Mô hình hóa cơ thể bằng kỹ thuật đồ họa máy tính

Bài viết trình bày mô hình hóa các đối tượng thực trong không gian ảo là một hướng nghiên cứu rất được quan tâm trong lĩnh vực đồ họa máy tính. Kỹ thuật chủ yếu là mô hình hóa dựa trên các dạng hình học cơ bản, hình học tự do, dựa vào cấu trúc vật lý, giải phẫu học và nhân trắc học cơ thể con người. Mời các bạn tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Mô hình hóa cơ thể bằng kỹ thuật đồ họa máy tính MÔ HÌNH HÓA CƠ THỂ BẰNG KỸ THUẬT ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Nguyễn Phương Thảo, Đỗ Kiều Trang, Trần Thị Thiên Hương, Nguyễn Ngọc Tố Uyên Khoa Kiến Trúc Mỹ thuật, Trường Đại học Công nghệ TP.Hồ Chí Minh GVHD: TS. Nguyễn Thị Ngọc Quyên TÓM TẮT Mô hình hóa các đối tượng thực trong không gian ảo là một hướng nghiên cứu rất được quan tâm trong lĩnh vực đồ họa máy tính. Kỹ thuật chủ yếu là mô hình hóa dựa trên các dạng hình học cơ bản, hình học tự do, dựa vào cấu trúc vật lý, giải phẫu học và nhân trắc học cơ thể con người Từ khóa: Mô hình hóa cơ thể, đồ họa máy tính, hình học cơ bản, mô phỏng. 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA CƠ THỂ 1.1 Mô hình hóa từ các dạng hình học cơ bản Một trong những nghiên cứu sớm nhất được xem là cột mốc quan trọng trong mô hình hóa từ các dạng hình học cơ bản được trình bày bởi Barr [ Barr – 1984]. Trong thời gian này, người ta sử dụng các dạng hình học cơ bản để thiết kế các mô hình mong muốn. Barr đã dùng phương pháp di chuyển góc, hướng của các hình học cơ bản để thiết kế các mô hình phức tạp theo các tham số đường cong. Từ các điểm lồi, lõm, góc của hình đa giác nguyên thủy, Ông đã xây dựng thành hình đa giác 3 chiều phức tạp. Ngòai việc tạo hình 3 chiều từ các hình cơ bản, Ông cũng đã thực hiện các phép biến đổi bảo toàn góc để uốn cong và xoắn các hình trong không gian 3 chiều. Hình 1 là một điển hình cho thiết kế hình đa giác 3 chiều từ hình đa giác nguyên thủy 2D. Hình 1: Thiết kế hình đa giác 3D từ hình đa giác 2D Sau thành công về mô hình đa giác 3 chiều, Barr [Barr – 1984] tiếp tục phát triển nghiên cứu mô hình hóa mô phỏng xoắn, uốn cong và kéo dài đỉnh các đối tượng hình học. Hướng thay đổi của phương pháp này là tập trung vào không gian vector các bề mặt tiếp xúc cần biến thể, tìm các vector tiếp tuyến của mô hình biến thể và vector tịnh tiến vị trí của mô hình biến thể. Barr lấy cảm 613 hứng từ các mô hình động cơ thể như sự uốn cong của khủyu tay, chân, chỗ to, chỗ nhỏ của các khối cơ bắp trên cơ thể được biến thể. Chức năng biến thể của Barr được sử dụng để đạt được các biến thể dọc theo trục tại các đỉnh của mô hình. Blanc [Blanc – 1994 ] tổng quát các chức năng này để đạt tới khả năng biến dạng toàn bộ mô hình, trong đó tại mỗi đỉnh của mô hình trong không gian được ánh xạ tới đỉnh khác trong cùng mặt phẳng không gian. Các chức năng biến thể được thực hịên như: thắt nút, vuốt nhọn, xoắn, biến dạng, uốn cong. Kết quả của kỹ thuật biến thể này được thể hiện ở Hình 2. Hình 2: Kết quả các biến thể trên mô hình 1.2 Tạo mô hình biến thể từ các dạng hình học tự do Kế tiếp công việc của Barr, Sederberg và Parry [Sederberg và Parry - 1986 ] đã đưa ra kỹ thuật biến thể các dạng hình học tự do (gọi tắt là FFD), kỹ thuật này rất thông dụng và có nhiều hướng mở để giải quyết các vấn đề về biến thể mô hình. Trong kỹ thuật này, mô hình được đưa vào một khung lưới gồm nhiều điểm kiểm soát và thực hiện biến thể mô hình. Thay vì dịch chuyển trên bề mặt đỉnh của mô hình, các điểm trên lưới sẽ dịch chuyển và sẽ tạo sự biến thể mô hình, điều này được thể hiện ở Hình 3. Hình 3: a: Biến thể từ kỹ thuật FFD, uốn con hình lập phương; b: Biến thể hình đầu Để có thể tạo một biến thể linh hoạt hơn, Lamousi [Lamousi – 1994] đã mở rộng kỹ thuật FFD bằng các khung lưới để tạo biến thể không đồng dạng gọi tắt là (NURBS) thay vì biến thể đồng dạng như trước đây. NFFD kiểm soát được nhiều mô hình hơn mà điều này kỹ thuật FFD không thể đạt được. Lamousin áp dụng kỹ thuật biến dạng NFFD với mô hình chân con người Hình 4. 614 Hình 4: Biến thể mô hình chân người bằng kỹ thuật NFFD Borrel và Rappoport [Borrel và Rappoport – 1994] đã nghiên cứu một kỹ thuật biến thể mới dựa vào kỹ thuật FFD gọi là biến thể nhân tạo. Việc kiểm soát các điểm biến thể trong không gian là điểm mới của phương pháp này. Để tạo được biến dạng cục bộ, giới hạn miền (s) dọc theo đường cong. Hình 5: Biến thể trong khung lưới Bằng phương pháp này, ta có thể kiểm soát kỹ từng miền nhỏ với các đỉnh trên bề mặt miền. Trong quá trình dịch chuyển, có thể sử dụng các đường cong kiểm soát ở các dạng khác nhau để tạo ra một biến dạng phức tạp trong một miền. Hình 6 trình bày việc ứng dụng phương pháp tương tự như các nghiên cứu trên cho một bộ phận cơ thể người, đó là bắp chân người. Kasap [Kasap và Magnenat – Thalmann – 2007] áp dụng nhiều biến dạng để tạo ra mô hình bắp chân với nhiều kích cỡ khác nhau. Hình 6: Biến thể mô hình chân người 615 Sự khác biệt giữa phương pháp này và phương pháp trước đây chính là kích thước của miền. Không chỉ giới hạn hình 2D tại mu bàn chân mà tạo một cột kiểm soát các miền trên bắp chân. Trong Hình 6, thể hiện vùng bắp chân theo đúng hình dáng nhân trắc học với các mốc kiểm soát tương ứng. Giống như vùng bắp chân, các bộ phận khác của cơ thể như tay, bụng, đùi... được xác định. Theo cách khống chế của Borel’s, các phần cơ thể biến dạng theo từng cấp được trình bày như mô hình trong Hình 7. Hình 7: Biến thể mô hình cơ thể người Tùy từng vùng trên cơ thể, các đường cong kiểm soát được sử dụng để làm biến đổi các kích thước cơ thể ta muốn. Một kỹ thuật biến dạng khác mà kết quả giống như phương pháp nêu trên, kỹ thuật đó gọi là ‘khung lưới’. Singh [Singh và Fiume 1998] lấy cảm hứng từ nhà điêu khắc, sử dụng lưới cong để tạo ra lược đồ biến dạng. Dọc theo các đường ...