Mô hình hóa thông tin môi trường và ứng dụng cho các bài toán môi trường
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.48 MB, 74 trang )
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu
được trích dẫn có nguồn gốc. Các kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác.
Tác giả luận văn
Nguyễn Đình Văn
i
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, cho tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành tới TS. Đào
Trung Kiên, người thầy, người anh đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và động viên tôi
trong suốt quá trình nghiên cứu và viết luận văn để tôi có thể hoàn thành luận văn
này.
Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp tại Viện nghiên cứu Quốc tế MICA,
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tập thể phòng môi trường cảm thụ và tương tác
đã tạo điều kiện giúp dỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn.
Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và những người bạn đã
động viên, chia sẻ, ủng hộ và là chỗ dựa tinh thần giúp tôi tập trung nghiên cứu và
hoàn thành luận văn của mình.
Nguyễn Đình Văn
ii
MỤC LỤC
PHẦN mở đầu .............................................................................................................1
Chương 1.
Tổng Quan ...........................................................................................4
1.1
Các khái niệm cơ bản ....................................................................................4
1.2
Đặt vấn đề ......................................................................................................6
1.3
Cấu trúc luận văn ...........................................................................................6
Chương 2.
Tổng quan về các phương pháp mô hình hóa môi trường...................8
2.1
Các phương pháp mô hình hóa thông tin môi trường tự động ......................8
2.2
Các phương pháp mô hình hóa thông tin môi trường bán tự động .............10
2.3
Đánh giá và nhận xét ...................................................................................10
Chương 3.
Xây dựng giải pháp mô hình hóa môi trường ...................................12
3.1
Phân tích thiết kế hệ thống ..........................................................................12
3.2
Bước tiền xử lý thông tin môi trường ..........................................................14
3.3
Xây dựng cấu trúc văn bản XML mô tả thông tin môi trường ....................16
3.3.1
Tại sao XML .........................................................................................16
3.3.2
Hướng thiết kế cấu trúc XML cho mô hình hóa môi trường ................18
3.3.3
Thiết kế cụ thể cấu trúc XML mô tả thông tin môi trường ..................21
Chương 4.
Xây dựng các mô-đun hỗ trợ và ứng dụng mô hình hóa môi trường 29
4.1
Mô-đun chuyển đổi XML sang SQL ...........................................................29
4.2
Mô-đun chuyển đổi XML sang 3D .............................................................33
4.3
Ứng dụng tìm đường đi ngắn nhất trong môi trường nhiều vật cản động ...35
4.4
Ứng dụng cải thiện kết quả định vị dựa trên thông tin môi trường .............44
4.4.1
Trường hợp hai vị trí thuộc cùng một vùng ..........................................47
iii
4.4.2
Chương 5.
Trường hợp hai vị trí thuộc hai vùng khác nhau ..................................49
Kết quả thử nghiệm và đánh giá ........................................................53
Kết luận .....................................................................................................................63
Tài liệu tham khảo .....................................................................................................65
iv
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2-1 Một ví dụ về RobotMapping sử dụng cảm biến. Lỗi bị tích lũy dần theo
thời gian. Hình (a)thể hiện đồ thị được vẽ bởi robot so với đồ thị thực tế và (b) thể
hiện một doạn đường đi thẳng bị sai số tích lũy của robot [26]..................................9
Hình 3-1 Tổng quan về hệ thống mô hình hóa môi trường ......................................13
Hình 3-2 Ví dụ về mô hình AutoCAD 2D của môi trường ......................................15
Hình 3-3 Hệ trục tọa độ địa phương .........................................................................16
Hình 3-4 Mô hình đối tượng tổng quát XML ...........................................................20
Hình 3-5 Ví dụ áp dụng phép tham số hóa để thể hiện hai đối tượng tường có kích
cỡ, vị trí cửa sổ và cửa ra vào khác nhau với cùng một mô tả tổng quát ..................21
Hình 3-6 Thiết kế tổng quan XML Schema ..............................................................22
Hình 3-7 Định nghĩa XML Schema cho
Hình 3-8: Định nghĩa XML schema cho <wall> ......................................................23
Hình 3-9 Định nghĩa XML schema cho đối tượng <door> và <window> ...............24
Hình 3-10 Mô tả XML schema cho các đối tượng ngữ nghĩa ..................................25
Hình 3-11 Mô tả XML schema cho các đối tượng tĩnh ............................................25
Hình 3-12 Định nghĩa XML schema cho thẻ tag <include> .....................................26
Hình 4-1 Một phần của thiết kế CSDL MySQL từ Xschema ...................................31
Hình 4-2 Quy trình chuyển đổi XML sang SQL ......................................................32
Hình 4-3 Mô hình 3D theo chuẩn COLLADA .........................................................34
Hình 4-4 Phát biểu về bài toán tìm đường đi ngắn nhất ...........................................36
Hình 4-5 Tổng quan về thuật toán tìm đường đi ngắn nhất ......................................37
Hình 4-6 Mọi điểm trong đa giác lồi đều nhìn thấy nhau .........................................40
Hình 4-7 vật cản đặt trên cạnh của đa giác lồi ..........................................................40
v
Hình 4-8 Tập các lược đồ Voronoi được xây dựng từ môi trường tĩnh ....................42
Hình 4-9 Tập các đường đi khả thi sau khi xử lý lược đồ Voronoi ..........................42
Hình 4-10 Ví dụ về phương pháp mở rộng biên môi trường ....................................43
Hình 4-11 Ví dụ về sai số độ cao ..............................................................................44
Hình 4-12 Ví dụ về việc sử dụng ngữ nghĩa và lịch sử định vị để cải thiện kết quả
định vị........................................................................................................................46
Hình 5-1 Mô hình AutoCAD 2D 3 tầng 8, 9, 10 tòa nhà B1 – Đại học Bách Khoa
Hà Nội .......................................................................................................................53
Hình 5-2 Bản vẽ kĩ thuật của tầng 2 nhà D trường Nguyễn Đình Chiểu ..................54
Hình 5-3 Mô hình 2D AutoCAD tầng 2, nhà D trường Nguyễn Đình Chiểu ...........54
Hình 5-4 Tóm tắt của văn bản XML mô tả trường Nguyễn Đình Chiểu ..................54
Hình 5-5 Phần mềm xây dựng 3D sử dụng OpenGL và C++ cho môi trường nhà D
Nguyễn Đình Chiểu...................................................................................................55
Hình 5-6 tầng 2, nhà D trường Nguyễn Đình Chiểu .................................................55
Hình 5-7 bản đồ 2D của nhà D, trường Nguyễn Đình Chiểu trên Google Map với
tọa độ thật ..................................................................................................................56
Hình 5-8 Mô tả 3D sử dụng OpenGL của tòa nhà B1, ĐHBKHN ...........................56
Hình 5-9 Mô tả 3D sử dụng ngôn ngữ COLLADA ..................................................57
Hình 5-10 Thể hiện 2D của mô hình dưới dạng đa giác ...........................................57
Hình 5-11 Visibility Map của môi trường ................................................................59
Hình 5-12 Đường đi ngắn nhất giữa hai điểm bất kì tầng 8, tòa nhà B1, DHBKHN
...................................................................................................................................60
Hình 5-13 Đường đi ngắn nhất giữa hai điểm bất kì với các cửa và vật cản được cập
nhật. ...........................................................................................................................60
vi
Hình 5-14 Kết quả định vị trong nhà sử dụng WiFi với việc áp dụng thông tin môi
trường. .......................................................................................................................61
Hình 5-15 Phân bố lỗi của kết quả định vị và Độ tin cậy của các kết quả định vị ...62
vii
PHẦN MỞ ĐẦU
Hiện nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của mạng internet và các thiết bị
cầm tay (điện thoại thông minh, máy tính bảng,…) việc kết hợp công nghệ cao vào
nhằm đưa ra các giải pháp phục vụ, nâng cao đời sống con người hàng ngày đang
dần trở nên phổ biến. Chính sự kết hợp này đã cho phép giải quyết một số các bài
toán như: xây dựng môi trường nhà thông minh, văn phòng thông minh, hỗ trợ
người khiếm thị di chuyển trong môi trường có vật cản di động hay cho phép robot
tự hành di chuyển và thực hiện các tác vụ phục vụ con người trong môi trường phức
tạp. Xuất phát từ các điều kiện và nhu cầu trên, việc nghiên cứu và phát triển một hệ
thống môi trường cảm thụ thông minh hoàn thiện, có thể ứng dụng và phát triển
nhanh chóng cho mục đích khác nhau là vô cùng cần thiết.
Một trong những bài toán nền tảng nhằm triển khai một hệ thống môi trường
thông minh là việc tái tạo và quản lý môi trường vật lý trên hệ thống thông tin hay
còn gọi là bài toán mô hình hóa thông tin môi trường. Giải quyết bài toán này sẽ
giúp hệ thống có những thông tin cơ bản và quan trọng về môi trường thực tế để từ
đó xây dựng những hệ thống xử lý thông minh một cách chính xác. Luận văn này sẽ
tập trung giải quyết bài toán nói trên hướng tới cho phép mô hình hóa và biểu diễn
thông tin môi trường nhanh chóng, chính xác và tiết kiệm. Ở đây, môi trường được
quan tâm sẽ là các tòa nhà hoặc một phần của tòa nhà nơi triển khai hệ thống môi
trường cảm thụ. Thông tin môi trường được mô hình hóa bao gồm: (1) thông tin về
kích thước, hình dạng, chất liệu của cấu trúc vật lý trong môi trường (tường, cửa ra
vào, cửa sổ, cầu thang, thang máy, sàn nhà …); (2) thông tin ngữ cảnh về môi
trường cũng như người dùng (tên vùng, vật liệu cấu thành, đặc điểm quan tâm, sở
thích người dùng, …); và (3) thông tin về các đối tượng tĩnh (các cảm biến, các vật
dụng tĩnh,..) được quan tâm trong bài toán cụ thể.
Việc thu thập và mô hình hóa thông tin môi trường đã được triển khai với
nhiều phương pháp khác nhau trên thế giới. Hai phương pháp chính được sử dụng
hiện nay như: Phương pháp mô hình hóa tự động (sử dụng robot và các cảm biến
1
môi trường) và phương pháp mô hình hóa bán tự động (đòi hỏi có sự can thiệp, đo
đạc của con người). Tuy nhiên, với xuất phát điểm nhằm nghiên cứu bài toán định
vị trong nhà và dẫn đường cho người khiếm thị đòi hỏi độ chính xác cao với chi phí
thấp, việc áp dụng các phương pháp tự động hoàn toàn gặp nhiều khó khăn. Vì
vậy,trong luận văn này, một phương pháp thu thập và lưu trữ thông tin môi trường
bán tự động sử dụng cấu trúc XML sẽ được nghiên cứu và phát triển thành một bộ
công cụ mô hình hóa môi trường hoàn thiện nhằm giải quyết các vấn đề trên.
Với nghiên cứu trình bày trong luận văn này, tác giả mong muốn sẽ xây
dựng được một bộ công cụ mô hình hóa thông tin môi trường hoàn thiện nhằm đóng
góp vào việc triển khai các hệ thống môi trường cảm thụ cả ở mức độ nghiên cứu và
thực tiễn một cách hiệu quả. Trước mắt, kết quả của luận văn sẽ được ứng dụng vào
các đề tài cấp cao hơn như: đề tài liện kết Việt – Bỉ (VLIR), đề tài cấp bộ mã số
B20130148.
Kết quả của luận văn bao gồm:
-
Báo cáo luận văn
-
Cấu trúc chuẩn XML cho phép mô tả thông tin môi trường một cách tổng
quát, có khả năng áp dụng cho nhiều môi trường khác nhau.
-
Bộ công cụ hoàn thiện mô hình hóa môi trường cho phép biểu diễn môi
trường dưới nhiều hình thức (Cơ sở dữ liệu MySQL, mô hình 2D, mô hình
3D).
-
Mô-đun sử dụng thông tin môi trường nhằm hỗ trợ các bài toán môi trường
cảm thụ (Mô-đun hỗ trợ tìm đường đi ngắn nhất trong môi trường động, môđun giúp cải thiện chất lượng định vị trong nhà sử dụng thông tin môi
trường).
-
Các bài báo liên quan đến kết quả luận văn:
o Dinh-Van Nguyen, Eric Castelli, Trung-Kien Dao, Duc-Tho Le, LanHuong Nguyen, Salim Attig, "Application of Environment Constraints
2
on Improving Localization Accuracy", The 8th International Conference on Ubiquitous Information Technologies and Applications
(CUTE2013) – December 2013. – Best Paper Award
o Trung-Kien Dao, Hung-Long Nguyen, Thanh-Thuy Pham, Eric Castelli, Viet-Tung Nguyen, and Dinh-Van Nguyen, “User Localization
in Complex Environments by Multimodal Combination of GPS, WiFi,
RFID, and Pedometer Technologies”, The Scientific World Journal,
vol. 2014, Article ID 814538, 7 pages, 2014
o Dinh-Van Nguyen, Trung-Kien Dao, Eric Castelli, Long Nguyen, “A
Method for Efficient Environment Modeling in Pervasive Applications”, The 2014 IEEE Fifth International Conference on Communications and Electronics.
o Nguyen Quoc Hung, Vu Hai, Tran Thi Thanh Hai, Dinh-Van Nguyen, Nguyen Quang Hoan, “Navigation system for visually impaired
people in small scale using assistant Robot”, 2014 National Conference on Electronics, Communications and Information Technology,
Nha Trang – Viet Nam.
3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Các khái niệm cơ bản
Bài toán môi trường cảm thụ là bài toán xây dựng hệ thống thông minh cho phép
con người tương tác với môi trường sinh hoạt thông qua mạng các cảm biến (Sensors network) hay các thiết bị di động thông minh. Mục tiêu chính của bài toán này
nhằm xây dựng một môi trường sống thông minh, hiện đại, phục vụ tốt hơn nhu cầu
của con người. Một số ví dụ điển hình về bài toán này có thể kể đến như: nhà thông
minh, văn phòng thông minh, hỗ trợ người khuyết tật bằng hệ thống cảm biến hay
theo dõi và cảnh báo bất thường các bệnh nhân trong bệnh viện,… Trong các bài
toán này, môi trường sinh hoạt được hướng tới rất đa dạng, không giới hạn trong
nhà hay ngoài trời. Tuy nhiên, có những điểm khác biệt lớn khi triển khai bài toán
môi trường cảm thụ ở từng môi trường khác nhau. Một trong những sự khác biệt có
thể kể đến là việc giải quyết bài toán nền tảng mô hình hóa thông tin môi trường.
Bài toán mô hình hóa thông tin môi trường là bài toán nền tảng vô cùng quan
trọng của mọi bài toàn môi trường cảm thụ. Giải quyết bài toán này, thông tin về
môi trường sinh hoạt vật lý sẽ được thu thập, ghi nhận, tái tạo và quản lý trên hệ
thống máy tính nhằm hỗ trợ các bộ máy xử lý thông minh cho bài toán môi trường
cảm thụ. Các thông tin môi trường được mô tả trong bài toán mô hình hóa thông tin
môi trường cũng hết sức đa dạng như: thông tin về cấu trúc vật lý của môi trường,
thông tin về ngữ nghĩa của môi trường, các thông số về nhiệt độ, độ ẩm, ảnh sáng
và đặc tính của môi trường,… Tùy thuộc vào yêu cầu của bài toán môi trường cảm
thụ cũng như môi trường sinh hoạt được hướng tới để triển khai, các thông tin môi
trường cần được mô hình hóa cũng thay đổi. Trong hơn mười năm qua, rất nhiều
các hệ thống mô hình hóa môi trường được nghiên cứu và phát triển. Có thể kể đến
như hệ thống Modular Modeling System (MMS)[15], Open Modeling Engine
(OME) [24], Regional Analysis by Intelligetn Systems on MicroComputer
(RAISON) [5] hay UbikSim [10]… Bên cạnh các hệ thống thử nghiệm này, đã có
4
những hệ thống rất thành công như Geographic Information System (GIS) [3],[4], kĩ
thuật mô hình hóa sử dụng Kinect hoặc sử dụng đèn laser,… Tùy thuộc vào đặc
điểm của môi trường cần mô hình hóa mà các phương pháp trên sẽ có những ưu
nhược điểm khác nhau.
Trong khuôn khổ luận văn, các bài toán môi trường cảm thụ sẽ hướng tới các
môi trường trong nhà như: nhà ở, văn phòng làm việc, kí túc xá, bệnh viện,.. Hai bài
toán môi trường cảm thụ cụ thể được giải quyết ở đây là (1) bài toán định vị và đưa
ra các dịch vụ dựa trên vị trí cho người dùng trong nhà cũng như (2) bài toán hỗ trợ
người khiếm thị di chuyển trong môi trường trong nhà. Với việc xử lý các bài toán
như trên, thông tin môi trường cần được mô tả sẽ được xác định trong phạm vi như
sau:
-
Thông tin vật lý về cấu trúc của toàn nhà, văn phòng,.. nơi triển khai hệ
thống môi trường cảm thụ. Cụ thể là mô tả kích thước, chất liệu các đối
tượng như: tường, cửa ra vào, cửa sổ, trần nhà, cầu thang, thang máy,…
-
Thông tin ngữ nghĩa của môi trường nơi triển khai hệ thống môi trường cảm
thụ như: tên vùng, quyền hạn truy cập từng vùng của người dùng,…
-
Thông tin về các đối tượng tĩnh nếu được quan tâm như: bàn, ghế, các cảm
biến môi trường,…
Với phạm vi môi trường này, luận văn sẽ nghiên cứu và đưa ra một giải pháp mô
hình hóa thông tin môi trường bán tự động với các tiêu chí như sau:
-
Khả năng triển khai mô hình hóa thông tin môi trường ở mức thử nghiệm và
thực tế cao, hiệu quả, đáp ứng đa dạng môi trường.
-
Chi phí thấp, chính xác và nhanh chóng.
-
Hỗ trợ nhều mục đích sử dụng trong bài toán môi trường cảm thụ.
-
Hỗ trợ mô hình hóa thông tin ngữ nghĩa của môi trường một cách hiệu quả.
5
1.2 Đặt vấn đề
Như đã trình bày ở phần trên, Bối cảnh nghiên cứu của luận văn là việc triển
khai một hệ thống môi trường cảm thụ phục vụ bài toán định vị trong nhà và dẫn
đường cho người khiếm thị. Trong điều kiện phát triển của hai bài toán này, các tiêu
chí chính được đặt ra như sau:
-
Khả năng mô hình hóa thông tin môi trường nhanh chóng.
-
Độ chính xác cao nhằm đảm bảo an toàn cho người dùng (người khiếm thị)
cũng như đảm bảo độ chính xác cho bài toán định vị trong nhà.
-
Có khả năng mô tả ngữ nghĩa cho môi trường tốt.
-
Chi phí đầu tư thấp nhằm triển khai được ở các môi trường nhỏ và vừa, các
công trình công cộng, từ thiện.
Tuy nhiên, các phương pháp mô hình hóa thông tin môi trường sẵn có không
hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu này. Điểm thiếu sót của các phương pháp này
sẽ được phân tích kĩ hơn ở chương 2. Vì vậy, cần thiết phải xây dựng một phương
pháp mô hình hóa thông tin môi trường mới, giải quyết được các vấn đề trên.
1.3 Cấu trúc luận văn
Luận văn sẽ được trình bày thành các phần chính như sau:
-
Chương 1: Giới thiệu chung về bài toán mô hình hóa môi trường. Đưa ra cấu
trúc tổng quát của luận văn.
-
Chương 2: Khái quát về các phương pháp mô hình hóa môi trường đã và
đang được nghiên cứu. Những điểm mạnh và điểm yếu của những phương
pháp mô hình hóa này cũng sẽ được đặt ra nhằm giải thích lý do và phạm vi
lựa chọn đề tài của luận văn.
6
-
Chương 3: Trình bày cơ bản về phương pháp mô hình hóa môi trường sử
dụng văn bản XML và một số công cụ hỗ trợ. Thiết kế và các điểm đặc biệt
trong phương pháp mô hình hóa này cũng sẽ được trình bày.
-
Chương 4: Trình bày các mô-đun tự động đi kèm phương pháp mô hình hóa
môi trường này. Các mô đun này nhằm hỗ trợ chuyển hóa văn bản XML
sang các định dạng dữ liệu khác nhau phục vụ cho nhiều mục đích khác
nhau. Bên cạnh đó, các ứng dụng sử dụng thông tin môi trường, thông tin
ngữ nghĩa cũng sẽ được trình bày nhằm tối ưu hóa việc sử dụng mô hình.
-
Chương 5: Đưa ra các thử nghiệm và kết quả chứng minh tính đúng đắn của
phương pháp cũng như hiệu quả của nó. Các thử nghiệm được tiến hành
trong hai môi trường thực tế khác nhau và đưa ra những kết quả tương đối
khả quan.
7
CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP
MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƢỜNG
Có rất nhiều phương pháp mô hình hóa môi trường đã được nghiên cứu và tìm
hiểu trong những năm gần đây, tuy nhiên các cách tiếp cận thường được chia thành
2 hướng chính: (1) Hướng tiếp cận tự động và (2) hướng tiếp cận bán tự động. Các
hướng tiếp cận này sẽ được phân tích kĩ hơn dưới đây.
2.1 Các phƣơng pháp mô hình hóa thông tin môi trƣờng
tự động
Một ví dụ điển hình của các phương pháp tiếp cận này là việc sử dụng robot tự
hành với những cảm biến như : cảm biến hồng ngoại, cảm biến âm thanh , cảm biến
laser để tiến hành đo đạc môi trường [2],[16], [11] . Các thông tin thu thập được sẽ
được xử lý dựa trên các thuật toán hình học nhằm đưa ra các mô phỏng 2D hoặc 3D
tương ứng. Các kĩ thuật này có chi phí đầu tư khá cao, phụ thuộc vào mức độ chính
xác của các cảm biến, khả năng di chuyển của robot và yêu cầu bài toán. Bên cạnh
đó, việc mô hình hóa môi trường thông qua các kết quả thu nhận từ cảm biến sẽ
khiến cho quá trình cập nhật môi trường sau này đòi hỏi phải tiến hành các bước
tương tự dẫn đến khả năng áp dụng thực tế cho các bài toán môi trường cảm thụ bị
hạn chế. Một trong những vấn đề lớn nhất của phương pháp này là việc xử lý nhiễu
sinh ra do quá trình vận hành robot, nhiễu từ các sensor và nhiễu từ môi trường
[13], [8]. Các nhiễu trong quá trình xây dựng bản đồ (2D hoặc 3D) của phương
pháp này thường được tích lũy và dẫn đến sai số lớn dần tỉ lệ với độ dài quãng
đường robot dịch chuyển (như được minh họa trong Hình 2-1).
8
Hình 2-1 Một ví dụ về RobotMapping sử dụng cảm biến. Lỗi bị tích lũy dần theo
thời gian. Hình (a)thể hiện đồ thị được vẽ bởi robot so với đồ thị thực tế và (b) thể
hiện một doạn đường đi thẳng bị sai số tích lũy của robot [26].
Một hạn chế nữa của phương pháp này là việc mô hình không gian ba chiều.
Vấn đề này có thể thấy rõ ràng thông qua việc Robot di chuyển trong môi trường rất
khó để thu thập đủ thông tin ba chiều về các vật thể xung quanh. Lỗi dữ liệu trong
trường hợp này sẽ được tích lũy ở cả 3 trục X,Y,Z thay vì chỉ X,Y như trong trường
hợp trên. Cùng với các thuật toán xử lý thông tin cảm biến và nhiễu như trên, các dữ
liệu môi trường trong phương pháp này thường được lưu trữ dưới dạng các cơ sở dữ
liệu kinh điển như SQL. Tuy đáp ứng được nhu cầu về xử lý và hiển thị dữ liệu,
SQL gặp vấn đề khi cần cập nhật và sửa chữa bởi người dùng thông thường. Bên
cạnh đó, việc mô tả ngữ nghĩa trực tiếp trên SQL là tương đối khó khăn và không
trong sáng.
Tuy nhiên, các phương pháp tự động thể hiện điểm mạnh của mình trong
việc mô phỏng toàn bộ môi trường không cần (hoặc cần rất ít) sự can thiệp của con
người. Do đó, việc sử dụng các phương pháp mô hình hóa thông tin môi trường này
rất thích hợp cho các bài toán môi trường cảm thụ có môi trường cần mô hính hóa
lớn, yêu cầu độ chính xác không cao và bao gồm các vùng không thể đo đạc, thu
thập thông tin bằng tay.
9
2.2 Các phƣơng pháp mô hình hóa thông tin môi trƣờng
bán tự động
Các phương pháp mô hình hóa bán tự động thường đòi hỏi có sự can thiệp
nhiều từ con người với việc đo đạc, thu thập và ghi nhận thông tin từ môi trường.
Các thông số đo đạc được sau đó sẽ được xây dựng lại bằng các phần mềm xây
dựng 3D chuyên nghiệp như: Google Sketchup, AutoCAD, 3Dmax, Sweethome…
Thông thường, các phần mềm này hỗ trợ hiển thị mô hình 3D rất chính xác với các
công cụ cho phép trích xuất thông tin ra các định dạng khác nhau như: XML, csv,…
Một trong những vấn đề của phương pháp này là khả năng lưu trữ thông tin
một cách trong sáng và dưới nhiều định dạng khác nhau. Người dùng sẽ cần phải có
kĩ năng xây dựng đồ họa 3D rất tốt nhằm mô phỏng và cập nhật môi trường khi cần
thiết. Các định dạng lưu trữ như XML của các phần mềm này là khá phức tạp và
không hỗ trợ mô tả ngữ nghĩa cho môi trường. Thêm vào đó, thời gian triển khai
của một môi trường sử dụng phương pháp bán tự động phụ thuộc nhiều vào diện
tích môi trường, kĩ năng mô phỏng và yêu cầu của bài toán môi trường cảm thụ.
Tuy nhiên, phương pháp tiếp cận này cũng có ưu điểm như: mô hình có độ
chính xác cao (so với phương pháp tự động hoàn toàn) do tránh được các nhiễu thiết
bị, chi phí đầu tư thấp và phù hợp cho các môi trường vừa và nhỏ.
2.3 Đánh giá và nhận xét
Hai phương pháp trên có những lợi thế riêng biệt tùy vào bài toán môi trường
cảm thụ cụ thể. Với các bài toán xác định cho môi trường rộng, không yêu cầu độ
chính xác quá cao (vài chục cm) và không hạn chế về kinh phí các phương pháp mô
phỏng tự động hóa tỏ ra rất hiệu quả. Tương ứng với đó, các bài toán môi trường
cảm thụ cho môi trường hẹp, đòi hỏi độ chính xác cao và hạn chế về kinh phí triển
khai, các phương pháp bán tự động sẽ được xem xét ưu tiên.
10
Do đó, phương pháp mô hình hóa được xác định trong luận văn này sẽ là
phương pháp mô hình hóa bán tự động. Tuy nhiên, nhằm hoàn thiện hơn nữa các
phương pháp bán tự động này để phục vụ hai bài toán môi trường cảm thụ đã đề cập
ở chương 1, các điểm yếu về khả năng mô tả trong sáng thông tin môi trường, mô tả
ngữ nghĩa của môi trường hay khả năng hiển thị, lưu trữ dưới nhiều dạng khác nhau
thông tin môi trường cần được cải thiện.
11
CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG GIẢI PHÁP MÔ HÌNH HÓA
MÔI TRƢỜNG
3.1 Phân tích thiết kế hệ thống
Từ những đánh giá trên về các hệ quản trị cơ sở dữ liệu cũng như các phương
thức tiếp cận mô tả thông tin môi trường, người dùng và bối cảnh bằng hình ảnh,
bài toán đặt ra trong luận văn này là việc xử lý các điểm yếu của các hướng tiếp cận
đó nhằm đưa ra một giải pháp kết hợp có tính ứng dụng cao. Các yêu cầu được đặt
ra cho hệ cơ sở dữ liệu cần thiết kế như sau:
-
Đảm bảo thông tin bối cảnh người dùng: Các thông tin về đối tượng trừu
tượng trong môi trường như các vùng, các phòng, cầu thang máy hay cầu
thang bộ… phải được mô tả một cách chính xác và đầy đủ nhằm đưa ra các
dịch vụ dựa trên bối cảnh người dùng một cách chính xác nhất.
-
Đảm bảo tính chính xác của thông tin môi trường: Thông tin thu thập được
từ môi trường như độ cao, chiều dài, rộng, các vật liệu và ảnh hưởng của vật
liệu đến môi trường phải được đảm bảo trong quá trình mô tả. Đây là các
thông tin đóng vai trò quan trọng cho tính chính xác của mô-đun định vị
trong nhà.
-
Đáp ứng đa dạng các yêu cầu về định dạng cơ sở dữ liệu: Các bài toán về
môi trường thông minh thường đặt ra cho nhà quản lý nhiều yêu cầu đa dạng
như: mô phỏng môi trường, quản lý tài nguyên, tính toán thời gian thực
thông tin môi trường … Các yêu cầu này phải được xử lý thông qua cơ sở dữ
liệu môi trường một cách đồng bộ và nhanh chóng. Do đó, cơ sở dữ liệu
được thiết kế phải đáp ứng được đa dạng các yêu cầu từ xử lý thông tin đến
hiển thị và trình bày thông tin/ tri thức thu thập được.
-
Tính khả dụng, độ linh hoạt cao: Thông tin về môi trường bao gồm môi
trường tĩnh (vd: kết cấu tòa nhà, các thiết bị cố định,…), môi trường động
12
(vd: các đối tượng di chuyển như người dùng, cửa đóng mở, robot,…) và các
thông tin trừu tượng (vùng, phân cấp quyền theo vùng của người dùng,…).
Các thông tin này phải liên tục được cập nhập nhằm đáp ứng sự thay đổi của
môi trường và đảm bảo tính chính xác của hệ thống. Vì thế, cơ sở dữ liệu đề
ra phải có tính đa dạng, linh hoạt cao, dễ dàng cho người dùng thiết kế và
cập nhật, thay đổi.
Với các yêu cầu trên, phương án được đặt ra trong luận văn này là hướng tiếp
cận lai ghép giữa những hướng cũ như mô tả Ontology, xử dụng nền tảng SQL hay
mô hình 3D của môi trường. Phương pháp tiếp cận này sẽ giúp cơ sở dữ liệu tránh
được những điểm yếu của từng biện pháp cũng như tận dụng được những điểm
mạnh của chúng.
Quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu được mô tả trong Hình 3-1 dưới đây.
Xschemas
Verification
Automatic Module
System Database
(MySQL)
Automatic Module
Visualization
(3D, 2D)
Automatic Processing
Modules
System Interface/
Visualizaton
XML
Pre-Processing
User Input
Hình 3-1 Tổng quan về hệ thống mô hình hóa môi trường
Trong đó, quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu môi trường được chia làm 3 phần
chính:
-
Xử lý dữ liệu đầu vào (tiền xử lý)
13
-
Xây dựng mô hình môi trường với cấu trúc văn bản XML
-
Chuyển đổi tự động các định dạng cơ sở dữ liệu
-
Thể hiện và ứng dụng vào bài toán môi trường cảm thụ
Trong các chương tiếp theo của luận văn, từng phần của bộ công cụ sẽ được mô
tả về thiết kế, triển khai kèm theo những đánh giá về ưu khuyết điểm của chúng.
3.2 Bƣớc tiền xử lý thông tin môi trƣờng
Tiền xử lý thông tin môi trường là một trong những bước đầu tiên nhằm số
hóa các thông tin thu thập được từ môi trường thực tế. Nhiệm vụ chính của bước
này là xây dựng một mô tả có hệ thống ban đầu kèm theo các thông số (chiều cao,
chất liệu, tính chất vật liệu) của môi trường nhằm phục vụ lưu trữ dưới một cấu trúc
nhất định ở bước sau. Bên cạnh đó, đây cũng là bước xác định hệ trục tọa độ địa
phương (hệ trục tọa độ của môi trường cần xét) tương ứng với hệ trục tọa độ trái đất
(ở đây, chúng ta xét đến kinh độ, vĩ độ và cao độ) nhằm thực hiện các bước biến đổi
tương ứng sau này.
Với một môi trường bất kì, công việc đầu tiên cho quá trình mô hình hóa môi
trường sẽ là các bước đo đạc, thu thập về kích thước cũng như tính chất của các đối
tượng trong môi trường. Khác với cách tiếp cận bằng các công cụ mô hình 3D
chuyên dụng đã đề cập ở chương II, ở bước này, một mô hình 2 chiều đơn giản của
môi trường được xây dựng với sự hỗ trợ của công cụ AutoCAD. Việc xây dựng một
mô hình 2D với AutoCAD dựa trên các khảo sát thực tế, bản vẽ kĩ thuật của môi
trường (với đa số các tòa nhà, bản vẽ 2D AutoCAD là hoàn toàn có sẵn) là đơn giản
hơn so với việc xây dựng mô hình 3D của toàn bộ môi trường. Bên cạnh đó, thông
tin môi trường thu được từ bản vẽ này cũng sẽ được tận dụng và tự động trích xuất
nhằm đưa về định dạng thông tin XML sẽ được trình bày trong mục sau. Một ví dụ
về mô hình 2D đơn giản của môi trường được thể hiện trong Hình 3-2 sau:
14
Hình 3-2 Ví dụ về mô hình AutoCAD 2D của môi trường
Sau khi thu được bản vẽ 2D này, các thông tin về tọa độ điểm, các tường,
cửa sẽ được trích xuất tự động nhờ một thuật toán tìm kiếm, so sánh thuần túy. Tọa
độ trong bản vẽ này cũng sẽ được sử dụng làm hệ trục tọa độ địa phương cho môi
trường được mô hình.
Tuy nhiên, ở bước này, tọa độ của các điểm, tường và cửa được trích xuất là
tọa độ địa phương (local coordinate) với gốc tọa độ nằm tại một điểm được xác định
trong tòa nhà. Nhằm đảm bảo tính tổng quan và khả dụng cho môi trường, tọa độ
địa phương này sẽ được chuyển đổi sang tọa độ trái đất ( kinh độ, vĩ độ, cao độ).
Việc chuyển đổi hệ tọa được thực hiện dựa trên việc lựa chọn điểm gốc của tọa độ
địa phương và xác định kinh độ, vĩ độ của điểm này trên thực tế. Điểm gốc này sẽ
được gọi là origin. Một điểm bất kì theo trục Ox của tòa nhà cũng sẽ được xác định
kinh độ, vĩ độ và được đặt tên extent. Khi đó, hệ trục tọa độ địa phương (các vec tơ
Oy, Oz còn lại) sẽ được xác định tự động như trong Hình 3-3:
15
Oz
Oy
Ox
origin
extent
Hình 3-3 Hệ trục tọa độ địa phương
Sau đó, việc ánh xạ điểm giữa hai hệ trục tọa độ (địa phương và trái đất) sẽ
được xác định bằng thuật toán đề xuất bởi Michael Kleder [20].
3.3 Xây dựng cấu trúc văn bản XML mô tả thông tin môi
trƣờng
Như đã trình bày ở trên, kết thúc bước tiền xử lý, thông tin môi trường thu
nhận được sẽ phần nào được tự động biểu điễn và trích xuất từ bản vẽ AutoCAD.
Tuy nhiên, thông tin trích xuất cần được lưu trữ ở một cấu trúc xác định và có tính
ứng dụng cao. Giải pháp được lựa chọn ở đây là xây dựng một cấu trúc văn bản
XML để thể hiện mô hình của môi trường.
3.3.1 Tại sao XML
Extensible Markup Language (XML) là một ngôn ngữ được xây dựng nhằm
mô tả thông tin, không bị phụ thuộc vào phần mềm/phần cứng nhất định và có khả
năng lưu trữ thông tin phong phú. XML đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực
khác nhau như: thể hiện đồ họa 3D, thể hiện thông tin ngữ nghĩa (ontology) hay trở
thành một cơ sở dữ liệu hiệu quả cho rất nhiều phần mềm khác nhau… Những điểm
mạnh được hướng tới của XML trong luận văn này bao gồm: cấu trúc linh hoạt, tính
16
độc lập và phổ dụng, khả năng truyền tải và mô tả ngữ nghĩa cao cũng như việc
XML rất dễ sử dụng.
Tinh linh hoạt của cấu trúc là tính chất giúp người dùng có thể mở rộng mô
tả XML có sẵn mà vẫn đảm bảo tính đúng đắn của dữ liệu. Một ví dụ cho trường
hợp này là một mô tả thiết bị được định nghĩa như sau:
<xs:element name="device">
<xs:complexType>
<xs:attribute name="type" type="xs:string"/>
<xs:attribute name="name" type="xs:string"/>
<xs:attribute name="class" type="xs:string"/>
<xs:attribute name="lat" type="xs:double"/>
<xs:attribute name="long" type="xs:double"/>
<xs:attribute name="alt" type="xs:double"/>
<xs:attribute name="area" type="xs:string"/>
</xs:complexType>
</xs:element>
Với việc định nghĩa phần tử device như trên, mô tả của device trong văn bản
XML sẽ trở nên linh hoạt với phần tử param được định nghĩa mở. Cùng với định
nghĩa device như trên, một số mô tả thực tế của XML có thể được sử dụng như sau:
<device type="camera" name="Galaxy Tab" class="CamAndroid" >
</device>
--------------------------------------------------------------------------
</device>
--------------------------------------------------------------------------
long="105.84666721522808" alt="31" floor="8th" area="Hallway" >
</device>
Ở ví dụ này, 3 thiết bị (device) khác nhau được mô tả dựa theo cùng một định nghĩa
ban đầu.
Tính độc lập và phổ dụng cũng là một trong những điểm mạnh của văn bản
XML. Do XML là một ngôn ngữ mô tả dữ liệu dạng văn bản, các thông tin ở đây sẽ
17
được hiểu không phụ thuộc vào phần mềm, trình biên dịch hay các thiết bị phần
cứng nào. Thêm vào đó, XML còn được chọn lựa để làm cấu trúc dữ liệu trung gian
cho nhiều phần mềm như: Google sketchup, 3Dmax (mô hình 3D) hay Google
maps, open streetview (mô hình 2D) … Nhờ tính chất này, XML sẽ dễ tương tác và
hỗ trợ hơn với các hệ thống sẵn có
Khả năng mô tả ngữ nghĩa cũng là một trong những điểm mạnh đáng kể nhất
của XML. Điển hình cho khả năng này là các ngôn ngữ mô tả ngữ nghĩa Ontology
thường được xây dựng trên nền tảng của XML (RDF, DAML, SHOE,…) Với mục
tiêu hướng tới một môi trường cảm thụ có xét đến các thông tin ngữ cảnh, một ngôn
ngữ giàu tính mô tả ngữ nghĩa như XML sẽ trở nên vô cùng hữu ích. Đây cũng là
điểm mạnh của mô tả XML so với cách tiếp cận bằng xử lý ảnh hoặc bằng các phần
mềm mô phỏng không gian ba chiều khác.
Cuối cùng, tính đơn giản, dễ học dễ sử dụng cho phép người dùng (với kiến
thức cơ bản, đơn giản về XML) có thể đóng góp và sửa chữa thông tin môi trường
khi cần thiết. Khác với việc tiếp cận sử dụng các phần mềm xây dựng hình ảnh ba
chiều hay xử lý ảnh, cập nhật thông tin ở các văn bản XML sẽ đơn giản hơn rất
nhiều, không tốn nhiều thời gian, chi phí cho những cập nhật nhỏ của môi trường.
3.3.2 Hƣớng thiết kế cấu trúc XML cho mô hình hóa môi trƣờng
Để thiết kế một văn bản XML có tính cấu trúc và có khả năng kiểm tra tính
đúng đắn của dữ liệu, một mô tả XML schema sẽ được xây dựng. XML schema là
một văn bản nhằm mô tả cấu trúc cho một nhóm các văn bản XML nào đó. Ví dụ về
một mô tả XML schema được trình bày như sau:
<?xml version="1.0"?>
<xs:schema xmlns:xs=" />targetNamespace=""
xmlns="">
<xs:element name="point">
<xs:complexType>
<xs:attribute name="name" type="xs:string"/>
<xs:attribute name="lat" type="xs:double"/>
<xs:attribute name="long" type="xs:double"/>
18
