Một số kỹ thuật nắn chỉnh biến dạng đối tượng 3D : Luận văn ThS. Công nghệ thông tin: 60 48 01 03

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 luận văn sản phẩm riêng cá nhân Trong toàn nội dung luận văn, điều trình bày cá nhân tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng trích dẫn hợp pháp Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm theo quy định cho lời cam đoan Hà Nội, ngày 20/11/2014 Người cam đoan Phạm Bá Mấy LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn có kiến thức ngày hơm nay, xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu tồn thể thầy khoa Cơng nghệ thông tin - Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quý báu cho tơi tồn thể học viên cao học khóa 19 suốt q trình học tập nghiên cứu trường Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Ban Lãnh Đạo toàn thể anh chị em đồng nghiệp Viện Công nghệ thông tin - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam cho phép tạo điều kiện ủng hộ giúp đỡ tơi suốt khóa học Thạc sĩ Tơi xin bày tỏ lịng 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 tận tình hướng dẫn, quan tâm động viên tơi q trình tìm hiểu, nghiên cứu, xây dựng hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS NGUYỄN TRỌNG TOÀN - nguyên Viện trưởng Viện Pháp y Quân đội nhiệt tình dẫn cung cấp yêu cầu thực tế toán “Phục dựng mặt người” mà bác nghiên cứu giải kiến thức vô quý báu liên quan tới lĩnh vực chuyên môn Pháp y, Giải phẫu… Những kiến thức quan trọng giúp ích cho tơi nhiều q trình cài đặt thử nghiệm Tôi xin chân thành cảm ơn người thân gia đình, bạn bè động viên tạo điều kiện giúp tơi q trình học tập, công tác sống Mặc dù cố gắng hoàn thành luận văn thời gian khả cịn nhiều hạn chế nên luận văn khó tránh khỏi sai sót định, mong thơng cảm dẫn, góp ý thầy cô bạn bè để luận văn hồn thiện Cuối tơi xin gửi lời chúc sức khỏe thành đạt tới tất quý thầy cơ, q đồng nghiệp gia đình bạn bè MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ĐỐI TƯỢNG 3D VÀ BÀI TOÁN NẮN CHỈNH 1.1 Khái quát đối tượng 3D 1.1.1 Khái niệm đối tượng 3D 1.1.2 thành phần đối tượng 3D 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 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 CHƯƠNG III: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 49 3.1 Phát biểu toán 49 3.2 Điểm vài nét phương pháp khôi phục mặt người từ hình thái xương sọ 50 3.3 Lựa chọn quy trình cơng nghệ 55 3.4 Thử nghiệm 58 PHẦN KẾT LUẬN 64 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt DICOM Digital Imaging and Communications in Medicine Tiêu chuẩn để xử lý, lưu trữ, in ấn thu/nhận hình ảnh y tế NURBS Non-Uniform Rational B-spline B-spline hữu tỉ không đồng PDE Partial Differential Equation Phương trình vi phân phần RBF Radial Basic Funtion Hàm sở bán kính VR Virtual Reality Thực ảo VRML Virtual Reality Modeling Language Ngơn ngữ mơ hình hóa thực ảo DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Đối tượng 3D Hình 1.2 Cấu trúc mơ hình 3D Hình 1.3 Các đối tượng nguyên thuỷ polygon 10 Hình 1.4 Mơ hình liên tục 11 Hình 1.5 Ảnh DICOM 12 Hình 1.6 Dữ liệu ảnh chưa xác định biên 12 Hình 1.7 Dữ liệu ảnh sau xách định biên 12 Hình 1.8 Dữ liệu mơ hình thơ 13 Hình 1.9 Dữ liệu mơ hình sau làm mịn 13 Hình 1.10 Vẽ phác thảo mơ hình ảnh 14 Hình 1.11 Dựng mơ hình thơ 14 Hình 1.12 Kết dựng mơ hình từ ảnh 14 Hình 1.13 Dựng mơ hình 3D máy Scan 3D 15 Hình 1.14 Kết dựng mơ hình từ liệu máy Scan 3D 15 Hình 1.15 Nghiên cứu Tong-Yee Lee Po-Hua Huang 18 Hình 1.16 Nghiên cứu Yong Joo Kil cộng 18 Hình 1.17 Nghiên cứu Henry Schäfer cộng 19 Hình 1.18 Nghiên cứu Thomas W Sederberg Scott R Parry 20 Hình 1.19 Nghiên cứu The Duy Bui cộng 21 Hình 1.20 Nghiên cứu Chen Cao, Qiming Hou, Kun Zhou 21 Hình 1.21 Nghiên cứu nhóm thực đề tài KC.01.17/06-10 22 Hình 1.22 Nghiên cứu Terzopoulos cộng 23 Hình 1.23 Nghiên cứu Gonzalez Castro G, Ugail H,Willis P and Palmer I 23 Hình 1.24 Nghiên cứu Yun Sheng, Phil Willis 24 Hình 2.1 Ý tưởng Mobius 25 Hình 2.2 Ý tưởng mở rộng 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 nắn chỉnh 30 Hình 2.5 Mơ hình mặt người đầu vào 33 Hình 2.6 Biến đổi mơ hình mặt với kỹ thuật hệ tọa độ arycentric 33 Hình 2.7 Điều khiển hoạt động Rồng dựa vào nắn chỉnh biến dạng 34 Hình 2.8 Hàm sở bán kính (RBF) 35 Hình 2.9 Đầu vào thuật toán nắn chỉnh dựa vào RBF 38 Hình 2.10 Sự biến đổi tập điểm điều khiển 39 Hình 2.11 Kết nắn chỉnh đối tượng 40 Hình 2.12 Mơ hình mặt người đầu vào 41 Hình 2.13 Biến đổi mơ hình mặt với RBF 41 Hình 2.14 Bề mặt đối tượng (b) xây dựng hàm PDE bậc bốn từ điều kiện biên (a) 45 Hình 2.15 Bề mặt đối tượng (b) xây dựng hàm PDE bậc bốn từ điều kiện biên điều kiện phát sinh (a) 46 Hình 2.16 Bề mặt đối tượng (b) xây dựng hàm PDE bậc sáu từ điều kiện biên (a) 46 Hình 2.17 Bề mặt đối tượng (b) xây dựng hàm PDE bậc sáu từ điều kiện biên điều kiện phát sinh (a) 47 Hình 3.1 Minh họa khơi phục mặt người từ hộp sọ 3D 49 Hình 3.2 Phương pháp lồng sọ vào 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 vị trí đặc trưng 54 Hình 3.6 Các điểm mốc góc đặc trưng 55 Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống khơi phục người từ hộp sọ 56 Hình 3.8 Sọ 3D người cần dựng mặt 59 Hình 3.9 Dữ liệu mô mềm điểm đặc trưng 59 Hình 3.10 Dữ liệu mặt mẫu 59 Hình 3.11 Dữ liệu đầu vào cho thử nghiệm thứ 61 Hình 3.12 Kết thử nghiệm thứ chạy với Barycentric 61 Hình 3.13 Kết thử nghiệm thứ chạy với RBF 61 Hình 3.14 Dữ liệu đầu vào cho thử nghiệm thứ hai 62 Hình 3.15 Kết thử nghiệm thứ hai chạy với Barycentric 62 Hình 3.16 Kết thử nghiệm thứ hai chạy với RBF 62 PHẦN MỞ ĐẦU Sự phát triển vượt bậc thiết bị phần cứng máy tính, thiết bị ngoại vi thu nhận hình ảnh giới thực vào máy tính như: máy ảnh, máy scan 3D… làm cho liệu hình ảnh, mơ hình 3D ngày phổ biến Trong thực tế, đối tượng thu nhận thiết bị điện tử quang học thường chất thực (nguyên thủy) hay nói cách khác bị biến dạng [11,13] Để khắc phục biến dạng này, người ta sử dụng số kỹ thuật nắn chỉnh hình học để thu đối tượng với hình dạng xác Hơn nữa, số ứng dụng phim ảnh, người ta muốn tạo nhân vật, hình ảnh khơng có thực tế mà theo tư thiết kế chủ quan người làm phim Điển hình họ tạo thước phim miêu tả thay đổi đối tượng theo thời gian, trình biến đổi từ đối tượng đến đối tượng khác, biến hóa vũ trụ v.v [12,14,15] Nhờ kỹ thuật nắn chỉnh, biến đối hình học mà nhà làm phim thực mong muốn nói Xuất phát từ thực tế gợi ý giáo viên hướng dẫn, lựa chọn đề tài “Một số kỹ thuật nắn chỉnh biến dạng đối tượng 3D” cho luận văn Nội dung đề tài tìm hiểu số phương pháp nắn chỉnh hình học đồ họa máy tính, nhằm xử lý sai lệch hình dạng đối tượng thu nhận vào máy tính (ảnh số, mơ hình 3D) so với hình dạng ban đầu đối tượng, hay nhằm làm biến đối đối tượng thành đối tượng khác theo mong muốn chủ quan, sở kết tìm hiểu nghiên cứu tiến hành cài đặt chương trình thử nghiệm Cấu trúc luận văn bao gồm: Chương 1: Chương trình bày khái qt đối tượng 3D, mơ hình 3D tốn nắn chỉnh Chương 2: Chương trình bày chi tiết ba kỹ thuật sử dụng nắn chỉnh đối tượng 3D Chương 3: Chương trình bày việc ứng dụng kỹ thuật nắn chỉnh dựa vào hàm sở bán kính (RBF) tốn “Khơi phục diện mạo khn mặt người Việt trưởng thành từ hình thái xương sọ” Phần luận văn phần kết luận, danh mục cơng trình cơng bố liên quan tới luận văn tác giả Cuối tài liệu tham khảo ... 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 : 604 8010 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ... chọn đề tài ? ?Một số kỹ thuật nắn chỉnh biến dạng đối tượng 3D? ?? cho luận văn Nội dung đề tài tìm hiểu số phương pháp nắn chỉnh hình học đồ họa máy tính, nhằm xử lý sai lệch hình dạng đối tượng thu... trúc luận văn bao gồm: Chương 1: Chương trình bày khái qt đối tượng 3D, mơ hình 3D toán nắn chỉnh Chương 2: Chương trình bày chi tiết ba kỹ thuật sử dụng nắn chỉnh đối tượng 3D Chương 3: Chương