Một số kỹ thuật nắn chỉnh biến dạng đối tượng 3d

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ =======   ====== PHẠM BÁ MẤY MỘT SỐ KỸ THUẬT NẮN CHỈNH BIẾN DẠNG ĐỐI TƯỢNG 3D LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ =======   ====== PHẠM BÁ MẤY MỘT SỐ KỸ THUẬT NẮN CHỈNH BIẾN DẠNG ĐỐI TƯỢNG 3D Ngành : Công nghệ thông tin Chuyên ngành : Kỹ thuật phần mềm Mã số : 60480103 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn Hà Nội - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết quả trong luận văn là sản phẩm của riêng cá nhân tôi. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm theo quy định cho lời cam đoan của mình. Hà Nội, ngày 20/11/2014 Người cam đoan Phạm Bá Mấy LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành bài luận văn này và có kiến thức như ngày hôm nay, đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu cùng toàn thể thầy cô khoa Công nghệ thông tin - Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu cho tôi cùng toàn thể các học viên cao học khóa 19 trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban Lãnh Đạo cùng toàn thể anh chị em đồng nghiệp Viện Công nghệ thông tin - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã cho phép và tạo mọi điều kiện ủng hộ và giúp đỡ tôi trong suốt khóa học Thạc sĩ này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn PGS.TS. ĐỖ NĂNG TOÀN, Viện Công nghệ thông tin - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, quan tâm và động viên tôi trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu, xây dựng và hoàn thành luận văn này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. NGUYỄN TRỌNG TOÀN - nguyên Viện trưởng Viện Pháp y Quân đội đã nhiệt tình chỉ dẫn và cung cấp những yêu cầu thực tế của bài toán “Phục dựng mặt người” mà các bác đang nghiên cứu và giải quyết cũng như những kiến thức vô cùng quý báu liên quan tới lĩnh vực chuyên môn Pháp y, Giải phẫu… Những kiến thức quan trọng này đã giúp ích cho tôi rất nhiều trong quá trình cài đặt thử nghiệm. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè đã động viên và tạo mọi điều kiện giúp tôi trong quá trình học tập, công tác cũng như trong cuộc sống. Mặc dù cố gắng hoàn thành luận văn nhưng do thời gian và khả năng còn nhiều hạn chế nên luận văn khó tránh khỏi những sai sót nhất định, rất mong được sự thông cảm cũng như sự chỉ dẫn, góp ý của thầy cô và bạn bè để luận văn được hoàn thiện hơn. Cuối cùng tôi xin gửi lời chúc sức khỏe và thành đạt tới tất cả quý thầy cô, quý đồng nghiệp cùng gia đình và bạn bè. 1 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 3 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 4 PHẦN MỞ ĐẦU 6 CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ĐỐI TƯỢNG 3D VÀ BÀI TOÁN NẮN CHỈNH 7 1.1. Khái quát về đối tượng 3D 7 1.1.1. Khái niệm về đối tượng 3D 7 1.1.2. các thành phần cơ bản của đối tượng 3D 9 1.1.3. Một số phương pháp xây dựng đối tượng 3D 11 1.2. Bài toán nắn chỉnh đối tượng 3D 16 1.2.1. Giới thiệu 16 1.2.2. Một số hướng tiếp cận 17 1.2.3. Ứng dụng 24 CHƯƠNG II: MỘT SỐ KỸ THUẬT NẮN CHỈNH ĐỐI TƯỢNG 3D 25 2.1. Kỹ thuật nắn chỉnh biến dạng dựa vào hệ tọa độ Barycentric 25 2.1.1. Giới thiệu 25 2.1.2. Phương pháp 27 2.1.3. Đánh giá 32 2.2. Kỹ thuật nắn chỉnh biến dạng dựa vào hàm cơ sở bán kính (RBF) 34 2.2.1. Giới thiệu 34 2.2.2. Phương pháp 36 2.2.3. Đánh giá 40 2.3. Kỹ thuật nắn chỉnh biến dạng dựa vào phương trình vi phân (PDE) 42 2.3.1. Giới thiệu 42 2.3.2. Phương pháp 43 2.3.3. Đánh giá 48 2 CHƯƠNG III: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 49 3.1. Phát biểu bài toán 49 3.2. Điểm vài nét về các phương pháp khôi phục mặt người từ hình thái xương sọ 50 3.3. Lựa chọn quy trình công nghệ 55 3.4. Thử nghiệm 58 PHẦN KẾT LUẬN 64 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt 1 DICOM Digital Imaging and Communications in Medicine Tiêu chuẩn để xử lý, lưu trữ, in ấn và thu/nhận hình ảnh trong y tế 2 NURBS Non-Uniform Rational B-spline B-spline hữu tỉ không đồng đều 3 PDE Partial Differential Equation Phương trình vi phân từng phần 4 RBF Radial Basic Funtion Hàm cơ sở bán kính 5 VR Virtual Reality Thực tại ảo 6 VRML Virtual Reality Modeling Language Ngôn ngữ mô hình hóa thực tại ảo 4 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Đối tượng 3D 8 Hình 1.2. Cấu trúc của mô hình 3D 9 Hình 1.3. Các đối tượng nguyên thuỷ của polygon 10 Hình 1.4. Mô hình liên tục 11 Hình 1.5. Ảnh DICOM 12 Hình 1.6. Dữ liệu ảnh chưa được xác định biên 12 Hình 1.7. Dữ liệu ảnh sau khi đã xách định biên 12 Hình 1.8. Dữ liệu mô hình thô 13 Hình 1.9. Dữ liệu mô hình sau khi làm mịn 13 Hình 1.10. Vẽ phác thảo mô hình trên ảnh 14 Hình 1.11. Dựng mô hình thô 14 Hình 1.12. Kết quả dựng mô hình từ ảnh 14 Hình 1.13. Dựng mô hình 3D bằng máy Scan 3D 15 Hình 1.14. Kết quả dựng mô hình từ dữ liệu máy Scan 3D 15 Hình 1.15. Nghiên cứu của Tong-Yee Lee và Po-Hua Huang 18 Hình 1.16. Nghiên cứu của Yong Joo Kil và cộng sự 18 Hình 1.17. Nghiên cứu của Henry Schäfer và cộng sự 19 Hình 1.18. Nghiên cứu của Thomas W. Sederberg và Scott R. Parry 20 Hình 1.19. Nghiên cứu của The Duy Bui và các cộng sự 21 Hình 1.20. Nghiên cứu của Chen Cao, Qiming Hou, Kun Zhou 21 Hình 1.21. Nghiên cứu của nhóm thực hiện đề tài KC.01.17/06-10 22 Hình 1.22. Nghiên cứu của Terzopoulos và các cộng sự 23 Hình 1.23. Nghiên cứu của Gonzalez Castro G, Ugail H,Willis P and Palmer I 23 Hình 1.24. Nghiên cứu của Yun Sheng, Phil Willis 24 Hình 2.1. Ý tưởng của Mobius 25 Hình 2.2. Ý tưởng mở rộng của Mobius 26 Hình 2.1. Hệ tọa độ Barycentric 27 Hình 2.2. Phân Vùng đối tượng 29 Hình 2.3. Tạo độ Barycentric cho điểm P 29 Hình 2.4. Kết quả nắn chỉnh 30 Hình 2.5. Mô hình mặt người đầu vào 33 Hình 2.6. Biến đổi mô hình mặt với kỹ thuật hệ tọa độ arycentric 33 5 Hình 2.7. Điều khiển hoạt động của Rồng dựa vào nắn chỉnh biến dạng 34 Hình 2.8. Hàm cơ sở bán kính (RBF) 35 Hình 2.9. Đầu vào của thuật toán nắn chỉnh dựa vào RBF 38 Hình 2.10. Sự biến đổi của tập điểm điều khiển. 39 Hình 2.11. Kết quả nắn chỉnh đối tượng. 40 Hình 2.12. Mô hình mặt người đầu vào 41 Hình 2.13. Biến đổi mô hình mặt với RBF 41 Hình 2.14. Bề mặt đối tượng (b) được xây dựng bởi một hàm PDE bậc bốn từ các điều kiện biên (a). 45 Hình 2.15. Bề mặt đối tượng (b) được xây dựng bởi một hàm PDE bậc bốn từ các điều kiện biên và điều kiện phát sinh (a). 46 Hình 2.16. Bề mặt đối tượng (b) được xây dựng bởi một hàm PDE bậc sáu từ các điều kiện biên (a). 46 Hình 2.17. Bề mặt đối tượng (b) được xây dựng bởi một hàm PDE bậc sáu từ các điều kiện biên và điều kiện phát sinh (a). 47 Hình 3.1. Minh họa khôi phục mặt người từ hộp sọ 3D 49 Hình 3.2. Phương pháp lồng sọ vào bức vẽ chân dung 51 Hình 3.3. Minh họa phương pháp lồng sọ vào ảnh thật qua hệ thống gương bán mạ 51 Hình 3.4. Phương pháp giải phẫu 53 Hình 3.5. Hệ thống các vị trí đặc trưng 54 Hình 3.6. Các điểm mốc và các góc đặc trưng 55 Hình 3.7. Sơ đồ hệ thống khôi phục người từ hộp sọ 56 Hình 3.8. Sọ 3D của người cần dựng mặt 59 Hình 3.9. Dữ liệu mô mềm tại các điểm đặc trưng 59 Hình 3.10. Dữ liệu mặt mẫu 59 Hình 3.11. Dữ liệu đầu vào cho thử nghiệm thứ nhất 61 Hình 3.12. Kết quả của thử nghiệm thứ nhất chạy với Barycentric 61 Hình 3.13. Kết quả của thử nghiệm thứ nhất chạy với RBF 61 Hình 3.14. Dữ liệu đầu vào cho thử nghiệm thứ hai 62 Hình 3.15. Kết quả của thử nghiệm thứ hai chạy với Barycentric 62 Hình 3.16. Kết quả của thử nghiệm thứ hai chạy với RBF 62 6 PHẦN MỞ ĐẦU Sự phát triển vượt bậc của các thiết bị phần cứng máy tính, cũng như các thiết bị ngoại vi thu nhận hình ảnh của thế giới thực vào máy tính như: máy ảnh, máy scan 3D… làm cho dữ liệu về hình ảnh, mô hình 3D ngày càng phổ biến hơn. Trong thực tế, đối tượng khi được thu nhận bởi các thiết bị điện tử hay là quang học này thường không thể hiện được bản chất thực (nguyên thủy) của mình hay nói cách khác là bị biến dạng đi [11,13]. Để khắc phục sự biến dạng này, người ta đã sử dụng một số kỹ thuật nắn chỉnh hình học để thu được các đối tượng với hình dạng chính xác hơn. Hơn thế nữa, trong một số ứng dụng như phim ảnh, người ta còn muốn tạo ra các nhân vật, các hình ảnh không có trong thực tế mà theo tư duy thiết kế chủ quan của người làm phim. Điển hình là họ tạo ra các thước phim miêu tả sự thay đổi của một đối tượng theo thời gian, hoặc quá trình biến đổi từ đối tượng này đến đối tượng khác, các sự biến hóa trong vũ trụ v.v [12,14,15]. Nhờ các kỹ thuật nắn chỉnh, biến đối hình học mà các nhà làm phim có thể thực hiện được các mong muốn nói trên. Xuất phát từ thực tế đó và được sự gợi ý của giáo viên hướng dẫn, tôi lựa chọn đề tài “Một số kỹ thuật nắn chỉnh biến dạng đối tượng 3D” cho luận văn của mình. Nội dung của đề tài là tìm hiểu một số phương pháp nắn chỉnh hình học trong đồ họa máy tính, nhằm xử lý các sai lệch về hình dạng của đối tượng khi thu nhận vào máy tính (ảnh số, mô hình 3D) so với hình dạng ban đầu của đối tượng, hay nhằm làm biến đối một đối tượng này thành một đối tượng khác theo mong muốn chủ quan, trên cơ sở kết quả tìm hiểu và nghiên cứu được tiến hành cài đặt chương trình thử nghiệm. Cấu trúc của luận văn bao gồm: Chương 1: Chương này sẽ trình bày khái quát về đối tượng 3D, mô hình 3D và bài toán nắn chỉnh. Chương 2: Chương này sẽ trình bày chi tiết về ba kỹ thuật được sử dụng trong nắn chỉnh đối tượng 3D. Chương 3: Chương này trình bày về việc ứng dụng kỹ thuật nắn chỉnh dựa vào hàm cơ sở bán kính (RBF) trong bài toán “Khôi phục diện mạo khuôn mặt người Việt trưởng thành từ hình thái xương sọ”. Phần tiếp theo của luận văn là phần kết luận, danh mục công trình công bố liên quan tới luận văn của tác giả. Cuối cùng là tài liệu tham khảo. [...]... nhân vật hoạt hình 3D Chú ý: Thường chúng ta nắn chỉnh đối tượng, chứ không nắn chỉnh mô hình, vì nắn chỉnh mô hình có thể sẽ là không có ý nghĩa trong những bài toán mà đối tượng là một đối tượng có thực và hình dạng là xác định Đối tượng là cái hữu hình theo thời gian: VD nắn chỉnh đối tượng người 3D thì không thể nắn chỉnh một cách tùy ý được mà các nắn chỉnh này phải được thực hiện một cách thống nhất... về nắn chỉnh biến dạng đối tượng 3D nói riêng Bài toán nắn chỉnh biến dạng đối tượng 3D khi thực hiện trên máy tính cũng gặp không ít những thách thức cả về độ phức tạp lẫn thời gian tính toán cho các quá trình nắn chỉnh và biến đổi đối tượng 3D Hơn thế nữa việc mô hình hóa đối tượng 3D một cách tối ưu, làm cho mô hình vừa nhẹ lại vừa đảm bảo độ chi tiết và phù hợp với phương pháp nắn chỉnh biến dạng. .. mặt, mô phỏng sự biến dạng bề mặt Ứng dụng trong mô phỏng sự biến đổi, biến dạng của các phương tiện, máy móc phục vụ cho các nghiên cứu về chế tạo máy Có thể nói Nghiên cứu và giải quyết một cách triệt để các vấn đề của bài toán nắn chỉnh biến dạng đối tượng là một trong những đóng góp rất đáng kể trong ngành kỹ thuật đồ họa máy tính 25 CHƯƠNG II: MỘT SỐ KỸ THUẬT NẮN CHỈNH ĐỐI TƯỢNG 3D Nội dung chính... trình bày về một số hướng tiếp cận chính để giải quyết bài toán này 1.2.2 MỘT SỐ HƯỚNG TIẾP CẬN Nắn chỉnh biến dạng đối tượng bao gồm hai pha chính: pha thứ nhất là mô hình hóa đối tượng thành đối tượng 3D, pha thứ hai là nắn chỉnh biến dạng Thường thì pha thứ nhất sẽ góp phần quan trọng cho kết quả và thời gian tính toán cho pha thứ hai, nếu việc mô hình hóa tốt thì việc nắn chỉnh biến dạng sẽ chính... chi tiết về ba kỹ thuật được sử dụng phổ biến trong các dứng dụng nắn chỉnh đối tượng 3 Mỗi kỹ thuật dưới đây sẽ đại diện cho một cách tiếp cận của bài toán: hệ tọa độ Barycentric đại diện cho cách tiếp cận nắn chỉnh dựa vào phân vùng đối tượng, RBF đại diện cho cách tiếp cận nắn chỉnh dựa vào điểm điều khiển và PDE sẽ đại diện cho cách tiếp cận dựa vào hàm số 2.1 KỸ THUẬT NẮN CHỈNH BIẾN DẠNG DỰA VÀO... Đầu vào: Hình học đối tượng 2D, thông tin nắn chỉnh Đầu ra: Hình học đối tượng 2D sau khi nắn chỉnh Thuật toán: Bước 0: Bắt đầu Bước 1: Phân vùng đối tượng Bước 2: Tính các hệ số  ,  ,  cho các điểm thuộc đối tượng Bước 3: Nắn chỉnh Bước 4: Kết thúc Mô tả chi tiết các bước như sau: Bước 0: Đây là bước khởi tạo, chúng ta phải chuẩn bị các tham số đầu vào cho thuật toán như: Đối tượng 3D (ở đây chúng... khái niệm khác nhau về đối tượng 3D, song một cách chung nhất chúng ta có thể hiểu như sau: Một đối tượng 3D chính là đại diện trừu tượng của một đối tượng trong thế giới thực hoặc một đối tượng do chúng ta tưởng tượng ra được xây dựng và biểu diễn trong môi trường máy tính Trong đó, nó bao gồm hai thành phần chính: thứ nhất là một mô hình 3D biểu diễn hình học và màu sắc của đối tượng, thứ hai là các... VÀO HỆ TỌA ĐỘ BARYCENTRIC 2.1.1 GIỚI THIỆU Nắn chỉnh biến dạng đối tượng dựa vào hệ tọa độ Barycentric được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng làm biến dạng đối tượng ở mức độ đơn giản Tư tưởng chính của kỹ thuật là chia bề mặt đối tượng cần biến đổi thành các đa giác, các đa giác này được đặc trưng bởi các đỉnh Để biến đổi đối tượng thì chúng ta chỉ cần biến đổi các đa giác này và sau đó áp dụng... Ưu điểm: Kỹ thuật nắn chỉnh biến dạng dựa vào hệ tọa độ Barycentric là một kỹ thuật tương đối dễ cài đặt cũng như sử dụng, kỹ thuật cho kết quả tính toán nhanh vì các phép toán chỉ là giải các hệ phương trình bậc nhất  Nhược điểm: Tuy nhiên ngoài những ưu điểm kể trên thì kỹ thuật này cũng cho thấy rất nhiều nhược điểm khi mà sự biến đổi hình học của đối tượng mang tính toàn cục hoặc biên độ biến đổi... mềm 3D- Coat Hình 1.14 Kết quả dựng mô hình từ dữ liệu máy Scan 3D 16 1.2 BÀI TOÁN NẮN CHỈNH ĐỐI TƯỢNG 3D Như đã nói ở phần mở đầu, nắn chỉnh đối tượng 3D là một trong những bài toán quan trọng của đồ họa máy tính nói chung và đồ họa ba chiều nói riêng, đặc biệt là trong các ứng dụng về mô phỏng trong Thực tại ảo Dưới đây, tôi xin trình bày ngắn gọn về bài toán này 1.2.1 GIỚI THIỆU Bài toán nắn chỉnh biến . đối tượng 3D 11 1.2. Bài toán nắn chỉnh đối tượng 3D 16 1.2.1. Giới thiệu 16 1.2.2. Một số hướng tiếp cận 17 1.2.3. Ứng dụng 24 CHƯƠNG II: MỘT SỐ KỸ THUẬT NẮN CHỈNH ĐỐI TƯỢNG 3D . QUÁT VỀ ĐỐI TƯỢNG 3D VÀ BÀI TOÁN NẮN CHỈNH 7 1.1. Khái quát về đối tượng 3D 7 1.1.1. Khái niệm về đối tượng 3D 7 1.1.2. các thành phần cơ bản của đối tượng 3D 9 1.1.3. Một số phương. sai lệch về hình dạng của đối tượng khi thu nhận vào máy tính (ảnh số, mô hình 3D) so với hình dạng ban đầu của đối tượng, hay nhằm làm biến đối một đối tượng này thành một đối tượng khác theo