Nghiên cứu kỹ thuật số hóa hiện vật sử dụng công nghệ 3d

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ
TRUYỀN THÔNG

ĐINH THỊ
HƯƠNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT SỐ HÓA HIỆN
VẬT SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ 3D

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY
TÍNH

THÁI NGUYÊN - 2016


i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu kỹ thuật số hóa hiện vật sử dụng
công nghệ 3D” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi tìm hiểu, nghiên cứu dưới
sự hướng dẫn của PGS.TS ĐỖ NĂNG TOÀN. Các kết quả là hoàn toàn trung thực,
toàn bộ nội dung nghiên cứu của luận văn, các vấn đề được trình bày đều là những tìm
hiểu và nghiên cứu của chính cá nhân tôi hoặc là được trích dẫn từ các nguồn tài liệu
được trích dẫn và chú thích đầy đủ.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Đinh Thị Hương


ii

LỜI CẢM ƠN
Học viên xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô giáo Viện
công nghệ thông tin, các thầy cô giáo Trường Đại học Công nghệ thông tin và
truyền thông - Đại học Thái Nguyên đã mang lại cho học viên kiến thức vô cùng quý
giá và bổ ích trong suốt quá trình học tập chương trình cao học tại trường. Đặc biệt học
viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS ĐỖ NĂNG TOÀN đã định
hướng khoa học và đưa ra những góp ý, gợi ý, chỉnh sửa quý báu, quan tâm, tạo điều
kiện thuận lợi trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng, học viên xin chân thành cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp, gia đình
và người thân đã quan tâm, giúp đỡ và chia sẻ với học viên trong suốt quá trình học
tập .
Do thời gian và kiến thức có hạn nên luận văn chắc không tránh khỏi
những thiếu sót nhất định. Học viên rất mong nhận được những sự góp ý quý báu
của

thầy cô và các bạn.

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2016
HỌC VIÊN

Đinh Thị Hương

MỤC LỤC


iii
LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC.................................................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................... v

MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TOÁN SỐ HÓA HIỆN
VẬT............................................................................................................ 3
1.1 Khái quát về đồ họa 3D........................................................................................ 3
1.1.1 Đồ họa 3D ......................................................................................................... 3
1.1.2 Các kỹ thuật đồ họa ........................................................................................... 6
1.1.2.1 Kỹ thuật đồ hoạ điểm (Sample based-Graphics) ........................................... 6
1.2.2.2 Kỹ thuật đồ họa Vector .................................................................................. 8
1.1.3 Các chuẩn giao diện của hệ đồ hoạ. ................................................................ 10
1.1.4 Phân mêm đô hoa (Graphics Software). ......................................................... 10
1.1.5 Phân cứng đô hoa (Graphics Hardware) ......................................................... 12
1.1.6 Các ứng dụng cơ bản của đồ hoạ 3D .............................................................. 13
1.2 Bài toán số hóa hiện vật 3D ............................................................................... 14
1.2.1 Giới thiệu bài toán số hóa .............................................................................. 14
1.2.2 Quy trình số hóa .............................................................................................. 17
1.2.3 Ưu điểm và hạn chế................................................................................ 18
CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT SỐ HÓA 3D ................................................ 20
2.1 Các dang hinh hoc cơ ban .................................................................................. 20
2.1.1 Shape ............................................................................................................... 20
2.1.2 Cube ................................................................................................................ 20
2.1.3 Cylinder ........................................................................................................... 20
2.1.4 Cone ................................................................................................................ 21
2.1.5 Sphere.............................................................................................................. 21
2.1.6 Ưu và nhược điểm ........................................................................................... 22
2.2 Kỹ thuật sử dụng máy quét 3 chiều.................................................................... 22
2.2.1 Khái niệm máy quét 3 chiều............................................................................ 22
2.2.2 Ý tưởng........................................................................................................... 24


iv

2.2.3 Sử dụng máy quét với Planmeca Romexis ..................................................... 24
2.3 Kỹ thuật sử dụng phần mêm chuyên dụng......................................................... 25
2.4 Kỹ thuật Marching cubes .................................................................................. 28
2.4.1 Ý tưởng ............................................................................................................ 28
2.4.2 Cách thức thực hiện ........................................................................................ 29
2.4.3 Ưu và nhược điểm của thuật toán Marching Cubes ....................................... 33
2.5 Kỹ thuật Shear-warp........................................................................................... 34
2.5.1 Ý tưởng ............................................................................................................ 34
2.5.2 Cách thức thực hiện ......................................................................................... 34
2.5.3 Ưu và nhược điểm .......................................................................................... 37
2.6 Các phương pháp biểu diễn bề mặt đa giác trong 3D ........................................ 37
2.6.1 Bề mặt đa giác ................................................................................................. 37
2.6.1.1 Biểu diễn lưới đa giác .................................................................................. 38
2.6.1.2 Phương trình mặt phẳng ............................................................................... 41
2.6.2 Đơn giản bề mặt - Thuật toán “độ đo sai số bậc hai QEM” (Quadric Error
Metric) ...................................................................................................................... 44
2.6.2.1 Một số khái niệm và giả thiết ban đầu của thuật toán.................................. 45
2.6.2.2 Ý tưởng và các bước của thuật toán ............................................................ 50
2.6.2.3 Kiểm tra tính toàn vẹn .................................................................................. 52
CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM .................................................. 54
3.1 Bài toán xây dựng phòng truyền thống ảo trường THPT chuyên tỉnh Bắc Kạn.54
3.2 Phân tich va lưa chon công cu............................................................................ 54
3.2.1 Số hóa .............................................................................................................. 54
3.2.2 Đặc tả yêu cầu ................................................................................................ 55
3.2.3 Mô hình ca sử dụng ......................................................................................... 55
3.2.4 Mô tả các ca sử dụng và tác nhân tương ứng ................................................. 55
3.2.5 Về công cụ...................................................................................................... 59
3.3 Kết quả thử nghiệm ............................................................................................ 59
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 65

Tiếng Việt................................................................................................................. 65


v
Tiếng Anh................................................................................................................. 65
Internet ............................................................................................................ 66

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 William Fetter kĩ thuật đồ họa máy tính năm 1960. ................................... 3
Hình 1.2 William Fetter xây dựng mô hình buồng lái máy bay cho hãng Boeing. .. 4


vi
Hình 1.3 Bề mặt được chiếu sáng bởi cả hai loại nguồn sáng. .................................. 6
Hình 1.4. Ảnh đồ hoạ điểm. ....................................................................................... 7
Hình 1.5.Kỹ thuật đồ hoạ điểm. ................................................................................. 7
Hình 1.6. Mô hình đồ hoạ vector. .............................................................................. 8
Hình 1.7. Ví dụ về đồ hoạ vector. .............................................................................. 9
Hình 1.8. Giao diện phần mềm 3Ds Max. ............................................................... 11
Hình 1.9. Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 3D ......................... 11
Hình 1.10 Các thành phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác....................................... 12
Hình 1.11 Các ứng dụng của kỹ thuật đồ hoạ. ........................................................ 14
Hình 1.12 Số hóa tài liệu .......................................................................................... 15
Hình1.13 Quy trình số hóa ....................................................................................... 17
Hình 2.1. Đinh nghia cac thanh phân cua môt Cube 3D.......................................... 20
Hình 2.2 Đinh nghia cac thanh phân cua môt Cylinder 3D. .................................... 21
Hình 2.3. Đinh nghia cac thanh phân cua môt Cone 3D.......................................... 21
Hình 2.4 Đinh nghia cac thanh phân cua môt Sphere 3D. ....................................... 22
Hình 2.5 Máy quét 3 chiều ....................................................................................... 23

Hình 2.6 Số hóa hiện vật 3D dựa vào phần mềm..................................................... 28
Hình 2.7 Chọn một tế bào từ khối dữ liệu ................................................................ 29
Hình 2.8 So sánh giá trị tại đỉnh với isovalue ......................................................... 30
Hình 2.9Đánh dấu những đỉnh nằm trong mặt phẳng .............................................. 30
Hình 2.10 Xây dựng bề mặt theo giá trị của các đỉnh .............................................. 30
Hình 2.11 Các trường hợp đối xứng......................................................................... 31
Hình 2.1215 trường hợp sau khi đã giản ước ........................................................... 31
Hình 2.13 Tạo chỉ số cho các đỉnh và cạnh............................................................. 31
Hình 2.14 Nội suy tính vị trí đỉnh của tam giác ...................................................... 32
Hình 2.15Hai mặt giao nhau tạo ra lỗ. ..................................................................... 32
Hình 2.16 Những mặt khác nhau của cùng một trường hợp .................................... 33
Hình 2.17 Minh họa thuật toán Shear-warp. ........................................................... 34
Hình 2.18 Các lát cắt của khối dữ liệu được dịch chuyển........................................ 35
Hình 2.19 Ma trận xem ........................................................................................... 36
Hình. 2.20 Lưới đa giác xác định bằng các chỉ số trong danh sách các đỉnh .......... 39


vii
Hình 2.21 Lưới đa giác xác định bởi danh sách các cạnh cho mỗi đa giác ( λ biểu
diễn giá trị rỗng). ...................................................................................................... 40
Hình 2.22 Biểu diễn mặt cầu bằng lưới đa giác ....................................................... 41
Hình 2.23 Một vật thể gồm nhiều khối hộp đặt sát nhau được giảm thiểu theo 2
cách........................................................................................................................... 46
Hình 2.24 Đơn giản hóa bề mặt ............................................................................... 47
Hình 2.25 Sau khi loại bỏ một cặp thì xuất hiện 1 mặt bị ngược............................. 52
Hình 2.26 Giải pháp của QEM................................................................................ 52
Hình 3.1 Ảnh phòng trưng bày ảo nhìn từ ngoài vào.............................................. 60
Hình 3.2 Ảnh một góc phòng trưng bày ảnh cán bộ lãnh đạo, tiêu biểu. ............... 61
Hình 3.3 Ảnh phòng trưng bày 3D các hiện vật bàn ghế, cờ thi đua, ti vi... ......... 61
Hình 3.4 Ảnh phòng trưng bày với các hiện vật nhìn từ trong ra ngoài. ................ 62

Hình 3.5. Ảnh góc phòng trưng bày......................................................................... 62

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bang 1.1. Đồ hoạ điểm và đồ hoạ vector ................................................................... 9
Bảng 2.1. Phần mềm hình ảnh Planmeca Romexis®: ............................................. 26
Bang 2.2. Cài đặt phân mêm .................................................................................... 27


viii


1
MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây việc sử dụng nhập vai trong thực tại ảo là một xu
hướng công nghệ tương đối mới và thích thú của cộng đồng nghiên cứu và phát triển
khoa học, quân sự và công nghiệp. Tuy nhiên như các công nghệ VR chính thức, nghiên
cứu được mở rộng trong quân sự, khoa học và áp dụng vào nhiều lĩnh vực như giáo dục,
nghệ thuật, văn hóa.... Nghiên cứu công nghệ thực tại ảo trong bảo tàng, tái tạo không
gian cổ xưa giúp người dùng có cái nhìn trực quan hơn, gìn giữ phát huy những giá trị tốt
đẹp của nhân loại, hay những bài toán trong công nghiệp áp dụng công nghệ 3D có
thể tạo ra các sản phẩm có hình dạng phức tạp, giá thành rẻ mà trước đây chỉ thủ công
mới làm được.
Ứng dụng công nghệ thực tại ảo khối công việc được chia làm hai mảng chính là:
Mô hình hóa và điều khiển. Để có một ứng dụng tốt, đẹp mắt và chân thực nhiệm vụ mô
hình hóa là việc hết sức quan trọng nó là bước được đánh giá còn quan trọng hơn nhiều
so với việc lập trình điều khiển, nhất là đối với những ứng dụng đòi hỏi độ chân thực cao
như trong lĩnh vực bảo tàng hay những lĩnh vực liên quan đến bảo tồn lưu trữ. Nó đòi hỏi
độ chính xác cao về kích thước và hình dáng, màu sắc... Học viên nhận thấy công việc mô

hình hóa hay số hóa các đối tượng 3D là rất quan trọng vì vậy luận văn lựa chọn đề tài
“Nghiên cứu kỹ thuật số hóa hiện vật sử dụng công nghệ
3D” nhằm hệ thống hóa các quy trình, các phương pháp số hóa hiện vật thông dụng nhất
hiện nay đồng thời nghiên cứu cũng nhằm đạt kết quả của mô hình có thể sử dụng cho
các ứng dụng tiếp theo đảm bảo yêu cầu về thời gian thực trong các ứng dụng thực
tại ảo.
Cấu trúc của luận văn bao gồm “Phần mở đầu”, “Phần kết luận” và ba chương nội
dung, cụ thể:
Chương 1: “Khái quát về đồ họa 3D và bài toán số hóa hiện vật”. Nội dung chính
của “Chương 1” là những vấn đề cơ bản về đồ họa 3D, đồng thời cũng nêu lên bài
toán số hóa hiện vật vai trò của nó trong các ứng dụng thực tại ảo.


2
Chương 2: “Một số kỹ thuật số hóa 3D”. Đây là nội dung chính của luận văn, nó tập
trung trình bày các phương pháp số hóa 3D, các vấn đề liên quan đến xử lý để tối ưu hóa
mô hình để cho kết quả tốt về bề mặt cũng như đảm bảo tốc độ tính toán .
Chương 3:“Chương trình thử nghiệm”. Đây là chương học viên trình bày kết quả
thử nghiệm số hóa Phòng truyền thống của Trường THPT Chuyên Bắc Kạn. Đây là một
sản phẩm thể hiện những kết quả đã được trình bày, tổng hợp trong luận văn.


3
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D
VÀ BÀI TOÁN SỐ HÓA HIỆN VẬT
1.1 Khái quát về đồ họa 3D
1.1.1 Đồ họa 3D
Đồ họa máy tính là một lĩnh vực nghiên cứu về cơ sở toán học, các thuật toán
cũng như các kĩ thuật để cho phép tạo, hiển thị và điều khiển hình ảnh trên màn hình
máy tính. Đồ họa máy tính có liên quan ít nhiều đến một số lĩnh vực như đại số, hình học

giải tích, hình học họa hình, quang học,... và kĩ thuật máy tính, đặc biệt là chế tạo phần
cứng (các loại màn hình, các thiết bị xuất, nhập, các vỉ mạch đồ họa...).
Theo nghĩa rộng hơn, đồ họa máy tính là phương pháp và công nghệ dùng trong
việc chuyển đổi qua lại giữa dữ liệu và hình ảnh trên màn hình bằng máy tính. Đồ họa
máy tính hay kĩ thuật đồ họa máy tính còn được hiểu dưới dạng phương pháp và kĩ thuật
tạo hình ảnh từ các mô hình toán học mô tả các đối tượng hay dữ liệu lấy được từ các đối
tượng trong thực tế. Thuật ngữ "đồ họa máy tính" (computer graphics) được đề xuất bởi
một chuyên gia người Mĩ tên là William Fetter vào năm 1960. Khi đó ông đang nghiên cứu
xây dựng mô hình buồng lái máy bay cho hãng Boeing.

Hình 1.1 William Fetter kĩ thuật đồ họa máy tính năm 1960
William Fetter đã dựa trên các hình ảnh 3 chiều của mô hình người phi công
trong buồng lái để xây dựng nên mô hình buồng lái tối ưu cho máy bay Boeing. Đây là
phương pháp nghiên cứu rất mới vào thời kì đó. Phương pháp này cho phép các nhà


4
thiết kế quan sát một cách trực quan vị trí của người lái trong khoang buồng lái.
William Fetter đã đặt tên cho phương pháp của mình là computer graphics...

Hình 1.2 William Fetter xây dựng mô hình buồng lái máy bay cho hãng Boeing
Hệ đồ họa bao giờ cũng có hai thành phần chính đó là phần cứng và phần mềm
[3]. 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, 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 [5]. Bề mặt đối tượng có thể được xây dựng bởi


5
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 3D
Có hai phương pháp biểu diễn tượng ba chiều là phương pháp biểu diễn bề mặt Breps (Boundary representations) và biểu diễn theo phân hoạch không gian (spacepartitioning representation).
Phương pháp B-reps mô tả đối tượng bằng một tập hợp các bê mặt giới hạn phần
bên trong của đối tượng với môi trường bên ngoài. Thông thường ta xấp xỉ các bề mặt
phức tạp bời các mảnh nhỏ hơn gọi là các mặt vá (patch). 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 ta áp dụng một dãy các phép biến đổi hình học ta có thể tạo ra nhiều phiên bản
của cùng một đối tượng. Do đó ta có thể quan sát vật thể ở nhiều vị trí, nhiều góc độ
khác nhau và cảm nhận của chúng ta về các hình vẽ ba chiều sẽ trực quan hơn, sinh động
hơn. Các phép biến đổi thường sử dụng là phép tịnh tiến, phép quay, phép biến dạng. Các
phép biến đổi được mô tả bằng các ma trận. Ma trận của mỗi phép biến đổi có dạng khác
nhau.
+ Vấn đề chiếu sáng (illumination)

Tác dụng của việc làm này là làm cho đối tượng trong máy tính giống với vật thể
mà ta nhìn trong thế giới thực. Để thực hiện công việc này ta cần các mô hình tạo
sáng.
Vật thể được chiếu sáng nhờ vào các ánh sáng đến từ nguồn sáng sau khi phản xạ
nhiều lần qua các vật thể xung quanh vật thể ta đang quan sát. Do vậy ánh sáng đến
được vật là ánh sáng tổ hợp từ khắp mọi hướng, ta gọi là ánh sáng xung quanh
(ambient light) hay ánh sang nền (background light).
Trên các bề mặt có hai loại hiệu ứng phát sáng là khuếch tán (difuse light - ánh
sáng phát đi theo mọi hướng) và phản xạ gương (specular light).


6
Nguồn sáng tự phát

Nguồn sáng phản xạ

Mặt người

Hình 1.3 Bề mặt được chiếu sáng bởi cả hai loại nguồn sáng
+ Vấn đề tạo bóng (Shading)
Để tạo bóng, có thể ứng dụng các mô hình xác định cường độ sáng theo nhiều kiểu
khác nhau tùy thuộc bài toán cụ thể. Đối với các vật có bề mặt phẳng ta có thể chỉ cần
tính một cường độ sáng chung cho một bề mặt là có thể hiển thị đối tượng tương đối thật.
Các vật có bề mặt cong ta phải tính cường độ sáng cho từng pixel trên bề mặt của nó.
Để tăng tốc độ ta có thể xấp xỉ các mặt cong bởi một tập hợp các mặt phẳng. Với
mỗi mặt phẳng này ta có thể áp dụng mô hình cường độ không đổi (Flat shading) hoặc
cường độ nội suy (Gouraud shading, Phong shading) để tạo bóng.
+ Trực quan hóa (Visualization)
Trực quan hóa trong đồ họa máy tính là sử dụng máy tính để tính toán dữ liệu sau đó
sử dụng đồ họa máy tính, đặc biệt là đồ họa 3D để minh họa, biểu diễn dữ liệu thành

những hình ảnh mà con người có thể hiểu được dễ dàng và giúp cho con người có thể
tương tác với dữ liệu. Dữ liệu đó có thể là các dữ liệu phát sinh do mô phỏng hoặc do đo
đạc trong thực tế. Kết quả biểu diễn phải biểu diễn chính xác tính chất của tập dữ liệu.
1.1.2 Các kỹ thuật đồ họa
1.1.2.1 Kỹ thuật đồ hoạ điểm (Sample based-Graphics)
- Các mô hình, hình ảnh của các đối tượng được hiển thị thông qua từng pixel (từng
mẫu rời rạc)


7
- Đặc điểm: Có thể thay đổi thuộc tính
+ Xoá đi từng pixel của mô hình và hình ảnh các đối tượng.
+ Các mô hình hình ảnh được hiển thị như một lưới điểm các pixel rời rạc.
+ Từng pixel đều có vị trí xác định, được hiển thị với một giá trị rời rạc (số
nguyên) các thông số hiển thị (màu sắc hoặc độ sáng).
+ Tập hợp tất cả các pixel của grid cho chúng ta mô hình, hình ảnh đối tượng mà
chúng ta muốn hiển thị.

Hình 1.4. Ảnh đồ hoạ điểm

t

Hình 1.5.Kỹ thuậ đồ hoạ điểm


8
- Phương pháp để tạo ra các pixel:
+ Phương pháp dùng phần mềm để vẽ trực tiếp từng pixel một.
+ Dựa trên các lý thuyết mô phỏng (lý thuyết Fractal, v.v) để xây dựng nên hình ảnh
mô phỏng của sự vật.

+ Phương pháp rời rạc hoá (số hoá) hình ảnh thực của đối tượng.
+ Có thể sửa đổi (image editing) hoặc xử lý (image processing) mản g các
pixel thu được theo những phương pháp khác nhau để thu được hình ảnh đặc trưng của
đối tượng.
1.2.2.2 Kỹ thuật đồ họa Vector
Đồ họa vector sử dụng các đối tượng hình học cơ bản như điểm, đường thẳng,
đường cong hoặc đa giác, đường tròn, elip dựa vào các công thức toán học để biểu
diễn hình học.
Đồ họa vector dựa trên các hình ảnh được tạo bởi các vector (còn được gọi là
các đường hoặc nét) được định nghĩa bằng các điểm điều khiển. Mỗi điểm đều có tọa độ x
và y trên mặt phẳng làm việc và hướng của vector (còn gọi là track). Mỗi track có thể
được gán cả màu sắc, hình dáng, độ dày nét và nền tô bên trong hình.
Ảnh vector khi zoom to không bị nứt nét hoặc nhòe và không ảnh hưởng đến
kích thước của file dữ liệu bởi vì các thông tin được lưu dưới dạng cấu trúc chứ không phải
điểm ảnh như đồ họa mành (raster graphics).
Khi in ấn, các file đồ họa vector được in dưới dạng ảnh bitmap sau khi chuyển từ
dạng vector sang bitmap.
Các phần mềm CAD đều dùng đồ họa vector.

Hình 1.6. Mô hình đồ hoạ vector


9
- Mô hình hình học cho mô hình hoặc hình ảnh của đối tượng.
- Xác định các thuộc tính của mô hình hình học này
- Quá trình tô trát (rendering) để hiển thị từng điểm của mô hình, hình ảnh thực
của đối tượng.
Có thể định nghĩa đồ hoạ vector: Đồ hoạ vector = geometrical model + rendering.
Đồ hoạ điểm (Raster Graphics)
- Hình ảnh và mô hình của các vật

Đồ hoạ vector (Vector Graphics)
- Không thay đổi thuộc tính của

thể được biểu diễn bởi tập hợp các từng điểm trực tiếp
điểm của lưới (grid)

- Xử lý với từng thành phần hình

- Thay đổi thuộc tính của các pixel
=> thay đổi từng phần và từng vùng

học cơ sở của nó và thực hiện quá trình
tô trát và hiển thị lại.
- Quan sát hình ảnh và mô hình của

của hình ảnh.

- Copy được các pixel từ một hình hình ảnh và sự vật ở nhiều góc độ khác
ảnh này sang hình ảnh khác.

nhau bằng cách thay đổi điểm nhìn và
góc nhìn.

Bang 1.1. Đồ hoạ điểm và Đồ hoạ vector
Ví dụ về hình ảnh đồ hoạ Vector

Hình 1.7. Ví dụ về đồ hoạ vector

1.1.3 Các chuẩn giao diện của hệ đồ hoạ
Mục tiêu căn bản của phần mềm đồ hoạ được chuẩn là tính tương thích. Khi các
công cụ được thiết kế với hàm đồ hoạ chuẩn, phần mềm có thể được di chuyển một cách
dễ dàng từ hệ phần cứng này sang hệ phần cứng khác và được dùng trong nhiều cài đặt
và ứng dụng khác nhau.
GKS (Graphics Kernel System): chuẩn xác định các hàm đồ hoạ chuẩn, được
thiết kế như một tập hợp các công cụ đồ hoạ hai chiều và ba chiều.
GKS Functional Description, ANSI X3.124 - 1985.GKS - 3D Functional
Description, ISO Doc #8805:1988.
CGI (Computer Graphics Interface System): hệ chuẩn cho các phương pháp giao tiếp
với các thiết bị ngoại vi.
CGM (Computer Graphics Metafile): xác định các chuẩn cho việc lưu trữ và chuyển
đổi hình ảnh.
VRML (Virtual Reality Modeling Language): ngôn ngữ thực tại ảo, một hướng phát
triển trong công nghệ hiển thị được đề xuất bởi hãng Silicon Graphics, sau đó đã được
chuẩn hóa như một chuẩn công nghiệp.
PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive Graphics Standard): Xác định các
phương pháp chuẩn cho các mô hình thời gian thực và lập trình hướng đối tượng.
PHIGS Functional Description, ANSI X3.144 - 1985.+ Functional Description,
1988, 1992.
OPENGL thư viện đồ họa của hãng Silicon Graphics, được xây dựng theo đúng chuẩn
của một hệ đồ họa năm 1993.
DIRECTX thư viện đồ hoạ của hãng Microsoft, Direct X/Direct3D 1997.
1.1.4 Phân mêm đô hoa (Graphics Software)
* 3Ds Max.
Autodesk® 3ds Max® đã từng được biết đến với tên 3D Studio MAX là một phần
mềm đồ họa vi tính ba chiều (3D graphics application) của công ty Autodesk Media &
Entertainment, hoạt động trên hệ điều hành Windows Win32 hoặc Win64. Phiên bản của
3ds Max vào năm 2006 là 3ds Max 9.

Hình 1.8. Giao diện phần mềm 3Ds Max

Hình 1.9. Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 3D
* Thư viện xử lý đồ họa OpenGL
OpenGL là một tiêu chuẩn kỹ thuật đồ họa nhằm mục đích tạo ra một giao
diện lập trình ứng dụng đồ họa 3D được phát triển đầu tiên bởi Silicon Graphic, Inc.
OpenGL đã trở thành một chuẩn công nghiệp và các đặc tính kỹ thuật của OpenGL
do Uỷ ban kỹ thuật ARB. OpenGL cho phép phát triển các ứng dụng đồ họa sử dụng
nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau như C/C++, Java, Delphi, v.v…, tuy


nhiên OpenGL cũng có thể được dùng trong ứng dụng đồ họa 2D. Giao diện lập trình này
chứa khoảng 250 hàm để vẽ các cảnh phức tạp từ những hàm đơn giản và được ứng
dụng rộng rãi trong các trò chơi điện tử. Ngoài ra còn được dùng trong các ứng dụng
CAD, thực tại ảo, mô phỏng khoa học, mô phỏng thông tin, phát triển trò chơi. OpenGL
sử dụng hệ tọa độ theo quy tắc bàn tay phải.
1.1.5 Phân cứng đô hoa (Graphics Hardware)
Các thành phần phần cứng của hệ đồ hoạ tương
tác:
 CPU: thực hiện các chương trình ứng dụng.
 Bộ xử lý hiển thị (Display Processor): thực hiện công việc hiển thị dữ liệu đồ
hoạ.
 Bộ nhớ hệ thống (System Memory): chứa các chương trình và dữ liệu đang thực
hiện.
 Gói phần mềm đồ hoạ (Graphics Package): cung cấp các hàm đồ hoạ cho
chương trình ứng dụng
 Phần mềm ứng dụng (Application Program): phần mềm đồ hoạ ứng dụng.
 Bộ đệm ( Frame bufer): có nhiệm vụ chứa các hình ảnh hiển thị.
 Bộ điều khiển màn hình (Video Controller): điều khiển màn hình, chuyển dữ

liệu dạng số ở frame buffer thành các điểm sáng trên màn hình.

Hình 1.10 Các thành phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác


1.1.6 Các ứng dụng cơ bản của đồ hoạ 3D
Đồ hoạ 3D đang được nghiên cứu ứng dụng trong mọi lĩnh vực một cách mạnh mẽ
hiện nay là: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch, địa ốc... và đáp ứng
mọi nhu cầu: Nghiên cứu - Giáo dục - Thương mại - dịch vụ. Bên cạnh các ứng dụng
truyền thống ở trên, cũng có một số ứng dụng mới nổi lên trong thời gian gần đây của
đồ hoạ 3D như: đồ hoạ 3D ứng dụng trong sản suất, trong ngành rôbốt, trong hiển thị
thông tin (thăm dò dầu mỏ, hiển thị thông tin khối, …) đồ hoạ 3D có tiềm năng ứng
dụng vô cùng lớn. Có thể nói: Mọi lĩnh vực “có thật” trong cuộc sống đều có thể ứng dụng
“thực tế ảo” để nghiên cứu và phát triển hoàn thiện hơn.
Một lĩnh vực đầy hứa hẹn là việc sử dụng trưng bày ảo 3D trong giáo dục - giải trí,
cụm từ này đang được sử dụng rộng rãi, nó thể hiện cho một nền giáo dục hiện đại không
theo khuôn phép truyền thống, điều đó có nghĩa là vừa có thể học và vừa có thể giải trí
trong khi học sinh đang tham gia một kịch bản nhập vai nào đó hoặc có thể tham gia
một trò chơi... trên thực tế tương tác nhập vai có thể nắm bắt được sự chú ý của người
sử dụng hệ thống, cùng một lúc có thể cung cấp nhiều thông tin không giống như
phương pháp trước đây khi sử dụng hệ thống không phải là đa phương tiện. Ngoài ra,
trưng bày ảo 3D là một cách thể hiện rất hiện đại của sự tương tác giữa người dùng
và máy tính nó không dừng lại ở việc người dùng chỉ sử dụng máy tính với những mục
đích cho công việc, mà nó còn mở ra vô vàn những thứ hấp dẫn khác với người sử dụng
hệ thống mà người dùng như đang hóa thân thành nhân vật được khám phá nhiều nơi mà
mình chưa biết.
Trên đây là khái niệm chung nhất về trưng bày ảo 3D, nó có rất nhiều ưu điểm và
một sự thể hiện rất tốt cho trưng bày ảo chính là phòng truyền thống ảo 3D. Về mặt
bản chất, phòng truyền thống ảo là một bản sao của phòng truyền thống thực.
Như vậy chúng ta thấy được ý nghĩa to lớn của việc ứng dụng đồ hoạ 3D, bởi những

vấn đề khó khăn mà nếu không có đồ hoạ 3D thì có thể nói là khó lòng mà giải quyết,
hay nếu có thể giải quyết được thì hiệu quả không cao và chi phí sẽ rất tốn kém. Còn khi
ứng dụng đồ hoạ 3D vào, thì những vấn đề đó trở lên hết sức đơn giản, và hiệu quả
của nó mang lại thì thực sự là to lớn, kể cả vật chất lẫn tinh thần.


Một số ví dụ của ứng dụng kỹ thuật đồ hoạ:

Hình 1.11 Các ứng dụng của kỹ thuật đồ hoạ
1.2 Bài toán số hóa hiện vật 3D
1.2.1 Giới thiệu bài toán số hóa
Hiện nay, trong xu thế phát triển để hội nhập, chúng ta đang phấn đấu chuyển
dần từ dữ liệu truyền thống sang dữ liệu điện tử. Đây là một xu hướng tất yếu. Tuy nhiên,
để xây dựng một dữ liệu điện tử theo đúng nghĩa cần có một số quan điểm thống
nhất và lựa chọn những bước đi thích hợp, trong đó, cần tập trung quan tâm đến khâu số
hóa hiện vật, bởi đây là khâu cơ bản nhất trong quá trình xây dựng một dữ liệu điện tử.
Thực tại ảo chia thành 2 khối công việc chính: Mô hình hóa và điều khiển.
-

Mô hình hóa là quá trình chúng ta số hóa đối tượng đưa vào máy tính
Quá trình thứ 2 là điều khiển các đối tượng đã được mô hình.
Vì vậy việc mô hình hóa hay số hóa đối tượng là một trong những bước rất

quan trọng. Nó là yếu tố quyết định cho sự thành công của bất cứ một ứng dụng


thực tại ảo nào.
Ví dụ: số hóa cấu kiện kiết trúc, các chi tiết máy móc cần độ chính xác cao. Hay số
hóa các vật thể trong bảo tàng cũng cần độ chính xác để người xem như cảm nhận
được đang đứng trong không gian thật. (Việc số hóa hiện vật rất quan trọng, quan

trọng hơn cả lập trình). Như vậy việc tìm hiểu công nghệ số hóa hiện vật 3D là rất
quan trọng và tùy từng đối tượng cần số hóa chúng ta áp dụng những phương pháp khác
nhau.
* Số hoá

Hình 1.12 Số hóa tài liệu
Thuật ngữ “số hoá” (tiếng Anh: Digitization) được sử dụng để chỉ quá trình chuyển
đổi dữ liệu truyền thống sang dữ liệu số mà máy tính điện tử có thể hiểu được.
Thông thường, các dữ liệu truyền thống bao gồm các dạng tài liệu: văn bản, bằng
khen, giấy khen, tranh vẽ, bản đồ, băng hình, băng ghi âm… sử dụng trên máy tính và
được máy tính nhận biết đúng định dạng, được gọi chung là dữ liệu số.
Vậy, tài liệu số hóa có nguồn gốc từ tài liệu điện tử, nhưng không đồng nhất với tài
liệu điện tử. Tài liệu số hóa trở thành tài liệu điện tử qua quá trình số hóa dữ liệu. Đây là
quá trình chuyển các dạng dữ liệu truyền thống như các bản viết tay, bản in trên giấy,
hình ảnh… sang chuẩn dữ liệu trên các phương tiện điện tử và được các phương tiện đó
nhận biết được gọi là số hóa dữ liệu và chúng trở thành dữ liệu số. Từ đó, về mặt lý
thuyết, ta hiểu số hóa dữ liệu là quá trình chuyển các dạng dữ liệu truyền thống sang
chuẩn dữ liệu trên máy tính và được máy tính nhận biết.


* Mục tiêu của việc số hóa tài liệu lưu trữ
Hãy tưởng tường rằng phải mất bao nhiêu giấy tờ và không gian để lưu trữ kho kiến
thức khổng lồ của nhân loại ngày một nhiều; hơn nữa việc bảo quản và phạm vi sử dụng
bị hạn chế. Do vậy bắt buộc chúng ta phải nghĩ đến giải pháp số hóa dữ liệu. Việc số hóa
dữ liệu sẽ giúp việc lưu trữ, truy xuất, chi sẻ, tìm kiếm thông tin một cách nhanh chóng và
dễ dàng nhất.
Thông qua các công việc cụ thể của việc số hóa dữ liệu, chúng ta mong muốn đạt
được các mục đich là xử lý các quy trình nghiệp vụ lưu trữ được tối ưu. Muốn đạt
được những mục tiêu đó, các kho lưu trữ phải thực hiện các thao tác thuộc quy trình số
hóa tài liệu là chuyển đổi tài liệu lưu trữ dạng thông thường, vẫn quen gọi là tài liệu có

“tín hiệu tương tự” (analog) sang dạng tài liệu số, hoặc dữ liệu số (digital). Từ đó, chúng
ta đạt được những mục tiêu cơ bản như:
a) Kéo dài tuổi thọ của tài liệu lưu trữ bản gốc.
Đây cũng chính là giải pháp của quy trình bảo quản và bảo hiểm tài liệu lưu trữ mà
bấy lâu, cơ quan quản lý ngành lưu trữ vẫn đang trăn trở.
b) Đồng nhất các loại hình tài liệu
Với phương pháp quản lý tài liệu lưu trữ truyền thống, chúng ta phải bảo quản tài
liệu với các vật mang tin của từng loại hình tài liệu lưu trữ riêng, như: tài liệu giấy, tài liệu
phim ảnh, phim điện ảnh, tài liệu ghi âm..., vì các chế độ bảo quản tài liệu như chế độ
nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng khác nhau; hoặc thiết bị phục vụ khai thác, sử dụng từng tài
liệu đó cũng khác nhau. Nhưng với dữ liệu số, chúng ta đã loại trừ được hầu hết sự khác
biệt đó, tạo thuận lợi cho người sử dụng.
c) Quản lý, khai thác tập trung
Với sự tối ưu đã phân tích trên, đương nhiên, toàn bộ các dữ liệu số hóa, không phân
biệt chúng có nguồn gốc từ tài liệu có vật mang tin gì, đều có thể quản lý trong một cơ
sở dữ liệu, tạo sự tối ưu cho người sử dụng. Thông qua việc số hóa tài liệu lưu trữ, độc
giả không phụ thuộc vào các kho bảo quản riêng biệt tài liệu lưu trữ khác nhau, và
không phải gắn mình vào một không gian nhất định của một phòng đọc khi khai thác, sử
dụng tài liệu lưu trữ. Từ đó, các cơ quan lưu trữ có thể tạo cho độc giả tăng khả năng tiếp
cận, sử dụng tài liệu được nhanh chóng, chính xác và tiện lợi.