0903 nghiên cứu kỹ thuật biểu diễn mô hình 3d và ứng dụng trong mô phỏng thực thể sinh học luận văn tốt nghiệp

BỘGIÁODỤCVÀ ĐÀOTẠO
TRƢỜNGĐẠIHỌCQUYNHƠN

ĐẶNGKỲDUN

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT BIỂU DIỄN MƠ
HÌNH3DVÀỨNG DỤNGTRONGMƠPHỎNG
THỰCTHỂSINHHỌC

Chun ngành: Khoa học máy
tínhMãsố:8480101

Ngƣờihƣớngdẫn:TS.LÊTHỊKIMNGA


LỜICAMĐOAN
Tơi xin cam đoan những nội dung trình bày luận văn này là kết quả
tìmhiểu, nghiên cứu của bản thân dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Thị Kim
Nga vàcác nhà nghiên cứu đi trước. Nội dung tham khảo, kế thừa, phát triển
từ cáccơng trình đã được cơng bố được trích dẫn, ghi rõ nguồn gốc. Kết quả
mơphỏng,thínghiệmđược lấytừchương trìnhcủa bảnthân.

BìnhĐịnh,ngày10 tháng10năm 2022
Tácgiảluậnvăn

Đặng KỳDuyên


LỜICẢMƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn mặc dù gặp rất nhiều khó khăn
nhưngtơilnnhậnđượcsựquantâm,giúpđỡtừthầycơ,đồngnghiệpbạnbèvàngười thân.Đâylànguồn

độnglựcgiúptơihồn thành luận vănnày.
Tơi xin gửi lời chân thành cảm ơn tới TS. Lê Thị Kim Nga đã tận
tìnhgiúp đỡ,hướngdẫnvàchỉ bảotrongqtrìnhthựchiện luậnvăn.
Tơixinchânthànhcảm ơntớiqthầy,cơtrườngĐạihọcQuyNhơnđ
ã tận tình chỉ bảo, truyền đạt những kiến thức quý báu giúp tôi hoàn thànhnhiệm vụhọc tập trong suốt
thờigian theo học tại trường. Qt h ầ y

cơ

đ ã giúptơicó được

nhữngkiếnthứcquantrọngtronglĩnhv ự c C ô n g n g h ệ thôngtin,là nền tảng vững
chắcc h o

những

nghiên

cứu

của

bản

thân

t r o n g thờigiantới.
Tôi xin cảm ơn anh em, đồng nghiệp đã giúp đỡ, ủng hộ tinh thần
trongthờigiantôithamgiahọctập.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn tất cả những người đã ln ln quan tâm,

sẻchiavàđộngviêntơi.

Bình Định,ngày10 tháng10năm2022
Tácgiảluậnvăn

Đặng KỳDun


MỤCLỤC
LỜI CAM
ĐOANLỜICẢMƠ
NMỤCLỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT
TẮTDANHMỤCHÌNHẢNH
PHẦNMỞĐẦU................................................................................................1
1. Lýdo chọn đềtài.............................................................................................1
2. Mụcđíchvànhiệmvụnghiêncứu.......................................................................2
3. Đốitượngvà phạmvinghiêncứu.......................................................................2
4. Phươngphápnghiêncứu..................................................................................2
5. Đónggópcủađềtài...........................................................................................3
6. Cấutrúcluậnvăn..............................................................................................3
PHẦNNỘIDUNG.............................................................................................4
Chƣơng1 : K H Á I Q U Á T V Ề Đ Ố I T Ƣ Ợ N G 3 D V À P H Ƣ Ơ N G P H Á P
BIỂUDIỄNĐỐITƢỢNG3D...................................................................................4
1.1. Kháiquátvềđốitượng 3D........................................................................4
1.1.1.

Sơlượclịch sử..................................................................................4

1.1.2.

Một sốkháiniệmvềđồhọa3D............................................................4

1.1.3. Cácứng dụngcơbảncủađồ họa3D.......................................................7
1.2. Biểudiễn đốitượng3D............................................................................9
1.2.1.

Biểudiễn mặtlưới3D......................................................................10

1.2.2. Biểudiễn bềmặttrơnthamsố..............................................................11
1.2.3. ĐườngvàmặtcongthamsốNURBS...................................................11
1.3. Kết luậnchương 1................................................................................13
Chƣơng2:MỘTSỐKỸTHUẬTBIỂUDIỄNMƠHÌNH3D...........................14
2.1. Kỹthuật biểu diễn mơ hình3Ddựatrênlưới đagiác.................................14
2.1.1. Bềmặt đa giác...............................................................................14


2.1.2. Biểudiễnlướiđagiác.......................................................................15
2.2. Biểudiễnmơhình3Dbởikỹthuật NURBS...............................................22
2.2.1. Đường congthamsốNURBS............................................................22
2.2.1.1. Đường cong – CURVE..............................................................22
2.2.1.2. Điểmbiểudiễn đườngcong (curverepresents points)...................22
2.2.1.3. Đường congđathứcbậcbathambiến...........................................23
2.2.1.4. Đường congHermite..................................................................24
2.2.1.5. Đường congBezier.....................................................................26
2.2.1.6. Đường congB-Splines................................................................29
2.2.1.7. Đường congthamsốNURBS.......................................................36
2.2.2. BềmặtNURBS.................................................................................38
2.2.2.1. Mơhình bềmặt (Surface)vàcácphương pháp xâydựng................38
2.2.2.2. Mặt từcác đườngcong...............................................................41

2.2.2.3. BềmặtNURBS............................................................................47
2.2.2.4. ThuậttốnNURBS biểudiễnbềmặt.............................................49
2.3. Kếtluậnchương2...................................................................................50
Chƣơng3:ỨNGDỤNGMƠPHỎNGTHỰCTHỂSINHHỌC............................51
3.1. Bàitốn................................................................................................51
3.2. Phân tíchucầu bàitốn.....................................................................52
3.2.1. Phân tíchucầu..............................................................................52
3.2.2. Lựa chọncơngcụ..............................................................................53
3.3. Mơi trườngcàiđặtvàkếtquả càiđặtthửnghiệm......................................53
3.3.1. Mơi trườngcàiđặt..........................................................................53
3.3.2. Kết quảthửnghiệm.........................................................................54
3.4. Kết luậnchương3.................................................................................58
KẾTLUẬN......................................................................................................59
TÀILIỆUTHAMKHẢO................................................................................61


DANHMỤCTỪVIẾTTẮT
Ký hiệu

Tiếng Anh

Tiếng Việt

2D

Two-dimensional

Khơnggianhaichiều

3D

Three-dimensional

Khơnggianbachiều

CAD

Computer-aideddesign

Thiết kếđượcsựhỗ trợ củamáytính

CP

Controlpoint

Mộtđ i ề m đ i ề u k h i ể n h ì n h d ạ n g c
ủ a đốitượng

CPU

CentralProcessingUnit

Bộxửlýtrungtâm

CT

ComputedTomography

Chụpquétcắtlớpđiệntoán

CV

Controlvertex

Mộtđ i ể m m à đ i ề u k h i ể n h ì n h d
ạ n g củađường congNURBShaybềmặt

EP

Editpoint

Một điểm mà nằm trên đường cong
làđiểm nối của đa thức biểu diễn
đườngcong

NURBS

NonUniformR a t i o n a l B spline

B-splinehữutỉkhôngđồngđều


DANHMỤCHÌNHẢNH
Hình1.1:Biểudiễncácđườngcongvàmặtcong....................................................10
Hình1.2: Lướitamgiác vàlướitứgiác.................................................................11
Hình1.3:Biểudiễnmặtđagiác............................................................................11
Hình1.4:MinhhọatiếntrìnhdựngmộtchiếccốcđơngiảnbằngNURBS..................12
Hình2.1:Lướiđagiácxácđịnhbằngcácchỉsốtrongdanhsách.................................16
Hình2.2:Lướiđagiácxácđịnhbởidanhsáchcác cạnhchomỗiđagiác(λλbiể
udiễngiátrịrỗng)................................................................................................17

Hình2.3:Biểudiễnmặtcâ`ubằnglướiđagiác........................................................18
Hình2.4: Đườngcong đathứcbậc3....................................................................23
Hình2.5:ĐườngcongHermite...........................................................................25
Hình2.6:ĐườngcongHermite...........................................................................26
Hình2.7:ĐườngcongBezier..............................................................................27
Hình2.8:Hàmhợpcủađườngcong Bezier..........................................................27
Hình2.9:Kết nốihaiđường cong.......................................................................30
Hình2.10:PhânđoạncủađườngcongSpline–Hermite.........................................32
Hình2.11:ĐườngcongB-Spline........................................................................35
Hình2.12: Biểudiễnmảngtứgiác.......................................................................39
Hình2.13:Kếtnốimảngtứgiác............................................................................39
Hình2.14:Mảnhtamgiác...................................................................................40
Hình2.15: Mặt congHermitevàcácđiểmdữliệu.................................................42
Hình2.16:MặtcongBezier.................................................................................43
Hình2.17:NốihaimảnhBezierbậcba..................................................................45
Hình2.18:BềmặtNURBS.................................................................................48
Hình3.1: Mơ hình3Dhìnhthái củacâyđứngthẳng..............................................54
Hình 3.2: Mơ hình3Dhìnhtháicủacâyởgócnhìn chéo.......................................55
Hình3.3: Mơ hình3Dhìnhthái củacâyởgócnhìn ngang......................................55
Hình 3.4:Mơ hình3Dcủarễcâygócđứng...........................................................56


Hình 3. 5:Mơhình3Dcủa rễcâygócnghiêng......................................................56
Hình 3.6: Mơ hình3Dcủaxương sườn củabộphậncơthểconngười....................57
Hình 3.7: Mơhình3Dcơ thanh quản của bộphận cơ thểconngười.....................57
Hình 3.8:Mơ hình3Dlưỡicủabộphận cơ thểconngười.....................................58


1

PHẦNMỞĐẦU
Trong những năm gần đây, công nghệ thông

1. Lýdochọnđềtài
tin

đã

được

ứng

dụng

mạnhmẽt r o n g h ầ u h ế t t ấ t c ả c á c l ĩ n h v ự c . C á
c ứ n g d ụ n g c ủ a n ó v à o c u ộ c s ố n g ngày càng phong
phú, đa dạng và thiết thực hơn.Từ các lĩnh vực như
khoahọccơbản,đếncáclĩnhvựckinhtế,kỹthuật
chođếncáclĩnhvựcnhưgiảitrí, du lịch; khơng lĩnh vực nào
khơng

có

sự

ứng

dụng

thiết

thực

và

hiệu

quảcủacơngnghệthơngtin.Sựpháttriểnkhơngn
gừngcủasứcmạnhmáytínhđãlàmchomộtsốlĩnhvựckhó
pháttriểntrướckia,nayđãcókhảnăngpháttriển và đã đạt được
những thành tựu đáng kể, như là: Các hệ chuyên
gia, cáchệ xử lý thời gian thực v.v.. và một lĩnh
vực đang được phát triển mạnh trênthếgiới,đólà
cơngnghệ mơphỏng.
Việc “tái tạo” các hiện tượng, sự vật trong
thế giới thực trên máy tính córất nhiều tác dụng.
Trong giải trí, nó sẽ giúp chúng ta xây dựng
được nhữngtrò chơi sống động, gần gũi với con
người tạo ra sức lôi cuốn mạnh mẽ. Trongxâydựng,
việc dựng được các mơ hình hiện thực ảo cho phép chúng ta có cáinhìn
trực quan, chính xác để có thể đưa ra những
quyết định, những sáng kiếnthiết kế về các cơng trình xây
dựngđúngđắn.Tronggiáodục,nhữngthínghiệm, những ví dụ
được mơ tả sát thực bằng máy tính giúp cho
người họchứng thúhơn,kiến thức đượcthểhiện rõ
hơn,trựcquanhơn,đầyđủ hơn.


Đối

với

phương pháp dạy
học truyền thống
đã đạt được nhiều
hiệu quảtuy nhiên
trước tiến bộ của
việc

ứng

dụng

của khoa học kỹ
thuật thì nó đã
bộclộ được nhiều
hạn

chế

trong

việc mơ hình hố,
biểu diễn, quan
sát

các

đốitượngtinhvi,p
hứctạpcótínhtrừ

utượngcaotrong
điềukiệncáctran
gthiếtbị phục vụ giảng
dạycịnhạnchế,đắtđỏ,thiếu
thốn. Đặc biệt tại các
nhàtrườngp h ổ t h ô
ng,nhiềumônh
ọccầnmôphỏn
ghoạtđộngđểđ
emlạicái

2


nhìntrựcquan,dễhiểu chohọcsinh nhưvật lý,sinhhọc,hình học…
Xuất phát từ thực tế đó, tơi quyết định chọn đề tài“Nghiên cứu kỹ
thuậtbiểudiễnmơhình3Dvàứngdụngtrongmơphỏngthựcthểsinhhọc”đểnghiên cứu.
2. Mụcđíchvà nhiệmvụnghiêncứu
2.1. Mụcđíchnghiêncứu
Tìm hiểu và nghiên cứu chung về phương pháp biểu diễn mơ hình
3Dtrong mơ phỏng thực thể Sinh học, từ đó đi sâu vào các kỹ thuật được
ứngdụng trongquytrìnhnày.
2.2. Nhiệmvụnghiêncứu
Nhằm đạt đến mục đích đã trình bày, đề tài hướng đến những nhiệm
vụcụthểnhưsau:
-Nghiêncứukháiqtđốitượng3Dvàphươngphápbiểudiễnđốitượng
3D
.
- Nghiêncứu một sốkỹthuật biểudiễn mơ hình3D.
- Càiđặtthửnghiệmvàđánhgiákếtquả.

3. Đốitƣợngvàphạmvinghiêncứu
- Đốitượngnghiêncứu:Thựcthểsinhhọc
- Phạm vi nghiên cứu: Đối tượng thực thể sinh học trong chương
trìnhphổthơng.
4. Phƣơngphápnghiêncứu
Phươngphápnghiêncứucủađềtàiđượclựachọnlàlýthuyếtkếthợpvớithực
Các

vấn

đề

cần

giải

quyết

liên

quan

đến

các

thuật

nghiệm.

tốn

và

lýthuyếttruyềnthơngmạng,thịgiácmáyvàđồhọamáytínhđượcthựchiệntrênphầnmềm
máytínhvớiđầuvàolàcácthơngtinthunhậnđượctừthựctế.Q


trình được tiến hành dựa trên việc tìm hiểu tài liệu, cài đặt thử nghiệm sau
đóđánhgiákếtquảthựcnghiệmvàcảitiếnnhằmnângcaochấtlượnghệthống.
Như vậy, cần tiến hành tìm hiểu lý thuyết về một số kỹt h u ậ t m ơ
h ì n h hóa được ứng dụng trong quy trình dựng mơ hình 3Dt r o n g m ô
p h ỏ n g t h ự c thể Sinh học. Tìm hiểu kỹ thuật về mặt lý thuyết sẽ được kết
hợp với việc càiđặtthựcnghiệm đểkiểm chứngvàđánhgiánhữngnộidungt ì m
h i ể u l ý thuyếtvàtừđó cảitiếnvàhồnthiệnchươngtrình.
5. Đónggópcủa đềtài
Thực hiện đề tài“Nghiên cứu kỹ thuật biểu diễn mơ hình 3d và
ứngdụng trong mơ phỏng thực thể sinh học”, sẽ tạo điều kiện cho học sinh
hìnhthànhkháiniệmnhanhhơn,ghinhớtốthơn,họctập chấtlượnghiệuquảhơn.
6. Cấutrúcluậnvăn
Ngồi phần mở đầu, kết thúc, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dung
củaluậnvănđượctriểnkhailàm03(λba)chương:
Chƣơng1:Kháiqtvềđốitƣợng3Dvàphƣơngphápbiểudiễnđốitƣợng3D
Trong chương này, tơi sẽ trình bày khái quát về đối tượng 3D, một
sốkhái niệm về đồ họa 3D, các ứng dụng cơ bản của đồ họa 3D và bài tốn
biểudiễnđốitượng3D.
Chƣơng2:Mộtsốkỹthuậtbiểudiễnmơhình3D
Trong chương này, tơi trình bày các kỹ thuật biểu diễn mơ hình 3D
nhưkỹ thuật biểu diễn mơ hình 3D dựa trên lưới đa giác và kỹ thuật biểu diễn
mơhình 3DbởiNURBS.

Chƣơng3:Ứngdụngmơphỏngthựcthểsinhhọc
Chương này xây dựng chương trình thử nghiệm kỹ thuật biểu diễn
mơhình3 D trongmơ phỏngthực thể Sinhhọc.


PHẦNNỘIDUNG
Chƣơng1:KHÁIQUÁTVỀĐỐITƢỢNG3DVÀPHƢƠNGPHÁPB
IỂU DIỄNĐỐITƢỢNG3D
1.1. Kháiquátvềđốitƣợng3D
1.1.1. Sơlượclịchsử
Lịch sử của đồ họa máy tính là vào thập niên 1960 được đánh dấu bởi
dựánSketchPad được phát triểntại Học viện Công nghệ Massachusetts (λMIT)bởi Ivan Sutherland. Các
thành tựu thu được đã được báo cáo tại hội nghị FallJointComputervàđâycũngchínhlàsự
kiệnlầnđầutiênngườitacóthểtạomới, hiển thị và thay đổi được dữ liệu hình ảnh trực tiếp
trên màn hình máytính trong thời gian thực. Hệ thống Sketchpad này được
dùng

để

thiết

kế

hệthốngm ạ c h đ i ệ n v à b a o g ồ m n h ữ n g t h à n h p h ầ n n h ư : C R T m à n h ì n h
, b ú t sángvàmộtbànphímbaogồmcácphímchứcnăng,máytínhchứachươngtrình xửlýcácthơngtin.
Cũng trong năm 1960 này, William Fetter nhà khoa học người Mỹ.
Ơngđang nghiên cứu xây dựng mơ hình buồng lái máy bay cho hãng Boeing
củaMỹ. Ơng dựa trên hình ảnh ba chiều của mơ hình người phi công trong
buồnglái của máy bay để xây dựng nên một mơ hình tối ưu cho buồng lái
máy bay.Phương pháp này cho phép các nhà thiết kế quan sát một cách trực

quan vị trícủa người lái trong khoang. Ơng đặt tên cho phương pháp này là
đồ hoạ máytính (λComputer Graphics)[4].
1.1.2. Mộtsốkháiniệmvềđồhọa3D
Đồ họa máy tính là một lĩnh vực khoa học nghiên cứu về các thuật
toáncũng như kỹ thuật cho phép tạo, hiển thị và điều khiển hình ảnh trên màn
hìnhmáytính.Đồhọamáytínhcóliênquanđếnđạisố,hìnhhọcgiảitích,hìn
h


học họa hình, quang học,... kỹ thuật máy tính và chế tạo phần cứng (λcác
loạimàn hình,các thiếtbịxuất,nhập,cácvimạch đồhọa...)[1].
Hệđ ồ h ọ a b a o g i ờ c ũ n g c ó h a i t h à n h p h ầ n c h í n h đ ó l à p h ầ n c ứ n g v
à phầnmềm.Phầncứnggồmthiếtbịhiểnthịvànhậpdữliệu,…Phầnmềmgồm cơng cụ lập trình và các
trình

ứng

dụng

đồ

họa.

Cơng

cụ

lập

trình

cungcấptậpcác hàmđồhọacó thểđư ợcdùngtrong cácngơnngữlậptrình c
ấp caonhưC,Pascal,...Cáchàmcơsởcủađồhoạbaogồmviệctạođốitượngcơ sở
củahìnhảnhnhưđoạnthẳng,đagiác,đườngtrịn,…,thayđổimàusắc,chọnkhungnhìn,ápdụngcácphépbiếnđổi,…Ứng
dụngđồhọađượcthiếtkế cho những người dùng khơng phải là lập trình viên tạo được
đối tượng,hình ảnh, … mà khơng cần quan tâm tới việc chúng được tạo ra
như thế nào.Ví dụnhưlà Photoshop,AutoCAD,…
Việc thể hiện các đối tượng 3D trên máy tính là cần thiết vì phần lớn
cácđối tượng trong thế giới thực là đối tượng 3D còn thiết bị hiển thị chỉ hiển
thịảnh 2 chiều. Do vậy muốn có hình ảnh 3 chiều ta cần phải giả lập. Biểu
diễnđối 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 làchuyển đổitừngbước.Hình ảnh sẽđượchìnhthành ngàycàng chitiếthơn.
Khi mơ hình hóa và hiển thị một hình ảnh 3D chúng ta xét rất nhiều
khíacạnh và các vấn đề khác nhau khơng đơn giản là thêm một tọa độ thứ 3
chocác đối tượng. Bề mặt đối tượng có thể được xây dựng bởi nhiều tổ hợp
khácnhau của mặt phẳng và mặt cong, đơi khi chúng ta cịn mơ tả một số
thơng tinbên trong đối tượng. Khi biểu diễn đối tượng 3 chiều bằng máy tính
ta cầnquantâmcác vấnđề sau:
-Phươngphápbiểudiễn
Có2phương phápbiểudiễnđốitượng3chiềulàphươngpháp biểudiễn


bềmặtvàbiểudiễntheophânhoạchkhônggian.
Phương pháp biểu diễn bề mặt mô tả đối tượng bằng một tập hợp các
bềmặt giới hạn phần bên trong của đối tượng với mơi trường bên ngồi.
Thơngthường ta xấp xỉ các bề mặt phức tạp bởi các mảnh nhỏ hơn gọi là các
patch(λmặt vá). Các mảnh nàycó thểlà các đagiác hoặc các mặt cong.
Phương pháp phân hoạch không gian thường dùng để mơ tả các
thuộctínhbêntrongcủađốitượng.

- Cácphép biếnđổi hìnhhọc
Khiápdụngmột dãy các phép biếnđổi hìnhhọc cót h ể

tạo

ra

n h i ề u phiên bản của cùng một đối tượng. Do đóc ó t h ể q u a n s á t
v ậ t t h ể ở n h i ề u v ị trí, nhiều góc độ khác nhau và cảm nhận về các
hình

ảnh

vẽ

ba

chiều

trựcquan,s i n h đ ộ n g h ơ n . C á c p h é p b i ế n đ ổ i t h ư ờ n g đ ư ợ c s ử dụ ng l à p h é
p t ị n h tiến,phépquay,phépbiếndạng…đượcmơtảbằngcácmatrận.Matrậncủamỗi phépbiếnđổicócác
dạngkhácnhau.
- Vấnđềchiếusáng
Tácd ụ n g c ủ a v i ệ c c h i ế u s á n g l à l à m c ho c á c đ ố i t ư ợ n g h i ể n t h ị t r o
n g máytínhgiốngvớivậtthểtrongthếgiớithực.Đểthựchiệncơngviệcnàycầnphảicócác mơhìnhtạosáng.
Vật thể được chiếu sáng nhờ vào ánh sáng đến từ khắp mọi hướng gọi
làánh sáng xung quanh (λambient light) hay ánh sáng nền (λbackground
light).Trên bề mặt có 2 loại hiệuứ n g p h á t s á n g l à k h u ế c h t á n
(λ d i f f u s e

light)

á n h sángđitheomọi

hướngvàphảnxạgương(λspecularlight).
- Vấnđềtạobóng
Để tạo bóng ta ứng dụng các mơ hình xác định cường độ sáng theo
nhiềukiểukhácnhau t ùy thuộcbàit oá nc ụ thể. Các vật có bề m ặt p h ẳ n g c hỉ c
ần


tính cường độ sáng chung cho một bề mặt là có thể hiển thị đối tượng
tươngđối thật. Các vật có bề mặt cong phải tính cường độ sáng cho từng pixel
trênbềmặt.Đểtăng tốcđộxaxỉcác mặtcong bởim ột tậphợpcác mặtphẳn
g. Với

mỗi

mặt

phẳng

sẽ

áp

dụng

mơ

hình

cường

độ

khơng

đổi

(λflat

shading)hoặccườngđộnộisuy(λGouraudshading)đểtạobóng.
1.1.3. Cácứngdụngcơbảncủađồ họa3D
3D là công nghệ được xây dựng từ các phần mềm máy tính, giúp
ngườisử dụng có thể quan sát hình ảnh trong không gian 3 chiều. Ứng dụng
củacông nghệ này được sử dụng trong một số lĩnh vực đạt hiệu quả cao như
Yhọc, xây dựng, kiến trúc, phim, trò chơi… Tại Việt Nam công nghệ này
chỉmới được sửdụngphầnlớntrongquảngcáo vàkiếntrúc.
- Ứngdụngđồhọa3DtrongYtế
Ứng dụng cơng nghệ hình ảnh 3D thu hút sự chú ý của nhiều người
tronglĩnhvựcyhọc.Nhiềubácsĩcũngtậndụngcơngnghệmớinàyphụcvụđiềutrị
bệnhnhângiúptăngđộchínhxácvàhiệuquả.
Với phương pháp chụp cắt lớp điện tốn (λCT) hay chụp cộng hưởng
từ(λMRI). Bác sĩ phải theo dõi hình ảnh 2D trên màn hình, vừa phải tưởng
tượnghình ảnh trong khơng gian 3 chiều đã gặp khơng ít khó khăn. Ứng dụng
cơngnghệhìnhảnh3D,bácsĩnhìnđượccáchìnhảnh3chiềurõnétngaylậptứcv
àtậptrunghơnvàophẫuthuật.
- Ứngdụngđồ họa3Dtrongxây dựngkiếntrúc
Đối với người thiết kế: có thể vẽ lên khơng gian 3 chiều, ứng dụng

vậtliệu vào khơng gian, phối trí và phân tích ánh sáng, thơng gió hợp lý nhất
chocơng trình thiết kế xây dựng làm cho sự kết hợp giữa các yếu tố, bố trí các
vậtdụngtrởnênhàihịa.Tínhtốntảitrongkếtcấuchínhxácnhất,đưaragiải


pháp tiết kiệm vật tư và chi phí nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh. Đối
vớingườikháchhàng:

Ứngdụng3D

trong

kiếntrúclàm

cho

ngườix e m

n h ư đứng ngaytrongkhơnggianthựctế.
- Ứngdụng đồ họa3Dtrongphim,trị chơi
Cơng nghệ 3D trong phim ảnh đang là xu hướng phát triển của điện
ảnhthế giới. Ứng dụng tạo hình 3D mang đến cho người xem những trải
nghiệmthực sự, những hình ảnh sống động và hấp dẫn. Nó cũng được sử
dụng

để

tạocáchiệuứngphimvàthựctạiảo,khángiảsẽtrảinghiệmnhữnghànhđộng,
cửchỉsốngđộngnhưthật.Tronggame,ứngdụngcơngnghệ3Dđểxâydựngmơ hình, và chuyển động cho
hình ảnh sắc nét giúp người chơi bao qt đượcgócnhìn vớichất lượnghình

ảnhtốt nhấtvàkhơngbịgiánđoạn.
- Ứngdụngđồhọa3Dtrongmơphỏng,đàotạo
Hệ thống phần mềm mơ phỏng các thí nghiệm bằng hình ảnh minh
họasống động, giúp học sinh dễ nhận biết, tiếp thu và tạo hứng thú với môn
học.Chop h é p h ọ c s i n h , s i n h v i ê n đ ư ợ c q u a n s á t t r ự c q u a n c á c m ơ h ì n h c
ụ t h ể , thấy được những hoạt động, chuyển động các sự vật, sự kiện được giảng viêntrình bày. Học sinh
được hình dung một cách rõ ràng và đầy đủ các khái niệmvề hình học khơng
gian, địa lý vũ trụ, mơ hình sinh học hoặc các khái niệmkhó
tưởngtượngratrongthếgiớihaichiều.
- Ứngdụngđồ họa3Dtronglĩnhvựcquốcphịngvàanninh
Những sản phẩm mô phỏng sẽ được áp dụng trong giảng dạy các
mơnkhoa học như Giáo dục quốc phịng, qn sự. Người học có thể quan sát
chitiếtc á c h o ạ t đ ộ n g c ủ a b ộ p h ậ n c ơ k h í , q u y t r ì n h h o ạ t đ ộ n g v à t ư
ơ n g t á c , những hiện tượngxảy ra trong các hoạt độngc ủ a v ũ k h í . C ô n g
n g h ệ m ô phỏng 3D mô tả chi tiết cụ thể hiện tượng bắn, quá trình chuyển
vận

các

bộphậntrongtươngtácsựvật,hiệntượnggiúpchohọcsinhdễnhậnbiết,tiếp


thutạohứng thúvớimơn học.
Có thể nói các ứng dụng tiềm năng của cơng nghệ hình ảnh 3D là vơ
hạnvàcóthểlàmđượcđiềuđótaphảibiếtcáchbiểudiễnvàlưutrữdữliệu3Dtrong máytính.
1.2. Biểudiễnđốitƣợng3D
Khi biểu diễn một đối tượng ba chiều, ta cần phải xem xét nhiều
khíacạnh. Cụ thể như đường cong, mặt cong của đối tượng. Ngồi ra, cần
thêmmột sốthơng tinvề thuộctínhcủa đối tượng.
Có nhiều phương pháp khác nhau để mơ tả đối tượng 3D. Tùy thuộc

vàotừng đối tượng cụ thể, có thể dùng các phương pháp thích hợp với thuộc
tínhcủa đối tượng đó. Chẳng hạn để biểu diễn các đối tượng như mặt trịn
xoay,các đối tượng dùng để thiết kế các mơ hình máy bay, bánh
răng...thường đượcsửdụngqua mặtcong thamsố.
Các đối tượng trong thế giới thực phần lớn là các đối tượng ba chiều
còncáct h i ế t b ị h i ể n t h ị c h ỉ b i ể u d i ễ n h a i c h i ề u . D o v ậ y m u ố n c ó h ì n h ả
n h b a chiềutacầnphảitiếnhànhgiảlập.Ngồirakhichúngtamơhìnhhóavàhiểnthịmộtđốitượngbachiều,tacầnphải
xemxétrấtnhiềukhíacạnhkhácnhaunhưmặt phẳng,mặt cong và một sốthơngtinvềbêntrong
cácđốitượng.
Biểu diễn mơ hình ta có thể biểu diễn dưới dạng mơ hình khung dây,
mơhình lướiđagiác,...
Biểudiễnmơhình dạng khung dây cho tathấy đượccác chitiếtb ê n trong
của mơ hình, sử dụng các phương pháp di chuyển, xoay, xóa đi
cácđườngkhuất(λđể thểhiệnmơhìnhdạngmặt).


Hình1.1:Biểudiễncácđƣờngcongvàmặtcong

1.2.1. Biểudiễnmặt lưới3D
Việc sử dụng mơ hình khung lưới cho phép ta hình dung được kết
cấubên trong của một mơ hình 3D bằng cách chuyển đối tượng và chọn lựa
xóacác đường ẩn (λnhững đường mà thường khi người ta không thể trơng
thấythơngqua các mặtphẳngcắtngang).
Khi thể hiện bằng mơ hình này, các đối tượng này khơng giống thực
tếlắm. Vì vậy người ta dùng các kỹ thuật tạo bóng và loại bỏ các đường và
mặtkhuất. Mơ hình này thường nhanh nên người ta thường dùng nó trong
việcxemphác thảo (λpreview) cácđốitượng,đặc biệtlà trong các hệCAD.
Một dạng thông thường của lưới đa giác là các dãy tam giác
(λtrianglestrip). Khi đa giácđ ư ợ c m ô t ả n h i ề u h ơ n b a đ ỉ n h ,
c á c đ ỉ n h c ủ a n ó c ó t h ể khơng đồng phẳng. Điều này có thể dẫn

đến các lỗi tính tốn. Một phươngphápđơngiảnlàphânđagiác nàythànhcác
tamgiác.


Hình1.2:Lƣớitamgiácvàlƣớitứgiác

Hình1.3:Biểudiễn mặt đagiác

1.2.2. Biểudiễn bềmặttrơnthamsố
Trong trường hợp các đối tượng thực sự phức tạp, người ta thường
dùngmột hay nhiều mặt cong trơn ghép nối lại với nhau. Mỗi thành phần
dùng đểghépnốiđược gọilàmặtvá (λpatch).
1.2.3. Đườngvàmặtcongthamsố NURBS
NURBS là từ viết tắt của Non-Uniform Rational B-Spline. Đây là
mộtkiểu hình khối bao gồm các đường cong (λcurves), các màng ráp (λpatches),
cácbềmặt(λsurfaces).
NURBS là một tập hợp rộng lớn các đường cong conic, splines và
Bezier.Chúng có khả năng phù hợp đặc biệt trong 3D bởi vì chúng cung cấp tính liêntụcrấthồnhảo
vớimộtlượngtối thiểucácđiểmđiềukhiển (λcontrolpoints).