I. Khám phá mô hình 3D kiến trúc lịch sử bằng kỹ thuật số
Kỹ thuật số hóa đang mở ra một kỷ nguyên mới cho việc bảo tồn và nghiên cứu di sản. Trong đó, việc xây dựng mô hình 3D kiến trúc lịch sử bằng phần mềm kỹ thuật số là một bước tiến vượt bậc. Công nghệ này cho phép tái tạo các công trình kiến trúc cổ, di tích, và đô thị một cách nhanh chóng, chính xác và chân thực. Phương pháp này vượt trội so với các kỹ thuật dựng hình 3D truyền thống vốn đòi hỏi đo đạc thủ công phức tạp, đặc biệt là với các công trình có sẵn hoặc kiến trúc cổ với nhiều chi tiết bị biến đổi theo thời gian. Nghiên cứu mang mã số T2018-06-107 của Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật - ĐH Đà Nẵng đã tiên phong áp dụng công nghệ này tại Việt Nam, chứng minh tính hiệu quả và tiềm năng to lớn. Mục tiêu của phương pháp này không chỉ dừng lại ở việc lưu trữ. Nó còn phục vụ cho các nghiên cứu chuyên sâu về quy hoạch, xây dựng, bảo tồn, du lịch và cả cảnh báo thiên tai. Việc tạo ra các bản sao kỹ thuật số hoàn hảo của di sản giúp lưu giữ những dấu ấn lịch sử cho thế hệ tương lai, đồng thời cung cấp một công cụ trực quan mạnh mẽ cho các nhà nghiên cứu, kiến trúc sư và nhà quản lý. Đây là một hướng đi cần thiết để Việt Nam theo kịp các nước phát triển trong lĩnh vực bảo tồn di sản kỹ thuật số.
1.1. Định nghĩa phương pháp Photomodeling từ ảnh kỹ thuật số
Photomodeling, hay “Mô hình hóa từ ảnh kỹ thuật số”, là một phương pháp xây dựng mô hình ba chiều (3D) của một vật thể từ một loạt hình ảnh hai chiều (2D) của chính vật thể đó. Dữ liệu đầu vào là một số lượng lớn ảnh kỹ thuật số có độ phân giải cao, được chụp từ nhiều góc độ khác nhau quanh công trình. Các phần mềm kỹ thuật số chuyên dụng sau đó sẽ xử lý bộ ảnh này để tái tạo lại không gian và hình khối. Nguyên tắc hoạt động chung bao gồm ba bước chính: đầu tiên là sắp xếp các ảnh đúng vị trí góc chụp (camera alignment), thứ hai là xây dựng đám mây điểm (Point Cloud) từ các điểm ảnh chung, và cuối cùng là tạo ra mô hình lưới đa giác (Mesh) và phủ vật liệu (Textures) lên bề mặt. Sản phẩm cuối cùng là một mô hình 3D chi tiết, sống động, có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau.
1.2. Tầm quan trọng của số hóa di sản kiến trúc Việt Nam
Việc số hóa di sản kiến trúc tại Việt Nam là một nhiệm vụ cấp thiết. Các công trình lịch sử, từ kiến trúc truyền thống đến kiến trúc Pháp thuộc, là những bằng chứng vật chất cho các giai đoạn phát triển của đất nước. Tuy nhiên, chúng đang đối mặt với nguy cơ xuống cấp do thời gian và tác động của con người. Việc mô hình hóa các công trình này không chỉ là một phương pháp lưu trữ dữ liệu quốc gia hiệu quả mà còn hỗ trợ công tác bảo tồn, tôn tạo. Thay vì chỉ dựa vào bản vẽ và các phương pháp đo đạc truyền thống, các mô hình 3D kiến trúc lịch sử cung cấp một cái nhìn toàn diện, chi tiết về hiện trạng công trình, từ màu sắc, chất liệu đến các đường nét đã bị biến đổi. Điều này đặc biệt quan trọng cho việc nghiên cứu, lên kế hoạch trùng tu và quảng bá giá trị văn hóa, lịch sử đến công chúng và du khách quốc tế.
II. Top thách thức khi dựng mô hình 3D công trình kiến trúc cổ
Mặc dù phương pháp Photomodeling mang lại nhiều ưu điểm, quá trình triển khai không hề đơn giản, đặc biệt khi áp dụng cho các công trình kiến trúc mang tính lịch sử. Thách thức lớn nhất đến từ chính đặc điểm của đối tượng nghiên cứu. Các công trình cổ thường có quy mô lớn, bề mặt vật liệu bị phong hóa, loang lổ, và nhiều chi tiết kiến trúc phức tạp. Việc thu thập dữ liệu ảnh đầy đủ và chất lượng cao tại hiện trường là một bài toán khó. Các yếu tố như cây cối che khuất, không gian xung quanh chật hẹp, hoặc điều kiện ánh sáng không thuận lợi (quá chói hoặc quá tối) đều ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả. Một thách thức khác nằm ở bản chất của công nghệ. Các thuật toán xử lý ảnh gặp khó khăn với các bề mặt có độ phản quang cao như kính, kim loại hoặc các bề mặt quá đồng nhất, thiếu chi tiết. Điều này dẫn đến việc dựng hình 3D bị lỗi, thiếu chính xác hoặc biến dạng. Hơn nữa, việc lựa chọn phần mềm kỹ thuật số phù hợp cũng là một yếu tố quyết định, bởi mỗi phần mềm có thuật toán và yêu cầu cấu hình máy tính khác nhau, ảnh hưởng đến thời gian xử lý và chất lượng mô hình cuối cùng.
2.1. Khó khăn trong thu thập dữ liệu ảnh thực tế tại hiện trường
Chất lượng của mô hình 3D phụ thuộc hoàn toàn vào dữ liệu ảnh đầu vào. Quá trình thu thập ảnh đòi hỏi sự cẩn trọng và tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt. Camera cần di chuyển tuần tự quanh đối tượng, đảm bảo các bức ảnh chồng lên nhau tối thiểu 50-60%. Mỗi điểm trên công trình phải xuất hiện trong ít nhất 4 bức ảnh. Đối với các công trình kiến trúc lịch sử, việc này thường gặp trở ngại do không gian hạn chế, ví dụ như công trình nằm sát khu dân cư hoặc bị cây xanh che khuất. Điều kiện thời tiết cũng là một yếu tố quan trọng. Trời nhiều mây được xem là lý tưởng nhất vì ánh sáng được khuếch tán đều, tránh gây bóng đổ gắt hoặc chói sáng, vốn là nguyên nhân gây khó khăn cho phần mềm trong việc nhận diện điểm ảnh và màu sắc.
2.2. Hạn chế của vật liệu phản quang và chi tiết phức tạp
Các thuật toán xây dựng mô hình 3D từ ảnh hoạt động dựa trên việc xác định các điểm ảnh tương đồng trên nhiều bức ảnh. Tuy nhiên, các vật liệu như kính và kim loại có tính phản quang cao, khiến hình ảnh phản chiếu trên bề mặt thay đổi tùy theo góc chụp. Điều này làm cho phần mềm không thể xác định chính xác vị trí điểm ảnh, dẫn đến việc mô hình bị thủng, biến dạng hoặc sai lệch. Nghiên cứu thực tế tại Bảo tàng Nghệ thuật điêu khắc Chăm cho thấy các ô cửa kính và hàng rào sắt đều không được tái tạo tốt. Tương tự, các chi tiết quá nhỏ, các gờ chỉ phức tạp hoặc các khu vực trên cao khó tiếp cận (như đỉnh tường, mái) cũng là thách thức lớn do thiếu dữ liệu ảnh chất lượng, dẫn đến mô hình không hoàn chỉnh.
III. Hướng dẫn quy trình xây dựng mô hình 3D từ ảnh chụp
Quy trình xây dựng mô hình 3D từ ảnh là một chuỗi các bước công nghệ được thực hiện một cách có hệ thống. Toàn bộ quá trình này đòi hỏi sự kết hợp giữa kỹ năng chụp ảnh tại hiện trường và khả năng vận hành các phần mềm kỹ thuật số chuyên dụng. Bắt đầu từ việc lên kế hoạch chụp ảnh, người thực hiện cần xác định tuyến di chuyển của camera để bao phủ toàn bộ đối tượng một cách khoa học. Sau khi có được bộ dữ liệu ảnh chất lượng, công việc chính sẽ được thực hiện trên máy tính có cấu hình cao. Các phần mềm như Agisoft Photoscan, Recap 360 hay 3DF Zephyr sẽ tiếp nhận và xử lý hàng trăm, thậm chí hàng nghìn bức ảnh. Quá trình này tự động hóa phần lớn các công đoạn phức tạp nhất, từ việc định vị camera trong không gian ba chiều đến việc tái tạo hình khối và màu sắc của công trình. Kết quả là một mô hình số hóa có thể được tinh chỉnh, đo đạc và sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, từ nghiên cứu khoa học đến trình diễn thực tế ảo. Đây là một phương pháp hiệu quả để chuyển đổi di sản vật thể thành tài sản số.
3.1. Giai đoạn 1 Thu thập và xử lý dữ liệu ảnh đầu vào
Đây là giai đoạn nền tảng, quyết định sự thành công của toàn bộ quá trình. Cần sử dụng máy ảnh kỹ thuật số có độ phân giải cao để ghi lại chi tiết công trình. Các bức ảnh phải được chụp tuần tự, đảm bảo độ chồng lấn cần thiết. Cần tránh sử dụng đèn flash vì nó làm thay đổi màu sắc và tạo ra các bóng không tự nhiên, gây nhiễu cho thuật toán. Sau khi thu thập, toàn bộ dữ liệu ảnh sẽ được nhập vào phần mềm. Ở bước này, phần mềm sẽ phân tích và xác định các điểm đặc trưng chung trên các ảnh để tính toán vị trí và hướng của camera tại mỗi thời điểm chụp. Một đám mây điểm thưa (Sparse Point Cloud) sẽ được tạo ra, thể hiện hình dạng tổng thể của công trình.
3.2. Giai đoạn 2 Xây dựng đám mây điểm Point Cloud và lưới Mesh
Từ đám mây điểm thưa ban đầu, người dùng có thể yêu cầu phần mềm tạo ra một đám mây điểm dày đặc (Dense Point Cloud) với hàng triệu điểm, tái tạo chi tiết bề mặt công trình. Chất lượng của bước này có thể được điều chỉnh (từ thấp đến cao) tùy thuộc vào cấu hình máy tính và yêu cầu độ chính xác. Sau khi có đám mây điểm dày đặc, phần mềm sẽ tiến hành xây dựng mô hình lưới đa giác (Mesh). Đây là quá trình kết nối các điểm lại với nhau để tạo thành các bề mặt (Faces). Kết quả là một mô hình 3D có hình khối hoàn chỉnh nhưng chưa có màu sắc và chi tiết bề mặt.
3.3. Giai đoạn 3 Áp dụng vật liệu Textures cho mô hình
Bước cuối cùng trong quá trình tự động là áp dụng vật liệu (Textures) lên mô hình lưới. Phần mềm sẽ chiếu các hình ảnh 2D gốc lên bề mặt mô hình 3D tương ứng. Quá trình này tạo ra một lớp phủ bề mặt chân thực, tái tạo lại chính xác màu sắc, hoa văn, và cả những dấu vết của thời gian như rêu mốc, hoen ố trên công trình thực tế. Kết quả là một mô hình 3D kiến trúc lịch sử hoàn chỉnh, sống động và có độ chính xác cao. Mô hình này sau đó có thể được xuất ra các định dạng phổ biến như .OBJ, .FBX để tiếp tục sử dụng trong các phần mềm dựng hình và hậu kỳ khác.
IV. So sánh các phần mềm dựng mô hình 3D kiến trúc tối ưu
Việc lựa chọn công cụ phù hợp là yếu tố sống còn để đảm bảo chất lượng của mô hình 3D kiến trúc lịch sử. Nghiên cứu của ThS.KTS Võ Thị Vỹ Phương đã tiến hành so sánh và đánh giá ba phần mềm kỹ thuật số hàng đầu: Recap 360 (Autodesk), Agisoft Photoscan (nay là Metashape), và 3DF Zephyr (3DFlow). Bảy công trình với quy mô và đặc điểm khác nhau, từ kiến trúc nhỏ, nội thất đến không gian mở, đã được sử dụng để thử nghiệm. Việc đánh giá được thực hiện trên cả hai phương diện: định tính (quan sát trực quan chất lượng mô hình) và định lượng (số lượng ảnh được xử lý, số điểm ảnh tạo ra). Kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong thuật toán và hiệu suất của từng phần mềm. Trong khi một số phần mềm hoạt động tốt với các đối tượng đơn giản, chúng lại gặp khó khăn với không gian phức tạp hoặc các chi tiết kín. Qua các phân tích chi tiết, nghiên cứu đã xác định được phần mềm có khả năng xử lý dữ liệu tốt nhất, tạo ra mô hình chính xác và đầy đủ nhất, làm cơ sở cho việc áp dụng vào các dự án bảo tồn di sản thực tế.
4.1. Phân tích ưu nhược điểm của Recap 360 và 3DF Zephyr
Recap 360 của Autodesk là một phần mềm hoạt động trên nền tảng điện toán đám mây. Ưu điểm của nó là không yêu cầu cấu hình máy tính quá cao. Tuy nhiên, nhược điểm là người dùng không thể can thiệp vào quá trình xử lý và cần kết nối mạng ổn định. Trong các thử nghiệm, Recap 360 tỏ ra hạn chế trong việc định vị điểm ảnh của các không gian kín, thường chỉ dựng được một phần công trình. Trong khi đó, 3DF Zephyr là một phần mềm mạnh mẽ nhưng quá trình cài đặt thông số ban đầu khá phức tạp, đòi hỏi kinh nghiệm từ người dùng. Phần mềm này có phạm vi xử lý dữ liệu thấp hơn, thường bỏ qua một số ảnh trong bộ dữ liệu, dẫn đến mô hình có thể bị thiếu hụt hoặc sai lệch, đặc biệt với các công trình quy mô lớn.
4.2. Đánh giá Agisoft Photoscan Lựa chọn hàng đầu cho dự án
Agisoft Photoscan được đánh giá là công cụ hiệu quả nhất trong ba phần mềm được nghiên cứu. Phần mềm này cho thấy sự vượt trội rõ rệt trong khả năng xử lý toàn bộ dữ liệu ảnh đầu vào và tạo ra đám mây điểm (Point Cloud) với mật độ cực lớn. Theo Bảng 6 của nghiên cứu, số lượng điểm (Points) được tạo bởi Photoscan luôn lớn hơn vượt trội so với 3DF Zephyr trong mọi trường hợp. Điều này dẫn đến khối lượng và chất lượng mô hình được xây dựng tốt hơn, đặc biệt là với các không gian kín và phức tạp. Photoscan cho phép người dùng can thiệp vào quá trình xử lý để tối ưu hóa chất lượng mô hình. Mặc dù đòi hỏi thời gian xử lý lâu và máy tính cấu hình mạnh, kết quả mà nó mang lại có độ chính xác và hoàn thiện cao nhất. Do đó, Photoscan được lựa chọn là phần mềm tối ưu để thực hiện dự án mô hình 3D cho Bảo tàng Nghệ thuật điêu khắc Chăm.
V. Case study Mô hình 3D Bảo tàng Điêu khắc Chăm Đà Nẵng
Để kiểm chứng hiệu quả thực tiễn, phần mềm tối ưu được lựa chọn là Agisoft Photoscan đã được ứng dụng để xây dựng mô hình 3D cho công trình Bảo tàng Nghệ thuật điêu khắc Chăm tại Đà Nẵng. Đây là một công trình mang tính biểu tượng, với phong cách kiến trúc Gothic kết hợp kiến trúc Chăm Pa độc đáo. Quá trình mô hình hóa không chỉ tập trung vào các khối kiến trúc bên ngoài mà còn thử nghiệm với các cổ vật quý giá đang được trưng bày bên trong. Dự án này đối mặt với nhiều thách thức thực tế như cây xanh che khuất, khoảng lùi công trình ngắn, và điều kiện ánh sáng phức tạp bên trong bảo tàng. Kết quả thu được cung cấp những cái nhìn sâu sắc về khả năng và giới hạn của công nghệ Photomodeling khi áp dụng vào một di sản kiến trúc thực thụ. Mô hình không chỉ là một sản phẩm kỹ thuật số mà còn là một bộ tư liệu quý giá cho công tác bảo tồn di sản, nghiên cứu và quảng bá du lịch, cho thấy tiềm năng to lớn của việc ứng dụng công nghệ mới vào thực tiễn tại Việt Nam.
5.1. Kết quả mô hình hóa các khối kiến trúc ngoại thất bảo tàng
Bốn khối chính của bảo tàng đã được lựa chọn để mô hình hóa. Kết quả cho thấy Photoscan đã tái tạo rất tốt hình khối công trình, các gờ chỉ, và màu sắc vật liệu như màu vàng của tường, màu đỏ của ghế đá. Các phần công trình ở vị trí thoáng đãng, nhận đủ ánh sáng khuếch tán cho ra mô hình với độ chính xác rất cao. Tuy nhiên, các hạn chế cũng bộc lộ rõ. Các khu vực bị bóng cây che phủ hoặc thiếu sáng bị dựng sai lệch. Các chi tiết trên cao như đỉnh tường, tháp nhỏ không được hoàn thiện do thiếu dữ liệu ảnh. Đặc biệt, các ô cửa kính và chi tiết kim loại vẫn là điểm yếu cố hữu của công nghệ này, thường bị biến dạng hoặc thiếu chính xác.
5.2. Thử nghiệm dựng hình 3D các cổ vật Chăm Pa trưng bày
Việc dựng hình 3D cũng được áp dụng cho ba cổ vật tiêu biểu: tượng Sư tử Lion (đá), Bồ tát Tara (đồng) và nhóm tượng Đức Phật (đá). Kết quả rất khả quan với tượng Sư tử Lion bằng đá; phần mềm đã tái tạo hoàn hảo các đường nét điêu khắc tinh xảo. Tuy nhiên, với tượng Bồ tát Tara bằng đồng, một chất liệu có độ phản quang cao và màu tối, mô hình thu được có chất lượng rất kém, các đường nét bị nhòa. Điều này một lần nữa khẳng định rằng chất liệu của vật thể và điều kiện ánh sáng tại nơi trưng bày có tác động quyết định đến chất lượng mô hình 3D.
5.3. Hiệu chỉnh mô hình 3D bằng phần mềm chuyên dụng 3DS Max
Mô hình thô được xuất ra từ Photoscan vẫn còn chứa nhiều lỗi và các phần không cần thiết. Do đó, việc hiệu chỉnh mô hình bằng các phần mềm 3D chuyên dụng như 3DS Max là một bước không thể thiếu để hoàn thiện sản phẩm. Quá trình này bao gồm việc cắt bỏ các phần dựng sai, xóa bỏ các vật thể thừa, và thay thế các chi tiết không chính xác (như cửa kính) bằng các đối tượng được dựng mới. Sự kết hợp giữa khả năng tái tạo tự động của Photoscan và công cụ chỉnh sửa thủ công của 3DS Max cho phép tạo ra một mô hình 3D cuối cùng hoàn chỉnh, sạch sẽ và sẵn sàng cho các ứng dụng chuyên sâu hơn.
VI. Hiệu quả và tương lai của mô hình 3D trong bảo tồn di sản
Việc ứng dụng phần mềm kỹ thuật số để xây dựng mô hình 3D kiến trúc lịch sử đã chứng tỏ hiệu quả vượt trội. Công nghệ này cung cấp một phương pháp lưu trữ, nghiên cứu và quảng bá di sản mạnh mẽ, chính xác và trực quan. Mặc dù vẫn còn những hạn chế liên quan đến vật liệu, điều kiện ánh sáng và yêu cầu về phần cứng, những ưu điểm mà nó mang lại là không thể phủ nhận. Các mô hình 3D không chỉ là bản sao tĩnh của công trình. Chúng là những bộ dữ liệu động, có thể được tích hợp vào các hệ thống thông tin địa lý (GIS), nền tảng thực tế ảo (VR) và thực tế tăng cường (AR), mở ra những hướng đi mới cho ngành du lịch, giáo dục và bảo tồn di sản. Trong tương lai, với sự phát triển của công nghệ máy học và trí tuệ nhân tạo, các quy trình này sẽ ngày càng được tự động hóa và thông minh hơn, giúp việc số hóa di sản trở nên dễ dàng và phổ biến hơn, góp phần gìn giữ những giá trị văn hóa, lịch sử cho các thế hệ mai sau.
6.1. Đánh giá hiệu quả tổng thể của phương pháp Photomodeling
Phương pháp Photomodeling đã chứng minh được tính hiệu quả cao trong việc dựng lại mô hình các công trình có sẵn, đặc biệt là kiến trúc cổ. Ưu điểm lớn nhất là tốc độ và khả năng tái tạo chân thực màu sắc, vật liệu mà các phương pháp dựng hình thủ công khó đạt được. Nghiên cứu thực tiễn tại Bảo tàng Nghệ thuật điêu khắc Chăm cho thấy công nghệ này có thể thực hiện tốt phần lớn quá trình xây dựng mô hình. Tuy nhiên, để có một sản phẩm hoàn chỉnh, cần thiết phải có sự hỗ trợ của các phần mềm 3D khác để hiệu chỉnh và hoàn thiện. Do đó, đây được xem là một công cụ hỗ trợ đắc lực, không phải là một giải pháp thay thế hoàn toàn.
6.2. Hướng đi mới trong nghiên cứu du lịch và bảo tồn kiến trúc
Tương lai của mô hình 3D kiến trúc lịch sử là vô cùng rộng mở. Trong lĩnh vực nghiên cứu, các mô hình này cung cấp dữ liệu chính xác để phân tích kết cấu, phong cách kiến trúc. Trong ngành du lịch, chúng có thể được sử dụng để tạo ra các tour tham quan ảo, giúp du khách trải nghiệm di sản từ xa. Đối với công tác bảo tồn kiến trúc, các mô hình số hóa là cơ sở dữ liệu quan trọng để theo dõi sự biến dạng của công trình theo thời gian và lập kế hoạch trùng tu hiệu quả. Việc chuyển giao công nghệ và các tư liệu nghiên cứu này cho các ngành liên quan sẽ thúc đẩy một cách tiếp cận đa ngành, hiện đại trong việc quản lý và phát huy giá trị di sản văn hóa Việt Nam.
