THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1. Thông tin chung

• Tên đề tài: Mô phỏng sự ảnh hưởng của môi trường lên biểu diễn bề mặt của đối tượng ba chiều trong trưng bày ảo.
• Mã số: B2018-TNA-61.
• Chủ nhiệm đề tài: TS. Vũ Đức Thái.
• Tổ chức chủ trì: Đại học Thái Nguyên.
• Thời gian thực hiện: 01/2018-12/2019, được gia hạn đến hết tháng 6 năm 2020.

2. Mục tiêu

• Mô phỏng được sự ảnh hưởng của các nguồn sáng vào biểu diễn bề mặt của đối tượng 3D trên cơ sở đó phát triển hệ thống trưng bày ảo các hiện vật.  Mục tiêu cụ thể là nghiên cứu các kỹ thuật chiếu sáng và hiệu ứng bóng bề mặt của vật thể trưng bày trong không gian ba chiều
• Ứng dụng các kết quả đã nghiên cứu vào xây dựng một phần mềm trưng bày ảo cho một số hiện vật tại Bảo tàng Văn hóa các dân tộc Việt Nam tại TP Thái Nguyên với các lý thuyết phân tích về tác động của môi trường lên hiện vật.

3. Tính mới và sáng tạo

• Phát triển một số kỹ thuật thể hiện vật thể 3D trong không gian với các hiệu ứng ánh sáng như tạo ra bóng bề mặt và bóng đổ. Việc nghiên cứu để làm rõ các tính chất vật lý của ánh sáng lên vật có các dạng bề mặt khác nhau (gốm, sứ, gỗ, mây tre đan, thủy tinh); việc tạo bóng của các vật thể trong khôn gian 3D khi nguồn sáng thay đổi vị trí, cường độ. Từ các nghiên cứu này vận dụng vào xây dựng các kỹ thuật tính toán điều khiển để thể hiện cho các vật thể khi chuyển động;
• Xây dựng mô đun phần mềm ứng dụng  vào thể hiện một số (30) vật thể trưng bày trong bảo tàng thể hiện các hiệu ứng của ánh sáng tăng hiệu quả trưng bày phục vụ quan sát, nghiên cứu tìm hiểu vật thể.

4. Kết quả nghiên cứu

• Phát triển kỹ thuật nâng cao chất lượng hiển thị đối tượng 3D trong môi trường thực trong đó có hai thuật toán: Thuật toán xác định hướng ánh sáng; Thuật toán xác định vùng chói sáng để biểu diễn ánh sáng lan tỏa trên bề mặt đối tượng;
• Phát triển kỹ thuật tạo bóng đổ cho đối tượng sử dụng phép chiếu Homography để tăng kích thước đối tượng gần mặt phằng chiếu. Kỹ thuật  đề xuất sử dụng phép biến đổi tọa độ các điểm trên không gian hai chiều của ảnh bản đồ bóng sao cho hình chiếu của không gian camera quan sát trên bản đồ bóng được biểu diễn tốt nhất;
• Cải tiến kỹ thuật xây dựng phép chiếu Homographic 2D: Phép chiếu Homographic 2D cần xây dựng được biểu diện bởi một ma trận 3x3. Nó biến đổi bốn đỉnh của hình thang bao không gian quan sát camera thành bốn đỉnh của hình vuông cơ sở P0;
• Cải tiến vẽ bản đồ bóng: Bản đồ bóng cải tiến của chúng tôi được tạo ra bằng cách lấy ảnh chiều sâu có được sau quá trình kết xuất cảnh với phép chiếu được xây dựng dựa trên vị trí hướng và đặc điểm của nguồn sáng kết hợp với các thông số của camera;
• Đề xuất kỹ thuật tự động xác định điểm kiểm soát khi biểu diễn động cho vật thể (quay, tính tiến…), gồm 03 thuật toán: (1) Xác định điểm kiểm soát được đặt cho mô hình biến dạng; (2) Xác định quỹ đạo thay đổi của các điểm; (3) Thuật toán tìm điểm điều khiển.

5. Sản phẩm

5.1. Sản phẩm khoa học: 04 (01 bài báo đăng trên tạp chí quốc tế thuộc danh mục ESCI, 01 tạp chí quốc tế thuộc danh mục SCOPUS; 01 bài báo đăng trên Kỷ yếu Hội thảo quốc tế, 01 bài báo đăng trên kỷ yếu Hội thảo trong nước)

1. Huynh Cao Tuan , Do Nang Toan, Lam Thanh Hien, Thanh-Lam Nguyen, “An innovative approach to automatically identify control point set for model deformation rectification”, International Journal of Advanced and Applied Sciences, 6(8) 2019, Pages: 45-52.
2. Trinh Hien Anh, Trinh Xuan Hung, "Shadow Map Construction using 2D Homography”, International Journal of Engineering and Advanced Technology, Vol.9, Issuse 4, Arip.2020, (http://www.ijeat.org/download/volume-9-issue-4 ).
3. Trinh Hien Anh, Duong Thi Nhung, Ha Manh Toan,"Enhancing the quality of inserted 3D object into a video”, International Conference on Computing and Communication technology”, RIVF2019, PP.296-300.
4. Nghiêm Văn Hưng, Trịnh Hiền Anh, Đặng Văn Đức, Nguyễn Văn Căn, Vũ Đức Thái, “Một số tăng tốc tính toán và chạm của các đối tượng vật thể rắn trong môi trường ảo bằng tích phân số Euler thích nghi”, Hội thảo Những vấn đề chọn lọc về CNTT&TT, Thanh Hóa 2018, Tr. 186-190.

5.2. Sản phẩm đào tạo: Hướng dẫn 02 luận văn thạc sĩ đã bảo vệ thành công, Hỗ trợ đào tạo 01 NCS

- Hướng dẫn 02 luận văn Thạc sĩ:

1. Hà Thị Chuyên, Đề tài: “Mô phỏng sự tạo bóng của vật thể từ một nguồn sáng trong thực tại ảo”, Cao học Khoa học máy tính K18, năm tốt nghiệp 2019;
2. Nguyễn Thị Hồng Hạnh, Đề tài: “Nghiên cứu hiệu ứng bóng đổ từ hai nguồn sáng trong biểu diễn vật thể 3D”, Cao học Khoa học máy tính K18, năm tốt nghiệp 2019.

- Hỗ trợ dào tạo nghiên cứu sinh: 01 NCS (Trịnh Xuân Hùng, tên Luận án “Nghiên cứu một số kỹ thuật mô phỏng bề mặt đối tượng trong Thực tại ảo”. Chuyên ngành Cơ sở toán học cho tin học)

5.3 Sản phẩm ứng dụng

Hệ thống phần mềm trưng bày hiện vật ảo 3D, có các chức năng:

• Thể hiện được các hiện vật trong không gian trưng bày;
• Thể hiện được ảnh hưởng của ánh sáng như phản xạ, khúc xạ, vị trí chiếu sáng, cường độ ánh sáng;
• Có khả năng di chuyển camera để quan sát chi tiết hiện vật.

5.4. Sản phẩm khác

• Cơ sở dữ liệu hình ảnh hiện vật 3D (30);
• Tài liệu phân tích, thiết kế hệ thống phần mềm trưng bày hiện vật ảo 3D.
• Hướng dãn sử dụng phần mềm.

6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu

6.1. Phương thức chuyển giao

• Phần mềm đã được chuyển giao cho Bảo tàng Văn hóa các dân tộc Việt Nam tại tỉnh Thái Nguyên. Nhóm đã đến cài đặt và gửi tài liệu hướng dẫn cho nhân viên bảo tàng để đưa vào sử dụng.
• Hiện tại bảo tàng đã có một số sản phẩm trưng bày ảo đưa vào sử dụng phục vụ khách thăm quan. Sản phẩm của đề tài đóng góp một phần vào hệ thống trưng bày ảo của bảo tảng

6.2. Địa chỉ ứng dụng

Bảo tàng Văn hóa các dân tộc Việt Nam tại tỉnh Thái Nguyên.

6.3. Tác động và lợi ích mang lại đối với lĩnh vực giáo dục và đào tạo

• Từ những kinh nghiệm, kỹ năng triển khai mô hình này có thể phát triển các sản phẩm phục vụ giảng dạy ở các cấp;
• Sản phẩm phần mềm có thể đưa vào các nội dung học trực tuyến trong một số lĩnh vực.

6.4. Tác động và lợi ích mang lại đối với lĩnh vực khoa học và công nghệ có liên quan

• Nội dung nghiên cứu góp phần bổ sung kết quả/tài liệu nghiên cứu khoa học trong các hướng tiếp cận mới về xây dựng các vật thể 3D ứng dụng trong nhiều lĩnh vực;
• Quá trình thực hiện đề tài đã hình thành nhóm nghiên cứu có các thành viên từ trường ĐH Công nghệ Thông tin – ĐH Thái Nguyên và Truyền thông, từ Viện Công nghệ Thông tin – Viện HL Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Trường ĐH Lạc Hồng tham gia chia sẻ học thuật và các giải pháp thực hiện.

6.5. Tác động và lợi ích mang lại đối với phát triển kinh tế-xã hội

Sản phẩm ứng dụng tại bảo tảng làm tăng sự hấp dẫn thu hút khách thăm quan đến với bảo tàng, từ đó cung cấp thông tin, hiểu biết về các dân tộc (nề nếp sinh hoạt,lao động, sản vật, văn hóa, trang phục…) góp phần giáo dục truyền thống văn hóa của dân tộc. Ứng dụng công nghệ thực tại ảo là hướng đi đúng đắn cho các bảo tàng, di tích lịch sử văn hóa góp phần giáo dục lòng yêu nước, tự hào dân tộc, đạo đức lối sống hướng về cội nguồn cho nhiều thế hệ. Góp phần đóng góp vào phát triển kinh tế du lịch cho tỉnh Thái Nguyên.

6.6. Tác động và lợi ích mang lại đối với tổ chức chủ trì và các cơ sở ứng dụng kết quả nghiên cứu

• Khi thực hiện đề tài nhiều giảng viên, sinh viên tham gia vào từ khâu phân tích, thiết kế, vẽ, tạo hiệu ứng cho các vật thể giúp GV, SV có thêm kỹ năng, kinh nghiệm thực hiện tạo ra sản phẩm ứng dụng vào mục tiêu cụ thể;
• Góp phần nâng cao năng lực đội ngũ cán bộ giảng dạy khoa Truyền thông Đa phương tiện tại trường nhằm chất lượng đào tạo chuyên ngành Truyền thông đa phương tiện, Thiết kế đồ họa.                                                                                    

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1. General information

• Project title: Simulating the influence of the environment on the surface representation of 3D objects in a virtual display.
• Code number: B2017-TNA-50
• Coordinator: Dr. Vu Duc Thai
• Implementing institution: Thai Nguyen University
• Duration: From 01/2018 to 12/2019 (24 month); extended to June 2020.

2. Objective(s)

• Simulating the influence of light sources on the surface representating of 3D objects on which the virtual display system of artifacts is developed. The specific objective is to study lighting techniques and surface shadow effects of objects displayed in three-dimensional space
• Applying the researched results to building a virtual display software for some artifacts at the Museum of Vietnamese Ethnic Culture in Thai Nguyen City with analytical theories of the impact of the environment on the present object.

3. Creativeness and innovativeness

• Develop some techniques to represent 3D objects in space with lighting effects such as creating objects surface and shadows. The study to clarify the physical properties of light on objects with different surface forms (ceramic, porcelain, wood, rattan, glass); creating shadows of objects in 3D when the light source changes position, intensity. From these studies, apply and develop control techniques to represent objects in motion, animation;
• Building an application software module to represent some (30) objects on display in the museum showing the effects of light to increase the efficiency of displays for observing and studying objects.

4. Research results

• Develop techniques to improve the quality of displaying 3D objects in the real environment including with two algorithms: Algorithms determining light direction; The algorithm determines the dimming area to represent the pervasive light on the object surface
• Develop techniques for creating shadows for objects using Homography projection to increase the size of the object near the plane. The proposed technique uses the coordinates of the points in the 2D space of the shadow map image so that the view of the camera space on the shadow map is best represented.
• Improve the technique of building a Homographic 2D projection: The 2D Homographic projection to build is represented by a 3x3 matrix. It transforms the four vertices of the trapezoidal space of the camera view into four vertices of the base square P0
• Improved shadow mapping: Our improved shadow map is created by taking depth images obtained after exit with a projection built based on the position position and characteristics of the light source. matching camera specifications
• Proposing the technique of automatically determining control points when dynamically performing objects (rotating, calculating ...), including 03 algorithms: (1) Determining control points set for deformation models; (2) Determine trajectories of change of points; (3) Algorithm for finding control points

5. Products

5.1. Scientific Publication: 04

1. Huynh Cao Tuan , Do Nang Toan, Lam Thanh Hien, Thanh-Lam Nguyen, “An innovative approach to automatically identify control point set for model deformation rectification”, International Journal of Advanced and Applied Sciences, 6(8) 2019, Pages: 45-52
2. Trinh Hien Anh, Trinh Xuan Hung,” Shadow Map Construction using 2D Homography”, International Journal of Engineering and Advanced Technology, Vol.9, Issuse 4, Arip.2020, (http://www.ijeat.org/download/volume-9-issue-4 )
3. Trinh Hien Anh, Duong Thi Nhung, Ha Manh Toan,” Enhancing the quality of inserted 3D object into a video”, International Conference on Computing and Communication technology”, RIVF2019, PP.296-300.
4. Nghiêm Văn Hưng, Trịnh Hiền Anh, Đặng Văn Đức, Nguyễn Văn Căn, Vũ Đức Thái, “Một số tăng tốc tính toán và chạm của các đối tượng vật thể rắn trong môi trường ảo bằng tích phân số Euler thích nghi”, Hội thảo Những vấn đề chọn lọc về CNTT&TT, Thanh Hóa 2018, Tr. 186-190.

5.2. Training products: 03 (02 master; 01 PhD)

1. Hà Thị Chuyên, “Simulating object shadow establised frm one light source in virtual reality”, Master thesis in computer science course, University of Information And Communication Technology, Thai Nguyen University (K18, graduate in 2019)
2. Nguyễn Thị Hồng Hạnh, “Study shadow effection created by two light sources”, Master thesis in computer science course, University of Information And Communication Technology, Thai Nguyen University (K18, graduate in 2019)
3. PhD student: Trịnh Xuân Hùng- Thesis “Research some techniques to simulate surface of objects in Virtual Reality”- Mathematical Theory for Informatics)

5.3. Documents, software and artitacts

• Database of 3D object images (30);
• Documents analyzing and designing software system displaying 3D virtual artifacts;
• Software system for displaying 3D virtual artifacts, having the functions: (1) Displaying artifacts in display space; (2) Display the effects of light such as reflection, refraction, lighting position, light intensity; (3) Ability to move the camera to observe artifacts details

6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results

6.1. Transfer methods

The software has been transferred to the Museum of Vietnamese Ethnic Culture in Thai Nguyen Province. The team installed and sent documentation to museum staff for uing. Currently the museum has a number of virtual display products put into use for visitors. Products of the project contribute a part to the virtual display system of the museum

6.2. Application address

Museum of Vietnamese ethnic culture in Thai Nguyen province.

6.3. The impact and benefits on the education and training sector

From implementing experience and skills, this model can develop products for teaching at all levels; Software products can incorporate online learning content in a number of areas

6.4.The implications and benefits for the relevant science and technology fields

The content of research contributes to supplementing scientific research results, materials in new approaches to building 3D objects for application in many fields. The process of implementing the project has formed a research team with members from the University of Information Technology - Thai Nguyen University and Communications, from the Institute of Information Technology - Vietnam Academy of Science and Technology; Lac Hong University participates in scholarly sharing and implementation solutions.

6.5. Impact and benefits on socio-economic development

The products applied at the museum increase the attraction to visitors to the museum, thereby providing information and understanding about ethnic groups (routines, labor, products, culture, costumes ...) contribute to the education of the nation's cultural traditions. Application of virtual reality technology is the right direction for museums, cultural and historical relics, contributing to patriotic education, national pride, and ethical lifestyle towards the source for many generations. Contribute to the development of tourism economy for Thai Nguyen province.

6.6.The impact and benefits for the host organization and the application of the research results

When carrying out the topic, many lecturers and students participate in the analysis, design, drawing, and simulating light effect to objects to help teachers and students have more skills and experience to create applied products on the specific goal. Contribute to improving the capacity of the teaching staff of the Department of Multimedia Communication at the school to provide quality training in Multimedia, Graphic Design fields.

Lịch nghiệm thu