Photogrammetry: Tạo phiên bản 3D của vật thể

Các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam-Hàn Quốc (VKIST) đã phát triển một công nghệ giúp hỗ trợ tái tạo mô hình 3D chất lượng của vật thể chỉ từ những tấm ảnh chụp thông thường.

Mô hình 3D tái hiện bảo tàng gốm Bát Tràng. Ảnh: VKIST

Từ pixel đến đa giác

Photogrammetry là một kỹ thuật trích xuất tọa độ ba chiều từ dữ liệu hai chiều (tức là hình ảnh). Kỹ thuật này đã xuất hiện từ nhiều năm trước và được sử dụng trong các lĩnh vực chuyên môn như lập bản đồ địa hình, kiến trúc, di sản, địa chất, hay kiểm soát chất lượng trong sản xuất công nghiệp. Nhưng phải đến khi hậu kì của những tựa game thành công được giới thiệu rộng rãi tại hội nghị các nhà phát triển game thế giới hồi những năm 2015 thì cộng đồng mới bắt đầu biết đến chúng rộng rãi. Nhờ vậy, một loạt công cụ dựa trên Photogrammetry được phát triển với chi phí sử dụng thấp hơn đáng kể.

Một trong những ứng dụng quan trọng của kỹ thuật Photogrammetry là quét các đối tượng để tự động tạo mô hình 3D của chúng. Tưởng tượng, bạn có thể chụp một vài bức ảnh của căn nhà mà mình yêu thích và chạy qua một phần mềm để ra được mô hình 3D gần như giống hệt với bản gốc. Với mô hình số hóa này, bạn có thể in ra để trưng bày, làm móc chìa khóa, hoặc thậm chí biến chúng thành những tài sản số hóa có giá trị trên vũ trụ ảo metaverse.

“Quá trình này về cơ bản là phân tích và chuyển đổi hình ảnh (vốn được tạo thành từ các điểm ảnh/pixel) thành một mô hình 3D (được cấu tạo từ các đa giác) mà ta có thể xoay, phóng to, thu nhỏ và quan sát từ mọi góc độ”, anh Nguyễn Đăng Hà, làm việc tại Phòng Công nghệ thông tin của VKIST, giải thích.

Từ năm 2022, nhóm nghiên cứu đã bắt tay vào phát triển một mô hình tính toán có khả năng so khớp những bức ảnh thông thường để tái tạo lại mô hình 3D sống động của vật thể. Các bức ảnh có thể chụp ảnh bằng máy ảnh chuyên nghiệp, điện thoại thông minh hoặc thậm chí là drones, miễn sao chúng đảm bảo được các góc nhìn xung quanh: trên, dưới, trước và sau. Tuy nhiên, quá nhiều ảnh chụp sẽ làm cho quá trình số hóa trở nên phức tạp bởi sẽ cần xử lý những tấm ảnh bị trùng lặp chi tiết và góc nhìn. Theo anh Hà, khoảng cách lý tưởng giữa các góc chụp là khoảng 10-15^o cho các mặt bên và chỉ cần 20-30^o cho mặt trên và mặt dưới.

Từ những bức ảnh này, phần mềm sẽ tính toán được vị trí đặt camera trong không gian ba chiều, và xây dựng nên các đám mây điểm nhằm xác định góc, cạnh và các chi tiết khác nhau của vật thể trong không gian. Khi nối những đám mây điểm với nhau, họ thu được một lưới đa giác bao phủ bề mặt của vật thể. Mỗi đa giác sẽ tương ứng với một phần của hình ảnh gốc. Người ta sẽ trích xuất màu sắc từ hình ảnh lên vị trí tương ứng trên bề mặt lưới để tạo ra mô hình 3D hoàn chỉnh với đầy đủ các chi tiết, hoa văn.

Ưu điểm của kỹ thuật này là rẻ tiền và không yêu cầu bất kỳ thiết bị chuyên dụng nào. Thực tế, việc chúng duy trì được màu sắc chính xác cũng là một điểm cộng, bởi chất lượng của hình ảnh sẽ quyết định độ chân thực của mô hình 3D tạo ra. Vì phép đo ảnh dựa trên hình ảnh, nên có những hạn chế vật lý khi ảnh chụp có bề mặt bị tối, bóng, nhòe hoặc có độ phơi sáng lớn.

“Những mô hình 3D ban đầu mà chúng tôi tạo ra vẫn có những chỗ không được tự nhiên hoặc có khoảng trống bởi hồi đó chất lượng ảnh drones của chúng tôi khá thấp. Tuy nhiên, có những công nghệ có thể hỗ trợ xử lý vấn đề này, chẳng hạn như các công cụ AI làm nét ảnh, điền vào chỗ trống hoặc các công cụ photoshop để chỉnh sửa màu. Đấy cũng là một một hướng tiếp cận mà chúng tôi sẽ nhắm đến trong tương lai”, anh Nguyễn Đăng Hà cho biết.

Trên thực tế, ý tưởng dùng kỹ thuật Photogrammetry để tái hiện mô hình 3D của các vật thể này được khơi gợi từ một dự án khác tại VKIST mà anh Nguyễn Đăng Hà tham gia là tái tạo gương mặt 3D cho người Việt Nam bằng mô hình AI. Ở dự án gương mặt 3D, họ đã thành công huấn luyện được một mạng nơ-ron tích chập dựa trên bộ dữ liệu tự thu thập, gồm hàng nghìn bức ảnh gương mặt được ở các góc độ khác nhau trong điều kiện ánh sáng khác nhau.

“Mặc dù công nghệ của hai dự án có thể hơi khác biệt, nhưng cũng có rất nhiều điểm chung để học hỏi trong quá trình xử lý ảnh”, anh tiết lộ, “Quan trọng nhất, chúng đều phục vụ cho việc xây dựng các mô hình 3D để sau này có thể dùng cho chuyển đổi số hoặc đẩy vào những không gian ảo."

Cơ hội tương lai

Mặc dù khá ấn tượng, kỹ thuật tạo mô hình 3D từ Photogrammetry vẫn còn khá mới mẻ ở Việt Nam. Đội của VKIST nói rằng họ vẫn đang tìm kiếm những người muốn thử nghiệm công nghệ.

“Nó có thể chưa hoàn hảo, nhưng đủ tốt. Một vài chi tiết chưa mượt mà, nhưng so với những kỹ thuật scan 3D tiên tiến nhất thì độ chính xác của chúng tôi cũng khá cao. Hơn hết, chúng tôi hướng tới việc cung cấp phần mềm cho các khách hàng phổ thông, có nghĩa là bất kỳ ai cũng có thể tự chụp ảnh và đưa vào phần mềm để ra kết quả, thay vì phải cần tới những người chuyên nghiệp và máy móc thiết bị hiện đại để scan”, anh Nguyễn Đăng Hà chia sẻ.

Nhóm của VKIST đã nhận được sự quan tâm của một số tổ chức, chủ yếu liên quan đến bảo tồn di sản và quảng bá du lịch. Năm ngoái, họ đã tái hiện mô hình 3D cho Bảo tàng gốm Bát Tràng (Hà Nội) và hòn Trống Mái (Hạ Long). “Chúng tôi thậm chí đã in ra để làm đồ lưu niệm”, anh hào hứng chỉ.

Gần đây, một đại diện ở Huế cũng bày tỏ sự quan tâm đến những mô hình độc đáo này. Anh Hà giải thích rằng đối với những việc bảo tồn các di sản văn hóa, các đối tượng bảo tàng hoặc di tích kiến trúc như đình, chùa, lăng tẩm v.v, cách tiếp cận Photogrammetry có thể cung cấp bản quét 3D chính xác, cho phép nghiên cứu chuyên sâu và phân tích các kiến trúc này. Điều này không chỉ tăng cường bảo tồn và duy trì các tài sản văn hóa mà còn cho phép các nhà nghiên cứu và những người đam mê từ khắp nơi nghiên cứu chúng dễ dàng hơn.

Hơn nữa, việc kết hợp các công nghệ số hóa tiên tiến với những thực tiễn di sản và văn hóa cũng sẽ tạo nền tảng để cho ra đời những sản phẩm sáng tạo mới trong tương lai, cho phép mọi người tìm hiểu sâu hơn về lịch sử, văn hóa dân tộc mà không cần rời khỏi nhà.

Khoahocphattrien