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 THƠNG

ĐINH THỊ HƯƠNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT SỐ HĨA 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
cơng nghệ 3D” là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tơi tìm hiểu, nghiên cứu dưới
sự hướng dẫn của PGS.TS ĐỖ NĂNG TỒN. Các kết quả là hồn tồn trung
thực, tồn 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 tơi 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 q
giá và bổ ích trong suốt q 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 khơng 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 TỐN SỐ HĨA HIỆN
VẬT ............................................................................................................................ 3

1.1 Khái qt 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 Phầ n mề m đồ hoa ̣ (Graphics Software). ......................................................... 10
1.1.5 Phầ n cứng đồ hoa ̣ (Graphics Hardware) ......................................................... 12
1.1.6 Các ứng dụng cơ bản của đồ hoạ 3D .............................................................. 13
1.2 Bài tốn 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 da ̣ng hiǹ h ho ̣c cơ bản .................................................................................. 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 mề m 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 tốn ............................................................ 50
2.6.2.3 Kiểm tra tính tồn vẹn .................................................................................. 52
CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM .................................................. 54
3.1 Bài tốn xây dựng phòng truyền thống ảo trường THPT chuyên tỉnh Bắc Kạn.54
3.2 Phân tích và lưa ̣ cho ̣n công cu............................................................................
54
̣
3.2.1 Số hóa .............................................................................................................. 54
3.2.2 Đặc tả yêu cầu ................................................................................................ 55
3.2.3 Mơ hình ca sử dụng ......................................................................................... 55
3.2.4 Mơ 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 mơ 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. Mơ 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
̣ nghiã các thành phầ n của mô ̣t Cube 3D. ......................................... 20

Hình 2.2 Đinh
̣ nghiã các thành phầ n của mơ ̣t Cylinder 3D. .................................... 21
Hình 2.3. Đinh
̣ nghiã các thành phầ n của mơ ̣t Cone 3D. ......................................... 21
Hình 2.4 Đinh
̣ nghiã các thành phầ n của mô ̣t 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 tốn 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 phịng trưng bày ảo nhìn từ ngồi vào.............................................. 60
Hình 3.2 Ảnh một góc phịng 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 phịng trưng bày với các hiện vật nhìn từ trong ra ngồi. ................ 62
Hình 3.5. Ảnh góc phịng trưng bày ......................................................................... 62

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Đồ hoạ điểm và đồ hoạ vector ................................................................... 9
Bảng 2.1. Phần mềm hình ảnh Planmeca Romexis®: ............................................. 26
Bảng 2.2. Cài đặt phầ n mề m .................................................................................... 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 cơng 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 cơng nghệ thực tại ảo trong bảo tàng, tái
tạo khơng 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 cơng nghiệp áp dụng

cơng 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: Mơ hình hóa và điều khiển. Để có một ứng dụng tốt, đẹp mắt và chân thực nhiệm
vụ mơ hình hóa là việc hết sức quan trọng nó là bước được đánh giá cịn 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 địi hỏi độ chính xác cao về kích thước và hình dáng, màu sắc... Học viên
nhận thấy cơng việc mơ 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 cơng nghệ
3D” nhằm hệ thống hóa các quy trình, các phương pháp số hóa hiện vật thơng dụng
nhất hiện nay đồng thời nghiên cứu cũng nhằm đạt kết quả của mơ 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 tốn 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
tốn số hóa hiện vật vai trị 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 mơ hình để cho kết quả tốt về bề mặt cũng như đảm bảo tốc độ tính tốn .
Chương 3:“Chương trình thử nghiệm”. Đây là chương học viên trình bày kết quả
thử nghiệm số hóa Phịng truyền thống của Trường THPT Chun 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 cịn được hiểu dưới dạng phương pháp và kĩ
thuật tạo hình ảnh từ các mơ hình tốn học mơ 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 mơ hình người phi cơng
trong buồng lái để xây dựng nên mơ 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 mơ 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 cơng cụ lập
trình và các trình ứng dụng đồ họa. Cơng cụ lập trình cung cấp tập các hàm đồ họa có
thể được dùng trong các ngơn 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 mơ 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, đơi khi chúng ta cịn mơ tả một
số thơng 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
B-reps (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 mơi trường bên ngồi. Thơng 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 cơng việc này ta cần các mơ 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 (diffuse 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 mơ 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 mơ 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 tốn 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 mơ 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
+ Xố đi từng pixel của mơ hình và hình ảnh các đối tượng.
+ Các mơ 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 mơ hình, hình ảnh đối tượng mà
chúng ta muốn hiển thị.

Hình 1.4. Ảnh đồ hoạ điểm

Hình 1.5.Kỹ thuật 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 mơ phỏng của sự vật.
+ Phương pháp rời rạc hố (số hố) hình ảnh thực của đối tượng.
+ Có thể sửa đổi (image editing) hoặc xử lý (image processing) mảng 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 cơng thức tốn 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 tơ bên trong hình.
Ảnh vector khi zoom to khơng bị nứt nét hoặc nhịe và khơng ảnh hưởng đến
kích thước của file dữ liệu bởi vì các thơng 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. Mơ hình đồ hoạ vector


9

- Mơ hình hình học cho mơ hình hoặc hình ảnh của đối tượng.
- Xác định các thuộc tính của mơ hình hình học này
- Q trình tơ trát (rendering) để hiển thị từng điểm của mơ 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 mơ hình của các vật

Đồ hoạ vector (Vector Graphics)
- Khơng 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 học cơ sở của nó và thực hiện q trình
=> thay đổi từng phần và từng vùng tô trát và hiển thị lại.
của hình ảnh.

- Quan sát hình ảnh và mơ hình của

- 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.

Bảng 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


10

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
cơng 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 cơng nghiệp.
PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive Graphics Standard): Xác định các
phương pháp chuẩn cho các mơ 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 Phầ n mề m đồ 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 cơng 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.


11

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 cơng 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 ngơn ngữ lập trình khác nhau như C/C++, Java, Delphi, v.v…, tuy

12

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. Ngồi ra cịn được dùng trong các ứng
dụng CAD, thực tại ảo, mô phỏng khoa học, mô phỏng thơng tin, phát triển trị chơi.
OpenGL sử dụng hệ tọa độ theo quy tắc bàn tay phải.
1.1.5 Phầ n cứng đồ 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 buffer): 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


13

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 dị dầu mỏ, hiển thị thơng tin khối, …) đồ hoạ 3D có tiềm
năng ứng dụng vơ 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
khơng theo khn 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 khơng phải là đa phương tiện.
Ngồi ra, trưng bày ảo 3D là một cách thể hiện rất hiện đại của sự tương tác giữa
người dùng và máy tính nó khơng dừng lại ở việc người dùng chỉ sử dụng máy tính với
những mục đích cho cơng việc, mà nó cịn mở ra vơ 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 phịng 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 khơng có đồ hoạ 3D thì có thể nói là khó lịng mà giải
quyết, hay nếu có thể giải quyết được thì hiệu quả khơng cao và chi phí sẽ rất tốn kém.
Cịn 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.


14

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 tốn số hóa hiện vật 3D
1.2.1 Giới thiệu bài tốn 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 cơng việc chính: Mơ hình hóa và điều khiển.
-

Mơ hình hóa là q trình chúng ta số hóa đối tượng đưa vào máy tính

-

Q trình thứ 2 là điều khiển các đối tượng đã được mơ hình.
Vì vậy việc mơ hình hóa hay số hóa đối tượng là một trong những bước rất

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


15

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 khơng gian thật. (Việc số hóa hiện vật rất quan trọng, quan
trọng hơn cả lập trình). Như vậy việc tìm hiểu cơng 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 hố

Hình 1.12 Số hóa tài liệu
Thuật ngữ “số hố” (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.
Thơng 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 q 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 q trình chuyển các dạng dữ liệu truyền thống
sang chuẩn dữ liệu trên máy tính và được máy tính nhận biết.


16

* 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 thơng tin một cách
nhanh chóng và dễ dàng nhất.
Thơng qua các cơng 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 thơng 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, tồn bộ các dữ liệu số hóa, khơng
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 khơng phụ thuộc vào các kho bảo quản riêng biệt tài liệu lưu trữ khác
nhau, và khơng phải gắn mình vào một khơng 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.