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 cong, khung lưới cong được kéo dãn ra theo cột. Ưu

điểm kỹ thuật này là nó độc lập với sự phức tạp của đối tượng. Một ứng dụng điển hình của kỹ thuật

này là mô hình hóa đầu người. Điển hình ở Hình 8 thể hiện biến dạng từng phần trên khuôn mặt

hay trên toàn cánh tay.

Hình 8: Ứng dụng biến thể lưới cho mô hình đầu người và cánh tay

Một nghiên cứu khác về biến thể là dùng phương pháp quét trên mô hình do Hyun [Hyun – 200])

nghiên cứu. Trong phương pháp này, lấy ví dụ mô hình chân, người ta tạo các elip với các kích cỡ

khác khau dọc khắp mô hình chân và thay đổi hình dạng, kích thuớc elip phải phù hợp với mô hình

chân ban đầu và kết quả như Hình 9.

616

Hình 9: Mô hình chân bằng elip

Gần đây phương pháp biến dạng hình học cơ bắp được trình bày bởi Pratscher [ Pratscher và cộng

sự 2005]. Ý tưởng chính là sử dụng cấu trúc toán học để mô hình hóa như Hình 10.

Hình 10: a: Mô hình hệ thống cơ bắp của chân; b: Mô hình có da

Sử dụng các thuật giải di truyền, mô hình lưới được chia thành nhiều đoạn theo màu để tượng trưng

cho từng cơ bắp. Hệ thống phát triển có khả năng kết nối các cơ bắp và lưu trữ dữ liệu kích thước,

mẫu cơ xương để áp dụng trên nhiều mô hình khác nhau.

1.3 Mô hình hóa dựa trên cấu trúc vật lý

Mô hình hóa dựa theo cấu trúc vật lý giúp tăng độ chính xác của các kết quả mô phỏng trên

nhiều mô hình thực tế. Nhưng mô phỏng các chi tiết bề mặt mô hình cơ thể người theo quy luật tự

nhiên, cơ bắp, các thớ thịt, mỡ trên các bộ phận cơ thể thì phải được tính toán rất phức tạp và khó

thực hiện bằng kỹ thuật mô hình hóa hình học mà phải thực hiện bằng kỹ thuật mô hình hóa vật

lý. Tuy nhiên, khi quyết định chọn kỹ thuật mô phỏng hình học hay vật lý phụ thuộc rất nhiều vào

các thuật toán.

Các lớp cơ bắp của mô hình đ i hỏi phải được các kỹ thuật mô hình hóa đặc biệt để mô phỏng

giống những mô hình biến thể theo hành vi vận động trong thực tế. Mô phỏng mô hình cơ thể

sống, hoạt động, sự chuyển động các cơ bắp, lớp thịt thay đổi khi cơ thể vận động, chạy thì kỹ thuật

mô phỏng hình học không thể làm được.

Một trong những mô phỏng trước đây dùng kỹ thuật đồ họa được thực hiện bởi Terzopoulos

[Terzopoulos và cộng sự -1987]. Họ sử dụng lý thuyết đàn hồi cho vật liệu như cao su, vải. Sau đó kỹ

thuật này được áp dụng để mô hình hóa cơ thể theo cách tiếp cận khác. Một vài nghiên cứu của

Teran [Teran và cộng sự - 2005] đã mô hình hóa cơ thể, các lớp da, cơ bắp theo phương pháp mô

617

phỏng vật lý và thay đổi bề mặt các lưới trên da theo các biến dạng ở bên dưới lớp da. Tuy nhiên

nếu kết hợp cả 2 phương pháp mô phỏng hình học và vật lý sẽ cho hiệu quả tối ưu.

Ví dụ, phương pháp mô hình hóa cơ thể theo cách mô phỏng vật lý cơ thể sẽ chia mô hình ra làm 3

phần: xương, cơ bắp và da. Mục tiêu chính là thực hiện khung xương, các biến dạng cơ bắp và

tham số bề mặt lớp da. Điển hình là nghiên cứu của Neded [Neded -1998]. Để chứng minh hiệu

quả của nghiên cứu này, ông ta đã đưa ra mô hình hóa một cánh tay có cơ bắp và mô hình biến

dạng. Thiết kế mô hình cánh tay được lấy từ bộ sưu tập các hình mẫu giải phẫu học về cánh tay và

hình ảnh cơ bắp khi tay vận động, điều này được thể hiện ở Hình 11.

Hình 11: Kết hợp xương và bắp thịt để tạo mô hình 3D

1.4 Mô hình hóa cơ thể dựa theo giải phẫu học và nhân trắc học

Những nghiên cứu ban đầu về mô hình hóa cơ thể từ những năm 1950. Trong thời gian này, nó rất

quan trọng cho nhiều tổ chức sản xuất máy bay và ô tô tìm ra kích thuớc cơ thể người phù hợp với

sản phẩm của họ. Sau đó, năm 1980, nhiều chương trình thiết kế với sự hỗ trợ của máy tính được

phát triển và được ứng dụng tích cực trong kỹ thuật này. Dooley [Dooley -1982] đã nghiên cứu về

vấn đề này. Sau đó, với sự phát triển của công nghệ trong lĩnh vực giải trí, các phần mềm trò chơi

trên máy tính sử dụng mô hình cơ thể ảo. Gần đây, lĩnh vực dệt may, y tế, thể thao đều sử dụng mô

hình hóa cơ thể mô phỏng sản phẩm của họ.

Nói chung, mô hình hóa cơ thể dựa theo các dạng hình học hay vật lý có thể kết hợp với nhau hoặc

từng phương pháp riêng. Trong lĩnh vực y tế, mô hình cơ thể thật được mô phỏng bằng phương

pháp mô hình hóa vật lý. Trong ứng dụng này đ i hỏi độ chính xác các mô hình, cách thực hiện

theo giải phẫu học của mô hình hóa vật lý sẽ cho kết quả tốt hơn. Trong trường hợp các thuật toán

bị hạn chế, phương pháp mô hình hóa hình học sẽ được sử dụng phù hợp.

Nhân trắc học là khoa học về đo lường cơ thể tập trung vào các biến đổi vật lý các kích thước cơ thể.

Xét mô hình cơ thể người trong không gian ảo, kiến thức về nhân trắc học được đưa vào đồ họa vi

tính thiết kế mô hình cơ thể theo các kích thước khác nhau, ứng dụng mô hình này cho nhiều lĩnh

vực khác nhau, ví dụ trong lĩnh vực dệt may. Ứng dụng các tính năng về nhân trắc học để tạo ra mô

hình cơ thể ảo và mô phỏng quần áo lên cơ thể người và cả những thông tin về thông số của mô

Hình 12.

618

Hình 12: Trình bày các mốc đo nhân trắc trong thiết kế

Một trong những hệ thống trước đây dựa trên mô hình hóa cơ thể ảo được phát triển bởi

Magnenat-Thalmann [Magnenat-Thalmann -1987]. Hệ thống này có tên là ‚hệ thống nhà máy tạo

con người‛ và gồm phương pháp mô hình hóa hình học và vật lý. Hệ thống này thiết kế theo cấu

trúc từng modul và mỗi modul đều có khả năng kiểm soát trên người ảo. Hệ thống này điều khiển

xương, khuôn mặt dựa trên các modul cho phép một khung mô hình hóa cơ thể hoàn chỉnh. Sử

dụng hệ thống này, tác giả đã thực hiện một bộ phim 7 phút ‘Rendez-Vous a Montreal’ bởi

Magnenat-Thalmann [Magnenat-Thalmann -1987].

Ngày nay, theo sự phát triển công nghệ, hiệu ứng hình ảnh phức tạp hơn, tiếng nói, công nghệ

nhận dạng, nhận dạng khuôn mặt giống như các modul đều được đề cập trong hệ thống này.

Song song việc thực hiện các modul, yêu cầu phải có thuật toán xây dựng mô hình phù hợp.

Biến dạng về mô hình cơ thể người không chỉ tạo ra các mô hình với kích thước khác nhau. Nó còn

sử dụng để tạo các mô hình động và sự biến đổi trạng thái vật lý trên khuôn mặt. Magnenat-

Thalmann [Magnenat-Thalmann -1988 ] đã phát triển hệ thống bằng việc tạo biến dạng từng phần

(JLD) để tạo biến dạng mô hình cánh tay con người cho phim hoạt hình. Mỗi thao tác biến dạng

(JLD) của diễn viên là một kiểu riêng được lưu giữ và nó được xác định như một thao tác của sự vận

động khớp. Cấu trúc xương của cánh tay được sử dụng để thực hiện mô hình các khớp. Sau đó

Magnenat-Thalmann [Magnenat-Thalmann -1988] sử dụng cùng một phương pháp cho cơ thể

động với đầy đủ các khớp xương. Các cấp độ khớp xương và ứng dụng kỹ thuật trên được trình bày

ở Hình 13.

.

Hình 13: Mô hình diễn viên

619

Wilhelms [Wilhelms -1995] thực hiện một phương pháp mới mà trong phương pháp này các lớp cơ

thể được xác định trong một cấu trúc theo từng cấp bậc. Cách này làm cho có thể thêm hoặc bỏ

các xương, cơ bắp và da trong từng cấp. Sự linh hoạt của phương pháp này được sử dụng để xác

định các phần cấu trúc cơ thể theo xương và cơ bắp khác nhau. Theo phương pháp nhiều lớp này,

mỗi cấu trúc được đưa vào khung để tính toán đơn giản. Ngoài ra, sử dụng mô hình elip thay vì cấu

trúc cơ bắp để làm tăng hiệu quả. Thể hiện ở Hình 14. Theo sự tương tác của cấu trúc này, bề mặt

da được biến dạng cho mô hình thực tế.

Hình 14: Mẫu các điểm nút tại các khớp

Một ví dụ về sự biến dạng dựa trên nhân trắc học được nghiên cứu bởi DeCarlo [DeCarlo -1998]. Hệ

thống sẽ tự động tạo ra các mô hình khuôn mặt mới từ một thư viện mẫu và phân tích thống kê.

Việc biến dạng sẽ theo các số đo được quy định sẵn và biến đổi mẫu theo kỹ thuật mô hình. Hình

15 và Hình 16.

Hình 15: Mô hình bắp tay

Hình 16: Biến thể mô hình đầu theo nhân trắc học

2 KẾT LUẬN

Mô hình hóa cơ thể bằng thiết kế đồ họa máy tính dựa trên các dạng hình học, đặc điểm vật lý, giải

phẫu học và nhân trắc học có thể cho ra kết quả mô hình 3D tĩnh và động trong không gian ảo.

Công nghệ này có thể ứng dụng trong lĩnh vực thiết kế phim hoạt hình, nhân vật ảo trên game... Đối

với ứng dụng thu thập dữ liệu từ hình dáng con người thực tế để đo nhân trắc thì hiện vẫn chưa có.

Tuy nhiên để thực hiện công nghệ này đ i hỏi thuật toán phải mạnh, người thực hiện phải có sự am

620

hiểu kiến thức về cấu trúc cơ thể con người và chuyên môn đồ họa máy tính. Phương pháp tạo mô

hình mới bằng các biến thể từ mô hình cũ, có thể biến thể một bộ phận hoặc cả mô hình nhờ vào

việc phân vùng cơ thể và nghiên cứu các tư thế động tác. Ứng dụng này chưa đảm bảo thực tế và

tính chính xác khi lắp ráp các bộ phận với nhau tạo thành mô hình hoàn chỉnh. Vì vậy các phương

pháp này sẽ không phù hợp để nghiên cứu nhân trắc học ngành may.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]

Lee, W.Gu, Magnenat-Thalmann (2000) Generating animatable 3D virtual humans from

photographs. Eurographics, Computer Graphics forum, 19(3).

[2]

Wang, Chang, Yuen (2003) Virtual human modeling from photographs for garment industry.

Computer-Aided design.

621