phần mở đầu, kết thúc, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dung của luận văn được triển khai làm 03 (ba) chương: Chƣơng 1: Khái quát về đối tƣợng 3D và phƣơng pháp biểu diễn đối tƣợng 3D Trong chương này, tôi sẽ trình bày khái quát về đối tượng 3D, một số khái niệm về đồ họa 3D, các ứng dụng cơ bản của đồ họa 3D và bài toán biểu diễn đối tượng 3D. Chƣơng 2: Một số kỹ thuật biểu diễn mô hình 3D Trong chương này, tôi trình bày các kỹ thuật biểu diễn mô hình 3D như kỹ thuật biểu diễn mô hình 3D dựa trên lưới đa giác và kỹ thuật biểu diễn mô hình 3D bởi NURBS. Chƣơng 3: Ứng dụng mô phỏng thực thể sinh học Chương này xây dựng chương trình thử nghiệm kỹ thuật biểu diễn mô hình 3D trong mô phỏng thực thể Sinh học. 4 PHẦN NỘI DUNG Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỐI TƢỢNG 3D VÀ PHƢƠNG PHÁP BIỂU DIỄN ĐỐI TƢỢNG 3D 1.
Khái quát về đối tƣợng 3D 1. Sơ lược lịch sử Lịch sử của đồ họa máy tính là vào thập niên 1960 được đánh dấu bởi dự án SketchPad được phát triển tại Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT) bởi Ivan Sutherland. Các thành tựu thu được đã được báo cáo tại hội nghị Fall Joint Computer và đây cũng chính là sự kiện lần đầu tiên người ta có thể tạo mới, hiển thị và thay đổi được dữ liệu hình ảnh trực tiếp trên màn hình máy tính trong thời gian thực. Hệ thống Sketchpad này được dùng để thiết kế hệ thống mạch điện và bao gồm những thành phần như : CRT màn hình, bút sáng và một bàn phím bao gồm các phím chức năng, máy tính chứa chương trình xử lý các thông tin.
Cũng trong năm 1960 này, William Fetter nhà khoa học người Mỹ. Ông đang nghiên cứu xây dựng mô hình buồng lái máy bay cho hãng Boeing của Mỹ. Ông dựa trên hình ảnh ba chiều của mô hình người phi công trong buồng lái của máy bay để xây dựng nên một mô hình tối ưu cho buồng lái máy bay. Phương pháp này cho phép các nhà thiết kế quan sát một cách trực quan vị trí của người lái trong khoang.
Ông đặt tên cho phương pháp này là đồ hoạ máy tính (Computer Graphics) [4]. Một số khái niệm về đồ họa 3D Đồ họa máy tính là một lĩnh vực khoa học nghiên cứu về các thuật toán cũng như kỹ thuật cho phép tạo, hiển thị và điều khiển hình ảnh trên màn hình máy tính. Đồ họa máy tính có liên quan đến đại số, hình học giải tích, hình 5 học họa hình, quang học,. kỹ thuật máy tính và chế tạo phần cứng (các loại màn hình, các thiết bị xuất, nhập, các vi mạch đồ họa.
Hệ đồ họa bao giờ cũng có hai thành phần chính đó là phần cứng và phần mềm. Phần cứng gồm thiết bị hiển thị và nhập dữ liệu, … Phần mềm gồm công cụ lập trình và các trình ứng dụng đồ họa. Công cụ lập trình cung cấp tập các hàm đồ họa có thể được dùng trong các ngôn ngữ lập trình cấp cao như C, Pascal,. Các hàm cơ sở của đồ hoạ bao gồm việc tạo đối tượng cơ sở của hình ảnh như đoạn thẳng, đa giác, đường tròn, …, thay đổi màu sắc, chọn khung nhìn, áp dụng các phép biến đổi, … Ứng dụng đồ họa được thiết kế cho những người dùng không phải là lập trình viên tạo được đối tượng, hình ảnh, … mà không cần quan tâm tới việc chúng được tạo ra như thế nào.
Ví dụ như là Photoshop, AutoCAD, … Việc thể hiện các đối tượng 3D trên máy tính là cần thiết vì phần lớn các đối tượng trong thế giới thực là đối tượng 3D còn thiết bị hiển thị chỉ hiển thị ảnh 2 chiều. Do vậy muốn có hình ảnh 3 chiều ta cần phải giả lập. Biểu diễn đối tượng 3D bằng máy tính phải tuân theo quy luật về phối cảnh, ánh sáng, tối… giúp người xem nhìn thấy hình ảnh gần đúng nhất. Chiến lược cơ bản là chuyển đổi từng bước.
Hình ảnh sẽ được hình thành ngày càng chi tiết hơn. Khi mô hình hóa và hiển thị một hình ảnh 3D chúng ta xét rất nhiều khía cạnh và các vấn đề khác nhau không đơn giản là thêm một tọa độ thứ 3 cho các đối tượng. Bề mặt đối tượng có thể được xây dựng bởi nhiều tổ hợp khác nhau của mặt phẳng và mặt cong, đôi khi chúng ta còn mô tả một số thông tin bên trong đối tượng. Khi biểu diễn đối tượng 3 chiều bằng máy tính ta cần quan tâm các vấn đề sau: - Phương pháp biểu diễn Có 2 phương pháp biểu diễn đối tượng 3 chiều là phương pháp biểu diễn 6 bề mặt và biểu diễn theo phân hoạch không gian.
Phương pháp biểu diễn bề mặt mô tả đối tượng bằng một tập hợp các bề mặt giới hạn phần bên trong của đối tượng với môi trường bên ngoài. Thông thường ta xấp xỉ các bề mặt phức tạp bởi các mảnh nhỏ hơn gọi là các patch (mặt vá). Các mảnh này có thể là các đa giác hoặc các mặt cong. Phương pháp phân hoạch không gian thường dùng để mô tả các thuộc tính bên trong của đối tượng.
- Các phép biến đổi hình học Khi áp dụng một dãy các phép biến đổi hình học có thể tạo ra nhiều phiên bản của cùng một đối tượng. Do đó có thể quan sát vật thể ở nhiều vị trí, nhiều góc độ khác nhau và cảm nhận về các hình ảnh vẽ ba chiều trực quan, sinh động hơn. Các phép biến đổi thường được sử dụng là phép tịnh tiến, phép quay, phép biến dạng… được mô tả bằng các ma trận. Ma trận của mỗi phép biến đổi có các dạng khác nhau.
- Vấn đề chiếu sáng Tác dụng của việc chiếu sáng là làm cho các đối tượng hiển thị trong máy tính giống với vật thể trong thế giới thực. Để thực hiện công việc này cần phải có các mô hình tạo sáng. Vật thể được chiếu sáng nhờ vào ánh sáng đến từ khắp mọi hướng gọi là ánh sáng xung quanh (ambient light) hay ánh sáng nền (background light). Trên bề mặt có 2 loại hiệu ứng phát sáng là khuếch tán (diffuse light) ánh sáng đi theo mọi hướng và phản xạ gương (specular light).
- Vấn đề tạo bóng Để tạo bóng ta ứng dụng các mô hình xác định cường độ sáng theo nhiều kiểu khác nhau tùy thuộc bài toán cụ thể. Các vật có bề mặt phẳng chỉ cần 7 tính cường độ sáng chung cho một bề mặt là có thể hiển thị đối tượng tương đối thật. Các vật có bề mặt cong phải tính cường độ sáng cho từng pixel trên bề mặt. Để tăng tốc độ xa xỉ các mặt cong bởi một tập hợp các mặt phẳng.
Với mỗi mặt phẳng sẽ áp dụng mô hình cường độ không đổi (flat shading) hoặc cường độ nội suy (Gouraud shading) để tạo bóng. Các ứng dụng cơ bản của đồ họa 3D 3D là công nghệ được xây dựng từ các phần mềm máy tính, giúp người sử dụng có thể quan sát hình ảnh trong không gian 3 chiều. Ứng dụng của công nghệ này được sử dụng trong một số lĩnh vực đạt hiệu quả cao như Y học, xây dựng, kiến trúc, phim, trò chơi… Tại Việt Nam công nghệ này chỉ mới được sử dụng phần lớn trong quảng cáo và kiến trúc. - Ứng dụng đồ họa 3D trong Y tế Ứng dụng công nghệ hình ảnh 3D thu hút sự chú ý của nhiều người trong lĩnh vực y học.
Nhiều bác sĩ cũng tận dụng công nghệ mới này phục vụ điều trị bệnh nhân giúp tăng độ chính xác và hiệu quả. Với phương pháp chụp cắt lớp điện toán (CT) hay chụp cộng hưởng từ (MRI). Bác sĩ phải theo dõi hình ảnh 2D trên màn hình, vừa phải tưởng tượng hình ảnh trong không gian 3 chiều đã gặp không ít khó khăn. Ứng dụng công nghệ hình ảnh 3D, bác sĩ nhìn được các hình ảnh 3 chiều rõ nét ngay lập tức và tập trung hơn vào phẫu thuật.
- Ứng dụng đồ họa 3D trong xây dựng kiến trúc Đối với người thiết kế: có thể vẽ lên không gian 3 chiều, ứng dụng vật liệu vào không gian, phối trí và phân tích ánh sáng, thông gió hợp lý nhất cho công trình thiết kế xây dựng làm cho sự kết hợp giữa các yếu tố, bố trí các vật dụng trở nên hài hòa. Tính toán tải trong kết cấu chính xác nhất, đưa ra giải 8 pháp tiết kiệm vật tư và chi phí nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh. Đối với người khách hàng: Ứng dụng 3D trong kiến trúc làm cho người xem như đứng ngay trong không gian thực tế. - Ứng dụng đồ họa 3D trong phim, trò chơi Công nghệ 3D trong phim ảnh đang là xu hướng phát triển của điện ảnh thế giới.
Ứng dụng tạo hình 3D mang đến cho người xem những trải nghiệm thực sự, những hình ảnh sống động và hấp dẫn. Nó cũng được sử dụng để tạo các hiệu ứng phim và thực tại ảo, khán giả sẽ trải nghiệm những hành động, cử chỉ sống động như thật. Trong game, ứng dụng công nghệ 3D để xây dựng mô hình, và chuyển động cho hình ảnh sắc nét giúp người chơi bao quát được góc nhìn với chất lượng hình ảnh tốt nhất và không bị gián đoạn. - Ứng dụng đồ họa 3D trong mô phỏng, đào tạo Hệ thống phần mềm mô phỏng các thí nghiệm bằng hình ảnh minh họa sống động, giúp học sinh dễ nhận biết, tiếp thu và tạo hứng thú với môn học.
Cho phép học sinh, sinh viên được quan sát trực quan các mô hình cụ thể, thấy được những hoạt động, chuyển động các sự vật, sự kiện được giảng viên trình bày. Học sinh được hình dung một cách rõ ràng và đầy đủ các khái niệm về hình học không gian, địa lý vũ trụ, mô hình sinh học hoặc các khái niệm khó tưởng tượng ra trong thế giới hai chiều. - Ứng dụng đồ họa 3D trong lĩnh vực quốc phòng và an ninh Những sản phẩm mô phỏng sẽ được áp dụng trong giảng dạy các môn khoa học như Giáo dục quốc phòng, quân sự. Người học có thể quan sát chi tiết các hoạt động của bộ phận cơ khí, quy trình hoạt động và tương tác, những hiện tượng xảy ra trong các hoạt động của vũ khí.
Công nghệ mô phỏng 3D mô tả chi tiết cụ thể hiện tượng bắn, quá trình chuyển vận các bộ phận trong tương tác sự vật, hiện tượng giúp cho học sinh dễ nhận biết, tiếp 9 thu tạo hứng thú với môn học. Có thể nói các ứng dụng tiềm năng của công nghệ hình ảnh 3D là vô hạn và có thể làm được điều đó ta phải biết cách biểu diễn và lưu trữ dữ liệu 3D trong máy tính.