Ứng dụng mô hình chuyển động hình nhân 3D vào tương tác người máy và E-learning : Luận văn ThS. Công nghệ thông tin: 1.01.10

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐÀO MINH THƯ Ứng dụng mơ hình chuyển động hình nhân 3D vào tương tác người máy E-learning luận văn thạc sĩ CễNG NGH THễNG TIN Hà nội - 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ ĐÀO MINH THƯ Ứng dụng mơ hình chuyển động hình nhân 3D vào tương tác người máy v E-learning Mó s : 1.01.10 luận văn thạc sĩ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Người hướng dẫn khoa học: TS Bùi Thế Duy Hµ néi - 2005 –1 Mở đầu Năm 1955, mở cửa lần đầu cơng viên Disney California (Mỹ), cơng ty Disney thiết kế mơ hình cơng viên chiều dùng cho chiến dịch quảng cáo ñiều ñã ñem lại hiệu khơng ngờ Chiến dịch quảng cáo thành cơng rực rỡ kết du khách ñổ ñến Disney Land ngày nhiều (theo New York Times, 2001) Năm 2000, trị chơi Final Fantasy gây nên sốt giới chơi game Việt Nam giới Những mơ hình nhân vật chiều trau chuốt tới sợi tóc, nếp áo, da; chân thực chuyển ñộng, màu sắc ñã hoàn toàn hút hồn game thủ Ngoài hấp dẫn ý tưởng trị chơi, yếu tố "đẹp sống động" mơ hình 3D Final Fantasy nguyên nhân khiến trò chơi trở thành game hấp dẫn [44] Hai ví dụ cho thấy thu hút mơ hình chiều Các ứng dụng máy tính sử dụng mơ hình chiều xuất ngày nhiều tỏ rõ lợi thế: sinh ñộng, chân thực hiệu Xu hướng nghiên cứu xây dựng hệ thống tương tác người máy nhiều trường đại học phịng thí nghiệm thập kỷ 90 Một số cơng trình nghiên cứu phục vụ cho hệ thống tương tác người máy ñã ñược nêu phần phụ lục Ở Việt Nam, cơng nghệ 3D chủ yếu dùng quảng cáo kiến trúc, việc ñưa 3D vào sâu lĩnh vực khác giáo dục, y tế… Cụ thể luận văn muốn ñề cập ñến việc nghiên cứu ứng dụng hình nhân 3D vào thực tế mà ứng dụng kể đến việc biểu diễn ngơn ngữ ký hiệu phục vụ người khiếm thính Hiện nay, chương trình, dự án nhằm cải thiện nâng cao chất lượng Giáo dục hòa nhập trẻ khiếm thính dịch vụ phục vụ cho người khiếm thính người khiếm thính Việt Nam phát triển mạnh [47] –2 Với ñề tài “Ứng dụng mơ hình chuyển động hình nhân 3D vào tương tác người máy E-learning”, mong muốn xây dựng nên chương trình mơ việc biểu diễn ngơn ngữ ký hiệu phục vụ cho người khiếm thính lĩnh vực giao tiếp truyền thơng, thêm vào hồn tồn sử dụng chương trình ứng dụng E-learning khác dành cho người bình thường Chương trình xây dựng theo phương pháp ñánh vần: từ gồm nhiều chữ cái, chữ mơ tả ký hiệu tay thực hiện, từ tập hợp ký hiệu thể tay Người khiếm thính đánh vần theo ký hiệu để biết từ “nói” lên Ví dụ muốn nói “Xin chào”, người nói biểu diễn ký hiệu theo thứ tự tương ứng với chữ “x” “i” “n” “c” “h” “a” “o” Phương pháp có nhược điểm tốc ñộ chuyển ñổi chậm lại có lợi tham số đầu vào khơng nhiều, tạo từ tùy ý mà không cần dùng từ ñiển Kết cấu luận văn gồm chương: Chương : Giới thiệu H-anim bao gồm: khái niệm, thành phần cần có theo quy định hình nhân theo chuẩn H-anim, phân cấp khung xương hình nhân cách đặt tên cho khớp theo chuẩn, ñiểm ñặc biệt thể người cách thức xây dựng mơ hình 3D Chương : Giới thiệu số ngôn ngữ lập trình 3D Chương : Trình bày ngơn ngữ lập trình đồ họa 3D (VRML Java3D) sử dụng để xây dựng chương trình Chương : Thực tốn Giới thiệu ngơn ngữ dấu hiệu chuẩn thời Xây dựng chương trình FamiliarHand biểu diễn ngơn ngữ ký hiệu theo điều khiển ngơn ngữ lập trình Java3D Phần Kết luận đánh giá cơng việc làm hướng phát triển –3 Chương - H-ANIM 1.1 Khái ni m H-anim Cùng với tăng trưởng lĩnh vực ñồ họa 3D thập kỷ vừa qua, nhiều phần mềm làm nhiệm vụ thiết kế mơ hình 3D kiến tạo hoạt ñộng sinh học mơ hình lên ñáng ý Một số hệ thống ñã ñược xây dựng nhằm mục ñích tự hiệu chỉnh cử động mơ hình người giới ảo Vấn đề khó khăn nẩy sinh q trình sử dụng nhiều gói phần mềm hệ thống dạng việc trao đổi thơng tin Thiếu hệ thống khung chuẩn truyền thơng thường bó buộc nhà xây dựng animation studio hiệu chỉnh cử ñộng phải phát triển giải pháp riêng mang tính độc quyền nhằm làm mịn bước chuyển tiếp hệ thống phần mềm mà họ ñang dùng ISO (International Standard Organization) định rõ khái niệm H-Anim, hình dung mang tính khái qt việc mơ hình hóa hình nhân 3D ISO mơ tả cách thức chuẩn để biểu diễn hình nhân này, theo đó, cho phép dùng cơng cụ (có thể nhà cung cấp A) để xây dựng nên mơ hình hình nhân chiều, sau lại dùng cơng cụ khác (có thể nhà cung cấp B) để điểu khiển cử động hình nhân Mục tiêu mà H-Anim hướng tới là: • Khả tương thích: Các đặc tính hình nhân H-Anim phải ñược diễn ñạt thành công duyệt • Tính mềm dẻo linh hoạt: Khơng có giới hạn vấn đề quy định xem kiểu ứng dụng phép dùng hình nhân H-Anim • Tính đơn giản: Loại bỏ hình nhân khỏi ứng dụng cách dễ dàng không cần thiết bổ sung thêm hình nhân cần Với mục tiêu trên, cần phải ñịnh rõ chi tiết kỹ thuật để truy nhập vào biểu ñồ phân cấp khớp trực tiếp hình nhân đỉnh khối hình học có –4 nhiệm vụ cấu thành nên đoạn thể mơ hình người theo cách thức cho phép nhằm tạo nên hình nhân có khả thực cử ñộng [15] 1.2 Các thành ph n c a m t H-Anim ðối tượng H-Anim bao gồm thành phần [29]: • Humanoid • Joint • Segment • Site • Displacer –5 Hình 1: Các thành phần H-Anim –6 1.2.1 Humanoid Là gốc mơ hình H-Anim, đối tượng cho biết chế gắn kết tất thành phần hình nhân Cụ thể hơn, Humanoid container chứa ñựng thành phần định nghĩa nên hệ khung xương, hình khối giới hạn mơ hình hình nhân H-Anim Các thành phần bao gồm ñối tượng Joint, Segment, Site Displacer, chúng ñịnh rõ phần lớn chi tiết mơ hình hình nhân HAnim Ngồi cịn mang thơng tin tác giả, quyền hạn chế thường gặp mơ hình Sau ví dụ mơ tả lớp đối tượng Humanoid dùng cú pháp VRML V2.0 utf8 PROTO Humanoid [ ] exposedField SFVec3f center 000 exposedField MFNode humanoidBody [] exposedField MFString info [] exposedField MFNode joints [] exposedField SFString name "" exposedField SFRotation rotation 0010 exposedField SFVec3f 111 exposedField SFRotation scaleOrientation 0010 exposedField MFNode segments [] exposedField MFNode sites [] exposedField SFVec3f translation 000 exposedField SFString version "1.1" exposedField MFNode viewpoints [] field SFVec3f bboxCenter 000 field SFVec3f bboxSize -1 -1 -1 scale –7 Lưu ý “exposedField” trường mà scrip truy nhập để đọc liệu, cịn “field” khơng 1.2.2 Joint Là đối tượng mơ tả khớp nối mơ hình H-Anim Các ñối tượng Joint ñược tổ chức thành cấu trúc phân cấp mơ tả mối liên hệ cha-con mang tính thừa kế khớp hệ khung xương Joint container mang thơng tin xác định tên thuộc tính khớp hệ khung xương Ví dụ mơ tả lớp đối tượng Joint dùng cú pháp VRML V2.0 utf8 sau: PROTO Joint [ exposedField SFVec3f center 000 exposedField MFNode children [] exposedField SFRotation limitOrientation 0010 exposedField MFFloat llimit [] exposedField SFString name "" exposedField SFRotation rotation 0010 exposedField SFVec3f 111 exposedField SFRotation scaleOrientation 0010 exposedField MFFloat stiffness [1 1] exposedField SFVec3f translation 000 exposedField MFFloat ulimit [] scale ] 1.2.3 Segment Là đối tượng mơ tả đoạn chi mơ hình H-Anim Về mặt vật lý, chúng vật thể trung gian khớp xương Ví dụ cẳng tay nối khớp cùi chỏ khớp cổ tay, cẳng chân nối khớp ñầu gối khớp cổ chân Ví dụ mơ tả lớp đối tượng Segment dùng cú pháp VRML V2.0 utf8 sau: –8 PROTO Segment [ eventIn MFNode addChildren eventIn MFNode removeChildren exposedField SFVec3f centerOfMass 000 exposedField MFNode children [] exposedField SFNode coord NULL exposedField MFNode displacers [] exposedField SFString name "" exposedField SFFloat mass exposedField SFVec3f momentsOfInertia 1 field SFVec3f bboxCenter 000 field SFVec3f bboxSize -1 -1 -1 ] 1.2.4 Site Mỗi Segment có số nút Site ðối tượng định nghĩa số vị trí đặc biệt có liên quan đến Segment ðối tượng Site sử dụng nhằm mục đích: • ðịnh nghĩa điểm kết nối cho ñối tượng phụ quần áo trang sức • ðịnh nghĩa vị trí cho camera ảo khung tham chiếu đối tượng Segment • ðịnh nghĩa vị trí “end-effector” dùng hệ thống IK (inverse kinematic) [xem giải thích phụ lục 2] Ví dụ mơ tả lớp đối tượng Site dùng cú pháp VRML V2.0 utf8 sau: PROTO Site [ eventIn MFNode addChildren eventIn MFNode removeChildren