Nghiên cứu một số kỹ thuật tạo chuyển động cho đối tượng 3D

PHOUTHONE PHANTHAVONG

NGHIÊN CỨU MOT SO KỸ THUAT TẠO CHU EN ĐỘNG

CHO DOI TƯỢNG 3D

CHYEN NGANH : HE THONG THONG TIN MA SO : 60.48.01.04

TOM TAT LUẬN VAN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2015

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THONG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS BO NĂNG TOAN

(Ghi rõ học hàm, hoc vi)

Phản biện l: - -cc c2 2 c2 cs2

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

LOI MO DAU Ly do chon dé tai.

Công nghệ thông tin phat triển mạnh mẽ cùng với phát triển của Đồ họa máy tinh và xử ly ảnh số trong máy tính làm thay đổi sự tương tác giữa người và máy, khi các kỹ thuật ứng dụng đồ

họa ngày càng cao hơn nên nhiều người quan tâm nghiên cứu đến lĩnh vực này Do đó mà các ứngdụng đồ họa trên máy tính được ra đời như: phim hoạt hình, game với các hệ thống thực tại ảo đã

đóng góp cho sự phát triển chung của ngành công nghệ thông tin Vì vậy đồ họa máy tính trở thành một lĩnh vực hấp dẫn và có nhiều ứng dụng trong thực tế.

Nghiên cứu và mô phỏng thế giới thực đang là một trong những chủ đề tiềm năng và mới mẻ của ngành công nghệ thông tin Chúng ta có thể thấy sự xuất hiện của công nghệ mô phỏng 3D ở hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống, chẳng hạn như: y tế, giáo dục, giải trí, khoa học, quân sự

Dé góp phan sức nhỏ của mình vào sự phát triển của công nghệ mô phỏng 3D cũng như dé tạo thuận lợi cho quá trình nghiên cứu, học tập sau này khi trở về quê hương nên em quyết định chọn đề tài làm luận văn thạc sỹ là: Nghiên cứu một số kỹ thuật tạo chuyển động cho đối tượng

Nội dung luận văn của em gồm:

Chương 1: Khái quát về thực tại ảo và bài toán tạo chuyển động

— Chương này trình bày các van dé cơ ban trong thực tại ảo cung cấp cho ta cái nhìn tổng quan về quá trình phát triển và các lĩnh vực ứng dụng chính hiện nay của đồ họa 3 chiều (3D) Đồng thời cung cấp một cái nhìn khái quát về tạo chuyền động trong đồ họa 3 chiều (3D).

— Ngoài ra cũng đưa ra những cơ sở lý thuyết để làm cơ sở cho sự trình bày về một số kỹ thuật tạo chuyên động cho đối tượng 3D trong chương 2.

Chương 2: Một số kỹ thuật tạo chuyến động cho đối tượng 3D

— Chương này, hệ thống hóa mốt số kỹ thuật tạo chuyên động cơ bản cho đối tượng 3D mà chưa quan tâm đến việc tính toán và chạm với môi trường nhiều đối tượng chuyên động Chương 3: Chương trình thử nghiệm

— Xây dựng chương trình thử nghiệm mô phỏng một cái vật chuyển động của một đối tượng 3D như là hình 3D của con người đang chuyển động trong môi trường ba chiều

dựa theo một trong các kỹ thuật đã được hệ thống hóa trong chương 2

CHƯƠNG 1: KHÁI QUAT VE THỰC TẠI AO VÀ BÀI TOÁN TẠO CHU EN ĐỘNG.

1.1 Khái quát về thực tại do (Virtual Reality-VR).

1.1.1 Thực tại ảo là gì.

Thực tế ảo hay còn gọi là thực tại ảo (tiếng Anh là virtual reality, viết tắt là VR) VR là một hệ thống mô phỏng trong đó đồ họa máy tính được sử dụng để tạo ra một thế giới "như thật" Hơn

nữa, thế giới "nhân tạo" này không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn (tín hiệu vào)

của người sử dụng (nhờ hành động, lời nói, ) Điều này xác định một đặc tính chính của VR, đó là

tương tác thời gian thực (real-time interactivity).

Công nghệ thực tế ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện khoảng đầu thập kỷ 90, nhưng thực sự phát triển mạnh trong vòng vai năm trở lại đây Theo dự đoán của Gartner (tổ chức nghiên cứu thị trường toàn cầu), VR đứng đầu danh sách 10 công nghệ chiến lược năm 2009 Tại Mỹ và châu Âu

thực tế ảo (VR) đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi

trong mọi lĩnh vực (nghiên cứu và công nghiệp, giáo dục và đảo tạo, du lịch, dịch vụ bất động sản,

thương mai và giải tri,

Trong thực tế, người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D nổi (như hình nổi ở

trang cuối báo Hoa học trò đã đăng trước kia), điều khiển (xoay, di chuyển ) được đối tượng trên

màn hình (như trong game), mà còn sờ và cảm thấy chúng như có thật.

1.1.2 Sơ lược và lịch sứ phát triển của thực tại ảo.

Từ năm 1962 Morton Heilig (người Mỹ) đã phát minh ra thiết bị mô phỏng SENS RAMA Tuy nhiên cũng như nhiều ngành công nghệ khác, VR chỉ thực sự được phát triển ứng dụng rộng rãi trong những năm gần đây nhờ vào sự phát triển của tin học (phần mềm) và máy tính (phần cứng).

Morton Heilig đã đưa ra một ý tưởng tại sao không đưa con người bước sang một thế giới khác với ý tưởng là hệ thống mô phỏng bay (Flight Simulation) Sử dụng hệ thống này người quan sát có cảm giác ảnh đang sống động ngay trước mắt mình Do không có sự hỗ trợ về tài chính do đó Heilig không thể hoàn thành ước mơ của minh Xong anh cũng đã tạo ra được mộtthiết bị mô phỏng được gọi là "Sensorrama Simulator", thiết bị này được công bố vào khoảng đầu những năm

Thiết bị này sử dụng hình ảnh 3D, thu được từ camera 35mm kết hợpthành một camera

chính Thiết bị này gồm có một hệ thống âm thanh kết hợp với những cảnh quay 3 chiều thực sự.

Người nhìn có thé cưỡi một cái xe máy, có thể cảm thấy gió khi chuyển động, thậm chí họ có thể cảm thấy những đoạn đường có 6 gà Mặc dù đây còn là một cái máy đơn giản, thô sơ xong nó đã mở ra nhiều ý tưởng nghiên cứu mới chưa từng có trên thế giới.

Năm 1966 Ivan Sutherland một sinh viên tốt nghiệp Trường Utah tiếp tục nghiên cứu vấn đề Heilig đã bỏ đở Sutherland cho rằng cảnh quay tương tự không đáp ứng được yêu cầu thực tế Anh ta bắt đầu một ý tưởng của một bộ tăng tốc đồ hoạ, và đã chế tạo được hệ thống thiết bị Hién thị đội đầu (Head Mounted Display-HMD) có thể kết nối tới máy tính Năm 1970, Sutherland tiếp tục phát triển phần cứng của HMD tại trường đại học Utah, làm cho nó hoàn thiện hơn có màn hình là màn

hình màu.

Hình 1.4 Thiết bị mô phỏng HMD-1970 của Ivan Sutherland

Trong khoảng thời gian này Myron Kreuger đã phát triển một thiết bị có tên VIDE PLACE Thiết bị này sử dụng một màn hinh lớn đối diện với ngườidùng Trên màn hình

hiển thị cái bóng người dùng Hệ thống cũng có khả năng hiển thị nhiều người sử dụng trên cùng

Hình 1.5 Thiết bi VIDE PLACE-1970 của Myron Kreuger

Những ý tưởng này đã được hai nhà khoa học Mỹ ở NASA là Fisher và MeGreevy kết hợp

lại trong một dự án có tên là “Tram làm việc ảo” (Visual Workstation) vào năm 1984.

dựa trên mẫu hình mặt nạ lặn với các màn hình quang học mà ảnh được cung cấp bởi hai thiết bị truyền hình cầm tay Sony Watchman Sự phát triển của thiết bị này đã thành công ngoài dự đoán, bởi NASA đã sản xuất được một thiết bi HMD có giá chấp nhận được trên thị trường và như vậy

ngành công nghiệp Thực tại ảo đã ra đời.

Đặc biệt là công nghệ Thực tại ảo từ những năm 90 trở lại đây được phát triển mạnh mẽ và

đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực như:

nghiên cứu và công nghiệp, giáo dục và đào tạo cũng như thương mại, giải trí,

Ngày nay VR đã trở thành một ngành công nghiệp và thị trường VR tăng trưởng hàng năm

khoảng 21% và dự tính đạt khoảng 3,4 tỷ $ năm 2005 (theo Machover, 2004) => Theo dự đoán

của Gartner (tô chức nghiên cứu thị trường toàn cầu), VR đứng đầu danh sách 10 công nghệ chiến lược năm 2009.

1.1.3 Các thành phần của hệ thống thực tại ảo

Một hệ thống thực tại ảo (Virtual Reality — VR) tổng quát bao gồm 5 thành phan: phần mềm (SW), phan cứng (HW), mạng liên kết, người dùng và các ứng dụng Trong đó 3 thành phan

Phần mềm luôn là linh hồn của VR cũng như đối với bất cứ một hệ thông máy tính hiện đại nào Về mặt nguyên tắc có thé dùng bat cứ ngôn ngữ lập trình hay phần mềm dé hoa nào dé mô hình hóa (modelling) và mô phỏng (simulation) các đối tượng của VR Ví dụ như các ngôn ngữ (có thể tìm miễn phi) penGL, C++, Java3D, VRML, X3D, hay các phần mềm thương mại như

WorldToolKit, PeopleShop, Phần mềm của bất kỳ VR nào cũng phải bảo đảm 2 công dụng

chính: Tạo hình vào Mô phỏng Các đối tượng của VR được mô hình hóa nhờ chính phần mềm này hay chuyển sang từ các mô hình 3D (thiết kế nhờ các phần mềm CAD khác như 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 tượng.

= Ứng dụng (Application)

Phần mềm luôn là linh hồn của VR cũng như đối với bất cứ một hệ thống máy tính hiện đại

nào Về mặt nguyên tắc có thé dùng bat cứ ngôn ngữ lập trình hay phần mềm đồ họa nào dé mô hình hóa (Modelling) và mô phỏng (Simulation) các đối tượng của VR Ví dụ như các ngôn ngữ (có thể tìm miễn phi) penGL, pen Scene Graph?, pen SG?, C++, Java 3 D?, VRML, X 3 D? hay các phần mềm thương mại như World Tool Kit?, People Shop?, Ve Ga?

= Không gian trong thế giới 40 (World Space)

Bản thân thế giới ảo cũng cần được định rõ trong một không gian gọi là “world space” Do bản chất tự nhiên của thế giới ảo là một mô phỏng máy tính, nên thế giới ảo có hạn chế nhất định Vị trí của mỗi điểm của mỗi đối tượng trong thế giới đó đều phải được gán cho một giá trị số (toa độ) Các toa độ này thường được mô tả trong hệ toa độ Dé-cac-to với các thứ nguyên X,

Y và Z (biéu dién độ dai, độ cao, độ sâu).

“ Cơ sở dữ liệu cho thế giới ảo (World Database)

Lưu trữ thông tin về các đối tượng và thế giới ảo là một phần quan trọng trong việc thiết kế hệ thống thực tại ảo VR Những thông tin chính được lưu trữ trong World Database (hoặc World Description Files) là các đối tượng ở trong thế giới đó, các kịch bản (scripts) mô tả các hành động của các đối tượng hoặc người sử dụng (những kịch bản, phản ứng xảy ra đối với người sử dụng), ánh sáng, các điều khién chương trình, và hỗ trợ thiết bị phần cứng Có nhiều cách lưu trữ10 thông tin về thế giới ảo: một file đơn, một tập các file, hoặc là cả một cơ sở dữ liệu.

Phương pháp sử dụng nhiều file là một trong những hướng tiếp cận thường gặp nhất trong những package phát triển về thực tại ảo Mỗi một đối tượng có một hoặc nhiều file (file lưu trữ về

hình dạng hình học, file lưu trữ scripts ) và có một số file toàn cục sử dụng chung cho thế gidi ảo

đó có tác dụng load các file khác.

Một số hệ thống còn bao gồm cả một file cấu hình định nghĩa về các kết nối giao diện phần cứng Đôi khi toàn bộ cơ sở dữ liệu được load trong khi chương trình khởi động, các hệ thống khác chỉ việc đọc các file mà hệ thống cần tại thời điểm đó.

Một cơ sở dữ liệu hướng đối tượng ( bject riented Database) sẽ thích hợp nhất cho một

hệ thống thực tại ảo, nhưng chưa thấy có một dự án nào sử dụng cách tiếp cận này Các file dữ liệu đa phần thường được lưu trữ dưới dạng các file văn bản sử dụng mã ASCII (con người có thể đọc được).

" Phan cứng (Hardware)

Phần cứng của một hệ thống VT bao gồm: Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh), các thiết bị đầu vào (Input devices) và các thiết bị đầu ra (_ utput devices).

Hand Position Physical Constrains

7 = VY Acoustic Properties Haptic

—r— | !

Collision Detection

Hình 1.8 Phần cứng mô hình chung

- Các thiết bị đầu vào (Input devices): Chúng bao gồm những thiết bị đầu ra có khả năng kích thích các giác quan dé tạo nên cảm giác về sự hiện hữu trong thé giới ảo.

- Các thiết bị đầu ra (_ utput devices): gồm hiển thị đồ họa (như màn hình, HDM, ) dé nhìn được đối tượng 3D Thiết bị âm thanh (loa) dé nghe được âm thanh vòm (như Hi-Fi, Surround, ).

1.1.4 Phân loại các hệ thống thực tại áo

Mặc dù khó có thể phân loại được tất cả các hệ thống Thực tại ảo, nhưng phần lớn các hình thái hệ thống VR rơi vào ba nhóm chính, mỗi nhóm được xếp hạng theo khả năng cung cấp tính “thực” hay độ “nhúng” của người sử dụng trong môi trường ảo do hệ thống tạo ra Tính thực hay

độ nhúng được xem là kết quả của sự phối hợp nhiều yếu tố bao gồm mức độ tương tác với môi

trường, mức độ nhìn lập thé, trường quan sát và tốc độ cập nhật ảnh của màn hình trong sự thay đổi về mặt không gian của người dùng.

« Hệ thống VR không có tính nhúng (non-Immersive)

Hệ thống VR không có tính nhúng được xây dựng cho máy tính đề bàn Hệ thống này được

biết với tên là Window on World (WoW) hay Desktop VR Trong hệ thống nay, môi trường ảo

được quan sát thông qua màn hình có độ phân giải cao Việc tương tác được thực hiện thông qua

các phương tiện như bàn phím, chuột hoặc Joystick.

Hình 1.17 Người đang ứng dụng hệ thống VR Non-Immersive « Hé thống VR bán nhúng (Semi-Immersive):

Hệ thống VR bán nhúng bao gồm hệ thống máy tinh hỗ trợ đồ họa tương đối mạnh đi kèm với một hoặc nhiều màn hình hoặc hệ thống máy chiếu dé tạo ra màn hình lớn Hệ thống màn hình này được đặt xung quanh người dùng để tạo cảm giác hòa mình vào môi trường 3D ảo Một hệ thống VR Bán nhúng thường có những thiết bị sau:

- Máy chiếu màn ảnh rộng công nghệ DLP (Digital Light Processing).

Hình 1.19 Máy chiếu công nghệ DLP trong hệ thống VR Semi-Immersive « Hé thống VR nhúng toàn phần (Fully-Immersive)

Hệ thống VR nhúng toàn phần là hệ thống tạo cho người dùng trải nghiệm trong môi trường ảo giống với thực tế nhất Trong hệ thống này, người dùng đeo HMD và DataGloves hoặc sử dụng B_ M để nhìn vào môi trường ảo có thé quay 3600 và tương tác với vật có cảm giác như tương tác với vật thật Tất nhiên, so với hệ thống trên, hệ thống này là phức tạp và đòi hỏi chi phí lớn để tạo các ứng dụng.

Hình 1.22 Thiết bị Data Gloves trong hệ thống VR Fully-Immersive

- Thiết bị hiển thị đội đầu (Head Mounted Display-HMD) là thiết bi không chi cho phép người quan sát cảm nhận được thế giới ảo 3 chiều mà còncho phép người quan sát được tự do chuyên động trong thế giới đó.

Hình 1.16 Thiết bị HMD trong trong hệ thống VR Fully-Immersive

Tất cả các hệ thống VR nhúng toàn phần có khả năng cung cấp những cảm nhận hiện thực

trong môi trường ảo hơn bắt kỳ một loại hệ thống nào đã đề cập trước Tuy nhiên, mức độ “thực”

còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm trường quan sát của thiết bị HMD, độ phân giải, tốc độ

cập nhật ảnh trong thời gian thực khi người quan sát chuyên động trong không gian.

Bang1.1: So sánh hiệu năng hoạt động của các hệ thống Thực tại ảo(Kalawsky, 1996)

Các đặc trưng Hệ không Hệ nhúng toán

Khả năng tương tác Thấp Trung bình Cao

Trường quan sát Thấp Trung bình Cao

Ti Tp Tan ih Ca

diện trong môi Không -Thấp Trung bình-Cao Trung bình - Cao

trường ảo

1.1.5 Các lĩnh vực ứng dụng chính hiện nay của thực tai ao

Cũng như nhiều ngành công nghệ khác, Thực tại ảo chỉ thực sự được phát triển ứng dụng rộng rãi trong những năm gần đây nhờ vào sự phát triển của tin học (phần mềm và phần cứng).

Ngày nay VR đã trở thành một ngành công nghiệp và thị trường VR tăng trưởng hàng năm khoảng

21% và dự tính đạt khoảng 3,4 tỷ $ năm 2005 (theo Machover, 2004) Theo dự đoán của Gartner (tổ chức nghiên cứu thị trường toàn cầu), VR đứng đầu danh sách 10 công nghệ chiến lược năm 2009 Thị trường VR tại Mỹ trong các lĩnh vực giáo dục phẫu thuật y khoa và một số lĩnh vực khác được

ước đạt 290 triệu USD vào năm 2010 (theo Neurovr.org) Ứng dụng của Thực tại ảo có thể thấy

được rất nhiều trong thế giới hàng ngày của chúng ta Xét về khía cạnh ứng dụng một số lĩnh vực ứng dụng chính đang có khuynh hướng phát triển mạnh mẽ nhất chúng ta có thé kể đến một số lĩnh

VỰC Sau:

= Giải tri

Với sự phát triển của kỹ thuật và công nghệ mô phỏng người ta đã có thé xây dựng các bộ phim hoạt hình 3D như: Phim AVATAR năm 2009.

Hình 1.9 Phim AVATAR năm 2009= Giáo dục và đào tạo

Mô phỏng các thí nghiệm, các phản ứng hóa học Xây dựng các phần mềm mô phỏng như phần mềm tập lái ôtô 3D, tạo cho người học có được những cảm giác như khi lái xe thật.

Hình 1.10 Mô phỏng lái ôtô 3D

b học

Việc tìm kiếm các mẫu, mô hình làm thí nghiệm (nhất là đối với cơ thể người) là vẫn đề khó

khăn, do kinh phí đắt, hoặc do không có các bộ phận, hoặc về vấn đề văn hóa dân tộc

Hình 1.12 Phần mềm mô phỏng các bộ phần của con người = Xây dựng và thiết kế kiến trúc

Chúng ta cũng có thê thiết kế các tòa nhà, các cao 6c, các khu thé thao hay các khu du lịch sinh thái, hay tính toán chỉ tiết một công trình xây dựng, hoặc mô phỏng các sự cố, hiện tượng có thé xảy ra đối với nhà trên máy tính.

Hình 1.13 Phần mềm mô phỏng xây dựng tòa nhà 3D

" Quốc phòng

Trong lĩnh vực Quốc phòng, VR cũng được ứng dụng rất nhiều ở các nước phát triển Bên cạnh các ứng dụng truyền thống ở trên, cũng có một số ứng dụng mới nỗi lên trong thời gian gần đây của VR như: VR ứng dụng trong tập trận của quân sự nước phát triển như nước Mỹ và Nga, VR ứng dung trong sản xuất, VR ứng dụng trong ngành rôbốt, v v.

Hình 1.15 Quân sự nước Mỹ đang tập trận trong công nghệ thực tại ảo

= Thuong mại và du lịch.

Trong thương mại đặc biệt là trong ngành quảng cáo công nghệ VR đang có một vi trí quan

trọng Nó giúp khách hàng tiếp cận gần hơn tới hang hóa dé có thé đánh giá chất lượng ma không cần có hàng trực tiếp,

Hình 1.16 Ứng dụng công nghệ VR trong ngành quảng cáo khu du lịch

1.2 Tạo chuyén động trong thực tại ảo

Các hình ảnh 3D trong Thực tại ảo ngày cảng có nhiều ứng dụng trong thực tế Việc tạo ra

các mô hình 3D với các chuyền động gắn với nó là một đòi hỏi tất yếu Trong lĩnh vực thê hiện hình

ảnh 3D trong VR có hai khâu quan trọng là tạo mô hình và điều khiển mô hình.

1.2.1 Vai trò của việc tạo chuyển động

Chúng ta có thể nói việc tạo chuyên động là thành phần không thẻ thiếu trong VR Chuyển động, tương tác giữa các đối tượng sẽ làm cho đối tượng trở lên chân thực và sống động hơn, sẽ đưa người ta vào một thế giới nhân tạo giống như thật.

1.2.2 Cơ sở lý thuyết của kỹ thuật tạo chuyển động

Thực tại ảo là tông hợp của 03 “I” yếu tố: tương tác (Interactive) đắm chim (Immersion)

-tưởng tượng (Imagination).

( :

Hình 1.25 Ba yếu tố của thực tại ảo

" Tương tac (Interactive)

Là bằng một hệ thống mô phỏng có sử dụng đồ họa máy tính, công nghệ VR có thể đưa người ta vào một thế giới nhân tạo với không gian 3 chiều như thật Thế giới này không tĩnh tại mà

phản ứng, thay đổi theo ý muốn tín hiệu vào của người sử dụng nhờ hành động, lời nói.

Tương tác thời gian thực (real-time interactive): có nghĩa là máy tính có khả năng nhận biết được tín hiệu vào của người sử dụng và thay đôi ngay lập tức thế giới ảo.

Có hai khía cạnh của tính tương tác trong một thế giới ảo đó là: sự du hành bên trong thế giới và động lực học của môi trường.

- Su du hành (navigation) là khả năng của người ding dé di chuyển khắp nơi một cách độc

lập, cứ như là đang ở bên trong một môi trường thật.

- Dong lực học của môi trường là những quy tắc về cách thức mà người, vật và mọi thứ

tương tác với nhau trong một trật tự để trao đôi năng lượng hoặc thông tin ¢ Đắm chìm (immersion)

Dam 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 người sử dụng hệ thống thực tế ảo.

Người sử dụng cảm thấy minh là một phần của thé giới ảo, hòa lẫn vào thé giới đó.