ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ MÃ VĂN THU MÔ HÌNH 3D VÀ TỐI ƯU HÓA MÔ HÌNH TRONG THỰC TẠI ẢO LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HàNội - 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ MÃ VĂN THU MÔ HÌNH 3D VÀ TỐI ƯU HÓA MÔ HÌNH TRONG THỰC TẠI ẢO Ngành: Hệ thống thông tin Chuyênngành: Hệ thống thông tin Mã số: 60480104 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS ĐỖ NĂNG TOÀN HàNội - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi Mã Văn Thu xin cam đoan nội dung trình bày luận văn kết tìm hiểu, nghiên cứu thân dƣới hƣớng dẫn PGS.TS Đỗ Năng Toàn nhà nghiên cứu trƣớc Nội dung tham khảo, kế thừa, phát triển từ công trình đƣợc công bố đƣợc trích dẫn, ghi rõ nguồn gốc Kết mô phỏng, thí nghiệm đƣợc lấy từ chƣơng trình thân Nếu có sai phạm xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Người cam đoan Mã Văn Thu LỜI CẢM ƠN Trong trình thực luận văn gặp nhiều khó khăn nhƣng nhận đƣợc quan tâm, giúp đỡ từ thầy cô, đồng nghiệp bạn bè ngƣời thân Đây nguồn động lực giúp hoàn thành luận văn Tôi xin gửi lời chân thành cảm ơn tới PGS.TS Đỗ Năng Toàn tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn bảo trình thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn tới quý thầy, cô trƣờng Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội tận tình bảo, truyền đạt kiến thức qúy báu giúp hoàn thành nhiệm vụ học tập suốt thời gian theo học trƣờng Quý thầy cô giúp có đƣợc kiến thức quan trọng lĩnh vực Công nghệ thông tin, tảng vững cho nghiên cứu thân thời gian tới Tôi xin gửi lời chân thành cảm ơn tới anh, chị phòng Thực ảo - Viện Công nghệ Thông tin - Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam giúp đỡ nhiều lĩnh vực mô phỏng, thực ảo Tôi xin cảm ơn anh em, đồng nghiệp giúp đỡ, ủng hộ tinh thần thời gian tham gia học tập Cuối cùng, xin cảm ơn tất ngƣời luôn quan tâm, sẻ chia động viên Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2016 Mã Văn Thu MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG THỰC TẠI ẢO VÀ BÀI TOÁN TỐI ƢU MÔ HÌNH Khái quát thực ảo mô hình 3D thực ảoError! Bookmark not defined 1.1 1.1.1 Thực ảo Error! Bookmark not defined 1.1.2 Cấu tạo mô hình 3D Error! Bookmark not defined 1.1.3 Các phƣơng pháp tạo mô hình phổ biến Error! Bookmark not defined 1.1.3.1 Phƣơng pháp tạo mô hình thiết kế dựa phần mềm 3DError! Bookmark not def 1.1.3.2 Tạo mô hình máy quét 3D .Error! Bookmark not defined 1.2 Bài toán tối ƣu hóa mô hình 3D Error! Bookmark not defined 1.2.1 Một số phƣơng pháp tạo mô hình 3D Error! Bookmark not defined 1.2.2 Đầu vào , đầu toán tối ƣu hóa mô hình Error! Bookmark not defined 1.2.3 Nguyên lý tối ƣu mô hình 3D Error! Bookmark not defined CHƢƠNG MỘT SỐ KỸ THUẬT TỐI ƢU HÓA MÔ HÌNHError! Bookmark not defined 2.1 Kỹ thuật tối ƣu mô hình dựa lƣới tam giác Error! Bookmark not defined 2.1.1 Giới thiệu tối ƣu phƣơng pháp tối ƣu phổ biến Error! Bookmark not defined 2.1.2 Phƣơng pháp Incremental Decimation Error! Bookmark not defined 2.1.3 Thuật toán đề xuất Error! Bookmark not defined 2.2 Kỹ thuật tối ƣu mô hình dựa lƣới tứ giác .Error! Bookmark not defined 2.2.1 Chuyển mô hình bề mặt lƣới tam giác mô hình bề mặt lƣới tứ giác Error! Bookmark not defined 2.2.2 Làm mềm lƣới tứ giác Error! Bookmark not defined 2.2.3 Tối ƣu hóa lƣới tứ giác Error! Bookmark not defined CHƢƠNG THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG TỐI ƢU MÔ HÌNH 3DError! Bookmark not d 3.1 Yêu cầu thực nghiệm, ứng dụng .Error! Bookmark not defined 3.1.1 Yêu cầu với thực nghiệm Error! Bookmark not defined 3.1.2 Kiểm tra mô hình đầu vào Error! Bookmark not defined 3.2 Phân tích, lựa chọn công cụ Error! Bookmark not defined 3.3 Một số kết thực nghiệm tối ƣu mô hình Error! Bookmark not defined 3.3.1 Hƣớng đẫn sử dụng chƣơng trình thực nghiệm Error! Bookmark not defined 3.3.2 Một số kết tối ƣu mô hình chƣơng trình thực nghiệm Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN .Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT 3D Three Dimentional Ba chiều VR Virtual Reality Thực ảo Virtual Environment Môi trƣờng ảo Surgical Simulation Giả giải phẩu Error Lỗi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Ứng dụng Thực ảo thiết kế nội thất Error! Bookmark not defined Hình 1.2 Ứng dụng Thực ảo thiết kế ô tô .Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Ứng dụng Thực ảo game giải trí Error! Bookmark not defined Hình 1.4 Ứng dụng Thực ảo phim Avatar Error! Bookmark not defined Hình 1.5 Mô lái tàu ảo công ty mô việt namError! Bookmark not defined Hình 1.6 Mô thể ảo phòng thực ảo viện Error! Bookmark not defined Hình 1.7: Mô hình 3D tim ngƣời Error! Bookmark not defined Hình 1.8 Mô hình 3D hình cầu cắt vắt Error! Bookmark not defined Hình 1.9 Một mặt hình hộp đƣợc tạo mặt tam giácError! Bookmark not defined Hình 1.10 Mô hình 3D thu đƣợc từ tập đỉnh .Error! Bookmark not defined Hình 1.11 Một số hình khối 3D Error! Bookmark not defined Hình 1.12 Công c ụ Select and Move thiết kế Error! Bookmark not defined Hình 1.13 Chế độ Editable Poly Error! Bookmark not defined Hình 1.14 Hai plance chiếu đứng cạnh (cách 1) Error! Bookmark not defined Hình 1.15 Hai plance chiếu đứng cạnh (cách 2) Error! Bookmark not defined Hình 1.16 Máy quét Artec Eva mô hình thu đƣợc sử dụng máy quét nàyError! Bookmark Hình 1.17 Tổng thống Mỹ Obama hình ảnh 3D ông thu đƣợc từ máy quétError! Bookmar Hình 1.18 Máy quét TTO - Sense 3D Error! Bookmark not defined Hình 1.19 Máy quét Digitizer Error! Bookmark not defined Hình 1.20 Các mô hình đƣợc tạo từ máy quét có số lƣợng lƣới cực lớnError! Bookmark not d Hình 1.21 Thu thập làm mịn liệu Error! Bookmark not defined Hình 1.22 Mô hình xử lý từ máy quét 3D Error! Bookmark not defined Hình 1.23 Tối ƣu hóa lƣới Error! Bookmark not defined Hình 2.1 Kỹ thuật loại bỏ điểm Error! Bookmark not defined Hình 2.2 Loại bỏ phục hồi bề mặt Error! Bookmark not defined Hình 2.3 Ví dụ xóa điểm Error! Bookmark not defined Hình 2.4 Tối ƣu lƣới theo William J Schroeder Error! Bookmark not defined Hình 2.5 Khoảng cách từ điểm tới mặt phẳng .Error! Bookmark not defined Hình 2.6 Bề mặt cong .Error! Bookmark not defined Hình 2.7 Tối ƣu lƣới theo The Gaussian Curvature Error! Bookmark not defined Hình 2.8 Các kết đơn giản hóa mô hình Igea Error! Bookmark not defined Hình 2.9 Góc đỉnh O Error! Bookmark not defined Hinh 2.10 Góc đỉnh O góc mặt phẳng kề nhauError! Bookmark not defined Hình 2.11 Đỉnh O với nhiều cạnh kết nối Error! Bookmark not defined Hình 2.12 Mô hình trƣớc sau tối ƣu Error! Bookmark not defined Hinh 2.13 Sơ đồ khối việc xóa điểm Error! Bookmark not defined Hình 2.14 Mô hình lƣới cho animation Error! Bookmark not defined Hình 2.15 Hàng yếu tố đƣợc đặt sử dụng thuật toán mởError! Bookmark not de Hình 2.16.: Các trạng thái cạnh mặt trƣớc .Error! Bookmark not defined Hình 2.17 Các bƣớc trình xử lý tạo tứ giác từ mặt trƣớc NA – NB Error! Bookmark Hình 2.18 Lựa chọn cạnh bên Error! Bookmark not defined Hình 2.19 Tạo cạnh bên .Error! Bookmark not defined Hình2.20 Bề mặt lƣới 3D mô hình .Error! Bookmark not defined Hình2.21 Bề mặt lƣới 3D mô hình .Error! Bookmark not defined Hình 2.22 Xử lý trƣờng hợp làm mịn Error! Bookmark not defined Hình 2.23 Lƣới nhiều lớp .Error! Bookmark not defined Hình 2.24 Lƣới nhiều lớp đƣợc làm mịn Error! Bookmark not defined Hình 2.25 Mô hình lƣới chuẩn để tạo chuyển động cho cánh tayError! Bookmark not defined Hình 2.26 Mỗi đỉnh thƣờng xuyên gây hệ trục tọa độ Error! Bookmark not defined Hình 2.27 Sự khác bề mặt đối tƣợng với số lƣới nhauError! Bookmark not defin Hình 2.28 Thể chuyển cạnh .Error! Bookmark not defined Hình 2.29 Ba ho ạt động việc gộp tách kết nối điểmError! Bookmark not defined Hình 2.30 Tập mô tả hữu hạn hợp lệ khả để kết hợp ba họa độngError! Bookmark not Hình 2.31 Ví dụ việc kết hợp hoạt động làm mềm kết quảError! Bookmark not defi Hình 2.32 Đƣờng nét đứt kiểm soát hƣớng cách điềuError! Bookmark not defined Hình 2.33 Đƣờng chu trình Error! Bookmark not defined Hình 2.34 Sử dụng Quad- loop toàn cục Error! Bookmark not defined Hình 2.35 Các mô hình trƣớc sau đƣợc tối ƣu .Error! Bookmark not defined Hình 3.1 Mô hình thỏ thử nghiệm tối ƣu lƣớiError! Bookmark not defined Hình 3.2: Các mô hình khác sử dụng chƣơng trình Error! Bookmark not defined Hình 3.3 Ảnh chụp chƣơng trình thực nghiệm Error! Bookmark not defined Hình 3.4 Chạy file chƣơng trình Error! Bookmark not defined Hình 3.5 Cửa sổ lựa chọn hình chạy chƣơng trình Error! Bookmark not defined Hình 3.6 Tổng quan chƣơng trình Error! Bookmark not defined Hình 3.7 Hình ảnh mô hình trƣớc sau tối ƣu với tham số tối ƣu 75%Error! Bookmark not d Hình 3.8 Hình ảnh mô hình trƣớc sau tối ƣu với tham số tối ƣu 50%Error! Bookmark not d Hình 3.9 Hình ảnh mô hình trƣớc sau tối ƣu với tham số tối ƣu 25%Error! Bookmark not d Hình 3.10 Hình ảnh mô hình trƣớc sau tối ƣu với tham số tối ƣu 10%Error! Bookmark not Hình 3.11 Lƣới ghế tựa trƣớc tối ƣu với số lƣới 49314 mặtError! Bookmark not defined Hình 3.12 Lƣới ghế tựa sau tối ƣu với số lƣới 18.494 mặt tam giácError! Bookmark not d LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, thực ảo (thực tế ảo) ngày chứng tỏ vai trò quan trọng đời sống nhƣ khoa học, kỹ thuật Thực ảo diện hầu nhƣ lĩnh vực giải trí, văn hóa, kinh tế, trị, quốc phòng, khoa học, đời sống v.v Trong thực ảo việc xây dựng đối tƣợng 3D (3 chiều) vô quan trọng, đối tƣợng 3D giúp cho giới thực ảo giống với thực tế đáp ứng đƣợc nhu cầu khắt khe ngƣời Các mô hình đối tƣợng 3D thực ảo đƣợc tạo chủ yếu ba phƣơng pháp tạo từ lệnh ngôn 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 mô hình 3D từ giới thực Các sản phẩm đƣợc tạo từ máy quét 3D có tỷ lệ xác so với mẫu ban đầu cao, đồng thời giảm nhiều thời gian chi phí để tạo đối tƣợng 3D Tuy nhiên, đồng nghĩa với độ xác cao, mô hình có số lƣợng lƣới lớn, khó dùng cho nhiều ứng dụng khác thực ảo Bài toán tối ƣu hóa bề mặt lƣới mô hình 3D có nhiều ý nghĩa mà số lƣợng mô hình cần đƣa vào thực ảo ngày nhiều, ví dụ nhƣ mô 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 chuyên sâu tối ƣu lƣới mô hình để mô hình 3D sau đƣợc tạo từ máy quét ứng dụng đƣợc rộng dãi Chính tầm quan toán tối ƣu hóa mô hình với số lƣợng lƣới lớn, đặc biệt mô hình tạo từ máy quét 3D, thực đề tài “Mô hình 3D tối ưu hóa mô hình thực ảo” nhằm đáp ứng yếu tố kích thƣớc liệu mô hình đối tƣợng đồng thời tạo lƣới cho bề mặt mô hình để thỏa mãn cho chuyển động mô hình Nội dung luận văn đƣợc chia làm phần chính: Chƣơng trình bày tổng quan thực ảo cách khác t ạo đối tƣợng 3D Chƣơng hệ thống hóa số giải pháp tối ƣu hóa mô hình cho mô hình thu đƣợc đáp ứng đủ tiêu chuẩn ngƣời sử dụng Chƣơng trình bày thực nghiệm toán tối ƣu hóa lƣới mô hình Phần cuối kết luận hƣớng phát triển luân văn 2 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Văn Huân, Vũ Đức Thái (2006), Kỹ thuật lập trình mô giới thực dựa Morfit, Nhà xuất Khoa học & Kỹ thuật [2] Lê Sơn Thái (2014), Nghiên cứu số kỹ thuật tạo hiệu ứng khói thực ảo, Luận văn thạc sỹ, Trƣờng ĐH Công nghệ , ĐH QG Hà nội [3] Đỗ Phú Duy(2012), Xây dựng bề mặt lưới từ tập điểm 3D phương pháp chia nhỏ bề mặt lưới, Luận văn thạc sỹ, Trƣờng Đại học Đà Nẵng Tiếng Anh [4] J C Carr, R K Beatson, J B Cherrie, T J Mitchell, W R Fright, B C McCallum,T R Evans (2001),Reconstruction and Representation of 3D Objects with Radial BasisFunctions [5] Enrique Valero, Antonio Adan (2012), Automatic Construction of 3D BasicSemantic Models of Inhabited Interiors Using Laser Scanners and RFID Sensors [6] David Luebke, Martin Reddy, Jonathan D Cohen, Amitabh Varshney, Benjamin Watson, Robert Huebner (2002),Level of detail for 3D graphics, Morgan Kaufmann [7] Nira Dyn, Kai Hormann, Sun-Jeong Kim, and David Levin (2000), Optimizing 3D Triangulations Using Discrete Curvature Analysis [8] L Kobbelt (1997), Discrete fairing, in The Mathematics of Surfaces VII,T.Goodman and R Martin (eds.), Clarendon Press, Oxford, P101–131 [9] Steven J Owen, Matthew L Staten, Scott A Canann and Sunil Saigal (1998), Advancing Front Quadrilateral Meshing Using Triangle Transformations , [10] Scott A Canann, Joseph R Tristano, and Matthew L Staten (1998), An Approach to Combined Laplacian and Optimization-Based Smoothing for Triangular, Quadrilateral, and Quad-Dominant Meshes [11] David Bommes, Timm Lempfer, Leif Kobbelt (2011), Global Structure Optimization of Quadrilateral Meshes [12] Sajid Hussain, Hakan Grahn and Jan Persson, Feature preserving mesh simplification: A vertex cover approach [13] H Hoppe (1996), Progressive Meshes Computer Graphics, (SIGGRAPH’96 Proceedings), P 99–108 [14] H Hoppe, T Duchamp (1993), Mesh Optimization Computer Graphics, (SIGGRAPH’93), P 19–26 [15] P Lindstrom., G Turk (1998), Fast and Memory Efficient Polygonal Simplification, Proceedings of IEEE Visualization’98, P 279–286 3 [16] W J Schroeder, J A Zarge, W E Lorensen (1992), Decimation of Triangle Meshes, Computer Graphics (SIGGRAPH’92 Proceedings), P 65–70 [17] J Cohen, A Varshney, D Manocha (1996), Simplification Envelopes Computer Graphics, (SIGGRAPH’96 Proceedings), P 119–128 [18] J Rossignac, P Borrel (1993), Multi-resolution 3D Approximation for Rendering Complex Scenes Modeling in Computer Graphics: Methods and Applications , P 279– 286 [19] T S Gieng, B Hamann, K I Joy (1997), Smooth Hierarchical Surface Triangulation, Proceedings of IEEE Visualization’97, P 379-386 [20] B Hamann (1994), A Data Reduction Scheme for Triangulated Surfaces, Computer Aided Geometric Design, P 197-214 [21] D P Luebke (2001), A Developer’s Survey of Polygonal Simplification Algorithms, IEEE Computer Graphics and Applications’01, P 24-35 [22] C Chang, S K, Yang, D Z Duan, M F Lin (2002), A Fuzzy Based Approach to Mesh Simplification, Journal of Information Science and Engineering 18, P 459466 [23] Y Wu, Y He, H Cai (2004), QEM-based Mesh Simplification with Global Geometry Features Preserved, Computer Graphics (SIGGRAPH’04 Proceedings), P 50 –57 [24] S Mata, L Pastor, A Rodriguez (2006), Attention Based Mesh Simplification using Distance Transforms, Lecture Notes in Computer Science (LNCS’06), Vol (4245), P 83-294 [25] C DeCoro, N Tatarchuk (2007), Real-time Mesh Simplification using GPU Computer Graphics, (SIGGRAPH’07 Proceedings), P 161–166 [26] S Hussain and H Grahn (2007), Fast kd-tree construction for 3d-rendering algorithms like ray tracing, In Proc Third International Symposium on Advances in Visual Computing, Lecture Notes in Computer Science (LNCS’07) , vol 4842, P 681– 690 [27] M Roy, S Foufou, F Truchetet (2004), Mesh comparison using attribute deviation metric, International Journal of Image and Graphics , P 1–14  ... CHƢƠNG THỰC TẠI ẢO VÀ BÀI TOÁN TỐI ƢU MÔ HÌNH Khái quát thực ảo mô hình 3D thực ảoError! Bookmark not defined 1.1 1.1.1 Thực ảo Error! Bookmark not defined 1.1.2 Cấu tạo mô hình 3D Error!... 3D, thực đề tài Mô hình 3D tối ưu hóa mô hình thực ảo nhằm đáp ứng yếu tố kích thƣớc liệu mô hình đối tƣợng đồng thời tạo lƣới cho bề mặt mô hình để thỏa mãn cho chuyển động mô hình Nội dung luận... chuyên sâu tối ƣu lƣới mô hình để mô hình 3D sau đƣợc tạo từ máy quét ứng dụng đƣợc rộng dãi Chính tầm quan toán tối ƣu hóa mô hình với số lƣợng lƣới lớn, đặc biệt mô hình tạo từ máy quét 3D, thực