MÔ HÌNH 3D VÀ TỐI ƯU HÓA MÔ HÌNH TRONG THỰC TẠI ẢO

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ MÃ VĂN THU MÔ HÌNH 3D VÀ TỐI ƯU HÓA MÔ HÌNH TRONG THỰC TẠI ẢO Ngành : Công nghệ thông tin Chuyên ngành : Hệ thống thông tin Mã số : 60480104 TÓM TĂT LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội - 2016 MỤC LỤC CHƯƠNG THỰC TẠI ẢO VÀ BÀI TOÁN TỐI ƯU MÔ HÌNH 1.1 Khái quát thực ảo mô hình 3D thực ảo 1.1.1 Thực ảo 1.1.2 Cấu tạo mô hình 3D 1.1.3 Các phương pháp tạo mô hình phổ biến 1.1.3.1 Phương pháp tạo mô hình thiết kế dựa phần mềm 3D 1.1.3.2 Tạo mô hình máy quét 3D 1.2 Bài toán tối ưu hóa mô hình 3D 1.2.1 Một số phương pháp tạo mô hình 3D 1.2.2 Đầu vào , đầu toán tối ưu hóa mô hình 1.2.3 Nguyên lý tối ưu mô hình 3D CHƯƠNG MỘT SỐ KỸ THUẬT TỐI ƯU HÓA MÔ HÌNH 2.1 Kỹ thuật tối ưu mô hình dựa lưới tam giác 2.1.1 Giới thiệu tối ưu phương pháp tối ưu phổ biến 2.1.2 Phương pháp Incremental Decimation 2.1.3 Thuật toán đề xuất 10 2.2 Kỹ thuật tối ưu mô hình dựa lưới tứ giác 13 2.2.1 Chuyển mô hình bề mặt lưới tam giác mô hình bề mặt lưới tứ giác 14 2.2.2 Làm mềm lưới tứ giác 17 2.2.3 Tối ưu hóa lưới tứ giác 18 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG TỐI ƯU MÔ HÌNH 3D 22 3.1 Yêu cầu thực nghiệm, ứng dụng 22 3.1.1 Yêu cầu với thực nghiệm 22 3.1.2 Kiểm tra mô hình đầu vào 22 3.2 Phân tích, lựa chọn công cụ 22 3.3 Một số kết thực nghiệm tối ưu mô hình 22 3.3.1 Hướng đẫn sử dụng chương trình thực nghiệm 22 3.3.2 Một số kết tối ưu mô hình chương trình thực nghiệm 23 KẾT LUẬN 24 CHƯƠNG THỰC TẠI ẢO VÀ BÀI TOÁN TỐI ƯU MÔ HÌNH 1.1 Khái quát thực ảo mô hình 3D thực ảo Theo cách thức thông thường, người sử dụng tương tác với máy tính thông qua thiết bị đầu vào bàn phím, chuột, v.v thiết bị đầu hình, loa v.v Hệ thống Thực ảo(Virtual Reality-VR) đời cho phép người sử dụng tương tác với máy tính theo phương thức tích cực hơn, cao 1.1.1 Thực ảo Thực ảo công nghệ sử dụng kỹ thuật mô hình hoá không gian ba chiều, đưa giới ba chiều vào máy tính để tạo môi trường ảo(Virtual Environment) Các lĩnh vực ứng dụng Thực ảo Công nghệ Thực ảo ngày phát triển rộng rãi có mặt hầu hết lĩnh vực quan trọng sống  Kiến trúc , xây dựng công nghiệp chế tạo Thiết kế kiến trúc lĩnh vực ứng dụng công nghệ Thực ảo nhiều Ngày nay, khả mô hình hoá giới thực công nghệ Thực ảo dường đáp ứng cách đầy đủ, trực quan công trình ngành thiết kế kiến trúc từ không gian 3D, kết cấu công trình, vật liệu, ánh sáng, cho phép khách hàng, nhà đầu tư tự tham quan, khảo sát công trình cần xây dựng họ theo nhiều góc độ vị trí khác Bên cạnh kiến trúc, xây dựng công nghệ thực ảo hỗ trợ đắc lực cho ngành sản xuất thiết bị khí, mà công đoạn thiết kế mô hình có vai trò quan trọng thiết kế động cơ, thiết kế ô tô, tàu biển, máy bay,  Giải trí Khi công nghệ thực ảo đời, người luôn nghĩ thứ để đầu tư cho lĩnh vực giải trí Việc áp dụng công nghệ 3D khiến chi phí đầu tư vào lĩnh vực phim, game, … thấp mà lợi nhuận thu vào vô to lớn Số lượng người bị hút theo trò chơi game, đặc biệt giới trẻ, tăng theo cấp số nhân, số lượng vé bán rạp chiếu phim 3D làm vô lớn từ năm 2007 trở đây, ví dụ phim Avatar, Transfomer,  Giáo dục Đào tạo Ngay từ công nghệ 3D đời, hầu hết ứng dụng thực ảo phát triển quân đội Sự đầu tư vô lớn từ phía nhà lãnh đạo Mỹ, Nga, việc tập luyện bắn ảo, toán mô cháy nổ thuốc súng, hay mô đường tên lửa, … Ngày nay, phát triển công nghệ kỹ thuật cao, Thực ảo tích hợp đặc tính làm cho thân có tiềm vượt trội so với công nghệ đa phương tiện truyền thống khác  Y học Trong y học, công nghệ thực ảo giúp cho người thao tác giải phẩu trực tiếp với thể ảo Giúp cho việc đào tạo bác sỹ đa khoa hoàn thiện tự tin ca mổ Giúp cho công nghệ y tế phát triển hơn, qua mô giúp cho người hiểu trình truyền máu, tiêu hóa thức ăn, từ toán mô 1.1.2 Cấu tạo mô hình 3D Mô hình 3D cấu trúc liệu mô tả hình thái 3D đối tượng Hiện để tạo mô hình 3D có nhiều cách khác nhau, chúng tạo nhờ phần mềm thiết kế 3D 3Ds max, maya v.v thông qua nhà thiết kế 3D, từ máy quét 3D Để tạo mô hình 3D phải hiểu cấu trúc mô hình 3D Theo tài liệu tìm hiểu được, mô hình gồm có thành phần tập đỉnh, tập mặt tập UV Trong đó, tập UV thường kết hợp với ảnh chất liệu bên để tạo hình ảnh mô hình với bề mặt giống với thực tế 1.1.3 Các phương pháp tạo mô hình phổ biến 1.1.3.1 Phương pháp tạo mô hình thiết kế dựa phần mềm 3D Các vật thể hữu hình sống hầu hết cấu tạo nên từ hình khối bản, phần mềm mô 3Ds Max, Maya, cung cấp cho hình khối để thể đối tượng không gian chiều: khối cầu, khối trụ, khối hộp từ hình kết hợp với lệnh để tạo mô hình phức tạp 1.1.3.2 Tạo mô hình máy quét 3D Bên cạnh việc tạo mô hình phương pháp thiết kế sử dụng người, tạo mô hình từ thiết bị phần cứng máy quét 3D Có nhiều thiết bị phần cứng khác lưu hành thị trường 1.2 Bài toán tối ưu hóa mô hình 3D 1.2.1 Một số phương pháp tạo mô hình 3D Như trình bày trên, có ba phương pháp để tạo mô hình 3D Một sử dụng lệnh ngôn ngữ lập trình để vẽ mô hình đơn giản Hai sử dụng phần mềm thiết kế 3D tạo mô hình từ nhà thiết kế Ba sử dụng thiết bị máy quét 3D tạo mô hình từ vật thể thực Phương pháp sử dụng thiết bị phần cứng máy quét để tạo mô hình 3D mang nhiều ưu điểm: thời gian tạo mô hình ngắn, độ xác cao, tính ổn định, chi phí rẻ v.v Tuy nhiên, mô hình tạo từ máy quét có nhược điểm lớn số lượng lưới lớn Do đó, thực tế đa phần chương trình mô thực ảo lưu trữ sử dụng mô hình từ máy quét 3D Hình 1.2 Các mô hình tạo từ máy quét có số lượng lưới cực lớn 1.2.2 Đầu vào , đầu toán tối ưu hóa mô hình Có dạng toán tối ưu mô hình 3D thường nhắc đến lĩnh vực mô 3D với đầu vào đầu mô hình 3D mang đặc điểm khác mô hình trước tối ưu sau tối ưu Thứ nhất, tối ưu mặt hình ảnh Ở đó, với đầu vào mô hình 3D thiết kế thu từ máy quét người xử lý cần nâng cao chất lượng hình ảnh mô hình Khi cần ý tới việc tối ưu chất lượng hình ảnh lưới mô hình, điều dẫn tới toán xử lý ánh sáng, góc cạnh để render thu hinh ảnh chân thực Trên thực tế trình tối ưu dẫn tới trường phái thiết kế siêu thực Ở nhà thiết kế thay nhân vật thực băng nhân vật thiết kế ảo Thứ hai, tối số lượng lưới (mặt đỉnh mô hình) với toán đầu vào mô hình 3D (thường mô hình thu từ máy quét) đầu mô hình với số lượng lưới giảm đảm bảo hình dạng hình ảnh đối tượng không thay đổi nhiều trước sau tối ưu Trong nội dung luận văn tập chung vào giải toán thứ hai Thu thập liệu 3D scan Tái tạo bề mặt lưới tam giác Làm mịn bề mặt lưới tam giác Hình 1.3 Thu thập làm mịn liệu 1.2.3 Nguyên lý tối ưu mô hình 3D Mắt lưới đa giác thường sử dụng để đại diện cho bề mặt 3D Chúng ta quan niệm tập rời rạc điểm, cạnh nối đại diện cho bề mặt đại diện cho liệu mô hình 3D Các mô hình sau thu thập từ máy scan 3D có nhiều chi tiết Mật độ lưới dày dẫn đến tốn nhớ, việc xử lý tính toán vô khó khăn Mô hình chứa nhiều thông tin hình học dư thừa Ý tưởng là: - Loại bỏ hình học dư thừa - Giảm kích thước mô hình - Cải thiện hiệu suất thời gian chạy cách tối giản hóa đa giác mô hình Hình 1.4 Tối ưu hóa lưới Trong luận văn tìm hiểu hai trường hợp để xử lý tối giản lưới tứ giác là:  Tối giản hóa lưới mô hình theo bề mặt lưới tam giác: để tối ưu hóa cho mô hình tĩnh  Tối giản mô hình theo bề mặt lưới tứ giác: để tối ưu hóa cho mô hình động biến dạng 7 CHƯƠNG MỘT SỐ KỸ THUẬT TỐI ƯU HÓA MÔ HÌNH 2.1 Kỹ thuật tối ưu mô hình dựa lưới tam giác 2.1.1 Giới thiệu tối ưu phương pháp tối ưu phổ biến Với các mô hình thu từ máy quét 3D mắt lưới tam giác thường sử dụng để đại diện cho bề mặt 3D Do không gian 3D, qua điểm tồn mặt phẳng chứa chúng Vì vậy, mô hình lưới sinh tính toán thông thường bề mặt lưới tam giác Các hướng tiếp cận việc tối ưu hóa bề mặt lưới tam giác nghiên cứu, có hướng là:  Multi-resolution: - Remeshing - Parametric Surfaces - Subdivision Surfaces  Polygonal Simplification: - Giảm số lượng đa giác lưới - Theo toán tử địa phương: Vertex Clustering; Incremental Decimation; Tam giác rút gọn -Theo toán tử toàn cầu: lọc Low-pass; Theo toán tử hình thái; AlphaHull  Image Imposters Trong luận văn tiếp cận theo hướng thứ là: Polygonal Simplification, hướng quan tâm đặc biệt đến phương pháp Incremental Decimation, phương pháp phát triển rộng rãi gói chương trình nghiên cứu thành công 2.1.2 Phương pháp Incremental Decimation  Phương pháp Decimation Incremental thực dựa số bước sau: - Xóa bỏ đỉnh thời điểm sửa chữa giữ lại việc loại bỏ - Ba toán tử để loại bỏ điểm là: + Vertex Removal // Xóa điểm + Edge Collapse // Gộp điểm cạnh thành điểm + Half Edge Collapse // Gộp điểm thành điểm, nhiên điểm sát nhập vào điểm (điểm giữ nguyên vị trí) 8 Hình 2.1 Kỹ thuật loại bỏ điểm - Thứ tự Decimation dựa số hàm chi phí (ưu tiên)  Quy trình cho việc tối ưu hóa bề mặt lưới tam giác sau: - Quy trình chung: Repeat: { - Chọn đối tượng 3D; - Áp dụng toán tử decimation để giảm lưới đối tượng; } Until Mục tiêu tối giản đáp ứng  Phác thảo thuật toán loại bỏ: Phân hạng đỉnh loại bỏ (hay không) theo thứ tự ưu tiên Repeat: { - Áp dụng hoạt động tối giản hóa (loại bỏ đỉnh); - Kết sinh lỗ thủng lưới tam giác (thuật toán đệ quy chia tách); - Cập nhật lỗi đỉnh bị ảnh hưởng; } Until Mục tiêu giảm lưới đạt yêu cầu  Khi việc xử lý loại bỏ đỉnh dừng? Khi tối ưu hóa lưới mô hình luôn muốn số lượng lưới thấp mà bề mặt mô hình đảm bảo hình dáng  Thứ tự mà đỉnh loại bỏ nào? Một phép đo phải thực Error dự kiến gây áp dụng toán tử tính toán Phép đo Error gần sử dụng để ưu tiên loại bỏ đỉnh, đánh giá chất lượng kết 9 Error Metrics khác hai mô hình lưới đa giác Error Metrics hai mô hình nhỏ có nghĩa hai mô hình gần giống Các độ đo: - Edge length //Độ dài cạnh kết nối điểm xét đến điểm láng giềng - Distance to plane //Khoảng cách từ điểm tới mặt phẳng chứa láng giềng - Curvature //Bề mặt cong mặt phẳng chứa điểm Hình 2.2 Bề mặt cong - Volume //Thể tích Quadric error metrics Phép đo độ cong bề mặt điểm Discrete Curvature Error Metric Sun Jeong Kim theo công thức (1) sau: ε = max {| 𝑾 𝑣 - 𝑾' 𝑣 |, | 𝑾 𝑣 - 𝑾' 𝑣 |,…,| 𝑾 𝑣 n - 𝑾' 𝑣 n | } (1) Với : 𝑾 𝑣 i độ cong rời rạc đỉnh 𝑣 i bề mặt ban đầu 𝑾' 𝑣 i độ cong rời rạc sau loại bỏ đỉnh 𝑣 i đỉnh hàng xóm 𝒗 đỉnh loại bỏ i = 1, 2, , n Phương pháp áp dụng công thức “The Gaussian Curvature” phương pháp xấp xỉ việc thiếu hụt góc xung quanh đỉnh Hình 2.3 Tối ưu lưới theo The Gaussian Curvature Khi xấp xỉ độ cong bề mặt (k) đỉnh O tính theo công thức (2): k = 2.𝜋− ∑ 𝜃𝑖,𝑖+1 1/3 ∑ 𝑆𝑖,𝑖+1 (2) 10 Với 𝜃𝑖 : góc đỉnh O sinh từ cạnh kề kết nối đến đỉnh O 𝑆𝑖 : diện tích tam giác chứa đỉnh O Và theo công thức thì, với k nhỏ đỉnh O dễ xóa bỏ Do với điểm bất kỳ, nằm mặt phẳng tổng góc xung quanh 𝜋 = 3600  Thuật toán chi tiết: Khởi tạo: ∀v ∈ V: v.errormetric: = CalcErrorMetric (v); Sort_Vertexlist (); //Thứ tự tăng dần Repeat: { Lấy 𝑣 (một đỉnh lưới tam giác); // Có độ đo( k )nhỏ % If (𝑣 0.errrormetric