz z m co l gm @ an Lu n va ac th si ii LỜI CAM ĐOAN Tôi Nguyễn Thị Hằng xin cam đoan nội dung trình bày luận văn kết tìm hiểu, nghiên cứu thân hướng dẫn PGS.TS Đỗ Năng Toàn 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 Nếu có sai phạm tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm a lu Thái Nguyên, ngày 30 tháng 05 năm 2018 n Người cam đoan n va p ie gh tn to Nguyễn Thị Hằng d oa nl w a nv a lu ll u nf m tz n oi z m co l gm @ an Lu n va ac th si iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH ẢNH v LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MƠ HÌNH 3D TRONG THỰC TẠI ẢO a lu 1.1 Khái quát thực ảo n 1.2 Các lĩnh vực ứng dụng Thực ảo n va 1.3 Mơ hình 3D thực ảo 12 p ie gh tn to 1.3.1 Các dạng mơ hình cở 12 1.3.2 Một số cách tiếp cận tạo mơ hình 3D 15 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT MƠ HÌNH HÓA 3D 24 oa nl w 2.1 Kỹ thuật mơ hình hóa 3D dựa lưới đa giác 24 2.1.1 Bề mặt đa giác 24 d a nv a lu 2.1.2 Biểu diễn lưới đa giác 25 2.2 Kỹ thuật mô hình hố bề mặt có qui luật 32 u nf 2.2.1 Bề mặt có quy luật 32 ll m 2.2.2 Một số khái niệm giả thiết ban đầu thuật toán QEM (Quardric n oi tz Error Metric) 35 2.3 Kỹ thuật mơ hình hố NURBS 44 z 2.3.1 Đường cong tham số NURBS 45 gm @ 2.3.2 Bề mặt NURBS 46 l co CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM MƠ PHỎNGNGỌN LỬA 52 m 3.1 Bài Toán 52 Lu an 3.2 Phân tích, lựa chọn cơng cụ 53 n va ac th si C.vT.Bg.Jy.Lj.Tai lieu Luan vT.Bg.Jy.Lj van Luan an.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an iv 3.2.1 Xây dựng mơ hình mơ 53 3.2.2 Điều khiển mơ hình ngơn ngữ lập trình 56 3.3 Một số kết thực nghiệm 57 KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 a lu n n va p ie gh tn to d oa nl w a nv a lu ll u nf m tz n oi z m co l gm @ an Lu n va ac th Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj.dtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn si C.vT.Bg.Jy.Lj.Tai lieu Luan vT.Bg.Jy.Lj van Luan an.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hệ thống HMD Hình 1.2 Hệ thống BOOM Hình 1.3 Ứng dụng Thực ảo thiết kế nội thất Hình 1.4 Ứng dụng Thực ảo thiết kế xe Hình 1.5 Ứng dụng Thực ảo game giải trí Hình 1.6 Ứng dụng Thực ảo phim Avatar Hình 1.7 Mơ lái tàu ảo cơng ty mô Việt Nam a lu Hình 1.8 Định nghĩa thành phần mơt Cube 3D 13 n Hình 1.9 Định nghĩa thành phần Cylinder 3D 13 n va Hình 1.10 Định nghĩa thành phần Cone 3D 14 tn to Hình 1.11 Định nghĩa thành phần Sphere 3D 14 p ie gh Hình 1.12 Một số hình khối 3D 16 Hình 1.13 Công cụ Select and Move thiết kế 17 oa nl w Hình 1.14 Chế độ Editable Poly 18 Hình 1.15 Hai plance chiếu đứng cạnh (cách 1) 19 d a nv a lu Hình 1.16 Hai plance chiếu đứng cạnh (cách 2) 19 Hình 1.17 Tổng thống Mỹ Obama hình ảnh 3D ông thu 21 u nf từ máy quét 21 ll m Hình 1.18 Máy quét TTO - Sense 3D 22 n oi tz Hình 1.19 Máy quét Digitizer 22 Hình 2.1 Lưới đa giác xác định số danh sách 26 z Hình 2.2 Lưới đa giác xác định danh sách cạnh cho đa giác ( λ gm @ biểu diễn giá trị rỗng) 27 l co Hình 2.3 Biểu diễn mặt cầu lưới đa giác 28 m Hình 2.4 Hình trụ mặt có quy luật 32 Lu an Hình 2.5 Minh họa hình trụ 33 n va ac th Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj.dtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn si C.vT.Bg.Jy.Lj.Tai lieu Luan vT.Bg.Jy.Lj van Luan an.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an vi Hình 2.6 Vật thể gồm nhiều khối hộp đặt sát giảm thiểu theo cách 37 Hình 2.7 Đơn giản hóa bề mặt 37 Hình 2.8 Sau loại bỏ cặp xuất mặt bị ngược 43 Hình 2.9 Giải pháp QEM 44 Hình 2.10 Biểu diễn mảng tứ giác 48 Hình 2.11 Kết nối mảng tứ giác 48 Hình 2.12 Mảnh tam giác 49 a lu Hình 2.13 Bề mặt NURBS 50 n Hình 3.1 Biểu đồ phân tích chức thí nghiệm mơ 53 n va Hình 3.2 Bàn thí nghiệm 54 tn to Hình 3.3 Chiếc đèn cồn 54 p ie gh Hình 3.4 Giá đỡ kim loại 55 Hình 3.5 Mơ hình tồn cảnh bên ngồi phịng thí nghiệm 55 oa nl w Hình 3.6 Hình ảnh lửa cháy 56 Hình 3.7 Trạng thái quan sát diện với mơ hình chưa có lửa 57 d a nv a lu Hình 3.8 Trạng thái quan sát diện với mơ hình lửa cháy 58 u nf Hình 3.9 Trạng thái quan sát vng góc với mơ hình 58 ll m tz n oi z m co l gm @ an Lu n va ac th Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj.dtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn si C.vT.Bg.Jy.Lj.Tai lieu Luan vT.Bg.Jy.Lj van Luan an.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, thực ảo (thực tế ảo) ngày chứng tỏ vai trò quan trọng đời sống khoa học, kỹ thuật Thực ảo diện lĩnh vực giải trí, giáo dục, văn hóa, kinh tế, trị, quốc phịng, khoa học, đời sống v.v Trong thực ảo việc xây dựng đối tượng 3D (3 chiều) vô quan trọng, đối tượng 3D giúp cho giới thực ảo giống với thực tế đáp ứng nhu cầu khắt khe người a lu Thực ảo công nghệ sử dụng kỹ thuật mơ hình hố khơng gian n n va ba chiều, đưa giới ba chiều vào máy tính để tạo mơi trường tn to ảo 3D Trong môi trường ảo, người sử dụng thực trở thành p ie gh phần hệ thống Một ứng dụng, người nhập vai để tự chuyển động không gian ảo, tương tác với vật thể ảo oa nl w Ngược lại, mơi trường ảo tác động lại hay có phản hồi tương ứng với hành động người sử dụng, tác động tuân theo quy tắc d toán học, vật lý, tự nhiên, làm người có cảm giác tồn a nv a lu giới thực ll u nf Các mơ hình đối tượng 3D thực ảo tạo chủ yếu m ba phương pháp tạo từ lệnh ngôn ngữ lập trình, từ nhà n oi thiết kế sử dụng phần mềm 3D từ máy quét 3D Với phương pháp tz tạo mơ hình mang ưu, nhược điểm khác Tuy nhiên z phương pháp cho phép người sử dụng thiết kế mơ hình, lập trình gia @ tạo mơ hình vật thể chưa hỗ trợ hoàn chỉnh co l gm công, đo đạc, kết xuất tệp tin liệu theo định dạng phần mềm, việc tái m Do vậy, việc nghiên cứu xây dựng mơ hình đối tượng 3D linh hoạt, Lu an phục vụ trình nghiên cứu tiến tới tái tạo vật thể từ máy quét 3D hay từ n va ac th Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj.dtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn si C.vT.Bg.Jy.Lj.Tai lieu Luan vT.Bg.Jy.Lj van Luan an.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an phần mềm chun dụng u cầu cấp thiết Chính tầm quan việc tạo mơ hình, đặc biệt mơ hình tạo từ máy qt 3D, tơi thực đề tài “Mơ hình 3D số kỹ thuật mơ hình hóa 3D mơ phỏng” nhằm đáp ứng yếu tố kích thước liệu mơ hình đối tượng đồng thời rút ngắn thời gian biểu diễn bề mặt mơ hình để thỏa mãn cho chuyển động mơ hình Cấu trúc luận văn gồm: Phần mở đầu, phần kết luận chương nội dung, cụ thể: a lu Chương 1: Khái qt thực ảo mơ hình 3D thực ảo n va n Trong chương em giới thiệu chung thực ảo, ứng dụng p ie gh tn to thực ảo giới thiệu mơ hình 3D thực ảo Chương 2: Một số kỹ thuật mơ hình hóa 3D oa nl w Trong chương em trình bày kỹ thuật mơ hình hóa 3D kỹ thuật mơ hình hóa 3D dựa lưới đa giác, kỹ thuật mơ hình hóa bề mặt có d quy luật kỹ thuật mơ hình hóa NURBS a lu a nv Chương 3: Chương trình mơ cháy m thực ảo ll u nf Chương thể chương trình mơ tốn mơ lửa tz n oi z m co l gm @ an Lu n va ac th Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj.dtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn si C.vT.Bg.Jy.Lj.Tai lieu Luan vT.Bg.Jy.Lj van Luan an.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an 49 Hệ tọa độ Barycentric Coordinates Tập điểm P1, P2…Pn, tập tổ hợp điểm Các điểm tạo thành khơng gian affine với giá trịn tọa độ nates k1, k2,k3,…kn gọi hệ tọa độ barycentric  Tam giác – Triangular a lu n n va tn to p ie gh Hình 2.12 Mảnh tam giác Trong tam giác có điểm có dạng P1, P2, P3 d oa nl w Hệ số: k1, k2, k3 𝜖 [0, 1] a lu a nv Nếu Hệ số ki >