Nghiên cứu một số kỹ thuật tạo chuyển động cho động vật

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG PHẠM VĂN VÂN NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KĨ THUẬT TẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ĐỘNG VẬT Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Thị Hồng Minh Thái Nguyên - 2012 1Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn nội dung luận văn tự sưu tầm, tra cứu xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu đề tài Nội dung luận văn chưa công bố hay xuất hình thức không chép từ công trình nghiên cứu Tất phần mã nguồn chương trình tự thiết kế xây dựng, có sử dụng số thư viện chuẩn thuật toán tác giả xuất công khai miễn phí mạng Internet Nếu sai xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Thái Nguyên, ngày 12 tháng 10 năm 2012 Người cam đoan Phạm Văn Vân 2Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iv PHẦN MỞ ĐẦU Chương I: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ TẠO CHUYỂN ĐỘNG TRONG THỰC TẠI ẢO 1.1 Khái quát Thực ảo 1.1.1 Thực ảo gì? 1.1.2 Sơ lược Lịch sử phát triển Thực ảo 1.1.3 Các thành phần hệ thống Thực ảo 1.1.4 Các lĩnh vực ứng dụng Thực ảo 10 1.2 Tạo chuyển động Thực ảo 17 1.2.1 Vai trò việc tạo chuyển động 17 1.2.2 Các dạng chuyển động 18 Chương 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT TẠO CHUYỂN ĐỘNG 19 CHO ĐỐI TƯỢNG CÓ XƯƠNG 19 2.1 Xương đối tượng có xương thực ảo 19 2.2 Kĩ thuật điều khiển tiến FK (Forward kinematics) 23 2.3 Kĩ thuật điều khiển ngược IK (Inverse kinematics) 26 2.2.1 HI (History-Independent) solver 36 2.2.2 HD (History Dependent) Solver 37 2.2.3 IK Limb Solver 38 2.2.4 SplineIK Solver 38 3Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM .43 3.1 Bài toán 43 3.2 Chương trình thử nghiệm 44 KẾT LUẬN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO .55 4Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian năm học tập nghiên cứu lớp Cao học khóa chuyên ngành Khoa học máy tính Khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Công nghệ thông tin truyền thông - Đại học Thái Nguyên, Tôi nhận nhiều bảo, định hướng, giảng dạy nhiệt tình thầy, cô giáo Viện công nghệ thông tin Việt Nam Các thầy cô giáo quản lý khoa sau đại học - trường Đại học Công nghệ thông tin truyền thông Thái Nguyên giúp đỡ, tạo điều kiện tốt cho trình công tác học tập Nhân dịp xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới tập thể thầy, cô giáo Viện công nghệ thông tin Việt Nam, thầy cô giáo trường Đại học Công nghệ thông tin truyền thông - Đại học Thái Nguyên Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới cô giáo TS Nguyễn Thị Hồng Minh cho nhiều bảo quý báu, tận tình hướng dẫn tạo điều kiện cho hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp Tôi xin cảm ơn đồng nghiệp người thân động viên, giúp đỡ trình nghiên cứu thực luận văn Quá trình thực đề tài không tránh khỏi thiếu sót, Tôi mong tiếp tục nhận đóng góp ý kiến thầy, cô giáo, bạn đồng nghiệp đề tài nghiên cứu để đề tài hoàn thiện Tôi xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 12 tháng 10 năm 2012 Phạm Văn Vân 5Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu/ Chữ viết tắt Viết đầy đủ Ý nghĩa VR Virtual Reality Thực ảo 3D Dimentional Chiều HMD Head Mounted Mũ đội đầu có hiển FK Forward kinematics IK Inverse kinematics HI History- Independent Lược sử độc lập HD History - Dependent Displays 6Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên thị Điều khiển tiến Điều khiển ngược Lược sử phụ thuộc http://www.lrc-tnu.edu.vn v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Stt Trang Hình vẽ Hình 1.1 Ví dụ VR Hình 1.2 Thiết bị mô Sensorrama-1960 Hình 1.3 Thiết bị mô HMD-1970 Ivan Sutherland Hình 1.4 Thiết bị VIDEOPLACE-1970 Myron Kreuger Hình 1.5 Thiết bị HMD-1984 NASA Hình 1.6 Các thành phần hệ thống VR Hình 1.7 Ứng dụng công nghệ VR thiết kế kiến trúc cầu 11 Hình 1.8 Ứng dụng công nghệ VR thiết kế kiến trúc nhà 12 Hình 1.9 Ứng dụng công nghệ VR huấn luyện tập nhảy dù 13 10 Hình 1.10 Ứng dụng công nghệ VR đào tạo phẫu thuật ảo 14 11 Hình 1.11 Ứng dụng công nghệ VR Du lịch 15 12 Hình 1.12 Các logo phim dùng 3D ảo 16 13 Hình 1.13 Ứng dụng công nghệ VR lĩnh vực giải trí 16 14 Hình 2.1 Tạo xương cho khủng long 20 15 Hình 2.2 Mô hình khung xương người 21 16 Hình 2.3 Mô tả tham số Denavit-Hartenberg 24 17 Hình 2.4 Sử dụng điều khiển IK để tạo chuyển động cho chân 25 thao tác với bóng 18 Hình 2.5 Sử dụng giải pháp IK để làm cho bàn tay 28 nhân vật đạt mục tiêu 19 Hình 2.6 Một liên kết IK đơn 28 20 Hình 2.7 Môt liên kết đôi IK 29 21 Hình 2.8 Một IK có nhiều giải pháp 30 22 Hình 2.9 Xoay liên kết cuối cách sử dụng kỹ thuật phối hợp Descent Cylic cho IK 32 7Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vi 23 Hình 2.10 Quay liên kết trung gian cách sử dụng kỹ thuật 33 Phối hợp Descent Cylic cho giải pháp IK 24 Hình 2.11 Hệ thống xương ứng dụng xử lí HI solver 37 25 Hình 2.12 Xác định chốt chuỗi xương 39 26 Hình 3.1 Trạng thái nghỉ (idle) 45 27 Hình 3.2 Tạo chuyển động 46 28 Hình 3.3 Chuyển động công (kiểu 1) 47 29 Hình 3.3 Chuyển động công (kiểu 2) 48 30 Hình 3.5 Chuyển động công (kiểu 3) 49 31 Hình 3.6 Chuyển động bị thương tay trái 50 32 Hình 3.7 Chuyển động bị thương tay chân 51 33 Hình 3.8 Trạng thái nằm 52 8Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn PHẦN MỞ ĐẦU Thế kỷ 21 với phát triển bùng nổ ngành công nghệ thông tin đem lại cho người thành tựu to lớn Đặc biệt năm gần đây, công nghệ thực ảo phát triển triển mạnh mẽ đem lại thành tựu đáng kể cho nhiều lĩnh vực y tế, giáo dục, kiến trúc, du lịch, giải trí “Thực ảo” (virtual reality-VR) thực chất lĩnh vực nhằm mô giới thực người vào máy tính, mà người tương tác cảm nhận giới thực Có thể nói lĩnh vực Thực ảo lĩnh vực vô rộng lớn công nghệ thông tin Nó bao gồm nhiều hướng phát triển ứng dụng, không nói tới vấn đề điều khiển mô hình mà việc tạo chuyển động cho đối tượng cần thiết, quan trọng Việc tạo chuyển động đối tượng có nhiều kỹ thuật, ví dụ như: chuyển động theo thời điểm chính, chuyển động theo đường cong xác định trước, chuyển động không tuyến tính với đoạn, chuyển động theo ràng buộc thuộc tính, Khi có chuyển động, tương tác đối tượng với đối tượng khác môi trường xung quanh Từ mô hình trở nên chân thực sống động Vậy làm để tạo chuyển động cho đối tượng để thể hành vi, trạng thái đối tượng giới thực công việc không đơn giản Việc đòi hỏi người tạo chuyển động phải hiểu rõ đối tượng thực tế có kiến thức sâu hỗ trợ tạo chuyển động mà công cụ đưa Được định hướng giáo viên hướng dẫn, vào bối cảnh phát triển thành thực ảo đem lại nên định lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu số kĩ thuật tạo chuyển động cho động vật”, 9Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn việc làm ý nghĩa khoa học mang đận tính thực tiễn thực tế công việc Tôi xã hội đặt yêu cầu, đòi hỏi vấn đề mà đề tài nghiên cứu Nội dung luận văn trình bày chương: Chương 1: Khái quát Thực ảo tạo chuyển động Thực ảo Trong chương cung cấp nhìn tổng quan trình phát triển lĩnh vực ứng dụng Thực ảo, đồng thời trình bày sơ lược tạo chuyển động hệ Thực ảo Tại chương Tôi đưa lý thuyết để làm sở cho phần trình bày số kỹ thuật tạo chuyển động cho đối tượng có xương chương Chương 2: Một số kỹ thuật tạo chuyển động cho đối tượng có xương Trong chương này, Tôi xin giới thiệu kỹ thuật tạo chuyển động cho đối tượng có xương Đó tạo chuyển động sử dụng điều khiển ngược IK (Inverse kinematics) sử dụng điều khiển tiến FK Ngoài chương nghiên cứu đối tượng có xương, đối tượng không xương tìm hiểu số phương pháp điều khiển chuyển động áp dụng cho đối tượng có xương Chương 3: Chương trình thử nghiệm Trong chương này, tác giả đưa toán cụ thể thực việc áp dụng kĩ thuật tìm hiểu để mô chuyển động cho đối tượng có xương 10Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... lược tạo chuyển động hệ Thực ảo Tại chương Tôi đưa lý thuyết để làm sở cho phần trình bày số kỹ thuật tạo chuyển động cho đối tượng có xương chương Chương 2: Một số kỹ thuật tạo chuyển động cho. .. ảo 10 1.2 Tạo chuyển động Thực ảo 17 1.2.1 Vai trò việc tạo chuyển động 17 1.2.2 Các dạng chuyển động 18 Chương 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT TẠO CHUYỂN ĐỘNG 19 CHO ĐỐI TƯỢNG... trợ tạo chuyển động mà công cụ đưa Được định hướng giáo viên hướng dẫn, vào bối cảnh phát triển thành thực ảo đem lại nên định lựa chọn đề tài: Nghiên cứu số kĩ thuật tạo chuyển động cho động vật ,