Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG TRONG KHÔNG GIAN ẢO 1. Kỹ thuật và hiển thị đồ họa 3D Nguyên lý về 3D: Đồ họa 3 chiều (3D computer graphics) bao gồm việc bổ xung kích thước về chiều sâu của đối tượng, cho phép ta biểu diễn chúng trong thế giới thực một cách chính xác và sinh động hơn. Tuy nhiên, các thiết bị truy xuất hiện tại đều là 2 chiều, Do vậy, việc biểu diễn được thực thi thông qua phép tô chát (render) để gây ảo giác (illusion) về độ sâu Đồ hoạ 3D là việc chuyển thế giới tự nhiên dưới dạng các mô hình biểu diễn trên các thiết bị hiển thị thông qua kỹ thuật tô chát (rendering) [22,23]. Đặc điểm của kỹ thuật đồ họa 3D: Có các đối tượng phức tạp hơn các đối tượng trong không gian 2D: Bao bởi các mặt phẳng hay các bề mặt.
Có các thành phần trong và ngoài. Các phép biến đổi hình học phức tạp. Các phép biến đổi hệ toạ độ phức tạp hơn. Thường xuyên phải bổ xung thêm phép chiếu từ không gian 3D vào không gian 2D.
Luôn phải xác định các bề mặt hiển thị. Các phương pháp hiển thị mô hình 3D: Trên cơ sở các mô hình 3D, chúng ta cần phải nghiên cứu sử dụng các kỹ thuật hiển thị mô hình 3D. Để hiển thị các mô hình 3D trong môi trường ảo, có nhiều phương pháp khác nhau để biểu diễn, hiển thị mô hình 3D. Dưới đây là một số phương pháp hiển thị mô hình 3D: Kỹ thuật chiếu (projection): Trực giao (orthographic)/phối cảnh (perspective) Kỹ thuật đánh dấu độ sâu (depth cueing) Nét khuất (visible line/surface identification) Tô chát bề mặt (surface rendering) Cắt lát (exploded/cutaway scenes, cross-sections) 3 Các thiết bị hiển thị 3D: Kính stereo - Stereoscopic displays Màn hình 3D – Holograms 1.
Lý thuyết về xây dựng mô hình 3D Mô hình 3D là quá trình tạo biểu diễn 3D của bất kỳ bề mặt hoặc vật thể nào bằng cách thao tác đa giác, cạnh và đỉnh trong không gian 3D mô phỏng. Chúng ta đã thấy kết quả của mô hình 3D trong phim, hoạt hình và trò chơi video chứa đầy các sinh vật và cấu trúc tưởng tượng và giàu trí tưởng tượng [16,17,18]. Mô hình 3D có thể đạt được bằng tay với phần mềm sản xuất 3D chuyên dụng cho phép nghệ sĩ tạo và biến dạng các bề mặt đa giác hoặc bằng cách quét các đối tượng trong thế giới thực vào một tập hợp các điểm dữ liệu có thể được sử dụng để thể hiện đối tượng kỹ thuật số. Mô hình 3D là một quá trình phát triển một biểu diễn toán học, dựa trên tọa độ, ba chiều của các đối tượng và bề mặt động hoặc sống.
Mô hình 3D, là kết quả của mô hình 3D, là một thu thập dữ liệu được tạo ra bằng cách thao tác các đỉnh, cạnh và lưới đa giác trong không gian 3D. Những điểm này trong không gian ảo được gọi là các đỉnh bao gồm một lưới - tập hợp các đỉnh (điểm ảo) mà một đối tượng được tạo thành. Tất cả các điểm này được ánh xạ vào lưới 3D. Sau đó, mỗi điểm có vị trí của nó và được kết hợp thành hình dạng, vật thể hoặc bề mặt.
Vì vậy, về mặt kỹ thuật, Mô hình 3D là một tập hợp các điểm được kết nối bằng các đường, hình tam giác, bề mặt cong và các thực thể hình học khác trong không gian 3D. Xây dựng mô hình 3D: Trong đồ họa máy tính 3D, xây dựng mô hình 3D là quá trình phát triển biểu diễn toán học của bất kỳ bề mặt nào của vật thể theo ba chiều thông qua phần mềm chuyên dụng. Sản phẩm được gọi là mô hình 3D. Ai đó làm việc với các mô hình 3D có thể được gọi là một nghệ sĩ 3D.
Nó có thể được hiển thị dưới dạng hình ảnh hai chiều thông qua quá trình gọi là kết xuất 3D hoặc được sử dụng trong máy tính mô phỏng các hiện tượng vật lý. Trong kỹ thuật biểu diễn mô hình 3D, người ta phân thành 2 nhóm: Xây dựng mô hình vật thể và Xây dựng mô hình hình học. 4 Kỹ thuật xây dựng mô hình hình học được phát triển trong các ngành công nghiệp tự động hóa và chủ yếu được sử dụng để thiết kế các hình dạng của xe hơi. Hiện nay, mô hình này còn được ứng dụng trong các ngành như công nghiệp hàng không, hải quân.
và một số lĩnh vực khác. Mô hình này cũng hỗ trợ chính cho việc điều khiển về mặt hình dạng. Kỹ thuật xây dựng mô hình vật thể được xây dựng dựa trên các thông tin biểu diễn đầy đủ, chính xác, rõ ràng một đối tượng trong không gian, chúng có thể tạo ra các mô hình trên máy tính với khả năng phân loại bất kỳ điểm nào trong không gian 3 chiều: phía trong, phía ngoài, hoặc là trên bề mặt của đối tượng. Cách sử dụng mô hình 3D: Mô hình 3D được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm kỹ thuật, kiến trúc, giải trí, phim ảnh, hiệu ứng đặc biệt, phát triển trò chơi và quảng cáo thương mại.
Một ví dụ phổ biến về công nghệ 3D là việc sử dụng nó trong các hình ảnh chuyển động chính. Chỉ cần nghĩ về khung cảnh "Avatar", bộ phim năm 2009 của đạo diễn James Cameron. Bộ phim đã giúp biến đổi ngành công nghiệp 3D khi nó sử dụng nhiều khái niệm về mô hình 3D để tạo ra hành tinh Pandora của bộ phim [12,13,14,15]. Xây dựng mô hình 3D Việc xây dựng mô hình 3D các đối tượng thường dựa vào các mô hình cơ bản trong đồ họa máy tính, cụ thể là hiện nay có hai mô hình cơ bản của ứng dụng đồ họa là dựa trên mẫu số hóa và dựa trên đặc trưng hình học.
Trong ứng dụng đồ họa dựa trên mẫu số hóa thì các đối tượng đồ họa được tạo ra bởi lưới các điểm ảnh rời rạc. Các điểm ảnh này có thể được tạo ra bằng các chương trình vẽ, máy quét,. Các điểm ảnh này mô tả tọa độ xác định vị trí và giá trị mẫu. Thuận lợi của ứng dụng này là dễ dàng thay đổi ảnh bằng cách thay đổi màu sắc hay vị trí của các điểm ảnh, hoặc di chuyển vùng ảnh từ nơi này sang nơi khác.
Tuy nhiên, điều bất lợi là không thể xem xét đối tượng từ các góc nhìn khác nhau. Ứng dụng đồ họa dựa trên đặc trưng hình học bao gồm các đối tượng đồ họa cơ sở như đoạn thẳng, đa giác,. Chúng được lưu trữ bằng các mô hình và các thuộc tính. Như đoạn thẳng được mô hình bằng hai điểm đầu và cuối, có thuộc tính như 5 màu sắc, độ dày.
Người sử dụng không thao tác trực tiếp trên các điểm ảnh mà thao tác trên các thành phần hình học của đối tượng. Việc tạo mô hình 3 chiều thường thông qua máy quét 3 chiều hoặc các phần mềm chuyên dụng. Hiện nay, có rất nhiều phần mềm chuyên dụng xử lý 3D khác nhau như: Maya, 3DS Max, Bryce 3D, InfiniD, Soft Image, … nhưng được đánh giá mạnh nhất và hay sử dụng nhất là hai phần mềm: Maya và 3DS Max. Hai phần mềm này đều là công nghệ chuẩn 3 chiều.
Hay các Phần mềm mô hình 3D: Phần mềm mô hình 3D cho phép bạn thiết kế mô hình 3D cơ bản của các nhân vật hoặc đối tượng. Các chương trình đầy đủ tính năng cung cấp các công cụ bạn cần để bổ sung các thiết kế của bạn với các chi tiết thực tế. Có rất nhiều chương trình phần mềm mô hình 3D trên thị trường. Trong số những đánh giá cao nhất được liệt kê ở đây: ZBrush từ Pixologic kết hợp các kỹ thuật điêu khắc đất sét vào phần mềm cấp độ chuyên nghiệp.
Quá trình này mất nhiều giờ để thành thạo, vì vậy nó không được khuyến khích cho người mới bắt đầu thiết kế 3D. Các nhà phát triển tương tự sản xuất Sculptris, một ứng dụng mô hình 3D miễn phí tương tự nhưng đơn giản hơn mà các nhà thiết kế 3D mới có thể thử trước tiên. SketchUp là một chương trình 3D dành cho các nhà thiết kế có một số kinh nghiệm về mô hình 3D. SketchUp chuyên về cấu trúc kiến trúc và thường được sử dụng để trực quan hóa kiến trúc, thiết kế nội thất, quy hoạch đô thị, kỹ thuật và xây dựng.
Nó có sẵn cho các hệ điều hành Windows và macOS. Blender là phần mềm mô hình 3D mã nguồn mở miễn phí phù hợp để tạo phim hoạt hình, hiệu ứng hình ảnh, nghệ thuật, ứng dụng tương tác và trò chơi video. Nó hoạt động trên các hệ điều hành Windows, macOS và Linux. Với phạm vi của báo cáo này, việc tạo ra các mô hình 3 chiều với các hiện tượng gắn với nó là một đòi hỏi tất yếu.
Luận văn trình bày kỹ thuật tiếp cận trong việc tạo mô hình 3 chiều trên cơ sở kết hợp 2 phần mềm tạo mô hình 3 chiều thông dụng hiện nay là Maya và 3DS Max. 6 Maya, 3DS Max cũng như các phần mềm tạo mô hình 3 chiều khác giúp tạo mô hình 3 chiều mô phỏng thế giới thực. Nó có các đối tượng nguyên thuỷ như hình cầu, hình trụ, hình hộp, mặt phẳng, đường cong…Từ các đối tượng nguyên thuỷ này ta sử dụng các thao tác như dịch chuyển, xoay, co giãn cùng với các kỹ thuật chỉnh sửa như cắt xén, mở rộng, thêm bớt… để tạo nên đối tượng mong muốn trong thế giới thực. Các thao tác dịch chuyển, xoay… Từ trái sang phải là các thao tác dịch chuyển, xoay, co giãn, ứng với mỗi trục toạ độ là một màu.
Sau đó các đối tượng sẽ được thêm xương (nếu có), tính chất bề mặt (như màu sắc, da, tóc, mắt …) và được tạo các chuyển động mô phỏng một cách sinh động các thể hiện của đối tượng trong thế giới thực. Khi làm việc với các phần mềm ta sẽ thao tác trên 4 khung nhìn khác nhau của đối tượng, 4 khung nhìn này sẽ cho ta nhìn được đối tượng ở các góc độ khác nhau một cách đồng thời, những hình ảnh dưới đây minh họa điều này: Hình 1. Các khung nhìn khác nhau. 7 Ta có hệ trục tọa độ 3 chiều XYZ, màu xanh lam ứng với trục Y, đỏ với trục X và xanh đậm với trục Z.
Góc trên phải là khung làm việc cho phép ta thao tác trong 3 chiều, 3 góc còn lại cho phép ta làm việc ở 3 mặt cắt của mô hình. Với các khung nhìn này ta có thể thao tác dễ dàng hơn, khi một thay đổi xuất hiện ở một khung nhìn sẽ cho hiệu ứng đối với các khung nhìn khác.