Kỹ thuật LOD tự động áp dụng tối ưu hóa mô hình 3D trong trưng bày bảo tàng ảo

Bài viết Kỹ thuật LOD tự động áp dụng tối ưu hóa mô hình 3D trong trưng bày bảo tàng ảo trình bày một kỹ thuật tối ưu lưới cho mô hình 3D. Kỹ thuật này được áp dụng trong thời gian thực từ đó tạo ra kỹ thuật LOD tự động áp dụng cho bài toán trong trưng bày bảo tàng ảo.

Vũ Đức Thái Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): - 14 KỸ THUẬT LOD TỰ ĐỘNG ÁP DỤNG TỐI ƯU HĨA MƠ HÌNH 3D TRONG TRƯNG BÀY BẢO TÀNG ẢO Vũ Đức Thái*, Mã Văn Thu, Lê Sơn Thái, Đỗ Thị Chi Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Thực ảo thực ảo tăng cường công nghệ áp dụng nhiều tốn mơ giới thực Một ứng dụng mơ hình hóa trình diễn vật từ thực tiễn chí khơi phục từ tư liệu khảo cứu để đưa vào trưng bày bảo tàng ảo Vấn đề ứng dụng xây dựng bảo tàng ảo mơ hình 3D cần thể tỉ mỉ, chi tiết đảm bảo giống với vật quan sát không gian giới thực Ta biết, hình ảnh 3D cần nhiều hình 2D với hướng nhìn, góc vị trí quan sát Điều có nghĩa có nhiều vật cần mơ cần dung lượng lớn để lưu trữ máy tính cần thực nhiều phép tính tốn q trình biểu diễn hình ảnh với vật ảo Để giải vấn đề này, nghiên cứu sử dụng kỹ thuật LOD tự động để cài đặt ứng dụng phần mềm trưng bày ảo Bảo tảng Văn hóa dân tộc Việt Nam thành phố Thái Nguyên LOD kỹ thuật hỗ trợ xác định độ chi tiết hình ảnh đối tượng ba chiều phụ thuộc vào khoảng cách từ vị trí vật tới vị trí người quan sát Qua giảm bớt khối lượng cần tính tốn máy tính đơn vị thời gian, giúp tăng số lượng chất lượng vật trưng bày Trong nội dung báo, chúng tơi trình bày kỹ thuật tối ưu lưới cho mơ hình 3D Kỹ thuật áp dụng thời gian thực từ tạo kỹ thuật LOD tự động áp dụng cho tốn trưng bày bảo tàng ảo Từ khóa: tối ưu hóa lưới, tối ưu hóa tam giác, tối ưu bề mặt lưới mơ hình, lod tự động MỞ ĐẦU* Mơ hình 3D ngày phổ biến sử dụng rộng rãi ứng dụng mô phỏng, thực ảo Ta thấy, với khoảng cách khác quan sát thấy độ chi tiết khác mơ hình Điều có nghĩa mơ hình gần chi tiết mơ hình xa mờ Để tối ưu tính tốn thường phải có sẵn mơ hình 3D với mức độ chi tiết khác Khi biểu diễn vật khoảng cách định chương trình gọi sử dụng mơ hình với độ chi tiết tương ứng, kỹ thuật thực ảo gọi LOD (Level Of Detail) [4] Kỹ thuật F Biljecki , H Ledoux J Stoter trình bày để biểu diễn mơ hình 3D tòa nhà năm 2016 [3], Như vậy, mơ hình 3D phải thiết kế lại nhiều lần với độ chi tiết khác Điều dẫn tới thời gian chi phí tạo mơ hình tăng đồng nghĩa với tổng chi phí cho hệ thống trưng bày ảo lớn Để giảm chi phí xây dựng mơ hình cần áp * dụng chiến lược tự động tối ưu mơ hình dựa khoảng cách quan sát chương trình chạy Quá trình tối ưu gọi LOD tự động Trong đó, độ chi tiết mơ hình tự động tính tốn dựa khoảng cách tới vị trí quan sát Có ba phương pháp để tạo mơ hình 3D: Một sử dụng phần mềm thiết kế 3D tạo thư viện mơ hình (do nhà thiết tạo ra) Hai sử dụng lệnh ngôn ngữ lập trình để vẽ mơ hình Ba sử dụng thiết bị máy quét 3D tạo mơ hình từ vật thể thực Phương pháp dùng lệnh vất vả tốn khơng sử dụng Phương pháp sử dụng thiết bị phần cứng máy qt để tạo mơ hình 3D mang nhiều ưu điểm thời gian tạo mơ hình ngắn, độ xác cao, tính ổn định, chi phí rẻ v.v Tuy nhiên, mơ hình tạo từ máy qt có nhược điểm số lượng lưới lớn Do đó, thực tế đa phần chương trình mơ thực ảo thường sử dụng mơ hình sinh từ phần mềm thiết kế 3D Tel: 0985 158998, Email: vdthai@ictu.edu.vn Vũ Đức Thái Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Khi xây dựng ứng dụng, cần giải pháp tiết kiệm chi phí xây dựng mơ hình Ý tưởng giải pháp thiết kế mơ hình 3D đối tượng lần cấp độ giảm lưới tự động tạo mơ hình tương ứng Đầu tiên, ta phải xây dựng mơ hình vật 3D mức độ chi tiết Sau dựa vào khoảng cách từ mắt người tham quan ảo đến vị trí vật 3D tiến hành rút gọn bề mặt lưới mơ hình Quy luật khoảng cách xa lưới mơ hình giảm Chúng tơi chia độ chi tiết mơ hình thành bốn mức từ LOD1 tới LOD4 Trong đó, lưới mức độ (LOD1) khoảng cách gần với mức mô tả chi tiết nhất, lưới cấp độ bốn (LOD4) khoảng cách xa Quá trình chuyển từ LOD1 sang thấp trình rút gọn lưới mơ hình cảnh bảo tàng mà mong muốn [2] Số lưới mơ hình cấp độ LOD2 khoảng 50% số lưới mơ hình cấp độ LOD1, tương tự ta quy định số lưới LOD3 khoảng 25% số lưới LOD1, số lưới LOD4 khoảng 12,5% số lưới LOD1 Với việc giảm lưới mơ hình bị biến dạng đơi khơng mơ hình mà biến thành mơ hình khác điều khơng chấp nhận Do đó, cần thuật toán rút gọn lưới hợp lý cho giảm lưới cấp độ khác việc mơ hình bị biến dạng thấp Trong phần báo chúng tơi trình bày kỹ thuật tối ưu lưới kết sau trình cài đặt ứng dụng tồn trưng bày ảo Hình So sánh hình ảnh rút gọn bề mặt lưới PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU LƯỚI MƠ HÌNH 10 189(13): - 14 Tối ưu lưới mơ hình 3D rút gọn số lượng đa giác lưới mơ hình, giải pháp đưa xóa bỏ đỉnh phục hồi bề mặt mơ hình Ba tốn tử để loại bỏ điểm là: vertex removal (xóa điểm), edge collapse (gộp hai điểm cạnh thành điểm), half edge collapse (gộp hai điểm thành điểm, điểm giữ nguyên vị trí ban đầu).Thứ tự xóa điểm dựa số hàm ưu tiên [4][6], quy trình cho việc tối ưu hóa bề mặt lưới tam giác sau: Repeat { Chọn đối tượng 3D; Xóa đỉnh, giảm lưới đối tượng; Kết xuất đối tượng 3D; } Until (mục tiêu tối giản đáp ứng); Quy trình loại bỏ đỉnh phục hồi bề mặt áp dụng theo thứ tự ưu tiên để loại bỏ điểm khỏi mơ hình, sau xóa điểm xong cần thêm bước phục hồi bề mặt đối tượng Việc xử lý loại bỏ đỉnh dừng số lượng lưới thấp mà bề mặt mơ hình đảm bảo hình dáng [4] Hình Loại bỏ phục hồi bề mặt Một phép đo sử dụng tính lỗi dự kiến xảy áp dụng toán tử Phép đo lỗi gần sử dụng để ưu tiên loại bỏ đỉnh, đánh giá chất lượng kết Đại lượng Error metrics [4] giá trị thể khác hình dáng hai mơ hình trước sau rút gọn lưới đa giác Error metrics hai mơ hình nhỏ, có nghĩa hai mơ hình gần giống Các độ đo tính tốn việc giảm lưới gồm: edge length (độ dài cạnh kết nối từ điểm xét đến Vũ Đức Thái Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): - 14 điểm láng giềng), distance to plane (khoảng cách từ điểm tới mặt phẳng chứa láng giềng nó), curvature (bề mặt cong mặt phẳng chứa điểm), volume (thể tích) Áp dụng cơng thức (1), thử nghiệm cho số mơ hình thấy rõ mặt tối ưu lưới Tuy nhiên, lưới tối ưu nhiều lỗi thực rút gọn lưới lưới xóa không đều, số mặt tối ưu bị biến dạng [2] Để khắc phục lỗi trên, đưa số giả thiết trường hợp ngoại lai điểm cần tối ưu bề mặt mơ hình 3D áp dụng theo phương pháp đề xuất thuật toán để giải toán tương ứng trường hợp Hình Rút gọn lưới theo tổng góc curvature Trường hợp thứ nhất, hình điểm v1 xóa mà khơng ảnh hưởng đến bề mặt đối tượng Khi xấp xỉ độ cong bề mặt K đỉnh v0được tính theo cơng thức (1) [5]: K= (1) Với : góc đỉnh v0 sinh từ cạnh kề kết nối đến đỉnh v0 Theo cơng thức trên, với K nhỏ đỉnh v0 dễ xóa bỏ Bởi với điểm nằm mặt phẳng tổng góc xung quanh = 3600, K =0.Thì việc xóa điểm v0 khơng ảnh hưởng đến hình dạng mơ hình Một ngưỡng α cho trước để thỏa mãn điều kiện loại bỏ điểm v0, thuật toán chi tiết: Khởi tạo: ∀v ∈ V: v.errormetric: = CalcErrorMetric (v); Sort_Vertexlist (); Repeat { Lấy v0; Hình Góc đỉnh v1 so với v v2 Những điểm v2 nằm đường thẳng, mà đường thẳng giao hai mặt phẳng vng góc với Ta nhận thấy tổng góc xung quanh điểm v2 360o điểm v giao ba mặt phẳng có tổng góc xung quanh lớn 360o, xóa đỉnh v2 đỉnh v mơ hình thu sau tối ưu bị méo mó Khi cơng thức (1) thay công thức (2) [2]: if (v0.errrormetric