Nghiên cứu một số kỹ thuật tạo mô hình 3D và ứng dụng

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

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, học vị)

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

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

MO DAU 1 Ly do chon dé tai

Cùng với phát triển của đồ hoa máy tính và xử ly anh số trong máy tinh làm thay đổi sự tương tác giữa người và máy, khi các kỹ thuật ứng dụng đồ họa ngày mở rộng ngày càng có nhiều người quan tâm nghiên cứu đến lĩnh vực này Do đó mà các ứng dụng đồ họa trên máy tính được ra đời như: phim hoạt hình, game với các hệ thống thực tại ao 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.

Trong đồ họa máy tính, đồ họa 3 chiều ngày càng trở nên phô dụng bởi sức mạnh của phần cứng máy tính và các thiết bị phụ trợ Trong lĩnh vực này việc tạo ra các mô hình 3

chiều với các chuyên động gắn với nó là một đòi hỏi tất yếu.

Tạo mô hình 3 chiều (3D) từ hình chiều được coi là các bước khởi đầu cho hệ thống mô

phỏng, góp phần tạo nên hệ thống mô phỏng hoàn chỉnh Một trong những cách tiếp cận tạo môhình 3 chiều phổ biến hiện nay là dựa trên kỹ thuật như: Blender, 3ds Max, Google SketchUp,

AutoCAD Trong quá trình tạo mô hình đối tượng 3 chiều ngoài các van đề dam bảo chất lượng còn phải đáp ứng yêu cầu về thời gian hiển thị cho các bước mô phỏng.

Những các kỹ thuật trong đồ họa 3D là một đề tài mới mẻ và có ứng dụng lớn trong lĩnh

vực tái tạo và phục dựng đối tượng Nhất là trong hoàn cảnh, Lào là đất nước có nhiều công trình

kiến trúc cổ, ngày càng bị xuống cấp nghiêm trọng Xuất phát từ thực tế đó luận văn lựa chọn đề tài: Nghiên cứu một số kỹ thuật tạo mô hình 3D và ứng dụng.

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu, hệ thống hóa các kỹ thuật tạo mô hình 3D trong đồ họa ba chiều và thực tại ảo Trên cơ sở kiến thức được hệ thống hóa, xây dựng chương trình mô phỏng 3D thử nghiệm từ đó đưa ra lộ trình thực hiện áp dụng công nghệ 3D tại trường Đại học quốc gia Lào.

Nội dung của luận văn gồm có:

Chương 1: Khái quát về đồ họa 3D và bài toán tao mô hình Chương 2: Một số vấn đề trong tạo mô hình 3D

Chương 3: Chương trình thử nghiệm

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VE DO HỌA 3D VÀ BÀI TOÁN TẠO MÔ HÌNH

1.1 Khái quát về đồ họa 3D

“Trái tim” của đồ hoạ 3D là các dạng hình học, đặc biệt là các dạng hình học 3D Đồ hoạ 3D hỗ trợ rất nhiều các dạng hình học cơ bản đến phức tạp Trong phần này chúng chỉ đi nghiên cứu những dạng hình học cơ bản: Shape, Cube, Cylinder, Cone, Sphere, Pyramid Phan Shape được đề cập đầu tiên vì nó là “thành phần cha”, nó có thé chưá một hoặc nhiều thành phần khác

bên trong.

1.1.1 Một số khái quát về đồ họa 3D

Khi mô hình hóa và hiển thị một hình ảnh 3D chúng ta xét rất nhiều khía cạnh và các van dé khác nhau không đơn giản là thêm một tọa độ thứ 3 cho các đối tượng Bề mặt đối tượng có thể được xây dựng bởi nhiều tô hợp khác nhau của mặt phẳng và mặt cong, đôi khi chúng ta còn mô ta một số thông tin bên trong đối tượng Khi biểu diễn đối tượng 3 chiều bằng máy tính ta cần quan tâm các vấn đề sau:

+ Phương pháp biéu diễn 3D

+ Kỹ thuật đồ hoạ điểm.

+ Kỹ thuật đồ họa Vector.

1.1.4 Các chuẩn giao diện của hệ dé hoa

Mục tiêu căn bản của phần mềm đồ hoạ được chuẩn là tính tương thích Khi cáccông cụ được thiết kế với hàm đồ hoạ chuẩn, phần mềm có thé được di chuyển một cách dễdàng từ hệ phần cứng này sang hệ phần cứng khác và được dùng trong nhiều cài đặt và ứng dụng khác nhau.

1.1.5 Các ứng dụng cơ bản của đồ hoạ 3D

3D là công nghệ được xây dựng từ các phần mềm máy tính, giúp người sử dụng có thể quan sát hinh ảnh trong không gian ba chiều Ung dung của công nghệ này được sử dụng trong một số lĩnh vực đạt hiệu quả cao như:

+ Ứng dụng đồ hoạ 3D trong y tế.

+ Ứng dụng đồ hoạ 3D trong xây dựng kiến trúc + Ứng dụng đồ hoạ 3D trong phim, trò chơi.

+ Ứng dụng dé hoạ 3D trong mô phỏng, đào tao.

+ Ứng dụng đồ hoạ 3D trong lĩnh vực quốc phòng và an ninh 1.2 Bài toán tạo mô hình 3D

1.2.1 Đồ hoa 3D làm việc như thé nào

Hình ảnh được xuất hiện có chiều cao, chiều rộng và chiều sâu Một điều khác nhau giữa

hình ảnh 2D và 3D ở chỗ , những hình ảnh 2D dùng cho những hình ảnh mang những thông tin đơn

giản và nhanh chóng , những hình 3D phức tạp hơn và chứa đựng nhiều thông tin hơn 1.2.2 Tạo thé giới 3D áo

Vật thể trong thế giới 3D ảo không tổn tại trong tự nhiên Chúng được tạo ra bởi phần mềm Những người lập trình phải dùng những công cụ đặc biệt để tạo nên hình ảnh, môi trường 3D ảo.

1.2.3 Phần nào trong thế giới áo được trình diễn trên màn hình?

thế giới ảo xung quanh ta xác định ta lúc đó nhìn thấy gì tại những hướng nhìn trực tiếp Những gi mà ta nhìn thấy sẽ tạo nên những cảnh nối tiếp nhau Những người lập trình dé viết trò

chơi máy tính đặt nhiều hiệu ứng được định nghĩa trong thế giới 3D do đó ta có thể đi mọi chỗ

trong Game mà ta không thé nghĩ rằng “Điều đó không xảy ra trong thế giới nay“ 1.2.4 Làm như thé nào để nhìn nó như trong thé giới thực

Máy tính của chúng ta có thể mô tả thế giới bằng cách thê hiển những Pixel trên màn hình 2D Trong phan này chúng ta sẽ tập trung xem làm như thé nào dé trên màn hình hiển thị nhìn như trong thé giới thực Đầu tiên chúng ta xem khi nhìn một vật thé không chuyển động được làm như thật như thế nào Cuối cùng chúng ta sẽ xem máy tính thể hiện toàn bộ những hình ảnh chuyển

động trên màn hình như thế nào với tốc độ thực tế Những thông tin quan trọng của vật thể bao

1.3 Kết luận chương

Như vậy chương 1 đã trình bày các khái quát cơ bản trong đồ họa 3D, cũng như lịch sử hình thành, phát triển, các lĩnh vực ứng dụng cơ bản Bên cạnh đó đưa ra bài toán tạo mô hình và các

hướng tiếp cận trong tạo mô hình.

CHƯƠNG 2: MỘT SÓ KỸ THUẬT TẠO MÔ HÌNH 3D

2.1 Kỹ thuật tạo mô hình 3D bằng phần mềm

2.1.1 Các thành phân tạo mô hình 3D

Các đối tượng muốn animate thường được xây dựng bằng cách sử dụng các bề mặt NURBS hay lưới đa giác Cung cấp cả hai loại hình học dé có thé lựa chọn các phương pháp thích hợp nhất

cho công việc.

+ Đường cong NURBS

Curve direction (U) Edit point

+ Hình dáng

2.1.2 Một số kỹ thuật tạo mô hình con người “> Lớp mô hình tái thiết

Mô hình thường bao gồm hàng triệu đa giác, và các nối của các đối tượng không rõ Mô hình chuyển động được chụp trực tiếp là tốn kém và rất khó dé đạt được kết qua khả quan Có rất nhiều nhiệm vụ khác nhau như điều khiển chuyển động và thay đổi định dạng của sự tham gia của mình trong hoạt hình thiết kế Đề kiểm soát hoạt hình tham gia khác nhau sẽ được chia thành các

nhiệm vụ nhỏ hơn năm trong một lớp học khác nhau Quá trình này sẽ thành công trong việc khôi

phục các mô hình của hình ảnh chuyển động như: 1 Điều chính bộ xương

Mô hình bộ xương trong thiết kế điều khiển chuyên động là một thực tế phd bién cho sự

chuyển động của các nhân vật Bộ xương bao gồm một hệ thống các mối nối với các nhóm phụ

huynh thuộc tuyến tính và trẻ em Nó phản ánh cấu trúc của tiếng vang và cho phép quản lý thời

gian thực của các cấu trúc lân cận dé xây dựng hình ảnh động có sức thuyết phục như: Sự liên kết

giữa các khớp xương chạy dọc theo trục chính của lớp bộ xương đang được sử dụng lam cơ sở dé lập ban đồ, bố trí tự động, các lớp hình ảnh động.

2 Định dạng độ phân giải thấp đến lập bán đồ xương

Sau khi bộ xương được lên kế hoạch để tạo thành một mạng lưới, chúng ta cần một phương

pháp có thể được gắn vào một điểm kiểm soát trong mô hình bộ xương 3D Dé tạo hình ảnh động thực tế và cho phép xây dựng hiệu quả, chúng ta cần phải thực hiện một bản đồ đường đứt nét 3D

hoàn toàn tự động.

Định dang độ phân giải thấp, lập bản đồ và hình ảnh động dựa trên một định nghĩa

phổ biến của máy bay, được xác định bởi vị trí thông thường gần kề Đối với it” với bộ xương ở, chúng ta định nghĩa các máy bay bình thường với 7; như vậy mà bat kỳ điểm nào trong mặt phang x :

mì ' (3 — 6;) = 0 (2.1) Các máy bay nay sẽ được xác định do liên hệ toa độ địa phương dựa trên postions của cha

me và trẻ em ở nước láng giềng ổ;_¡ và ở;„; để chia sẻ chia đôi Hình 2.11 cho thấy Chiếc máy bay phô biến trong các bộ phận của bộ xương [Z¡, ÿ¡,Z¡] Địa phương phối hợp hệ thống, trục y tương ứng với một máy bay bình thường ÿ; = 71; để có được bằng.

Hình 2.11 Bề mặt với nhau và phối hợp địa phương 3 Độ phân giải cao với mô hình lập bán đồ có độ phân giải thấp

Trong phần này chúng ta giới thiệu một thủ tục tự động đề lập bản đồ có độ phân giảicao chụp dit liệu lên các mô hình điều khiển có độ phân giải thấp Một thuật toán lập ban đồchung point-to-mặt được giới thiệu dựa trên khối lượng bình thường Lập bản đồ này là liêntục trong ý nghĩa rằng các khu phố của bat kỳ điểm x trong không gian 3 chiều được ánh xạtới các vùng lân cận khối lượng bình thường của điểm ánh xạ p ¡ trên bề mặt phẳng của tam

giác f; trên một mô hình kiểm soát chung Đối với bất kỳ tam t;, normal đỉnh của nó tạo thành

một lăng kính được gọi khối lượng bình thường, v"(t;).

Nó đã liên tục lập ban đồ ba dy án trong khu vực dọc theo hình tam giác nội suy tương ứng

với bình thường Một điểm ; trên bề mặt của tam giác t; = [¥,, ở,,,] và đơn vị 7; bình thường

của nó có thê được xác định.

Hình 2.13 Point-to-surface lập ban đồ cho một tam giác bang cách sử dụng bình thường, khối lượng

“> Lớp mô hình chu én động

Các bản đồ của mô hình tam giác có độ phân giải thấp để các bộ xương và độ phân giải cao mô hình bắt vào mô hình có độ phân giải thấp cho phép ta để động các mô hình có độ phân giải thấp và có độ phân giải cao Phần này sẽ thảo luận làm thế nào các mô hình này là hoạt hình.

1 Biến dạng liền mạch của lưới kiểm soát

Mô hình chung, sau khi lắp một bộ xương với nó, thuật toán lập bản đồ gắn lưới của mô

hình chung cho các bộ xương tự động Lập bản đồ này chỉ được thực hiện đối với một tư thế duy

nhất của mô hình chung.

Đối với mỗi đặt ra của bộ xương trong phong trào, đầu tiên chúng ta tính định hướng của bề mặt doanh như đã thảo luận Sau đó, với mỗi đỉnh trong mô hình chung ta sử dụng các kết quả lập ban đồ và liên hệ tọa độ địa phương trong hai chiếc bề mặt doanh dé tính toán B,ew1 Va

Unew2-Cuối cùng sử dung các thông số ø và d từ phương trình 2.4 ta có một vị trí đỉnh mới:

Pnew = đỞnew1 + qd ~ Œ)Ởnew2 + d(đỦnsw1 + (1 — đ)Ủnew2) (2.8)

Hình 2.16 Hoạt hình về mô hình điều khiến có độ phân giải thấp

Phương trình 2.8 cho một hình ảnh động biến dạng liên tục của mô hình điều khiển có độ phân giải thấp dựa trên bộ xương Tuy nhiên, sự biến dạng này có thé dẫn đến một mỏng đi rõ ràng

cùng phân khúc và nếp gấp sắc nét gần khớp Dé bù đắp cho điều này giới thiệu một thuật ngữ đơn giản dé điều chỉnh các đ khoảng cách trong phương trình 2.8 ma dam bao rằng ÿ„e„ duy trì một

khoảng cách liên tục từ gần nhất trên phân khúc xương, (ổzsw¡, Onew2) là hằng số.

Hình 2.17 Hình anh động của toàn bộ cơ thể: mô hình điều khiến có độ phân giải thấp 2 Dàn biến dạng của lưới có độ phân giải cao

Những bình thường khối lượng dựa trên bản đồ point-to-mặt trình bày có thể được sử dụng đề lập bản đồ tất cả các đỉnh trong một độ phân giải cao lưới lên một mô hình kiểm soát hoạt hình có độ phân giải thấp Điều này cho phép một đại diện đối tượng chi tiết cao mà có thé được hoạt hình sử dụng hiệu qua các mô hình điều khiển.

Với độ phân giải cao mô hình M = {P,T} ta trước tính toán cho mỗi đỉnh lưới Z lập bản đồ khu vực gần bên trong bình thường khối lượng của một tam giác có độ phân giải thấp t; với hệ số ban dé (a, 8, đ) Điều này đã được thé hiện trong Hình 2.14 (b) Nếu mô hình hình học có độ phân giải thấp được sửa đổi như vậy mà các đỉnh của tam giác t; được thay đổi đến vị trí mới

(newrr Önews, Ởzew¿) và pháp tuyến đỉnh được sửa đổi để (Tnewr: Mnews» TMnewt)- Sử dung phương

trình 2.5 và phương trình 2.6, ta có thể đánh giá các vị trí mới của đỉnh 3, X, ey, trên mô hình có độ

phân giải cao như:

Bnew; = ®Ủnewr + BUnews + (1— & — B)Pnewt

Tnewj = ffinewr + BNnews + 1 — & — B)Mnewe

Xnew = Bnewj + Anew; (2.9)

Hình 2.18 La ered hoạt hình độ phân giải cao mô hình dữ liệu

Như các vị trí đỉnh mới 3„e„ là chỉ phụ thuộc vào vị trí tam giác đỉnh và tuyến của mô hình

có độ phân giải thấp cơ bản, mô hình độ phân giải cao sẽ làm biến đạng một cách hiệu quả và liên

tục như các cấu trúc có độ phân giải thấp được chế tác Hình 2.18, Hình 2.19 và Hình 2.20 cho thay một số kết quả của hoạt hình lớp của chúng ta có độ phân giải cao mô hình dữ liệu bị bắt Mô hình

(Hình 2.18) có 5102 đỉnh và 10200 tam giác và các mô hình chung được sử dụng chỉ có 210 đỉnh

và 416 hình tam giác Hình 2.19 bao gồm 13202 đỉnh và 26243 tam giác và các mô hình điều khiển có 1010 đỉnh và 2014 tam giác.

2.2 Kỹ thuật tao mô hình 3D bằng má quét 2.2.1 Ma quét 3D chu én dụng

> Sự hiếu biết sâu sắc về giải phẫu

Planmeca ProMax® 3D Max, đơn vi X-ray CBCT chuyên dung, được thiết kế để có được thông tin đầy đủ về giải phẫu bệnh nhân trong các chỉ tiết minutest Với một lĩnh vực tối đa view (F V) của @23 x 26 cm, nó cung cấp khả năng hoàn toàn mới trong chân đoán Các công cụ phan mềm chụp ảnh tiên tiễn tối đa hóa các lợi ích.

> Chan đoán chỉ tiết với hình ảnh 3D

Trong nha khoa hiện đại, nhu cầu phẫu thuật cấy ghép đang tăng trưởng đều đặn, mà đã tạo ra một nhu cầu cho hệ thống chụp anh X-ray cao cấp hơn Dé đáp ứng nhu cầu của nha khoa phẫu thuật hiện đại và cung cấp rõ ràng, hình ảnh đáng tin cậy trong một định dạng ba chiều với giới hạn

liều bức xạ bệnh nhân

Thiết bị hình ảnh sáng tạo, linh hoạt và năng động này sẽ mở ra mới khả năng cho các nha sĩ trên trang web Planmeca PR MAX 3D Max tuân thủ với vô số các yêu cầu chan đoán: những

người trong nội nha, chu, chỉnh hình răng mặt, implantology, cũng như phẫu thuật nha khoa và

hàm mặt, và phân tích TMI.

Hình 2.21 Má quét 3D chu én dụng

Thách thức các bác sĩ lâm sàng để xác định hướng của răng Bằng cách sử dụng Planmeca PR MAX 3D Max, mọi góc độ và định hướng trở thành rõ ràng Chụp ảnh bất kỳ khu vực quan

tâm trong khu vực hàm mặt là nỗ lực, là kích thước khối lượng bao gồm tất cả mọi thứ từ đủ ham

mặt kích thước hình ảnh với kích thước nhỏ nhất đành cho hình ảnh cái răng.

Nghiên cứu Planmeca PR MAX 3D Max cung cấp trực quan day đủ của tat cả các lớp học của chỉnh hình răng Đây là thuận lợi rất lớn trong kế hoạch chỉnh hình răng, khi thời gian được lưu và liều bức xạ bệnh nhân giảm Planmeca PR MAX 3D Max cung cấp những dữ liệu hình ảnh trong giải phẫu chính xác tỉ lệ 1: 1, không có nhu cầu dé sửa chữa cho độ phóng đại hình học.

2.2.2 Phần mêm chu ên dụng (Planmeca Romexis®)

Planmeca Romexis® là một giải pháp phần mềm toàn diện cho việc xem và chế biến X quang 3D, hình ảnh 3D và quét bề mặt intraoral Sự kết hợp mạnh mẽ của các phương thức cung cấp thông tin chính xác nhất về giải phẫu bệnh nhân cho các nhu cầu khác nhau Phần mềm Planmeca Romexis thiết kế đặc biệt cho các công cụ implantologists, endodontists, periodontists,

bác sĩ phẫu thuật hàm mặt và bác sĩ X quang.

Bang 2.1 Phần mềm hình anh Planmeca Romexis® Supported 2DX-ra modalities | - Intraoral

Supported photo sources - Intraoral camera Digital camera or scanner(import or TWAIN capture)

Operating s stems - Windows XP, Vista and Windows 7

- Windows 2003 Server

- Windows 2008 Server-Mac S X*

Image formats- JPEG or TIFF (2D image)

- DIC M (2D and 3D image)

- STL (3D image import/export)

- TIFF, JPEG, PNG, BMP (import/ export)

Image size- 2D X-ray image: 1- 9 MB

- 3D X-ray image: typically 50 MB - 1 GB

DICOM 3.0 support- DIC M Import/Export

- DIC M DIR Media Storage- DIC M Print SCU

- DIC M Storage SCU- DIC M Worklist SCU

-DIC M Query/Retrieve

- DIC M Storage Commitment

- DIC MMPPS

Interfaces- TWAIN Client

- PMBridge (patient information and images)

- VDDS (patient information and images)

InfoCarrier (patient information)

- Datagate (patient and user information)

Installation optionsClient — Server Java Web Start deployment

> Chẩn đoán 3D thuận tiện