Đề tài Mô phỏng chất liệu trong thực tại ảo và ứng dụng

- 1 - LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này, em luôn nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo, thạc sỹ: Nguyễn Văn Huân, công tác tại khoa công nghệ thông tin thuộc Đại học Thái Nguyên, là cán bộ trực tiếp hướng dẫn em thực hiện đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn thầy ! Em chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa công nghệ thông tin, đã dạy dỗ, động viên em trong suốt 5 năm qua. Giúp em có thêm những kiến thức để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô ! Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, các chị và các bạn sinh viên đại học chính quy khóa II - Khoa công nghệ thông tin thuộc Đại học Thái Nguyên đã luôn động viên, giúp đỡ và nhiệt tình chia sẻ với tôi những kinh nghiệm học tập và làm việc trong suốt khoá học. Thái Nguyên, ngày 30 tháng 4 năm 2008 Nguyễn Văn Tài - 2 - MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN..............................................................................................1 LỜI CAM ĐOAN ....................................... Error! Bookmark not defined. MỞ ĐẦU .....................................................................................................4 CHƯƠNG I : THỰC TẠI ẢO VÀ CHẤT LIỆU TRONG THỰC TẠI ẢO ..5 1.1. Thực tại ảo và ứng dụng....................................................................5 1.1.1. Khái niệm về thực tại ảo .............................................................5 1.1.2. Các lĩnh vực ứng dụng của thực tại ảo .........................................5 1.2. Mô phỏng chất liệu trong thực tại ảo................................................10 1.2.1. Tổng quan về mô phỏng chất liệu ..............................................10 1.2.2. Mô hình mô phỏng chất liệu tóc.................................................14 1.3. Chức năng.......................................................................................17 CHƯƠNG II : MÔ PHỎNG CHẤT LIỆU LÔNG, TÓC TRONG THỰC TẠI ẢO .............................................................................................................21 2. 1. Mô phỏng tóc ở mức độ chi tiết ......................................................21 2.1.1. Những sợi tóc riêng lẻ ...............................................................22 2.1.2. Miếng tóc ..................................................................................29 2.1.3. Bó tóc........................................................................................30 2.2. Nhóm và chia nhỏ nhóm ..................................................................33 2.2.1 Xây dựng mô hình phân cấp tóc..................................................33 2.2.2. Chia nhỏ mảnh và bó .................................................................34 2.2.3. Chia nhỏ những nhóm sợi ..........................................................35 2.2.4. Hợp nhất ngầm định cho mô phỏng động...................................36 2.2.5. Khả năng chia nhỏ của tóc ........................................................38 - 3 - 2.2.6. Khả năng hòa trộn.....................................................................39 2.3.1. Tương tác giữa tóc với tóc ........................................................41 2.3.2. Tương tác giữa tóc với vật thể khác ...........................................42 2.4. Phát hiện va chạm ............................................................................43 2.5. Việc thúc đẩy cho hệ thống khung kép.............................................51 2.6. Thiết lập bộ khung kép ....................................................................52 CHƯƠNG III : XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG .................54 3.1. Giới thiệu một số mô hình tóc ..........................................................54 3.2. Xây dựng chương trình ứng dụng ....................................................57 3.2.1. Chương trình mô phỏng chất liệu lông.......................................57 3.2.2. Chương trình mô phỏng chất liệu tóc .........................................61 KẾT LUẬN ...............................................................................................68 TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................69 - 4 - MỞ ĐẦU Trong thời đại hiện nay với sự phát triển của các ngành khoa học kĩ thuật, đặc biệt là sự phát triển của công nghệ thông tin và ứng dụng của nó trong các ngành khác nhau. Chẳng hạn như trong ngành Điện ảnh, để xây dựng được những bộ phim hấp dẫn người xem thì cần phải tạo ra những cảnh quay ngoạn mục, hay tạo ra những nhân vật có một sức mạnh huyền bí. Do đó, muốn tạo được những nhân vật như vậy thì chúng ta phải xây dựng những nhân vật đó trong môi trường thực tại ảo và lập trình cho chúng hoạt động. Một trong những nhân tố ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình xây dựng mô hình nhân vật đó là chất liệu dùng để tạo ra những đối tượng trong môi trường không gian ảo, chất liệu dùng để thiết kế trang phục quần áo, vũ khí… Hay là phải tạo ra những kiểu tóc, lông mao cho nhân vật, để làm cho nhân vật chuyển động một cách uyển chuyển. Nhưng vấn đề này đòi hỏi phải mất nhiều thời gian và công sức nghiên cứu. Do thời gian nghiên cứu có hạn, nên trong đề tài lần này em mới chỉ dừng lại ở mức: “ Mô phỏng chất liệu trong thực tại ảo và ứng dụng ”. Dù cố gắng đến mấy, em cũng không thể tránh khỏi những sai xót. Em mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn sinh viên yêu thích ngành thực tại ảo. Sinh viên thực hiện: Nguyễn văn Tài - 5 - CHƯƠNG I THỰC TẠI ẢO VÀ CHẤT LIỆU TRONG THỰC TẠI ẢO 1.1. Thực tại ảo và ứng dụng 1.1.1. Khái niệm về thực tại ảo 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. Nó 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. Ví dụ : Người sử dụng có thể dịch chuyển một vật trong thế giới ảo, hoặc có thể cảm nhận được một vật khi chạm vào nó. 1.1.2. Các lĩnh vực ứng dụng của thực tại ảo Những lĩnh vực đang được nghiên cứu ứng dụng thực tại ảo một cách mạnh mẽ hiện nay là: y học, giáo dục, tin học, thương mại, giao thông, hàng không, xây dựng, khoa học quân sự, quốc phòng, thiết kế nội thất và trang trí nhà cửa, giải trí, điện ảnh… Trong khoa học quân sự, quốc phòng Hiện nay, những ứng dụng của thực tại ảo trong huấn luyện quân lính, thử nghiệm các loại vũ khí, các phương tiện chiến tranh, bản đồ hoá từng khu vực (hệ thống định vị toàn cầu). Người ta đã xây dựng các hệ thống mô phỏng phục vụ cho việc tập luyện của bộ binh, hay những hệ thống mô phỏng hệ thống an ninh, mô phỏng trận địa, phục vụ cho việc nghiên cứu, tập luyện nhằm tìm ra các phương pháp phòng thủ và chiến đấu một cách hiệu quả. Trong giáo dục và đào tạo Một số trường đào tạo lái xe của Việt Nam hiện nay cũng đang sử dụng các phương tiện cho phép học viên thực hành trên cơ sở thực tại ảo. Xây dựng các mô hình thực tại trên máy vi tính nhằm cung cấp các môi trường - 6 - học tập và nghiên cứu cho người sử dụng. Những mô hình được xây dựng ở đây chuyển tải được thực tế của chúng ta vào môi trường mô phỏng, cung cấp khả năng tương tác của con người với môi trường mô phỏng, có khả năng gây kích thích cao với người tham gia, cho phép chia sẻ tài nguyên về môi trường qua môi trường mạng v.v… Đó chính là mô hình thực tại ảo. Trong y học Hiện nay trên thế giới, 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. Thực tại ảo cũng có các ứng dụng trong lĩnh vực tâm thần. Hình 1.4. Hình ảnh của dự án nghiên cứu CHARM về tay của con người Dự án này cho phép xây dựng lại mô hình cánh tay của con người trong không gian 3D từ những dữ liệu hình ảnh trong y học và mô phỏng tất cả những thay đổi có thể có của các bộ phận như sự co dãn cơ. Trong dự án này, thực tại ảo làm nhiệm vụ mô phỏng lại cánh tay của con người và cung cấp các dịch vụ thể hiện sự thay đổi của cánh tay con người khi có sự tương tác của người sử dụng. - 7 - Hình 1.5. Hình ảnh về việc nghiên cứu hộp sọ của con người Đây là dự án nghiên cứu nhằm đưa thực tại ảo vào việc chữa trị bệnh cho con người. Bằng cách xây dựng một chương trình cho phép các bác sĩ trên khắp thể giới có thể cùng tham gia quan sát, thảo luận để đưa ra phương pháp chữa trị hiệu quả nhất. Khi có ứng dụng thực tại ảo, những ca phẫu thuật trở nên chính xác hơn, bệnh nhân mau lành bệnh hơn vì vết mổ nhỏ hơn so với vết phẫu thuật theo cách phẫu thuật truyền thống. Hơn nữa, khi bệnh nhân được chữa trị bởi đồng thời nhiều bác sĩ giỏi trên khắp thế giới, thì chắc chắn kết quả mang lại sẽ tốt hơn hơn rất nhiều. Hiện nay có rất nhiều dự án tập trung vào việc xây dựng các mô hình, mô phỏng các bộ phận của con người, đồng thời mô phỏng những sự thay đổi cơ bản khi có sự tương tác, thay đổi, hay sự biến đổi của các bộ phận khi con người hoạt động. Việc xây dựng các mô hình cho phép thực hiện các ca phẫu thuật giả, chuẩn đoán bệnh . Trong 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. Ví dụ như: Với một cái ôtô, người sử dụng không những xem được mọi ngóc ngách của nó mà còn có thể thử - 8 - lái nó trong môi trường ảo. Với một bản thiết kế xây dựng, không những khách hàng có thể nhìn thấy các hình ảnh của nó mà còn có thể đi lại xem chi tiết từng phòng, từng khu vực của kiến trúc đó với mọi góc nhìn có thể. Bằng các hình ảnh được xây dựng trên máy vi tính sẽ giúp con nguời có thể có một cái nhìn chi tiết về công trình đã được thiết kế. Hình 1.6. Hình ảnh của dự án về xây dựng, thiết kế và trang trí Trong khoa học cơ bản Nói chung, 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, người ta có thể mô phỏng lại chính xác các hiện tượng của vật lý một cách trực quan. Trong khảo cổ học, thực tại ảo giúp người ta dựng lại các kiến trúc đã bị chôn vùi, mô phỏng lại các thời kỳ của tự nhiên. Ví dụ như: mô phỏng lại hoạt động của các loài sinh vật đã bị tuyệt chủng như các bộ phim khoa học về khủng long, về biển. Trong 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 hỗ trợ thực tại ảo khách hàng có thể xem xét cảnh quan của nơi mà họ sẽ đến. - 9 - Trong giải trí Thông qua việc mô phỏng các mô hình 3D nhằm cung cấp các dịch vụ phục vụ tương tác của người trong môi trường ảo. Các hình ảnh tuyệt vời 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. Game thực tại ảo hiện nay đã trở thành một ngành công nghiệp thu được nhiều lợi nhuận. Ở nước ta hiện nay thì game thực tại ảo chưa được biết tới nhiều song ở một số nước phát triển thì đây là một ngành giải trí thu lợi nhuận khổng lồ, ví dụ các nước Nhật, Mỹ, Anh. Trong điện ảnh Một vài năm gần đây, những phim đó 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 ngày nay, con người có thể dựng được những thước phim tưởng chừng như không thể dựng được với các kỹ xảo điện ảnh thông thường, ví dụ trong một số cảnh của phim “Vua bọ cạp” v.v.. Các phim thực tại ảo ba chiều cũng được sản xuất và trình chiếu tại các rạp chiếu phim ba chiều. Khi xem các phim này bạn sẽ có cảm giác như đang sống trong chính bộ phim chứ không phải bạn đang xem phim. Trong hàng không vũ trụ Chúng ta không thể đầu tư một chiếc tầu vũ trụ để phóng thử nghiệm vào không gian, chúng ta không thể giao một chiếc máy bay cho một phi công lần đầu tiên bước lên máy bay mà chưa qua huấn luyện, vì chi phí cho mỗi chiếc máy bay không phải là nhỏ. Trong những năm gần đây, khi tin học phát triển thì các ứng dụng của nó vào lĩnh vực hàng không vũ trụ càng trở lên mạnh mẽ, nhất là trong vấn đề trợ giúp đào tạo phi công. Người ta đã xây dựng rất nhiều chương trình 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. Một chương trình máy tính tạo ra không gian 3D kết - 10 - hợp với thiết bị phần cứng 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. Với cách này, người ta sẽ giảm thiểu được thời gian, chi phí đào tạo và nâng cao tính an toàn của mỗi chuyến bay. 1.2. Mô phỏng chất liệu trong thực tại ảo 1.2.1. Tổng quan về mô phỏng chất liệu Mô phỏng là một lĩnh vực quan trọng trong quá trình phát triển và ứng dụng công nghệ thông tin ở Việt Nam nói riêng và trên thế giới nói chung. Nó là một trong những mục tiêu cơ bản trong lĩnh vực công nghệ thông tin, do đó bài toán mô phỏng là một trong những bài toán cơ bản, cốt yếu trong lĩnh vực công nghệ thông tin. Các nhà nghiên cứu trên thế giới do theo đuổi các nghiên cứu mô phỏng này từ hàng trục năm qua, gần đây đã thu được nhiều thành tựu đáng kể. Bài toán mô phỏng là một bài toán mô phỏng lại những hiện tượng, hoạt động của những đối tượng trong thế giới thực, mô phỏng lại những hoạt động của con người, …Tuy nhiên, tuỳ thuộc vào từng bài toán cụ thể mà chúng ta có các bài toán mô phỏng khác nhau. Trong thực tại ảo, có rất nhiều loại đối tượng khác nhau, với mỗi đối tượng có các chất liệu che phủ khác nhau, …Do đó, để mô phỏng các đối tượng trong thực tại ảo trước hết chúng ta cần tạo ra đối tượng cần mô phỏng. Mỗi đối tượng trong thực tại ảo rất đa dạng, phong phú, nó được xây dựng từ các loại chất liệu khác nhau phù hợp với từng đối tượng. Như vậy, để tạo ra các đối tượng khác nhau, ta cần tạo ra các đối tượng với các chất liệu khác nhau phù hợp với từng đối tượng đó. Vì vậy, bài toán mô phỏng đối tượng trong thực tại ảo thực chất là bài toán mô phỏng chất liệu cho các đối tượng trong thực tại ảo. Vì chất liệu là một thành phần quan trọng, nó không thể thiếu trong bất kỳ đối tượng nào trong thực tại ảo, nó là thành phần che phủ bên ngoài mỗi đối tượng, tạo ra sự phong phú, đa dạng giữa các đối tượng. Đồ án này nghiên cứu mô phỏng chất liệu trong thực tại ảo và ứng dụng. - 11 - Chất liệu tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau: + Chất liệu lông, tóc + Chất liệu vải + Chất liệu nước + Chất liệu gỗ Chẳng hạn chúng ta muốn mô phỏng một hồ nước hay một dòng sông, thì chúng ta phải mô phỏng được sóng nước khi có tác động từ bên ngoài, với những lực tác động khác nhau thì có những hình ảnh sóng khác nhau. Hay mô phỏng một trận mưa chẳng hạn, thì cũng phải mô phỏng được từng hạt nước rơi xuống như thế nào, khi va chạm vào các đối tượng thì phản ứng tiếp theo ra sao. Trong thực tế thì khi mà một miếng kính rơi thì ta nghe thấy tiếng vỡ và tạo ra những mảnh kính nhỏ, do vậy nếu mô phỏng chất liệu kính trong thực tại ảo thì sao? Phải mô phỏng sao cho có thể nhìn thấy những vật thể khác đằng sau tấm kính đó hay khi mà có một vật khác va chạm vào thì ta thấy mảnh kính đó phải vỡ và tạo ra các mảnh vụn. Tóc và lông là một dạng chất liệu quan trọng trong thực tại ảo do vậy trong đề tài này em xin trình bày một số cách mô phỏng chất liệu lông và tóc. Do phạm vi và tính chất của một đồ án tốt nghiệp đại học, ở đây tác giả nghiên cứu loại chất liệu cụ thể: chất liệu lông, tóc. Vì lông, tóc là một trong những thành phần quan trọng không thể thiếu đối với rất nhiều đối tượng như: con người, động vật, …nó là những lĩnh vực có nhiều nghiên cứu đã và đang đưa vào ứng dụng một cách hiệu quả bởi vì lông và tóc gắn liền với nhiều đối tượng trong cuộc sống chúng ta như lông, tóc đều gắn liền với đối tượng là con người, ngoài ra lông còn gắn liền với nhiều đối tượng khác như lông con châu, lông con bò, lông con chó,... Vì vậy, để mô phỏng được các đối tượng khác nhau chúng ta cần mô phỏng chất liệu lông, tóc, mô tả đối tượng, phân loại và phân nhóm các mẫu lông, tóc khác nhau nên việc tạo ra các kiểu lông, tóc phù hợp với từng đối tượng là những vấn đề quan trọng trong mô phỏng, được ứng dụng trong nhiều ngành khoa học khác nhau. Một mức thấp hơn nhưng lại được ứng dụng nhiều đó - 12 - là việc tạo ra những mẫu lông và tóc khác nhau, phù hợp với từng đối tượng. Chẳng hạn, việc tạo ra các mẫu lông hay tóc đối với những người nước ngoài thì khác đối với các mẫu lông hay tóc con người Việt. Với sự bùng nổ của thông tin, việc mô phỏng lông và tóc đối với từng đối tượng là điều cần thiết và đặc biệt là đối với con người Việt, nó thể hiện nét văn hoá của con người Việt Nam. Mô phỏng chất liệu lông, tóc nhằm mô phỏng lại những hiện tượng, hoạt động thực của lông, tóc bằng máy tính, tạo ra được các mẫu lông, tóc khác nhau phù hợp với từng đối tượng trong thế giới thực. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin nói chung và hệ thống mô phỏng nói riêng, mô phỏng chất liệu lông, tóc càng ngày càng trở nên là một xu hướng tất yếu, là một hướng nghiên cứu mở và đầy hứa hẹn. Trong vòng 40 năm qua, rất nhiều thuật toán được đề xuất và triển khai trên các hệ thống mô phỏng chất liệu lông, tóc. Trên thế giới đã có nhiều bộ phần mềm thương mại dành cho mô phỏng tóc như: Công ty Infinisys ( Những phần mềm này cung cấp chức năng mô phỏng thiết kế kiểu tóc và tô màu tóc với khoảng trên 800 kiểu tóc và chia làm 7 nhóm: + Kiểu tóc nữ: tóc dài (138 kiểu), trung bình (215 kiểu), ngắn (340 kiểu) + Kiểu tóc nam: tóc dài (9 kiểu), trung bình (35 kiểu), ngắn (70 kiểu) + Lông, râu ở mặt (râu cằm và râu mép): (22 kiểu) Công nghệ mô phỏng chất liệu lông, tóc có ý nghĩa rất quan trọng trong cuộc sống: thay vì tạo ra các kiểu lông, tóc thực trên con người thực chỉ tạo ra các kiểu lông, tóc ảo trên con người ảo bằng những mệnh lệnh đơn giản. Cho hiệu quả cao hơn. Về các hệ thống mô phỏng chất liệu lông, tóc, hiện nay đã có nhiều phương pháp mô phỏng được nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế như: Hệ thống mô phỏng tương tác physically -based cho những kiểu tóc, mô phỏng tóc dưới tác động của nước và kiểu thiết kế, xây dựng mô hình tóc bằng những - 13 - mô tả chi tiết, hệ thống mô phỏng những mảnh tóc theo thời gian thực… tuy nhiên, vấn đề mô phỏng chất liệu lông, tóc tự nhiên cho tới nay vẫn là một vấn đề mở, ngay cả các hệ thống mô phỏng trên thế giới như: Đó là do chất lượng của các hệ thống mô phỏng lông, tóc phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như: + Chất liệu lông, tóc + Kiểu dáng, kích thước lông, tóc (phụ thuộc vào từng đối tượng) + Nhân chủng học + Nét đặc trưng về văn hoá + Số lượng lông, tóc lớn Về hệ thống mô phỏng chất liệu lông, tóc, người ta quan tâm tới các vấn đề trong từng ngữ cảnh ứng dụng sau: + Mô phỏng chất liệu lông, tóc (ngắn, trung bình và tóc dài). + Mô phỏng chất liệu lông, râu ở mặt (râu cằm, râu mép,..) + Mô phỏng chất liệu lông, tóc cho phụ nữ thì khác với nam giới. + Mô phỏng chất liệu lông, tóc theo nét đặc trưng