Mô phỏng không gian di tích hor pha keo viêng chăn bằng đồ họa 3d

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∞∞�∞∞∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ VILASONE DOUNGPHACHAN MÔ PHỎNG KHƠNG GIAN DI TÍCH HOR PHA KEO VIÊNG CHĂN BẰNG ĐỒ HỌA 3D LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên – 2018 ii LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan luận văn tốt nghiệp với tên đề tài “Mơ khơng gian di tích HOR PHA KEO Viêng Chăn đồ họa 3D” em triển khai thực hướng dẫn cán hướng dẫn khoa học Các nội dung tham khảo có trích dẫn đầy đủ, sản phẩm phần mềm em tự thiết kế cài đặt Nếu có sai em xin chịu hình thức kỉ luật theo quy chế đao tạo Thái Nguyên, ngày 2018 HỌC VIÊN THỰC HIỆN VILASONE DOUNGPHACHAN iii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chương trình cao học viết luận văn, tơi nhận hướng dẫn, giúp đỡ góp ý nhiệt tình q thầy trường Đại học Cơng nghệ Thông tin Truyền thông – Đại học Thái Nguyên Trong trình học tập rèn luyện khoa Công nghệ thông tin - Đại học Thái Nguyên, đến em kết thúc khóa học năm hồn thành ln văn tốt nghiệp Để có kết em xin chân thành cảm ơn: Ban chủ nhiệm khoa Công nghệ thông tin thầy, cô giáo khoa giảng dạy, quan tâm tạo điều kiện thuận lợi để chúng em học tập rèn luyện suốt thời gian theo học trường TS VŨ ĐỨC THÁI tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em suốt trình thực luận văn tốt nghiệp Thầy cho em hướng mới, cách tiếp cận với công nghệ 3D mẻ CDN Lào, phát triển tương lai gần ứng dụng vơ quan trọng lợi ích thiết thực mà đem lại cho Thái Nguyên, năm 2018 HỌC VIÊN THỰC HIỆN VILASONE DOUNGPHACHAN iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN Error! Bookmark not defined LỜI CẢM ƠN iii DANH MỤC HÌNH ẢNH vi Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MƠ PHỎNG VÀ BÀI TỐN HIỂN THỊ MƠ HÌNH 3D 1.1 Tổng quan Thực ảo 1.1.1 Thực ảo 1.1.2 Ứng dụng Thực ảo 1.1.3 Lịch sử phát triển Thực ảo 1.2 Môi trường ngôn ngữ lập trình 1.2.1 Vai trò việc mơ khơng gian 3D .5 1.2.2 Mơ hình hóa mơ hình 3D 1.2.3 Bài toán mô thực ảo 1.2.4 Giới thiệu số thuật toán đồ họa 3D 1.3 Di tích Hor Pha Keo 11 Chương 2: 16 MỘT SỐ KỸ THUẬT XÂY DỤNG VÀ HIỂN THỊ MƠ HÌNH 3D 16 2.1 Kỹ thuật xây dụng 16 2.1.1 Thiết kế từ tổng thể đến chi tiết 16 2.1.2 Thiết kế từ chi tiết đến tổng thể .19 2.1.3 Thiết kế phối hợp 21 2.2 Kỹ thuật hiển thị mơ hình Occlusion – Culling 21 2.3 Kỹ thuật hiển thị mô hình Bump Mapping 25 2.4 Kỹ thuật hiển thị mơ hình Impostor 33 CHƯƠNG 38 XÂY DỰNG MÔ PHỎNG KHƠNG GIAN DI TÍCH “ HOR PHA KEO” 38 3.1 Mơ tả tốn giới thiệu HOR PHA KEO 38 3.2 Xây dựng Cơ sở liệu 3D không gian “HOR PHA KEO” 39 3.2.1 Thu nhận liệu 39 3.2.2 Xây dựng liệu mô 40 v 3.3 Xây dựng chương trình hiển thị 43 3.4 Thiết kế mơ hình 3D HOR PHA KEO 44 3.4.1 Dựng hình 3D (Modelling 3D) 45 3.4.2 Thiết kế môi trường 47 3.5 Một số giao diện chương trình 48 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Một hệ thống VR Viện Fraunhofer (CHLB Đức) Hình 1.2 giao diện phần mềm 3DS max .6 Hình 1.3 Ứng dụng Thực ảo thiết kế nội thất 11 Hình 1.4 Chùa HOR PHA KEO 12 Hình 1.5 Kiến trúc HOR PHA KEO 12 Hình 1.6 Trước mặt HOR PHA KEO .14 Hình 1.7Bên cạch HOR PHA KEO 14 Hình 1.8 xung quanh Trong HOR PHA KEO 15 Hình 1.9 xung quanh bên cạnh HOR PHA KEO 15 Hình 2.1 Một số hình khối 3D 17 Hình 2.2 Cơng cụ Select and Move thiết kế 18 Hình 2.3 Chế độ Editable Poly .19 Hình 2.4 Hai plance chiếu đứng cạnh (cách 1) 20 Hình 2.5 Hai plance chiếu đứng cạnh (cách 2) 20 Hình 2.6 Dựng hình đặc, khung dây, phức tạp độ sâu 21 Hình 2.7 Trước Occlusion Culling 22 Hình 2.8 Shadow volumes 22 Hình 2.9 Một ảnh hoa văn phức tạp 24 Hình 2.10 bề mặt viên gạch văn miếu .26 Hình 2.11 Cây đổ bóng .27 Hình 2.12 Khơng gian tiếp tuyến 29 Hình 2.13 Sự phản xạ tia sáng bề mặt 30 Hình 2.14 Ảnh hoa văn .32 Hình 2.15 Rendering the imposter 33 Hình 2.16 Từ đối tượng 3D đến kỹ thuật ảnh giả mạo .34 Hình 2.17 Hai hộp giới hạn Impostor .35 Hình 2.18 Khung giới hạn cho Texture 36 Hình 3.1 Mơ hình quản lý liệu hệ thống .40 Hình 3.2 Flow diagram Q trình số hóa vào tái tạo cảnh 3D mơ .41 Hình 3.3 Flow diagram xây dựng mơ hình xác định vị trí kiến trúc 41 Hình 3.5 Flow diagram tạo vật liệu ảnh phủ cho mức chi tiết cảnh 3D .42 vii Hình 3.6 Workflow xây dựng liệu mơ mức thấp 42 Hình 3.7 Workflow q trình sinh ảnh cảnh mơ tác động vào người thị sát phần mềm sinh cảnh 43 Hình 3.8 Sơ đồ mơ tả quan hệ hệ thống sản phẩm thực ảo 44 Hình 3.9 Mơ tả phân cấp HOR PHA KEO .45 Hình 3.10 Modelling tạo mơ hình 3D mơ trụ hình cột nhỏ 46 Hình 3.12 Mơ hình 3D sau áp vật liệu 47 Hình 3.15 Các cửa số HOR PHA KEO 49 Hình 3.16 Đường lên vào HOR PHA KEO 50 Hình 3.117 cửa vào 51 Hình 3.18 Các cột nhà xung quanh 52 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, thực ảo (thực tế ảo) ngày chứng tỏ vai trò quan trọng đời sống cũng khoa học, kỹ thuật Thực ảo diện lĩnh vực giải trí, văn hóa, kinh tế, trị, quốc phòng, khoa học, đời sống v.v Trong thực ảo việc xây dựng đối tượng 3D (3 chiều) vô quan trọng, đối tượng 3D giúp cho giới thực ảo giống với thực tế đáp ứng nhu cầu khắt khe người Các mơ hình đối tượng 3D thực ảo tạo chủ yếu bằng ba phương pháp tạo từ lệnh ngơn ngữ lập trình, từ nhà thiết kế sử dụng phần mềm 3D từ máy quét 3D Cùng với phát triển khoa học công nghệ máy quét 3D dần trở thành công cụ đắc lực cho việc tạo mơ hình 3D từ giới thực Các sản phẩm tạo từ máy quét 3D có ty lệ xác so với mẫu ban đầu cao, đồng thời cũng giảm nhiều thời gian chi phí để tạo đối tượng 3D Tuy nhiên, đồng nghĩa với độ xác cao, mơ hình cũng có số lượng lưới lớn, khó dùng cho nhiều ứng dụng khác thực ảo Bài tốn tối ưu hóa bề mặt lưới mơ hình 3D có nhiều ý nghĩa mà số lượng mơ hình cần đưa vào thực ảo ngày nhiều, ví dụ mơ lại thành phố, hay tái tạo lại khu bảo tàng Bên cạnh đó, sản phẩm thực ảo xuất nhiều điện thoại thông minh hay máy tính bảng, thiết bị cấu hình phần cứng khiêm tốn Với khả ứng dụng cao, chi phí thấp cần phải có nghiên cứu chun sâu tối ưu lưới mơ hình để mơ hình 3D sau tạo từ máy quét ứng dụng rộng dãi Chính tầm quan tốn tối ưu hóa mơ hình với số lượng lưới lớn, đặc biệt mơ hình tạo từ máy quét 3D, thực đề tài “Mô khơng gian di tích HOR PHA KEO Viêng Chăn đồ họa 3D” nhằm đáp ứng yếu tố kích thước liệu mơ hình đối tượng đồng thời tạo lưới cho bề mặt mơ hình để thỏa mãn cho chuyển động mơ hình Nội dung luận văn chia làm phần chính: Chương tổng quan mơ tốn hiển thị mơ hình 3d.Chương số kỹ thuật xây dựng hiển thị mơ hình 3d Chương xây dựng mơ khơng gian di tích“ HOR PHA KEO”Phần cuối kết luận hướng phát triển luân văn Chương TỔNG QUAN VỀ MƠ PHỎNG VÀ BÀI TỐN HIỂN THỊ MƠ HÌNH 3D 1.1 Tổng quan Thực ảo 1.1.1 Thực ảo Thực ảo (Virtual reality_VR) hệ thống mơ đồ họa máy tính sử dụng để tạo giới "như thật" Hơn nữa, giới "nhân tạo" không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn (tín hiệu vào) người sử dụng (nhờ hành động, lời nói, ) Điều xác định đặc tính VR, tương tác thời gian thực Thời gian thực có nghĩa máy tính có khả nhận biết tín hiệu vào người sử dụng thay đổi giới ảo Người sử dụng nhìn thấy vật thay đổi hình theo ý muốn bị thu hút mô Tương tác khả thu hút VR góp phần lớn vào cảm giác đắm chìm, cảm giác trở thành phần hành động hình mà người sử dụng trải nghiệm Nhưng VR đẩy cảm giác "thật" nhờ tác động lên tất kênh cảm giác người Hình 1.1 Một hệ thống VR Viện Fraunhofer (CHLB Đức) 1.1.2 Ứng dụng Thực ảo Tại nước phát triển, nhận thấy VR ứng dụng lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch, đáp ứng nhu cầu: Nghiên cứu- Giáo dục- Thương mại-dịch vụ Tường bao đường v Khuôn viên sân Trụ mái tháp lên Sân có Cửa Tượng Đường Mái che Hoa văn Tường bao đường rồng Trụ tháp Bên tháp Cửa vào Tượng phật Hình 3.8 Mô tả phân cấp HOR PHA KEO Bằng cách tách đối tượng thành “các nút” mô tả kết nối nút này, thao tác hình đa giác HOR PHA KEO tốt Có thể làm cho phần trở nên sống động Lợi ích việc vẽ phân loại trạng thái Như vậy, xét HOR PHA KEO tổ chức sau: Nếu HOR PHA KEO có lớp khơng gian khác nhau, HOR PHA KEO nút nhóm mơ 3D, chứa đựng nút 3.4.1 Dựng hình 3D (Modelling 3D) Dựng hình 3D hay 3D modelling thuật ngữ mô tả việc sử dụng phần mềm dựng hình 3D để thiết kế mơ hình 3D Modelling tạo đối tượng đồ họa có hình dáng, kích thước, màu sắc mơ vật, đối tượng thực tế hay trí tưởng tượng Cụ thể ví dụ như: tạo nhà,cây,xe,các nhân vật.v.v Các phần mềm thiết kế, dựng hình 3D cung cấp đầy đủ cơng cụ, chức tương tự với mục đích cuối cho phép tạo mơ hình 3D hồn chỉnh Các cơng cụ cơng cụ vẽ hình 2D Line,Circle,Rectangle,… Những cơng cụ vẽ hình 3D Box,Plane,Spherical,… Những lệnh chuyển đổi,hiểu chỉnh cho phép tùy chỉnh đơn vị đối tượng 3D(đỉnh-vertex,cạnh-edge,poly-đa giác,face-mặt,element-đơn vị).mơ hình cuối một tập hợp mơ hình 3D với đơn vị bản(tiêu biểu poly) thể hình dạng đối tượng mà ta muốn mơ dạng mơ hình 3D máy tính Lúc này, mơ hình xem khung hay lưới thô chuẩn bi cho nhiều bước Hình 3.9 Modelling tạo mơ hình 3D mơ trụ hình cột nhỏ Để tạo nên vẻ bề ngồi mơ thành phần màu sác, phản xạ ánh sáng,… sử dụng hình ảnh biên tập từ phần mềm biên tập,xử lý ảnh Photoshop chức lệnh hiệu chỉnh liên quan để áp vào mơ hình Các cơng việc thiết kế áp hình ảnh gọi Texturing mapping mà gọi nom na bằng tiếng Việt tạo áp vật liệu cho mô hình.Thơng thường, cơng việc cơng đoạn riêng đọc lập với Modelling, nhiên nhóm phát triển Game nhỏ với nhân lực cơng đoạn Texturing Mapping kết hợp thành phần cơng việc Modelling Hình 3.11 Mơ hình 3D sau áp vật liệu 3.4.2 Thiết kế mơi trường Trong q trình thiết kế mơi trường, chia làm cơng đoạn tiếp là: 1) Dựng hình – Modelling: Thiết kế mơ hình 3D mơ đối tượng từ thực tế trí tưởng tượng(kịch bản,ý tưởng) 2) Thiết kế địa hình: bước này, tạo địa hình với mục địch phản ánh “phần nền” mơi trường đất, gỏ,… Nằm mục đích cuối làm “nền” để đặt đối tượng khác lên Việc thiết kế địa hình phát triển trò chơi bằng Unity có lựa chọn là: dựng địa hình bằng ứng dụng dựng hình 3D khác sử dụng cơng cụ thiết kế địa hình Unity 3) Phối cảnh: Nhập tất mơ hình 3D thiết kế xuất phần mềm dựng hình 3D vào Unity.Thực thao tác kéo thả, tủy chỉnh để xác định vị trí, kích thước mơ hình cảnh 4) Áp dụng hiệu ứng: thiết kế áp dụng hiệu ứng thành phần môi trường ánh sáng Hình 3.12 dựng hình 3D vào Unity Hình 3.13 viết chương trình quản lý 3.5 Một hình ảnh mơ Sau thiết kế vật HOR PHA KEO bằng 3Ds max số hóa Là đầu vào cho lập trình điều khiển ta thu số kết hình Sau load đối tượng 3D vào hệ thống, tiếp đến trình tương tác, cho người sử dụng di chuyển vào khơng gian bằng bàn phím giống vào không gian thật, tương tác với vật bằng cách kích chuột vào đối tượng Người dùng thực chức xoay hình, biểu diễn vật thể góc độ Hình 3.14 Tượng xung quanh HOR PHA KEO(ảnh chụp) Hình 3.15 Tượng xung quanh HOR PHA KEO(mơ 3D) Hình 3.16 Đường lên vào HOR PHA KEO( ảnh chụp) Hình 3.17 Đường lên vào HOR PHA KEO( mơ 3D) Hình 3.18 Các đường lên vào HOR PHA KEO ( ảnh chụp) Hình 3.19 Các đường lên vào HOR PHA KEO ( mơ 3D) Hình 3.20 Các nhà xung quanh ( ảnh chụp) Hình 3.21 Các nhà xung quanh ( mơ 3D) Hình 3.22 Bên cạch Hor PHA KEO ( ảnh chụp) Hình 3.23 Bên cạch Hor PHA KEO ( mơ 3D) Hình 24 mơ hình 3D HOR PHA KEO nhìn từ xuống KẾT LUẬN Kết đạt Sau thời gian thực luận văn, trình nghiên cứu, tìm hiểu đạt số kết sau: Tìm hiểu số kỹ thuật hiển thị mơ hình 3D như: Kỹ thuật hiển thị mơ hình Impostor,kỹ thuật hiển thị mơ hình Occlusion – Culling, kỹ thuật hiển thị mơ hình Bump Mapping Ứng dụng phần mềm 3Ds max thiết kế mô hình 3D Sử dụng liệu ảnh thu thập công cụ liên quan tạo nên khu di tích HOR PHA KEO Cài đặt thành cơng chương trình mơ di tích HORPHAKEO bằng đồ họa 3D Ứng dụng cơng nghệ VR lập trình với C#, Unity 3D Game Engine để xây dựng phần mềm mô khơng gian di tích HOR PHA KEO Hướng phát triển Tìm hiểu thêm trình hình thành phát triển di tích lịch sử, văn hóa HOR PHA KEO , số khu di tích lịch sử khác để xây dựng phát triển thêm phần mềm mô khác Tạo nguồn tư liệu phong phú, chất lượng, dễ tiếp cận thân thiện với tất người Ứng dụng công nghệ thực ảo đưa phương thức chiêm nghiệm khứ trực quan, đỡ tốn kém, tránh thời gian khơng thực tế với việc phục chế hồn tồn di tích TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt : [1] Nguyễn Văn Huân , Vũ Đức Thái, Kỹ thuật lập trính mơ giới thực Morfit 3D [2] Đỗ Năng Tồn, Phạm Việt Bình (2008), Xử lý ảnh, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội [3] Nguyễn Văn Tảo nhóm nghiên cứu, Đề tài cấp Đại học Thái Nguyên (20132014) “Nghiên cứu kỹ thuật tra cứu ảnh, ứng dụng tra cứu quản lý số loại dược liệu quý vùng rừng núi tỉnh Thái Nguyên” [4] Nguyễn Văn Trường, Trung tâm Công nghệ Mô – HVKTQS “Hệ thống thời gian thực ứng dụng kỹ thuật mô phỏng”, Recognizing 3D object for automatic toolpath generation an verification [5] Công ty cổ phần phát triển công nghệ hệ thống mô W2G, “Mô không gian phổ cổ Hà Nội” [6] Nguyễn Văn Trường, Trung tâm Công nghệ Mô – HVKTQS “Impostor Occlusion Culling” [7] Nguyễn Văn Trường, Trung tâm Công nghệ Mô –HVKTQS, “Giới thiệu nhanh Scenengraph API cộng đồng mã nguồn mở (Tiếng việt)” [8] Nguyễn Văn Trường, Trung tâm Công nghệ Mô –HVKTQS, “Bump mapping” [9] Nguyễn Văn Trường, Nguyễn Văn Đức, Trung tâm Công nghệ Mô – HVKTQS, “Tái di tích lịch sử công nghệ thực ảo” Tiêng Anh: [10] Paul Martz (2007) OpenSceneGraph Quick Start Guide, Skew Matrix Software LLC [11] Martin Kada, Stefan Roettger, Karsten Weiss, Thomas Ertl, Dieter Fritsch Real-Time Visualisation of Urban Landscapes Using Open-Source Software.ifp/VIS Group, University of Stuttgart, Germany martin.kada @ifp.unistuttgart.de roettger@cs.fau.de Internet: [12] http://www.tourismlaos.org/show_province.php?Cont_ID=783 [13] Website: https://en.wikipedia.org/wiki/Haw_Phra_Kaew [14] Web site: http://www.visit-laos.com/vientiane/wat-ho-phra-keo.htm ... 38 XÂY DỰNG MƠ PHỎNG KHƠNG GIAN DI TÍCH “ HOR PHA KEO 38 3.1 Mô tả toán giới thiệu HOR PHA KEO 38 3.2 Xây dựng Cơ sở liệu 3D không gian HOR PHA KEO 39 3.2.1 Thu... Vai trò việc mô không gian 3D .5 1.2.2 Mơ hình hóa mơ hình 3D 1.2.3 Bài tốn mơ thực ảo 1.2.4 Giới thiệu số thuật toán đồ họa 3D 1.3 Di tích Hor Pha Keo ...ii LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan luận văn tốt nghiệp với tên đề tài Mô không gian di tích HOR PHA KEO Viêng Chăn đồ họa 3D em triển khai thực hướng dẫn cán hướng dẫn khoa học Các nội dung tham