Tìm hiểu một số kỹ thuật tạo mô hình 3 chiều và xây dựng ứng dụng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
VIỆN CÔNG NGHỆ THƠNG TIN

NGUYỄN THỊ HÀ

TÌM HIỂU MỘT SỐ KỸ THUẬT
TẠO MƠ HÌNH 3 CHIỀU VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG

KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Khoa học máy tính

HÀ NỘI, 2019


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
VIỆN CÔNG NGHỆ THƠNG TIN

NGUYỄN THỊ HÀ

TÌM HIỂU MỘT SỐ KỸ THUẬT
TẠO MƠ HÌNH 3 CHIỀU VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG

KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Người hướng dẫn

Nguyễn Thị Quyên

HÀ NỘI, 2019

LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành được khóa luận này, trước hết em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc
nhất tới Th.s Nguyễn Thị Quyên đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, định hướng,
đóng góp những ý kiến quý báu cho em trong suốt quá trình thực hiện.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong viện công nghệ Thông
tin, trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã quan tâm giảng dạy và giúp đỡ em
trong suốt bốn năm học vừa qua cũng như trong thời gian em làm bài khóa luận
này. Là sinh viên viện Cơng nghệ Thơng tin, em rất tự hào về viện mình, về
thầy cơ giáo của mình. Em xin kính chúc các thầy, các cô luôn mạnh khỏe, hạnh
phúc và thành công. Chúc viện Công nghệ thông tin sẽ ngày một khang trang,
vững mạnh, góp phần to lớn trong sự nghiệp đào tạo chuyên nghiệp của trường
Đại học Sư phạm Hà Nội 2.
Lần đầu nghiên cứu khoa học, chắc chắn đề tài của em khơng tránh khỏi
những thiếu sót, hạn chế. Vì vậy, em rất mong sự đóng góp ý kiến của các thầy
cô giáo và các bạn để đề tài của em được hoàn thiện.
Hà Nội, ngày 16 tháng 5 năm2019
Sinh viên

Nguyễn Thị Hà


LỜI CAM ĐOAN
Trong q trình hồn thành luận văn, tơi đã tìm hiểu, nghiên cứu, tổng hợp
nhiều nguồn tài liệu khác nhau, dưới sự chỉ đạo, giúp đỡ của giáo viên hướng
dẫn, kết quả của đề tài là sản phẩm lao động của cá nhân tôi. Các nguồn tài liệu
sử dụng được trích dẫn rõ ràng.
Nội dung luận văn này chưa từng được công bố hay xuất bản dưới bất kỳ
hình thức nào và cũng khơng được sao chép từ bất kỳ một cơng trình nghiên cứu
nào.

Tất cả phần ứng dụng đều do tôi tự thiết kế và xây dựng dưới sự hướng dẫn
của giáo viên hướng dẫn, trong đó có sử dụng một số thư viện chuẩn và các
thuật tốn được các tác giả xuất bản cơng khai và miễn phí trên Internet.
Tơi xin cam đoan những điều trên là hoàn toàn đúng.
Hà Nội, ngày 16 tháng 5 năm2019
Sinh viên

Nguyễn Thị Hà


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

STT

Ký hiệu/

Viết đầy đủ

Ý nghĩa

Chữ viết tắt
1

VR

Virtual Reality

Thực tại ảo

2

3D

3 Dimentional

3 Chiều

3

UE4

Unreal Engine

Phần mềm trung gian

4

NURBS

Non-uniform rational
B-spline

5

HMD

Non-uniform rational
B-spline

Mơ hình tốn học

Mũ đội hiển thị


MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Liên kết các đặc tính .......................................................................... 8
Hình 1.2: Ứng dụng VR rất cần thiết trong lĩnh vực giáo dục ....................... 11
Hình 1.3: Ứng dụng HumanSim giúp mô phỏng một ca điều trị thực tế ........ 12
Hình 2.1: Autocad 2015 … ............................................................................. 14
Hình 2.2: Autodesk 3Ds Max .......................................................................... 15
Hình 2.3. Autodesk Maya ................................................................................. 17


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..........................................................................................................................................2
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................................................3
MỤC LỤC HÌNH ẢNH ...........................................................................................................................5
MỤC LỤC................................................................................................................................................6
MỞ ĐẦU..................................................................................................................................................1
Chương 1 .................................................................................................................................................4
KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG VÀ THỰC TẠI ẢO ..........................................................................4
1.1. Khái quát về mô phỏng ...................................................................................................................4
1.1.1. Mơ phỏng là gì?.............................................................................................................................4
1.1.2. Mục đích của mơ phỏng................................................................................................................4
1.1.3. Ưu, nhược điểm của mô phỏng ....................................................................................................5
1.2. Khái quát về thực tại ảo ..................................................................................................................7
1.2.1. Thực tại ảo là gì?...........................................................................................................................7
1.2.2. Đặc điểm của một hệ thống thực tại ảo ........................................................................................7
1.2.3. Một số loại hệ thống thực tại ảo ...................................................................................................9
1.2.4. Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo .......................................................................... 10

1.2.5. Một số ứng dụng chính của thực tại ảo .................................................................................... 12
Chương 2 .............................................................................................................................................. 14
MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG MÔ PHỎNG CẤU TRÚC 3D ............................................................ 14
2.1. Công cụ xây dựng mô hình hóa 3D.............................................................................................. 14
2.1.1. AutoCad ...................................................................................................................................... 14
2.1.2. Autodesk 3Ds Max...................................................................................................................... 15
2.1.3. Autodesk Maya ........................................................................................................................... 16
2.2. Các kỹ thuật dựng hình chính ..................................................................................................... 17
2.2.1. Kỹ thuật dựng hình Polygon (lưới) ........................................................................................... 17
2.2.2. Kỹ thuật dựng hình với Cross Section ....................................................................................... 30
2.2.3. Chia nhỏ bề mặt ......................................................................................................................... 32
2.2.4. Hai hướng tạo mô hình.............................................................................................................. 34
2.3. Kỹ thuật tạo kết xuất ................................................................................................................... 35
2.3.1. Nhập file FBX ............................................................................................................................ 35
2.3.2. Vật liệu trong UE4 ..................................................................................................................... 37
2.3.3. Ánh sáng trong UE4................................................................................................................... 38
Chương 3 .............................................................................................................................................. 40


CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM .................................................................................................. 40
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................................................................... 46


MỞ ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài

Công nghệ thực tại ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện khoảng thập kỷ 90,
nhưng thực sự phát triển mạnh trong vòng những năm trở lại đây. Công nghệ

thực tại ảo được rất nhiều các doanh nghiệp và nhà phát triển ứng dụng quan
tâm, từng bước đưa vào cuộc sống. VR tạo ra một mơi trường giả lập với
những hình ảnh do con người chủ động thiết kế, được hiển thị trên màn hình
máy tính hoặc thơng qua kính thực tại ảo, nhằm đem lại những trải nghiệm
thực tế nhất cho người xem. Thế giới ảo của VR không cố định, mà tương tác
theo ý muốn của người sử dụng. Nói cách khác, VR đặt con người bên trong
không gian giả lập nhưng mang lại những trải nghiệm như đời thực. Khi
chúng ta muốn hiểu tồn bộ cơng nghệ thì phải nắm được phương pháp thể
hiện hay mô phỏng đối tượng trong môi trường thực tại ảo.
Hiện nay, VR đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng
ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực như giáo dục, giải trí, dịch vụ tới y tế,
quân sự, kiến trúc… thay đổi cách con người tiếp cận và tương tác không
gian. Một trong những lĩnh vực sẽ hưởng lợi và sử dụng nhiều nhất cơng nghệ
này đó chính là bất động sản.Trong các giao dịch bất động sản hiện nay, vấn
đề lớn nhất của người mua là phải tiếp cận căn hộ, nhà ở để xem xét, đánh giá
thực tế. Điều này địi hỏi nhiều thời gian và cơng sức (di chuyển, bố trí cơng
việc…) đối với các bên. Mặt khác, cách tiếp cận qua hình ảnh và video thơng
thường như hiện nay thiếu chân thực và có nhiều sai lệch, khơng đảm bảo đủ
chính xác để người mua ra quyết định. VR giải quyết được những vấn đề này.
Khi ứng dụng VR, các nhà phát triển sẽ tạo ra không gian 3D ảo hoàn chỉnh
đối với một bất động sản. Những dữ liệu xây dựng được lấy từ thông số kỹ
thuật, thiết kế của chủ đầu tư và người bán, đảm bảo mức độ chính xác cao,
sát với thực tế. Mặt khác với lợi thế tách đôi không gian thực/ảo, mang người
dùng đến một khung cảnh mới, chủ đầu tư bất động sản thơng qua VR có thể

1


cung cấp cho người mua nhà những hình ảnh và trải nghiệm tương lai trong
trường hợp dự án chưa hoàn tất nhưng khách hàng muốn xem.

Xuất phát từ thực tế đó em đã lựa chọn đề tài “Tìm hiểu một số kỹ thuật
tạo mơ hình 3 chiều và xây dựng ứng dụng” nhằm phục vụ trong ngành
thiết kế nội thất.
2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
• Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu một số kỹ thuật tạo mơ hình 3D và
tạo kết xuất. Đặc biệt là kỹ thuật tạo hình theo Polygon và theo hướng
rời rạc. Để từ đó xây dựng ứng dụng phòng ngủ và những đồ vật bên
trong phịng như giường, gương, đèn, bàn, ghế, rèm,…
• Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Tìm hiểu được khái quát về VR, cơng nghệ mơ phỏng và ứng
dụng
- Tìm hiểu về một số kỹ thuật tạo mơ hình 3 chiều trên cơng cụ
dựng hình 3dsmax
- Tìm hiểu về các kỹ thuật rendering trên UE4
- Sử dụng các kỹ thuật tạo mơ hình em tạo mơ hình phịng ngủ với
đầy đủ các nội thất bên trong.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Đối tượng: Cơng cụ dựng hình bằng 3dsmax, EU4, Thực tại ảo
• Phạm vi nghiên cứu: Các kỹ thuật dựng hình trên 3dsmax, kỹ thuật kết
xuất đối tượng
4. Phương pháp nghiên cứu
• Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Phân tích là nghiên cứu
các tài liệu, lý luận khác nhau bằng cách phân tích chúng thành từng
bộ phận để tìm hiểu sâu sắc về đối tượng. Tổng hợp là liên kết từng
mặt, từng bộ phận thông tin đã được phân tích tạo ra một hệ thơng lý
thuyết mới đầy đủ và sâu sắc về đối tượng.

2

• Phương pháp mơ hình hóa: Là phương pháp nghiên cứu các đối tượng
bằng xây dựng gần giống với đối tượng, tái hiện lại đối tượng theo các
cơ cấu, chức năng của đối tượng.
5. Cấu trúc khóa luận
Chương 1: Tổng quan về mô phỏng và thực tế ảo
Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu một cách khái quát về thực tại ảo,
mô phỏng, phân loại các hệ thống, các thành phần và ứng dụng của hệ thống
thực tại ảo, và mô phỏng
Chương 2: Một số vấn đề trong mô phỏng cấu trúc 3D
Chương này nghiên cứu một số kỹ thuật xây dựng mơ hình 3D trên cơ sở
phần mềm tạo mơ hình 3 chiều thơng dụng hiện nay 3DS Max, đó là kỹ thuật
tạo mơ hình (modelling), kỹ thuật kết xuất (rendering). Trong đó, luận văn
tập trung tìm hiểu các kĩ thuật tạo đối tượng và kết xuất.
Chương 3: Chương trình thử nghiệm
Từ cơ sở trình bày lý thuyết ở chương 2 em ứng dụng vào để xây dựng
mô phỏng phịng ngủ bao gồm có bài tốn và chương trình thử nghiệm.
Do thời gian và khả năng có hạn, hơn nữa đây là lần đầu tiên nghiên cứu
về lĩnh vực thực tại ảo nên luận văn cũng như chương trình thử nghiệm khơng
thể tránh khỏi thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các
thầy cơ giáo và bạn bè để tơi có thể phát triển thêm hướng nghiên cứu mới.

3


Chương 1
KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG VÀ THỰC TẠI ẢO
1.1. Khái qt về mơ phỏng
1.1.1. Mơ phỏng là gì?
Mơ phỏng là việc nghiên cứu trạng thái của mơ hình để qua đó hiểu được
hệ thống thực, mơ phỏng là tiến hành thử nghiệm trên mơ hình. Đó là q

trình tiến hành nghiên cứu trên vật thật nhân tạo, tái tạo hiện tượng mà người
nghiên cứu cần để quan sát và làm thực nghiệm. Từ đó rút ra kết luận tương
tự vật thật
Ta có thể thực hiện việc mơ phỏng từ những phương tiện đơn giản như
giấy, bút đến các nguyên vật liệu tái tạo lại ngun mẫu (mơ hình bằng gỗ,
gạch, sắt…) hay hiện đại hơn là dùng máy tính điện tử (MPMT). Mơ phỏng
máy tính là hiển thị một chuỗi các hình ảnh hoặc khung hình trên màn hình
phỏng theo một chuyển động nào đó. Thực ra, mơ phỏng là một dạng ảo ảnh
thị giác, tạo nên sự năng động, truyền sinh khí và chuyển động cho những đối
tượng khơ khan.
1.1.2. Mục đích của mơ phỏng
1.1.2.1. Có được cái nhìn sâu sắc về các hoạt động của một hệ thống
•

Hệ thống là rất phức tạp và rất khó để hiểu được hoạt động và tương tác

trong hệ thống mà khơng có một mơ hình mơ phỏng
•

Nói cách khác, khi hệ thống không thể ngừng để nghiên cứu hoặc cần

kiểm tra các thành phần riêng biệt của một hệ thống trong sự cơ lập
•

Một ví dụ điển hình là cố gắng tìm hiểu về quá trình sản xuất bị thắt cổ

chai xảy ra (Một điểm thắt cổ chai, tức một điểm tắc nghẽn trong hệ thống
xảy ra khi một khối lượng công việc được đổ vào quá nhanh và vượt quá khả
năng xử lý của bước tiếp theo để có thể cho ra kết quả như mong đợi. Hậu quả
mang lại khiến hệ thống trì trệ và gây thêm tổn thất, thâm hụt)

4


1.1.2.2. Thay đổi nguyên tắc điều hành hoặc tài nguyên để cải thiện hiệu năng
hệ thống
•

Khi chúng ta có một hệ thống hiện có hoạt động chưa tốt, chúng ta

khơng hiểu về nó nhưng muốn cải thiện
•

Có hai cách cơ bản là thay đổi nguyên tắc điều hành hoặc tài nguyên

1.1.2.3. Kiểm tra các khái niệm mới hoặc hệ thống trước khi thi hành
•

Nếu một hệ thống thực chưa có, hoặc bạn đang cần xem xét việc mua

hệ thống mới
•

Chi phí xây dựng mơ hình một hệ thống mới có thể rất nhỏ so với vốn

đầu tư tham gia vào lắp đặt bất kỳ q trình sản xuất
•

Ngồi ra, việc sử dụng một mơ hình mơ phỏng có thể giúp tùy chỉnh

thiết bị được chọn lựa trước khi đưa vào hoạt động
1.1.2.4. Có được thơng tin mà khơng ảnh hưởng đến hệ thống thực tế
•

Thử nghiệm cho các hệ thống mà nó khơng thể thử nghiệm trực tiếp

1.1.3. Ưu, nhược điểm của mơ phỏng
1.1.3.1. Ưu điểm của mơ phỏng
•

Có khả năng nghiên cứu các hệ thống phức tạp, các yếu tố ngẫu nhiên

•

Có thể đánh giá các đặc tính của hệ thống làm việc trong các điều kiện

dự kiến trước, hoặc ngay cả khi hệ thống còn đang trong giai đoạn thiết kế
khảo sát, hệ thống chưa tồn tại
•

Giúp hiểu được q trình vận hành của hệ thống

•

Xác định được các điểm thắt cổ chai của hệ thống

•

Có thể so sánh, đánh giá các phương án khác nhau của hệ thống

•

Có thể nghiên cứu các giải pháp điều khiển hệ thống

1.1.3.2. Nhược điểm của mơ phỏng
•

Phương pháp mơ phỏng địi hỏi cơng cụ mơ phỏng đắt tiền như máy

tính, phần mềm chuyên dụng

5


•

Sự thành lập mơ hình địi hỏi sự huấn luyện đặc biệt vì đâycũng là vấn

đề về nghệ thuật và khoa học
•

Phương pháp mơ phỏng thường sản sinh ra khối lượng lớn các dữ liệu

có tính thống kê xác suất, do đó địi hỏi dùng các cơng cụ thống kê để xử lý
kết quả mơ phỏng
•

Có thể tiêu tốn nhiều thời gian và chi phí

•

Mơ phỏng tuy khơng phải là công cụ tối ưu hiệu quả, nhưng lại hiệu

quả trong việc so sánh các mơ hình thay đổi để lựa chọn
•

Các điểm khác biệt giữa mơ hình giải tích và mơ hình mơ phỏng
Hệ thống thực

Mơ hình

Mơ hình giải tích

Mơ hình mơ phỏng

- Lời giải tổng qt và tường minh
- Mơ hình giải tích khi phải chấp
nhận các giả thiết để đơn giản hóa
mơ hình
- Lời giải xác định khi biểu diên
bằng các cơng thức có thể tính
được
- Phạm vi ứng dụng hệ thống tuyến
tính, tất định

- Lời giải số từng bước là các
đánh giá
- Mơ hình giải được khơng cần
nhiều các giải thiết đơn giản
hóa mơ hình

- Lời giải mang tính đánh giá sẽ
cho đánh giá chính xác nếu
bước tính tăng lên đủ lớn
- Phạm vi ứng dụng hệ tuyến
tính, phi tuyến, ngẫu nhiên

6


1.2. Khái quát về thực tại ảo
1.2.1. Thực tại ảo là gì?
Thực tại ảo hay cịn gọi là thực tế ảo (tiếng Anh là virtual reality, viết tắt
là VR) là thuật ngữ miêu tả một môi trường mô phỏng bằng máy tính. Đa
phần các mơi trường thực tại ảo chủ yếu là hình ảnh hiển thị trên màn hình
máy tính hay thơng qua kính nhìn 3 chiều, tuy nhiên một vài mơ phỏng cũng
có thêm các loại giác quan khác nhau như âm thanh hay xúc giác.
VR là một hệ thống mơ phỏng trong đó đồ họa máy tính được sử dụng để
tạo ra một thế giới “như thật”. Hơn nữa, thế giới nhân tạo này không tĩnh lại
mà phản ứng, thay đổi theo ý muốn (tín hiệu vào) của người sử dụng (hành
động, lời nói…). Điều này xác định một đặc tính chính của VR, đó là tương
tác thời gian thực
Thời gian thực ở đây là máy tính có thể nhận biết được tín hiệu vào của
người sử dụng và thay đổi ngay lập tức thế giới ảo. Người sử dụng nhìn thấy
sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ và bị thu hút bởi sự
mô phỏng này. Tương tác và khả năng thu hút của VR góp phần lớn vào cảm
giác đắm chìm, cảm giác trở thành một phần của hành động trên màn hình mà
người sử dụng đang trải nghiệm. Nhưng VR còn đẩy cảm giác này thật hơn
nữa khi tác động lên tất cả các kênh cảm giác của con người.
1.2.2. Đặc điểm của một hệ thống thực tại ảo
Một hệ thống VR có 3 đặc tính chính đó là: Tương tác (Interactive) – Đắm

chìm (Immersion) – Tưởng tượng (Imagination).

7


Hình 1.1. Liên kết các đặc tính
•

Tính tương tác: Máy tính có khả năng nhận biết được tín hiệu vào của

người dùng và thay đổi ngay lập tức thế giới ảo. Người dùng nhìn thấy sự vật
thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ và bị thu hút bởi sự mơ
phỏng này.
•

Tính tưởng tượng: Có hai khía cạnh của tính tưởng tượng trong một thế

giới ảo: sự du hành bên trong thế giới và động lực học của môi trường. Sự du
hành là khả năng của người dùng để di chuyển khắp nơi một cách độc lập, cứ
như là đang ở bên trong một môi trường thật. Nhà phát triển phần mềm có thể
thiết lập những áp đặt đối với việc truy cậpvào những khu vực ảo nhất định,
cho phép có được nhiều mức độ tự do khác nhau (Người dùng có thể bay,
xuyên tường, đi lại khắp nơi hoặc bơi lặn…). Một khía cạnh khác của sự du
hành là sự định vị điểm nhìn của người dùng. Sự kiểm sốt điểm nhìn là việc
người dùng tự theo dõi chính họ từ một khoảng cách, việc quan sát cảnh
tượng thông qua đôi mắtcủa một con người khác, hoặc di chuyển khắp trong
thiết kế của một cao ốc mới như thể đang ngồi trong một chiếc ghế đẩy…
Động lực học của môi trường là những quy tắc về cách thức mà người, vật và
mọi thứ tương tác với nhau trong một trật tự để trao đổi năng lượng hoặc
thông tin.

8


•

Tính đắm chìm: Người dùng cảm thấy mình là một phần của thế giới

ảo, hịa lẫn vào thế giới đó. VR còn đẩy cảm giác này "thật" hơn nữa nhờ tác
động lên các kênh cảm giác khác. Người dùng không những nhìn thấy đối
tượng đồ họa 3D, điều khiển (xoay, di chuyển…) được đối tượng mà còn sờ
và cảm thấy chúng như có thật.
1.2.3. Một số loại hệ thống thực tại ảo
Hệ thống VR được phân ra 3 loại chính là: Hệ thống VR không nhập vai
(non - Immersive), Hệ thống VR bán nhập vai (Semi-Immersive) và hệ thống
VR nhập vai (Immersive). Một số cách phân loại khác dựa vào mức độ phức
tạp hoặc phương thức hoạt động của hệ thống. Mức độ phức tạp của hệ thống
phụ thuộc vào mức độ khó trong việc phát triển ứng dụng. Phân loại theo mức
độ phức tạp bao gồm hệ thống thực tại ảo mức sơ khai, mức cơ bản, mức tiên
tiến, mức nhập vai và mức làm việc như một hệ điều hành cho môi trường
thực tại ảo. Phân loại theo phương thức bao gồm hệ thống hoạt động dựa trên
mô phỏng, dựa trên hệ thống máy chiếu, dựa trên hình ảnh thay thế (avatarimage) hoặc dựa trên máy tính để bàn.
•

Hệ thống VR khơng nhập vai: Hệ thống VR khơng nhập vai được xây

dựng cho máy tính để bàn. Hệ thống này được biết với tên là Window on
World (WoW) hay Desktop VR. Trong hệ thống này, môi trường ảo được
quan sát thơng qua màn hình có độ phân giải cao. Việc tương tác được thực
hiện thông qua các phương tiện như bàn phím, chuột hoặc joystick.

•

Hệ thống VR bán nhập vai: Hệ thống VR bán nhập vai bao gồm hệ

thống máy tính hỗ trợ đồ họa tương đối mạnh đi kèm với một hoặc nhiều màn
hình hoặc hệ thống máy chiếu để tạo ra màn hình lớn. Hệ thống màn hình này
được đặt xung quanh người dùng để tạo cảm giác hịa mình vào mơi trường
3D ảo.
•

Hệ thống VR nhập vai: Hệ thống VR nhập vai là hệ thống tạo cho

người dùng trải nghiệm trong môi trường ảo giống với thực tế nhất. Trong hệ

9


thống này, người dùng đeo HMD hoặc sử dụng BOOM để nhìn vào mơi
trường ảo. Tất nhiên, so với 2 hệ thống trên, hệ thống này là phức tạp và địi
hỏi chi phí lớn để tạo các ứng dụng.
1.2.4. Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo
Các thành phần cần thiết cho việc tạo dựng và trải nghiệm ứng dụng thực
tại ảo được chia thành 2 phần chính bao gồm: các thành phần phần cứng và
các thành phần phần mềm
•

Thành phần phần cứng:
Các thành phần phần cứng được chia thành 5 thành phần nhỏ: máy tính

trạm (computer workstation), màn hình cảm ứng(sensory display), card tăng

tốc xử lý(process acceleration cards), hệ thống định vị và các thiết bị đầu vào.
Máy tính trạm: Các máy tính được sử dụng trong ứng dụng thực tại ảo để
điều khiển các thiết bị hiển thị cảm ứng tạo cho người dùng cảm giác nhập vai
trong môi trường 3D ảo. Đây phải là các máy có cấu hình mạnh hơn nhiều so
với máy tính cá nhân thông thường về tốc độ xử lý, khả năng xử lý đồ họa,
khả năng lưu trữ và đặc biệt là xử lý đa nhiệm. Chúng được tối ưu để xử lý và
hiển thị nhiều dữ liệu phức tạp như hình ảnh 3D, hoạt hình mơ phỏng thực tế,
rendering hình ảnh,… Hiện nay, các máy trạm phục vụ cho ứng dụng thực tại
ảo chủ yếu được cung cấp bởi các hãng máy tính lớn như Dell và HP.
Màn hình cảm ứng: Màn hình cảm ứng trong ứng dụng thực tại ảo phổ
biến nhất là mũ đội hiển thị (Head mounted display – HMD). Đây thực chất là
một loại kính đặc biệt, người sử dụng đeo để nhìn vào thế giới ảo. Trên HMD
có gắn bọ dị vị trí (position tracking) để xác định vị trí quan sát của người sử
dụng, ghi nhận nơi người sử dụng đang nhìn vào hoặc hướng đang chỉ tới. Tai
nghe được gắn bên trong HMD giúp người dùng nghe được âm thanh trong
thế giới ảo. Thông tin từ bộ định vị trên HMD được sử dụng để cập nhật tín
hiệu âm thanh. Ví dụ như: khi nguồn âm thanh phát ra gần hoặc xa người
dùng hơn thì máy tính sẽ truyền âm thanh này tới tai sớm hoặc muộn hơn để

10


tạo cảm giác thực. Ngoài hệ thống HMD, thiết bị hiển thị trong thực tại ảo
cịn có thiết bị hiển thị vạn năng điều hướng - BOOM (Binocular Omni –
Orientation Monitor). So với HMD thì BOOM khơng dùng để gắn trên đầu
mà dùng một cần gắn màn hình và có tay cầm điều khiển màn hình. Khi
chúng ta nhìn vào màn hình và dịch chuyển nó, lập tức thiết bị nhạy sẽ dịch
chuyển theo góc nhìn, vị trí của người sử dụng cũng thay đổi
Card tăng tốc xử lý: Card tăng tốc giúp cập nhật hình ảnh hiển thị với các
thơng tin từ thiết bị cảm ứng. Ví dụ về loại card này là card đồ họa 3D và card

âm thanh 3D.
Hệ thống định vị: Hệ thống định vị giám sát vị trị và hướng của người sử
dụng trong môi trường ảo. Việc định vị có thể nhờ vào sóng siêu âm, tia hồng
ngoại, điện từ trường hoặc các thiết bị cơ khí trong hệ thống.
Các thiết bị đầu vào: Thiết bị đầu vào được sử dụng để người dùng tương
tác với môi trường ảo và các đối tượng trong mơi trường đó. Thiết bị đầu vào
có thể là joystick, găng tay cảm biến, bàn phím, bộ nhận dạng giọng nói,
v.v…
• Thành phần phần mềm
Phần mềm ln là “linh hồn” của hệ thống thực tại ảo cũng như đối với
bất cứ một hệ thống máy tính hiện đại nào. Về ngun tắc có thể dùng bất cứ
ngơn ngữ lập trình hay phần mềm đồ họa nào để mơ hình hóa và mô phỏng
các đối tượng của hệ thực tại ảo. Ví dụ các ngơn ngữ như OpenGL, C++,
Java3D, VRML,…hay các phần mềm thương mại như WorldToolKit,
Peopleshop,… Phần mềm trong hệ thống thực tại ảo có 2 nhiệm vụ chính: tạo
hình và mô phỏng. Các đối tượng trong hệ thực tại ảo được mơ hình hóa dưới
dạng 3D sau đó được mô phỏng các hoạt động và ứng xử tương tự như trong
đời sống thực.

11


1.2.5. Một số ứng dụng chính của thực tại ảo
•

Giáo dục: Giáo dục là lĩnh vực rất cần ứng dụng VR. Việc dạy và học từ

xa sẽ thêm dễ dàng và hiệu quả hơn với thực tế ảo. Hiện ứng dụng VR cho
giáo dục là nhóm có số lượng đơng đảo nhất. Ví dụ cụ thể cho nhóm sản
phẩm này là Google Expedition của Google.

Giáo dục cũng là một ứng dụng vô cùng tiềm năng của công nghệ VR, khi
cho phép các học sinh được tham quan các cơng trình cổ đại trong giờ lịch sử,
tham gia các buổi thực tập giải phẫu cơ thể trong giờ sinh học, hay truyền
cảm hứng bằng các hiện tượng kỳ thú trong thiên nhiên - điều mà có lẽ sách
vở chẳng bao giờ làm được.

Hình 1.2: Ứng dụng VR rất cần thiết trong lĩnh vực giáo dục
•

Trong du lịch: Các ứng dụng VR sẽ giúp hướng dẫn viên có kiến thức về

những điểm đến hấp dẫn trên tồn thế giới mà khơng cần đi tiền trạm. Với du
khách, họ có thể chọn và trải nghiệm ảo các địa điểm du lịch trước khi quyết
định mua tour. Thậm chí, một số nhà hàng, khách hàng còn dùng VR để hiểu
rõ hơn về dịch vụ họ cung cấp.Ở lĩnh vực giải trí, trị chơi điện tử và phim ảnh
đã có những bước tiến rất mạnh mẽ trong việc sử dụng VR. Hiện nay, người
dùng có thể giải trí với hàng trăm đầu trị chơi thực tại ảo. Các đạo diễn, nhà
sản xuất phim lừng danh như: Steven Spielberg, Ridley Scott… cũng đang
triển khai các dự án phim VR khổng lồ.
•

Qn sự: Cơng nghệ VR đang được quân đội trên thế giới sử dụng để

đào tạo và huấn luyện binh sĩ, đặc biệt là mô phỏng các môi trường nguy

12


hiểm, phức tạp hoặc cực kỳ tốn kém nếu làm theo cách khác. Công nghệ thực
tế ảo trong quân đội, hải quân và không quân các nước phổ biến tới mức có

thể khiến bạn ngạc nhiên. Về cơ bản, chúng được dùng để mô phỏng trận
đánh, chiến trường, đào tạo y tế, phương tiện và các trại đóng qn ảo.Thậm
chí, quân đội Anh đã sử dụng kính thực tế ảo để đào tạo binh sĩ nhảy dù.
•

Ứng dụng trong đào tạo bác sĩ : Ứng dụng mô phỏng trong môi trường

VR mang tên HumanSim giúp đào tạo các chuyên gia y tế bằng cách đưa họ
vào các tình huống khó khăn, như mô phỏng lại một trường hợp bệnh nhân bị
thương nghiêm trọng và họ phải giải quyết vấn đề một cách ổn thỏa.Mặc dù
chưa thể tái hiện lại mức độ căng thẳng của một ca điều trị thực tế, nhưng
HumanSim vẫn khiến các bác sĩ thực tập thích thú và đam mê cơng việc của
mình hơn nhờ mơ phỏng một cách chi tiết các thủ tục khó khăn mà họ phải
đối mặt trong thế giới thực.

Hình 1.3: Ứng dụng HumanSim giúp mô phỏng một ca điều trị thực tế

13


Chương 2
MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG MÔ PHỎNG CẤU TRÚC 3D
2.1. Cơng cụ xây dựng mơ hình hóa 3D
2.1.1. AutoCad
AutoCAD là phần mềm thiết kế mơ hình phổ biến nhất trên thế giới để
tạo tài liệu 2D và 3D. Nó cho phép các nhà thiết kế để nhanh chóng và dễ
dàng tạo tài liệu xây dựng chất lượng cao và bản vẽ chun nghiệp.
Các tính năng mơ hình hóa 3D với Autocad:
•

Tạo các mơ hình 3D thực tế trong thiết kế của bạn bằng cách sử dụng

kết hợp các công cụ mơ hình hóa bề mặt, rắn, bề mặt lưới.
•

Điều hướng 3D: Sử dụng công cụ điều hướng và điều hướng 3D để

xoay vòng, xoay, đi bộ và bay vòng quanh mơ hình 3D để giới thiệu thiết kế
của bạn.
•

Phong cách trực quan: Áp dụng các kiểu trực quan để kiểm sốt việc

hiển thị các cạnh, ánh sáng, và bóng của mơ hình 3D của bạn.
•

Hiển thị photorealistic: Áp dụng ánh sáng và vật liệu để cho các mơ

hình 3D của bạn xuất hiện thực tế và giúp truyền thông thiết kế của bạn.
•

Qt 3D và điểm mây: Đính kèm tập tin đám mây điểm thu được bởi

máy quét laze 3D hoặc các công nghệ khác để tạo ra các đại diện 3D.
•

Quan điểm cơ sở, dự kiến và phần: Tạo bản vẽ 2D bao gồm cơ sở,

chiếu, phần, và chế độ xem chi tiết từ các mơ hình 3D.
•

Studio In: Print Studio cung cấp các công cụ cần thiết để chuẩn bị các

mơ hình cho các máy in và tài liệu 3D được hỗ trợ.
•

Máy bay mặt cắt ngang: Tạo mặt phẳng phần để hiển thị chế độ xem

mặt cắt ngang thông qua các vật rắn, bề mặt, mắt lưới hoặc các vùng.

14


Hình 2.1. Autocad 2015
2.1.2. Autodesk 3Ds Max
Sản xuất hình ảnh động, trình diễn và mơ hình 3D chun nghiệp chất
lượng với phần mềm 3ds Max. Bộ công cụ hiệu quả giúp bạn tạo ra nội dung
3D và thực tế ảo (VR) tốt hơn trong ít thời gian hơn.
Các tính năng nổi bật nói chung của 3ds Max:
•

Hoạt hình và động lực 3D

•

Vẽ rendering 3D

•

Đặc trưng trong giao diện người dùng, quy trình cơng việc và cải thiện

đường ống dãn

15


Hình 2.2. Autodesk 3Ds Max
2.1.3. Autodesk Maya
Đây là phần mềm hoạt họa, mơ hình hóa, mơ phỏng và rendering 3D
của Maya 2018 giúp các nghệ sỹ làm việc nhanh hơn với các cải tiến cho các
luồng công việc hiện tại và các cơng cụ mới.
Các tính năng nổi trội của maya
•

Mơ hình 3d

•

Hoạt hình 3D

•

Đồ họa chuyển động kiểu 3D

•

Vẽ và tơ bóng 3D

16

Hình 2.3. Autodesk Maya
2.2. Các kỹ thuật dựng hình chính
2.2.1. Kỹ thuật dựng hình Polygon (lưới)
2.2.1.1. Khái niệm
Polygon là cơng cụ dựng hình chính mạnh nhất trong 3dsmax. Có thể
dựng bất kỳ đối tượng bất quy tắc nào
• Một số loại Polygon:
Mesh: Là tập hợp nhiều polygon có thể khác kiểu (tam giác, tứ giác, đa
giác) kết nối với nhau .
Shell: Một tập các mặt chỉ kết nối với nhau tại một điểm duy nhất.
• Lợi ích của Polygon:
Polygon là kiểu dựng hình lâu đời nhất của đồ hoạ 3D. Vì vậy, nó là cội
rễ cho mọi kiểu dựng hình khác.
Polygon là hình đơn giản nhất và vì thế nó dễ dàng chuyển đối giữa
các file của các platform khác nhau.
Với Polygon, sẽ mất ít dữ liệu để mơ tả các surface đơn giản. Ví dụ
như một mặt phẳng thì polygon 4 điểm sẽ đơn giản hơn rất nhiều so với
một mảng ráp b-spline (b-spline patch )phẳng cần ít nhất 16 CVs.

17