Kỹ thuật mô phỏng đối tượng dạng sợi và ứng dụng mô phỏng tóc trong thực tại ảo

1

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

LONG VĂN KỲ

KỸ THUẬT MÔ PHỎNG ĐỐI TƯỢNG DẠNG SỢI VÀ ỨNG
DỤNG
MÔ PHỎNG TÓC TRONG THỰC TẠI ẢO

Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 8480101
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN HUÂN

Thái Nguyên 2019

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




2

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU............................................................................................... 6
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ HÌNH DẠNG SỢI.. 11
1.1. Tổng quan về đồ họa máy tính và thực tại ảo...............................................11

1.1.1. Khái quát về đồ họa máy tính..............................................................11
1.1.2. Khái quát về thực tại ảo.......................................................................12
1.1.3. Các lĩnh vực ứng dụng cơ bản của thực tại ảo ....................................13
1.2. Khái quát mô hình hóa và mô phỏng trong thực tại ảo ................................15
1.2.1. Mô hình hóa trong thực tại ảo ..............................................................15
1.2.2. Mô phỏng trong thực tại ảo..................................................................20
1.3. Khái quát về đối tượng dạng sợi và mô phỏng.............................................23
1.3.1. Khái quát về đối tượng dạng sợi ..........................................................23
1.3.2. Vai trò của mô phỏng tóc trong thực tại ảo .........................................25
1.3.3. Mô phỏng tóc .......................................................................................26
1.3. Kết luận và vấn đề nghiên cứu .....................................................................28

Chương 2 MỘT SỐ KỸ THUẬT MÔ PHỎNG ĐỐI TƯỢNG DẠNG SỢI.. 30
2.1. Kỹ thuật mô phỏng đối tượng dạng ảnh dựa vào Texture mapping.............30
2.1.1. Giới thiệu.............................................................................................30
2.1.3. Ánh xạ các ảnh sợi 2D lên các vùng của mô hình 3D tương ứng.......31
2.1.4. Nội suy các điểm còn lại để đảm bảo ràng buộc trong một vùng tóc ..33
2.1.5. Nội suy vùng tiếp giáp .........................................................................35
2.1.6. Thuật toán mô phỏng tóc SDMT .........................................................37
2.2. Kỹ thuật mô phỏng đối tượng dựa vào mô hình NURBS ............................40
2.2.1. Mô hình NURBS trong mô phỏng đối tượng ......................................40
2.2.2. Nâng cao hiệu quả mô phỏng đối tượng dạng sợi, mảnh.....................43
2.2.3. Thuật toán mô phỏng đối tượng dạng sợi AHS ..................................48
2.3. Kỹ thuật mô phỏng đối tượng dựa vào Mass-Springs..................................49
2.3.1. Giới thiệu .............................................................................................49
2.3.2. Một số kỹ thuật cơ bản.........................................................................50
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

3

2.3.3. Thuật toán ............................................................................................51
2.4. Kết luận và vấn đề nghiên cứu.....................................................................54

Chương 3 CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM ............................................ 56
3.1. Yêu cầu bài toán ...........................................................................................56
3.2. Phân tích, lựa chọn công cụ..........................................................................56
3.3. Một số kết quả của chương trình thử nghiệm...............................................58
3.3.1. Kết quả thử nghiệm kỹ thuật mô phỏng sử dụng NURBS ..................58
3.3.3. Kết quả thử nghiệm kỹ thuật mô phỏng sử dụng Mass-Springs..........66
3.4. Phân tích kết quả đánh giá ............................................................................68

PHẦN KẾT LUẬN ......................................................................................... 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 71
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 74

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




4

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Hệ thống thiết bị.............................................................................. 13
Hình 1.2. Từ trái sang phải là các thao tác dịch chuyển, xoay, co giãn, ứng
với mỗi trục toạ độ là một màu. ..................................................................... 17

Hình 1.3. Các khung nhìn khác nhau.............................................................. 17
Hình 1.4. Khung dựng của một quả bóng, được tạo ra sau bước tạo ............ 19
mô hình ............................................................................................................ 19
Hình 1.5. Quả bóng sau khi đã qua bước thể hiện ......................................... 19
Hình 1.6. Mô phỏng sợi tóc theo Anna Sokol ................................................. 24
Hình 1.7. Mô phỏng sợi, mảnh vải.................................................................. 25
Hình 2.1. Phân chia mô hình da đầu 3D thành 6 vùng .................................. 30
Hình 2.2. Ảnh che phủ (ảnh tóc) lên vùng lưới da đầu 3D............................. 31
Hình 2.3. Ánh xạ mảng tóc 2D lên vùng da đầu 3D ....................................... 32
Hình 2.4. Ánh xạ ảnh tóc 2D sang vùng da đầu 2D ....................................... 33
Hình 2.5. Nội suy điểm T’ dựa vào điểm T trên ảnh tóc sử dụng ánh xạ fj .... 34
Hình 2.6. Nội suy các điểm còn lại thuộc tam giác ........................................ 35
Hình 2.7. Nội suy vùng tiếp giáp giữa hai vùng da đầu ................................. 36
Hình 2.8. Tóc trước và sau khi nội suy vùng tiếp giáp giữa các mảng tóc .... 37
Hình 2.9. Mô hình hóa và điều chỉnh hình đối tượng bởi NURBS ................. 40
Hình 2.10. Mô phỏng đối tượng dạng sợi ....................................................... 43
Hình 2.11. Mô phỏng đối tượng dạng mảnh................................................... 43
Hình 2.12. Xác định vectơ nút ứng với trường hợp tối ưu.............................. 45
Hình 2.14: Các hình dạng cơ sở (a) plain; (b) sphere; (c) torus ................... 51
Hình 2.15. Độ dày của mỗi sợi với 9 điểm điều khiển. ................................... 53
Hình 1.16. Các điểm điều khiển mass-spring trên bề mặt hình trụ NURBS
xoắn ................................................................................................................. 53
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




5

Hình 3.1. Các khung nhìn khác nhau trên 3DSMax ....................................... 57

Hình 3.14. Mô phỏng đối tượng dạng sợi ....................................................... 58
Hình 3.3. Xác định vectơ nút ứng với trường hợp tối ưu................................ 59
Hình 3.1. Mô hình thiết kế đầu và chi tiết thành phần (đầu và da đầu) ......... 59
Hình 3.2. Minh họa mô hình render tổng thể ................................................. 60
Hình 3.3. Chức năng chính của hệ thống ....................................................... 61
Hình 3.4. Giao diện chính và tuỳ chọn cách tạo tóc....................................... 62
Hình 3.5. Tóc với số sợi khác nhau................................................................. 62
Hình 3.6. Bó tóc với số sợi khác nhau ............................................................ 63
Hình 3.7. Hai kiểu tóc màu trắng và đen xoắn cùng với gió thổi ................... 63
Hình 3.15. Một số mô hình tóc khi không có lực tác động ............................. 63
Hình 3.12. Một số mô hình tóc khi có lực tác động ........................................ 64
Hình 3.13. Tóc Messy trên plain trong một khung viền với các ..................... 66
điểm điều khiển mass-spring và các bề mặt NURBS xoắn ............................. 66
Hình 3.14. Tóc Messy trên plain trong một khung viền với bề mặt NURBS
xoắn ................................................................................................................. 66
Hình 3.15. Tóc dày, messy trên plain với bề mặt NURBS xoắn ..................... 67
Hình 3.16. Tóc dài, messy trên plain với bề mặt NURBS xoắn ...................... 67
Hình 3.17. Sợi ngắn, cong trên sphere với bề mặt NURBS xoắn ................... 67

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




6

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Đối tượng có một vai trò quan trọng góp phần tạo nên một môi trường thực tại
ảo, vì thực tại ảo thực chất là môi trường 3D gồm có các đối tượng (3D) được sắp

xếp, bố trí theo một trật tự logic theo thực tế và có thể tương tác, chuyển động tùy
thuộc vào từng loại đối tượng khác nhau. Đối tượng trong thực tại ảo có thể là đối
tượng tĩnh, động và đối tượng tổng hợp cả tĩnh và động, đối tượng tồn tại dưới
nhiều hình dạng khác nhau phù hợp với các đối tượng trong thực tế chẳng hạn như
đối tượng là nhân vật con người ảo, để mô phỏng được nhân vật con người ảo này
thì chúng ta cần mô phỏng những thành phần trên cơ thể con người ảo đó như chất
liệu vải quần áo dạng sợi hay bông, mô phỏng các sợi tóc, lông trên nhân vật người
ảo,…
Tùy thuộc vào từng đối tượng khác nhau mà yêu cầu việc mô hình hóa và mô
phỏng đối tượng dạng sợi ở mức độ trung thực khác nhau. Với những ứng dụng
không yêu cầu cao tính trung thực của đối tượng mà yêu cầu về tốc độ tính toán thì
chúng ta có thể mô hình hóa và mô phỏng đối tượng dạng sợi ở mức thô, tức có thể
là hình ảnh, còn những ứng dụng yêu cầu tính trung thực cao và chuyển động tương
tác của mô hình kết quả thì chúng ta cần mô hình hóa và mô phỏng đối tượng dạng
sợi ở mức tinh, tức là cần phải sử dụng mô hình toán học để biểu diễn đối tượng.
Đối tượng dạng sợi có thể là tóc, lưới, vải,... để mô phỏng được những đối
tượng này thì chúng ta cần phải biểu diễn các mô hình của chúng bằng mô hình toán
học. Khi đó, chúng ta mới có thể biểu diễn được các thành phần biến cần thiết để đối
tượng có thể tương tác và chuyển động được như lực hấp dẫn, trọng lực,... Để mô
hình hóa và mô phỏng được những đối tượng dạng sợi trong thực tại ảo, ngày nay đã
có nhiều nhà khoa học trong nước và thế giới đã quan tâm nghiên cứu và họ đã đề
xuất nhiều công trình khoa học khác nhau và cũng có nhiều phương pháp được đề
xuất. Một trong những phương pháp được sử dụng là các mô hình toán học như
đường cong Spline, Be’zier,... Đặc biệt là mô hình NURBS (Non-Uniform Rational
B-Spline) [1] được sử dụng phổ biến hơn. Vì các đối tượng dạng sợi như lưới, tóc
hay
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

vải,... thường là những đối tượng động và có tính chất cục bộ nên việc sử dụng
NURBS vào biểu diễn và mô phỏng chúng là phù hợp. Chẳng hạn như các nhóm tả
Xu và cộng sự [3]; Noble và cộng sự [1]; Anna Sokol [2]) sử dụng NURBS tổng
quát để mô phỏng sợi tóc và những tương tác, chuyển động của tóc.
Một vấn đề luôn được đặt ra cho những nhà khoa học và nhà nghiên cứu phát
triển các phần mềm trong mô hình hóa và mô phỏng các nhân vật, đối tượng 2D, 3D,
đó là vấn đề về tốc độ xử lý vì một thực tế cho thấy là các dữ liệu trong các bài toán
mô hình hóa và mô phỏng thường quá lớn. Điều này đã dẫn đến ảnh hưởng lớn trong
quá trình mô phỏng các đối tượng này. Trong khi, NURBS tổng quát chủ yếu đáp
ứng về mặt chất lượng mô hình của các đối tượng.
Xuất phát từ thực tế đó, tên đề tài luận văn được lựa chọn là: "Kỹ thuật mô
phỏng đối tượng dạng sợi và ứng dụng mô phỏng tóc trong thực tại ảo" nghiên
cứu một số kỹ thuật nâng cao hiệu quả mô phỏng các đối tượng 3D có hình dạng
sợi,... nhằm tăng tốc độ mô phỏng đối tượng mà vẫn đảm bảo chất lượng mô hình.
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ được thử nghiệm áp dụng vào mô phỏng đối tượng
dạng sợi như tóc trên nhân vật con người ảo, vì tóc là đối tượng có dạng sợi và đặc
tính hình học giống như sợi nên việc mô phỏng tóc cũng tương tự như mô phỏng
đối tượng dạng sợi.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
a. Đối tượng nghiên cứu
- Đặc tả đối tượng 3D dạng sợi, mảnh như vải, sợi tóc,… với các đặc điểm
như sợi to, nhỏ, dày, mảnh, nặng, nhẹ, gió thổi….
- Các thuật toán giải và ứng dụng trong mô phỏng
- Nghiên cứu ứng dụng xử lý ảnh 3D và ứng dụng
b. Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết về Đồ họa máy tính, Thực tại ảo.
- Nghiên cứu công cụ, phương pháp mô hình hóa đối tượng 3D
- Nghiên cứu các kỹ thuật mô phỏng, hiển thị dữ liệu 3D trong thực tại ảo như
mô hình NURBS, Mass Spring, Texture mapping,…

- Biểu diễn, trích xuất và mô tả dữ liệu 3D về đối tượng, các đặc trưng.
- Xây dựng chương trình thực nghiệm về mô phỏng tóc trong thực tại ảo.
3. Hướng nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu lý thuyết, thu thập, phân tích các tài liệu có liên quan đến đối
tượng của đề tài.
- Nghiên cứu các kỹ thuật mô hình hóa, biểu diễn dữ liệu mô hình 3D; Mô
phỏng và hiển thị đối tượng 3D dạng sợi trên cơ sở biểu diễn các đặc trưng của đối
tượng như điểm điều khiển, độ cong, trơn,…
- Cài đặt thử nghiệm, đánh giá, quan sát và hiệu chỉnh ảnh, kết xuất được các
thành phần, thuộc tính,… của đối tượng mô phỏng ra file định dạng nhằm phục vụ
cho các yêu cầu thực tế.
4. Những nội dung nghiên cứu chính
Bố cục như sau:
Đề tài bao gồm phần mở đầu, phần kết luận và 3 chương nội dung được cấu
trúc như sau:
Chương 1: Tổng quan về thực tại ảo và mô phỏng dạng sợi
Trình bày tổng quan về đồ họa máy tính, thực tại ảo, nghiên cứu khái quát về
mô hình hóa 3D, phương pháp mô hình hóa, dựng hình 3D cũng như mô phỏng, vai
trò của mô phỏng và công nghệ mô phỏng trong thực tại ảo. Nghiên cứu tổng quan
về mô phỏng đối tượng dạng sơi, mảnh, trên cơ sở đó dẫn tới đề xuất nghiên cứu
thử nghiệm đối tượng dạng sợi dưới dạng là sợi tóc, mảnh tóc hay mái tóc trên con
người ảo. Đồng thời giới thiệu khái quát về vai trò của tóc cũng như mô hình hóa và
điều khiển các mô hình tóc trên hệ thống con người ảo
Chương 2: Một số kỹ thuật mô phỏng đối tượng dạng sợi
Trình bày ba kỹ thuật mô phỏng, cụ thể: Kỹ thuật mô phỏng sợi dưới dạng ảnh
dựa vào phân chia mô hình 3D thành các vùng tương ứng và kỹ thuật ánh xạ, nhằm
khắc phục hiện tượng biến dạng trong quá trình ánh xạ từ ảnh sợi 2D lên các vùng
mô hình 3D tương ứng; Kỹ thuật mô phỏng sợi sử dụng mô hình NURBS nhằm tăng

tốc độ mô phỏng, thể hiện tính cục bộ của sợi dựa vào giảm miền ảnh hưởng của
các


điểm điều khiển lên một điểm đang xét; Kỹ thuật mô phỏng Mass-Springs thì những
sợi khác nhau, những thuộc tính ràng buộc khác nhau được thiết lập và lựa chọn để
tạo ra những kiểu khác nhau phù hợp với từng yêu cầu cụ thể.
Chương 3: Chương trình thực nghiệm
Trình bày kết quả thử nghiệm hai kỹ thuật mô phỏng: Kỹ thuật mô phỏng dựa vào
mô hình NURBS và Kỹ thuật mô phỏng dựa vào Mass-Springs.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của đề tài luận văn được sử dụng là kết hợp giữa
nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể:
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu thập tài liệu, đọc hiểu các kiến thức
cơ bản về Đồ họa máy tính, Thực tại ảo; Nghiên cứu một số kỹ thuật mô phỏng,
hiển thị dữ liệu 3D đối tượng dạng sợi dựa vào các đặc điểm của sợi như to, nhỏ,
mật độ, nặng, khô, ướt,...
Tìm hiểu một số công cụ hỗ trợ lập trình, mã nguồn mở OpenGL.
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
+ Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu ảnh 3D về đối tượng mô phỏng.
+ Nghiên cứu, đánh giá và lựa chọn phương pháp, giải pháp công nghệ cài đặt
thử nghiệm với một số mẫu dữ liệu và đánh giá kết quả.
- Phương pháp trao đổi khoa học: Công bố, trao đổi, thảo luận và báo cáo tại
các hội thảo, hội nghị khoa học,…
6. Ý nghĩa khoa học của đề tài
- Nghiên cứu ứng dụng Công nghệ Thực tại ảo vào thực tiễn xây dựng hệ
thống mô phỏng các mẫu tóc.
- Nghiên cứu xây dựng Cơ sở dữ liệu ảnh 3D về sợi.
- Nghiên cứu đề xuất ứng dụng một số kỹ thuật mô phỏng, hiển thị dữ liệu 3D
về mô phỏng sợi.

- Nghiên cứu một số giải thuật, phương pháp để đánh giá độ tin cậy của kết
quả mô phỏng.


- Là cơ sở khoa học nhằm hỗ trợ nâng cao hiệu quả và thay đổi nhìn nhận về
lĩnh vực ứng dụng Công nghệ thông tin, cụ thể là ứng dụng Thực tại ảo vào mô
phỏng các đối tượng trong thực tế vào môi trường ảo có dạng sợi như lông, tóc, vải,
… Đồng thời, các kết quả của đề tài sẽ còn làm cơ sở khoa học cho việc đề xuất và
xây dựng các chương trình ứng dụng cho nhiều ứng dụng thực tế.


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ HÌNH DẠNG SỢI
1.1. Tổng quan về đồ họa máy tính và thực tại ảo
1.1.1. Khái quát về đồ họa máy tính
Lịch sử của đồ họa máy tính ra đời từ rất sớm vào thập niên 1960 được đánh
dấu bởi dự án SketchPad và được phát triển tại Học viện Công nghệ Massachusetts
(MIT) bởi Ivan Sutherland. Kết quả này đã đánh dấu cho một sự tạo mới, hiển thị và
thay đổi được dữ liệu hình ảnh trực tiếp trên màn hình máy tính trong thời gian thực.
Ngày nay, đồ họa máy tính đã trở thành một lĩnh vực phát triển phổ biến của
công nghệ thông tin và đã có nhiều quan điểm khác nhau về đồ họa máy tính. Tuy
nhiên, có một số quan điểm chung được hiểu như sau:
Đồ họa máy tính là một lĩnh vực của khoa học máy tính nghiên cứu về cơ sở
toán học, các thuật toán cũng như các kỹ 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
kỹ thuật máy tính, đặc biệt là chế tạo phần cứng (các loại màn hình, các thiết bị xuất,
nhập, các vi 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 kỹ thuật đồ họa máy tính còn được hiểu dưới dạng phương
pháp và kỹ 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.
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phần cứng và phần mềm, cũng như
các yêu cầu khắt khe của con người thì đồ họa máy tính đã phát triển vượt bậc. Ngày
nay, đồ họa máy tính không chỉ đơn thuần là mô hình hoá và hiển thị các đối tượng
vật thể thực vào trong máy tính mà đã phát triển lên một tầng cao mới, đó là đồ họa
máy tính có khả năng tương tác, tức là con người có thể điều khiển, tương tác được
với các đối tượng vật thể trong máy tính như điều khiển, tương tác với các đối tượng


vật thể trong thế giới thực, đó là thực tại ảo. Như vậy, thực tại ảo là một trong các
lĩnh vực của đồ họa máy tính.
1.1.2. Khái quát về thực tại ảo
Có nhiều khái niệm khác nhau về thực tại ảo, song một cách chung nhất có thể
định nghĩa như sau:
Thực tại ảo là một môi trường ba chiều được phát sinh, tổng hợp và điều khiển
thông qua máy vi tính nhằm mục đích mô phỏng lại thế giới thực hoặc một thế giới
theo tưởng tượng của con người. Đồng thời, thực tại ảo cho phép người dùng thông
qua các thiết bị ngoại vi và bộ chuyển đổi tương tác với những sự vật, hành động của
thế giới ảo giống như tương tác với các sự kiện, hành động của thế giới thực [4,5].
Người sử dụng có thể dịch chuyển một vật trong thế giới ảo, hoặc có thể cảm
nhận được một vật khi chạm vào vật đó. Trong đó thiết bị ngoại vi sẽ làm nhiệm vụ
chuyển những hoạt động của người sử dụng vào bộ chuyển đổi, sau đó bộ chuyển
đổi sẽ chuyển những tín hiệu này thành các tương tác vào môi trường ảo, đồng thời
môi trường cũng chuyển những tác dụng của nó đến bộ chuyển đổi và bộ chuyển
đổi chuyển đến các thiết bị ngoại vi, sau đó các thiết bị ngoại vi sẽ tác động đến
người sử dụng.
Các thiết bị ngoại vi sử dụng trong lĩnh vực thực tại ảo ngày càng hiện đại và
đa dạng. Một trong những thiết bị phải kể đến là hệ thống HMD (Head-Mounted

Display). Hệ thống này gồm có hai màn hình gắn trực tiếp vào hai mắt, cho phép
bạn nhìn, cảm nhận thế giới ảo như là không gian trong thế giới thực và một thiết bị
rất nhạy nhằm xác định vị trí góc quay của HMD. Từ đó, hệ thống sẽ tính toán góc
nhìn và vị trí của bạn trong thế giới ảo.
Ngoài ra, còn có một hệ thống tương tự như HMD là BOOM (Binocular
Omni-Orientation Monitor), song chúng có một vài điểm khác, ví dụ như BOOM
không dùng mũ gắn trên đầu mà dùng một cái cần gắn màn hình vào một đầu có tay
cầm ở màn hình. Khi bạn nhìn vào màn hình dịch chuyển nó, lập tức thiết bị nhạy
cũng dịch chuyển và theo đó góc nhìn, vị trí nhìn của bạn cũng thay đổi.


a) Hệ thống HMD

b) Hệ thống BOOM

Hình 1.1. Hệ thống thiết bị
Ngày nay, các thiết bị trên đã và đang được phát triển hoàn thiện hơn, công
nghệ mới ngày càng đưa ra nhiều thiết bị hiện đại hơn cho phép con người tiến gần
tới thực tại ảo hơn, như: găng tay dữ liệu, áo dữ liệu và các thiết bị đầu vào ba chiều
như máy quét 3 chiều, máy quay 3 chiều,…
Thực tại ảo là một môi trường 3D và sử dụng một lượng lớn các thông tin đồ
hoạ và các thông tin này luôn luôn biến đổi. Do đó, trong các ứng dụng thực tế
không thể dùng các phương pháp thông thường để truy cập bộ nhớ đồ họa, mà phải
dùng phương pháp truy cập trực tiếp bộ nhớ và sử dụng bộ tăng tốc đồ hoạ. Vì vậy,
người ta cần phần mềm để truy cập trực tiếp bộ nhớ và điều khiển tăng tốc đồ hoạ.
Hiện nay, một số chuẩn phần mềm được sử dụng phổ biến như DirectX, OpenGL,
MiniGL,...
1.1.3. Các lĩnh vực ứng dụng cơ bản của thực tại ảo
Thực tại ảo được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong đời sống xã hội, dưới
đây minh hoạ một số lĩnh vực ứng dụng cụ thể:

Khoa học quân sự, quốc phòng: Hiện nay, những ứng dụng của thực tại ảo
trong lĩnh vực này rất phong phú như huấn luyện quân lính, thử nghiệm các loại vũ
khí, các phương tiện chiến tranh, bản đồ hoá từng khu vực,...
Giáo dục và đào tạo: Thực tại ảo đã, đang và sẽ trở thành một công cụ hữu
hiệu trong giáo dục, đặc biệt là với trẻ em. Ngoài ra, nó cũng là một phương tiện
giáo dục rất mạnh đối với một số ngành nghề đòi hỏi phải thực hành như huấn
luyện phi công, lái xe,...
Y học: Việc ứng dụng thực tại ảo vào y học khá phong phú. Đặc biệt ở Mỹ,


trong phẫu thuật, bác sĩ đã có thể tiến hành các cuộc phẫu thuật trong môi trường
ảo, không cần có bệnh nhân mà vẫn như đang phẫu thuật một bệnh nhân thật. Các
bác sĩ cũng có thể tiến hành các cuộc phẫu thuật từ xa thông qua các thiết bị của
thực tại ảo.
Thiết kế xây dựng: Với sự trợ giúp của thực tại ảo, những thiết kế giờ đây
không chỉ đơn thuần là những thiết kế nữa mà nó đã tiến gần tới sản phẩm thực.
Không những con người có thể xem được hình ảnh trực quan của thiết bị cần thiết
kế mà thậm chí người ta còn có khả năng sử dụng các thiết bị đó.
Khoa học cơ bản: Hầu hết các ngành khoa học đều có thể ứng dụng thực tại
ảo, đặc biệt là các ngành như vật lý, hoá học, khảo cổ, sinh học, vũ trụ. Trong vật
lý, có thể mô phỏng lại chính xác các hiện tượng của vật lý một cách trực quan.
Trong khảo cổ học, dựng lại các kiến trúc đã bị chôn vùi, mô phỏng lại các thời kỳ
của tự nhiên.
Thương mại, du lịch: Trong thương mại, đặc biệt là trong ngành quảng cáo,
thực tại ảo đang có một vị trí quan trọng. Nó giúp khách hàng tiếp cận gần hơn với
hàng hoá để có thể đánh giá chất lượng mà không cần có hàng trực tiếp,... Trong du
lịch, với sự hỗ trợ của thực tại ảo khách hàng có thể xem xét cảnh quan của nơi mà
họ sẽ đến để chắc chắn có một chuyến du lịch thú vị.
Trong giải trí: Cho phép mô phỏng các mô hình 3D với những tương tác
trong môi trường ảo kết hợp với âm thanh nổi, các thiết bị vào ra làm cho con người

ta ở trong môi trường ảo mà như ở trong môi trường thực. Điều hấp dẫn hơn là
trong môi trường đó con người có thể thực hiện những điều mà trên thực tế họ
không thể thực hiện được. Với khả năng kết hợp các thiết bị vào ra, các hiệu ứng đồ
hoạ chỉ có thể thấy được trên máy tính, thực tại ảo nhanh chóng trở thành một ứng
dụng không thể thiếu trong các trò chơi.
Trong điện ảnh: Một vài năm gần đây, nhiều bộ phim đã ứng dụng thực tại
ảo và những phương pháp xử lý đồ hoạ mạnh nhằm tạo ra những hiệu ứng, những
cảnh mà trên thực tế không thể thực hiện được. Trong điện ảnh, con người có thể
dựng được những thước phim tưởng chừng như không thể dựng được với các kỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




xảo điện ảnh thông thường, ví dụ trong một số cảnh của phim “Vua bọ cạp”,…
Trong hàng không vũ trụ: Xây dựng hệ thống mô phỏng cho phi công tập
luyện kết hợp với các thiết bị phần cứng để tạo ra một môi trường làm cho con
người tưởng như ở trên một chiếc máy bay thật và mọi thứ diễn ra như ngoài thực
tế. Hệ thống mô phỏng này cho phép người phi công thực hiện những chuyến bay
đến các sân bay đã được xây dựng sẵn với các tình huống nhằm nâng cao kỹ năng
xử lý tình huống như trong thực tế.
Trong mô phỏng chất liệu: Chất liệu đóng một vai trò rất quan trọng trong
thực tại ảo, nó góp phần tạo ra sự phong phú đa dạng của các đối tượng 3D. Chất
liệu được ứng dụng vào việc mô phỏng cho nhiều đối tượng khác nhau, do đó nó
gồm nhiều loại chất liệu khác nhau như gỗ, đá, kim loại, nước, vải, lông, tóc,…
Chẳng hạn như mô phỏng các dụng cụ phòng thí nghiệm “ống nghiệm, đũa thuỷ
tinh, bình đựng dung dịch”, “bàn gỗ, giá đỡ, đinh ốc”. Tóc là một loại chất liệu
không thể thiếu trên con người ảo, vì vậy việc mô hình hoá và mô phỏng con người
ảo thì chúng ta bắt buộc phải sử dụng đến tóc. Như vậy, có thể nói chất liệu được
ứng dụng phổ biến trong việc mô hình hoá và mô phỏng các đối tượng trong thực

tại ảo.
1.2. Khái quát mô hình hóa và mô phỏng trong thực tại ảo
1.2.1. Mô hình hóa trong thực tại ảo
1.2.1.1. Tổng quan về mô hình hóa 3D
Trong kỹ thuật biểu diễn, người ta phân thành 2 nhóm : Mô hình hóa vật thể
và Mô hình hóa hình học.
Kỹ thuật mô hình hóa hình học được phát triển trong các ngành công nghiệp
tự động hóa và chủ yếu được sử dụng để thiết kế các hình dạng của xe hơi. Hiện
nay, mô hình này còn được ứng dụng trong các ngành như công nghiệp hàng không,
hải quân,... và một số lĩnh vực khác. Mô hình này cũng hỗ trợ chính cho việc điều
khiển về mặt hình dạng.
Kỹ thuật mô hình hóa vật thể được xây dựng dựa trên các thông tin biểu diễn
đầy đủ, chính xác, rõ ràng một đối tượng trong không gian, chúng có thể tạo ra các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




mô hình trên máy tính với khả năng phân loại bất kỳ điểm nào trong không gian 3
chiều : phía trong, phía ngoài, hoặc là trên bề mặt của đối tượng.
1.2.1.2. Mô hình hóa 3D
Hai mô hình cơ bản của ứng dụng đồ họa là dựa trên mẫu số hóa và dựa trên
đặc trưng hình học. Trong ứng dụng đồ họa dựa trên mẫu số hóa thì các đối tượng
đồ họa được tạo ra bởi lưới các điểm ảnh rời rạc. Các điểm ảnh này có thể được tạo
ra bằng các chương trình vẽ, máy quét,... Các điểm ảnh này mô tả tọa độ xác định vị
trí và giá trị mẫu. Thuận lợi của ứng dụng này là dễ dàng thay đổi ảnh bằng cách
thay đổi màu sắc hay vị trí của các điểm ảnh, hoặc di chuyển vùng ảnh từ nơi này
sang nơi khác. Tuy nhiên, điều bất lợi là không thể xem xét đối tượng từ các góc
nhìn khác nhau. Ứng dụng đồ họa dựa trên đặc trưng hình học bao gồm các đối
tượng đồ họa cơ sở như đoạn thẳng, đa giác,... Chúng được lưu trữ bằng các mô

hình và các thuộc tính. Ví dụ : đoạn thẳng được mô hình bằng hai điểm đầu và cuối,
có thuộc tính như màu sắc, độ dày. Người sử dụng không thao tác trực tiếp trên các
điểm ảnh mà thao tác trên các thành phần hình học của đối tượng.
Việc tạo mô hình 3 chiều thường thông qua máy quét 3 chiều hoặc các phần
mềm chuyên dụng. Hiện nay, có rất nhiều phần mềm chuyên dụng xử lý 3D khác
nhau như: Maya, 3DS Max, Bryce 3D, InfiniD, Soft Image, … nhưng được đánh
giá mạnh nhất và hay sử dụng nhất là hai phần mềm: Maya và 3DS Max. Hai phần
mềm này đều là công nghệ chuẩn 3 chiều.
Với phạm vi của đề tài này, việc tạo ra các mô hình 3 chiều với các hiện tượng
gắn với nó là một đòi hỏi tất yếu. Luận văn trình bày kỹ thuật tiếp cận trong việc tạo
mô hình 3 chiều trên cơ sở kết hợp 2 phần mềm tạo mô hình 3 chiều thông dụng
hiện nay là Maya và 3DS Max.
Maya, 3DS Max cũng như các phần mềm tạo mô hình 3 chiều khác giúp tạo
mô hình 3 chiều mô phỏng thế giới thực. Nó có các đối tượng nguyên thuỷ như hình
cầu, hình trụ, hình hộp, mặt phẳng, đường cong,…Từ các đối tượng nguyên thuỷ
này ta sử dụng các thao tác như dịch chuyển, xoay, co giãn cùng với các kỹ thuật

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




chỉnh sửa như cắt xén, mở rộng, thêm bớt… để tạo nên đối tượng mong muốn
trong thế giới thực.

Hình 1.2. Từ trái sang phải là các thao tác dịch chuyển, xoay, co giãn, ứng với
mỗi trục toạ độ là một màu.
Sau đó các đối tượng sẽ được thêm xương (nếu có), tính chất bề mặt (như màu
sắc, da, tóc , mắt …) và được tạo các chuyển động mô phỏng một cách sinh động
các thể hiện của đối tượng trong thế giới thực.

Khi làm việc với các phần mềm ta sẽ thao tác trên 4 khung nhìn khác nhau của
đối tượng, 4 khung nhìn này sẽ cho ta nhìn được đối tượng ở các góc độ khác nhau
một cách đồng thời, những hình ảnh dưới đây minh họa điều này rất rõ:

Hình 1.3. Các khung nhìn khác nhau.
Ta có hệ trục tọa độ 3 chiều XYZ, màu xanh lam ứng với trục Y, đỏ với trục X
và xanh đậm với trục Z. Góc trên phải là khung làm việc cho phép ta thao tác trong
3 chiều, 3 góc còn lại cho phép ta làm việc ở 3 mặt cắt của mô hình. Với các khung

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




nhìn này ta có thể thao tác dễ dàng hơn, khi một thay đổi xuất hiện ở một khung
nhìn sẽ cho hiệu ứng đối với các khung nhìn khác.
Bên cạnh hệ trục tọa độ XYZ ta còn có hệ tọa độ UV, hệ tọa độ UV bao bọc
bề mặt theo 2 chiều trái sang phải và dưới lên trên. Có thể hình dung ra hệ tọa độ
này như là các đường kinh tuyến và vĩ tuyến của trái đất. Hệ tọa độ này chủ yếu
được sử dụng trong quá trình thêm tính chất bề mặt cho mô hình.
1.2.1.3. Các kỹ thuật dựng hình chính 3D
Qua nghiên cứu các phần mềm dựng mô hình khác nhau cho thấy, nói chung
làm việc trong môi trường 3D có các công tác chính sau:
- Kỹ thuật tạo mô hình (modelling): Đây là phần sử dụng các công cụ
dựng hình để tạo ra các mô hình, chỉnh sửa chúng theo ý muốn. Từ đó các vật thể
3D được định hình;
- Kỹ thuật hoạt hoá nhân vật (animation): gồm những thao tác để gắn nhân
vật vào một tập các khoá (key). Mỗi một khoá đại diện cho vị trí, hình dạng của
nhân vật tại những thời điểm khác nhau. Sự chuyển động của nhân vật là sự thể hiện
nhân vật tại mỗi vị trí khoá này;

- Kỹ thuật kết xuất (rendering): Đây là phần để gán vật liệu lên các nhân
vật và tạo kết xuất ;
Vậy chúng ta có thể hiểu kỹ thuật tạo mô hình (Modeling) là kỹ thuật tạo ra
các khung dựng của các đối tượng, ta có thể tưởng tượng giai đoạn này là quá trình
tạo ra khung xương cho cơ thể một con người, sau đó nhờ các kỹ thuật thể hiện
(rendering) để thêm da thịt cho con người đó, và tiếp theo là nhờ kỹ thuật tạo hoạt
họa (animation) để tạo hoạt động cho người. Ta có thể hiểu rõ công việc của từng
giai đoạn bằng các hình ảnh minh họa ở hình 1.4 và hình 1.5.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Hình 1.4. Khung dựng của một quả

Hình 1.5. Quả bóng sau khi đã qua

bóng, được tạo ra sau bước tạo

bước thể hiện

mô hình
Với đề tài này, phạm vi khai thác dừng lại ở tìm hiểu các kĩ thuật tạo đối
tượng và kết xuất. Nên phần việc chính hay sử dụng là modelling và rendering
Có nhiều phương pháp khác nhau để mô tả các đối tượng 3D. Tùy thuộc vào
từng đối tượng cụ thể, ta dùng phương pháp sao cho phù hợp với thuộc tính của các
loại đối tượng đó. Chẳng hạn, để biểu diễn các đối tượng Euclid đơn giản như là các
khối ellipse, khối đa diện ta sử dụng các mặt đa giác và mặt bậc hai. Để biểu diễn
các mặt tròn xoay và các đối tượng dùng để thiết kế các mô hình máy bay, bánh

răng và các cấu trúc công nghệ khác thường được biểu diễn thông qua mặt cong
(curves). Các phương pháp tiếp cận thủ tục như Fractal cho phép chúng ta biểu diễn
một cách chính xác các đối tượng như mây, thảm cỏ và các đối tượng tự nhiên khác.
Biểu diễn mặt lưới 3D : Việc sử dụng mô hình khung lưới cho phép ta hình
dung được kết cấu bên trong của một mô hình 3D bằng cách xoay chuyển đối tượng
và chọn lựa xóa các đường ẩn (những đường mà thường khi người ta không thể
trông thấy thông qua các mặt phẳng cắt ngang).
Khi thể hiện bằng mô hình này, các đối tượng này không giống thực tế lắm. Vì
vậy, người ta dùng các kỹ thuật tạo bóng và loại bỏ các đường và mặt khuất. Mô
hình này thường nhanh nên người ta thường dùng nó trong việc xem phác thảo các
đối tượng, đặc biệt là trong các hệ CAD.
Một dạng thông thường của lưới đa giác là các dãy tam giác. Khi đa giác được
mô tả bởi nhiều hơn 3 đỉnh, các đỉnh của nó có thể không đồng phẳng. Điều này có
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




thể dẫn đến các lỗi tính toán. Một phương pháp đơn giản là phân đa giác này thành
các tam giác.
Biểu diễn bề mặt trơn tham số : Trong trường hợp các đối tượng thực sự phức
tạp, người ta thường dùng một hay nhiều mặt cong trơn ghép nối lại với nhau. Mỗi
thành phần dùng để ghép nối được gọi là mặt vá.
1.2.2. Mô phỏng trong thực tại ảo
1.2.2.1. Tổng quan về mô phỏng
Theo cách truyền thống, việc tương tác với máy tính được thực hiện thông qua
các thiết bị như bàn phím, chuột hay Joystick/Trackball/ Keyboard/Styplus để cung
cấp thông tin đầu vào và sử dụng khối hiển thị trực quan để nhận thông tin đầu ra từ
hệ thống. Với sự ra đời của các hệ thống thực tại ảo, các phương thức giao tiếp mới
được phát triển cho phép người sử dụng tương tác một cách tích cực với máy tính.

Công nghệ VR hiện đang rất phát triển trên thế giới. Hiện nay, ở nước Công hòa
Dân chủ Nhân dân Lào, công nghệ VR đang dần được chú ý bởi những thế mạnh
của nó chẳng hạn như cho phép tạo và hiển thị được dữ liệu lớn. Điều này rất quan
trọng cho những ứng dụng như là tạo thiết kế đô thị, ứng phó với các tình huống
khẩn cấp, du lịch, giải trí, quản lý giao thông, xây dựng những dự án quy mô lớn, và
giáo dục. Trong những lĩnh vực này, thì việc trực quan hóa tương tác của mô hình là
sự tối quan trọng cho sự phân tích chiều sâu của tập hợp dữ liệu. Mục đích của hệ
thống là mô phỏng các hiệu ứng quan sát và cảm nhận khi thị sát trên một khu vực
nhất định. Hệ thống này là sự kết hợp các kỹ thuật mô phỏng sử dụng đồ hoạ 3D
với các thiết bị phần cứng.
Mô phỏng là quá trình "bắt chước” một hệ thống có thực. Các chương trình
máy tính hiện nay có thể tạo ra các Models Mô phỏng như Mô phỏng về binh khí kỹ
thuật, tính năng kỹ chiến thuật của nó, khả năng khai thác sử dụng trên thực địa,
thậm chí là các hoạt động tác chiến trên chiến trường không gian ảo với thời gian
thực.
Mô phỏng có thể được định nghĩa là một quá trình tạo một mô hình (chẳng
hạn như để mô tả một khái niệm trừu tượng) của một hệ thống có sẵn (như một


chương trình học tập, huấn luyện, đào tạo, tính năng kỹ chiến thuật của các trang
thiết bị và khả năng của chúng trong các hoạt động tác chiến trên chiến trường, các
hoạt động của chiến sỹ các quân binh chủng khác nhau trên chiến trường, các hoạt
động tác chiến của các đơn vị trên chiến trường trong các điều kiện thời tiến, khí
hậu, địa hình v.v…) để xác định và hiểu rõ những nhân tố điều khiển hệ thống, hay
dự đoán/dự báo hành vi hoạt động của hệ thống trong tương lai. Phần lớn các hệ
thống đều được mô tả định tính, định lượng dựa trên cơ sở của những thuật toán
ngẫu nhiên, được lập trình theo những nguyên tắc giảng dạy, học tập, huấn luyện,
diễn tập được mô phỏng.
Mô phỏng là quá trình "bắt chước” một hệ thống có thực. Các chương trình
máy tính hiện nay có thể tạo ra các Models 2D & 3D như Mô phỏngvề binh khí kỹ

thuật, tính năng kỹ chiến thuật của nó, khả năng khai thác sử dụng trên thực địa,
thậm chí là các hoạt động tác chiến trên chiến trường không gian ảo với thời gian
thực.
Mô phỏng là một công cụ hiệu quả và quan trọng bởi nó giúp người sử dụng
các phương thức các thiết kế lựa chọn (hoặc kế hoạch tác chiến, phương án sử dụng
lực lượng, đồng thời có thể lựa chọn đến tối ưu hóa các giải pháp đề ra, phát huy
cao nhất năng lực cán bộ chiến sỹ) đánh giá chính xác kế quả mà không cần phải
thực nghiệm trên hệ thống thực (điều này có thể tiêu tốn nhiều kinh phí, thời gian,
nguy hiểm và tốn nhiều thời gian cho công tác chuẩn bị). Nó cho phép người cán
bộ, chiến sỹ trả lời câu hỏi "Điều gì sẽ xảy ra nếu…?” về một quyết định mà không
cần trải nghiệm thật sự trên chính kết quả của quyết định đó.
1.2.2.2. Công nghệ mô phỏng
Công nghệ mô phỏng không phải là công nghệ đòi hỏi những thiết bị rất hiện
đại. Thông thường khi đào tạo, huấn luyện trong điều kiện thực tế, chúng ta đã sử
dụng nhiều mô hình mô phỏng, như các khí cụ, phương tiện huấn luyện như các mô
hình cắt bộ là những công cụ mô phỏng đơn giản đầu tiên giúp người chiến sỹ, học
viên hiểu được tính năng, cấu tạo và thông qua lời giảng của cán bộ huấn luyện, đã
hiểu được cơ bản những vấn đề cần truyền đạt.


Công nghệ mô phỏng được sử dụng thường xuyên trong các lĩnh vực khác
nhau như: các hoạt động diễn tập, huấn luyện tác chiến cấp phân đội, từ tổ 3 người
đến cấp tiểu đội, trung đội và các cấp cao hơn thông qua sa bàn, được đắp nổi, bản
đồ chiến thuật, đồng thời các hoạt động diễn tập của ban chỉ huy các đơn vị được
diễn ra trên các sa bàn, sơ đồ, bản đồ mô phỏng này.
Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ quân sự, với sự ra đời rộng
rãi của các loại vũ khí hiện đại đã đưa đến các phương thức tác chiến hiện đại, các
mô hình chiến tranh trong tương lai càng ngày càng trở lên phức tạp hơn. Không
gian chiến trường đã chiều, đa hướng công kích với rất nhiều mũi tấn công tàng
hình, bí mật, bất ngờ, từ trên vũ trụ, trên không, trên mặt đất, trên đại dương và dưới

đại dương với sức công phá rất lớn, độ chính xác cao và có tính hủy diệt mục tiêu
rất nghiêm trọng.
Đứng trước những biến đổi vô cùng phức tạp của chiến tranh hiện đại, ngoài
nhiệm vụ từng bước hiện đại hóa các lực lượng vũ trang theo yêu cầu nhiệm vụ,
người học viên nghiên cứu công tác quốc phòng cần hiểu biết sâu, rộng và rất kỹ
các phương tiện chiến tranh của các nước có nền công nghiệp quân sự hiện đại, nắm
chắc các loại vũ khí trang thiết bị có trong biên chế, cần có kiến thức sâu rộng, hiểu
rõ ta và địch, khả năng của từng loại vũ khí trang bị có thể sử dụng trên chiến
trường, có trình độ kỹ chiến thuật cao để có thể sử dụng các loại vũ khí thông
thường, hiện có trong biên chế để đánh thắng vũ khí công nghệ cao, có khả năng chỉ
huy và điều khiển các hoạt động tác chiến chính xác trong môi trường chiến tranh
hiện đại. Để thực hiện những yêu cầu nói trên, các nước có nền công nghiệp quân
sự hiện đại đã đưa công nghệ mô phỏng 3D như một công nghệ ứng dụng trong
điều khiển chiến trường. Với những nước có nền công nghiệp phát triển, đã từng
bước ứng dụng công nghệ mô phỏng vào các hoạt động huấn luyện, giảng dạy và
đào tạo, từng bước đưa công nghệ mô phỏng 3D vào thực tế nhiệm vụ bảo vệ Tổ
quốc.
Công nghệ mô phỏng 2D 3D ( 2D-3D simulation) có sự phát triển đặc thù,
hoàn toàn không giống như sự phát triển của các ngành công nghệ ứng dụng khác


như công nghệ phần mềm hoặc khai thác sử dụng công nghệ hiện đại nhập khẩu của
nước ngoài, giống như sự phát triển của xã hội, công nghệ mô phỏng 3D phải phù
hợp với thực tế tình hình công tác quốc phòng và quân sự của một môi trường kinh
tế. Có thể nói, phát triển công nghệ mô phỏng 3D phải phù hợp với thực tế biên chế
vũ khí trang bị, trình độ khoa học công nghệ của đất nước, mặt bằng tri thức của xã
hội.
Chính vì vậy, phát triển công nghệ mô phỏng 3D thường bắt đầu từ việc mô
hình hóa các đối tượng thực trong gian đoạn ngày nay.
1.3. Khái quát về đối tượng dạng sợi và mô phỏng

1.3.1. Khái quát về đối tượng dạng sợi
Đối tượng có một vai trò quan trọng góp phần tạo nên một môi trường thực
tại ảo, vì thực tại ảo thực chất là môi trường 3D gồm có các đối tượng (3D) được
sắp xếp, bố trí theo một trật tự logic theo thực tế và có thể tương tác, chuyển động
tùy thuộc vào từng loại đối tượng khác nhau. Đối tượng trong thực tại ảo có thể là
đối tượng tĩnh, động và đối tượng tổng hợp cả tĩnh và động, đối tượng tồn tại dưới
nhiều hình dạng khác nhau phù hợp với các đối tượng trong thực tế, có đối tượng
dạng khối, sợi,... Trong bài báo này, nhóm tác giả tập trung vào nghiên cứu đề xuất
kỹ thuật nâng hiệu quả mô phỏng đối tượng dạng sợi như: tóc, lưới, vải,...
Trong thực tế, tùy thuộc vào từng đối tượng hay ứng dụng khác nhau mà yêu
cầu việc mô hình hóa và mô phỏng đối tượng dạng sợi ở mức độ trung thực khác
nhau. Với những ứng dụng không yêu cầu cao tính trung thực của đối tượng mà yêu
cầu về tốc độ tính toán thì chúng ta có thể mô hình hóa và mô phỏng đối tượng dạng
sợi ở mức thô, tức có thể là hình ảnh, còn những ứng dụng yêu cầu tính trung thực
cao và chuyển động tương tác của mô hình kết quả thì chúng ta cần mô hình hóa và
mô phỏng đối tượng dạng sợi ở mức tinh, tức là cần phải sử dụng mô hình toán học
để biểu diễn đối tượng. Bài báo này tập trung vào nghiên cứu mô phỏng đối tượng
dạng sợi ở mức tinh có sử dụng mô hình toán học.
Đối tượng dạng sợi thường là đối tượng động như tóc, lưới, vải,... Vì vậy, để
mô phỏng được những đối tượng dạng này thì chúng ta bắt buộc phải biểu diễn các


mô hình của chúng bằng mô hình toán học. Khi đó, chúng ta mới có thể biểu diễn
được các thành phần biến cần thiết để đối tượng có thể tương tác và chuyển động
được như lực hấp dẫn, trọng lực,... Để mô hình hóa và mô phỏng được những đối
tượng dạng sợi trong thực tại ảo, ngày nay đã có nhiều nhà khoa học trong nước và
thế giới đã quan tâm nghiên cứu và họ đã đề xuất nhiều công trình khoa học khác
nhau và cũng có nhiều phương pháp được đề xuất. Một trong những phương pháp
được sử dụng là các mô hình toán học như đường cong Spline, Be’zier,... Đặc biệt
là mô hình NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline) được sử dụng phổ biến hơn.

Vì các đối tượng dạng sợi như lưới, tóc hay vải,... thường là những đối tượng động
và có tính chất cục bộ nên việc sử dụng NURBS vào biểu diễn và mô phỏng chúng
là phù hợp. Chẳng hạn như các nhóm tả Xu và cộng sự; Noble và cộng sự; Anna
Sokol sử dụng NURBS tổng quát để mô phỏng sợi tóc và những tương tác, chuyển
động của tóc.

Hình 1.6. Mô phỏng sợi tóc theo Anna Sokol
Các nhóm tác giả House and Breen [7], Baraff and Witkin [6], Fan and Zhu
[8] sử dụng mô hình NURBS tổng quát để mô phỏng các sợi và mảnh vải, những
tương tác của vải.


Hình 1.7. Mô phỏng sợi, mảnh vải
Như vậy, NURBS tổng quát có thể được sử dụng tốt để mô hình hóa và mô
phỏng những đối tượng có dạng sợi, mảnh và có tính chất cục bộ, không đều.
Tuy nhiên, một trong những vấn đề vẫn luôn luôn được đặt ra cho những nhà
khoa học và nhà nghiên cứu phát triển lên các công cụ phần mềm trong mô hình hóa
và mô phỏng các nhân vật, đối tượng 2D, 3D, đó là vấn đề về tốc độ xử lý vì một
thực tế cho thấy là các dữ liệu trong các bài toán mô hình hóa và mô phỏng thường
quá lớn. Điều này đã dẫn đến ảnh hưởng lớn trong quá trình mô phỏng các đối
tượng này. Trong khi, NURBS tổng quát chủ yếu đáp ứng về mặt chất lượng mô
hình của các đối tượng.
Trong báo cáo luận văn thạc sỹ, tác giả tập trung vào mô phỏng thử nghiệm
đối với đối tượng dạng sợi, mảnh là những sợi tóc, mái tóc,...
1.3.2. Vai trò của mô phỏng tóc trong thực tại ảo
Mái tóc đẹp là niềm tự hào của mọi người, đặc biệt là đối với phụ nữ. Ông bà
ta đã có câu "Cái răng, cái tóc là góc con người", chứng tỏ tầm quan trọng của tóc
không phải nhỏ. Mái tóc cũng là một trong những yếu tố quyết định dáng vẻ của
mỗi người. Chúng ta có thể nhận ra bạn bè, người thân qua kiểu dáng cũng như các
đặc điểm của tóc. Mái tóc đẹp làm ta trở nên duyên dáng hơn. Với đà tiến bộ của xã

hội ngày nay, nhiều người còn cho rằng một mái tóc đẹp sẽ giúp chúng ta dễ thành
công hơn trong nghề nghiệp.
Thông thường mái tóc của chúng ta có khoảng trên 100 nghìn sợi. Đôi khi dựa
vào tóc chúng ta có thể phân biệt được đó là đàn ông hay đàn bà, chủng tộc của