Tìm hiểu 3DGS – Phần 1: 3DGS khác gì so với cách tạo 3D truyền thống?

Tái tạo phong cảnh hay các công trình ngoài đời thực được chụp bằng smartphone hoặc camera thành một không gian 3D chân thực, tạo cảm giác như thể bạn đang thực sự có mặt tại đó. Một trong những công nghệ đang nhận được nhiều sự chú ý nhờ khả năng này là 3D Gaussian Splatting (sau đây gọi là 3DGS).

Trước đây, để chuyển các vật thể trong thế giới thực thành dữ liệu 3D, phương pháp chủ yếu được sử dụng là 3D modeling.

Theo phương pháp này, hình dạng của các đối tượng như tòa nhà, ô tô hay con người được tạo ra trên máy tính, sau đó màu sắc và chất liệu được thiết lập trên bề mặt. Phương pháp này được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như game, phim ảnh và trực quan hóa kiến trúc.

Trong khi đó, 3DGS tái tạo không gian thực thành dữ liệu 3D bằng một cách tiếp cận khác với phương pháp tạo 3D truyền thống.

Vậy cụ thể hai phương pháp khác nhau ở điểm nào?

Để hiểu rõ sự khác biệt đó, trước tiên hãy cùng xem cách hoạt động của phương pháp tạo 3D truyền thống.

Tạo 3D truyền thống: Tạo hình khối bằng cách kết hợp các đỉnh và bề mặt

Một trong những phương pháp biểu diễn được sử dụng phổ biến trong sản xuất 3D truyền thống là Mesh.

Mesh là cách biểu diễn vật thể ba chiều bằng cách kết hợp đỉnh (Vertex), cạnh (Edge) và mặt (Face).

Ví dụ, để tạo một hình lập phương, chúng ta đặt 8 đỉnh, kết nối chúng bằng các cạnh và tạo các mặt để hình thành khối ba chiều.

Các tòa nhà phức tạp, nhân vật hay ô tô về cơ bản cũng được tạo thành bằng cách kết hợp một lượng lớn các bề mặt nhỏ như vậy.

Trên bề mặt của vật thể 3D, người ta còn áp dụng các hình ảnh gọi là texture hoặc thêm các thiết lập gọi là material để thể hiện màu sắc và chất liệu.

Ví dụ, với ô tô có thể thiết lập cảm giác kim loại của thân xe, với tòa nhà là chất liệu của tường, còn với nhân vật là chất liệu da hoặc quần áo.

Như vậy, cách tiếp cận cơ bản của phương pháp tạo 3D truyền thống là tạo hình dạng trước, sau đó bổ sung màu sắc và chất liệu lên bề mặt.

Một ưu điểm lớn của Mesh là có thể xác định hình dạng một cách rõ ràng.

Có thể di chuyển các đỉnh để thay đổi hình dạng, chỉnh sửa từng bộ phận riêng biệt hoặc bổ sung chi tiết khi cần thiết. Vì vậy, Mesh phù hợp với những ứng dụng cần chỉnh sửa hình dạng một cách linh hoạt, chẳng hạn như nhân vật trong game, thiết kế ô tô hay thiết kế công trình kiến trúc.

Tuy nhiên, nếu muốn tái tạo một cảnh thực tế với chất lượng giống như ảnh chụp, cần khá nhiều công sức.

Không chỉ phải tạo hình dạng của tòa nhà, mà còn phải thể hiện cửa sổ, hoa văn trên tường, cây cối, mặt đất và những chi tiết nhỏ khác. Ngoài ra, màu sắc và chất liệu của từng phần cũng cần được điều chỉnh.

Nói cách khác, để biến một cảnh thực tế thành dữ liệu 3D chân thực, cần tạo ra cả hình dạng lẫn hình thức bên ngoài.

3DGS: Tái tạo không gian thực bằng một lượng lớn Gaussian

Ngược lại, 3DGS biểu diễn không gian 3D bằng một cách tiếp cận hoàn toàn khác.

Trong 3DGS, một lượng lớn các phần tử nhỏ có độ lan tỏa trong không gian, gọi là 3D Gaussian, được bố trí trong không gian.

Mỗi Gaussian chứa các thông tin như vị trí, kích thước, hướng, màu sắc và độ trong suốt.

Các Gaussian này được chiếu lên hình ảnh từ góc nhìn của camera và chồng lên nhau để tạo ra hình ảnh cuối cùng.

Có thể hơi khó hình dung, nhưng nếu Mesh là phương pháp “kết hợp các đỉnh và mặt để tạo nên vật thể ba chiều”, thì 3DGS có thể được hiểu là phương pháp “bố trí một lượng lớn các phần tử giống như những hạt ánh sáng nhỏ để tái tạo cảnh vật trong thế giới thực”.

Tất nhiên, Gaussian thực tế không chỉ đơn giản là những hạt ánh sáng. Chúng là dữ liệu chứa thông tin như vị trí, kích thước, màu sắc và độ trong suốt.

Một đặc điểm lớn của 3DGS là có thể biểu diễn một không gian 3D với hình thức gần giống ảnh chụp mà không cần phải tạo chi tiết bề mặt vật thể bằng polygon.

Ví dụ, những thứ như lá cây, cỏ, các chi tiết trang trí nhỏ của tòa nhà hoặc bề mặt có nhiều độ lồi lõm phức tạp thường đòi hỏi phải tạo hình dạng và texture rất chi tiết khi sử dụng Mesh. Với 3DGS, chúng có thể được tái hiện về mặt thị giác bằng tập hợp các Gaussian.

Ngoài ra, 3DGS không chỉ là một công nghệ hiển thị ảnh tĩnh.

Bằng cách sử dụng các Gaussian được bố trí trong không gian 3D, hệ thống có thể tạo ra hình ảnh từ nhiều góc nhìn khác nhau khi thay đổi vị trí và hướng của camera.

Nói cách khác, người dùng có thể di chuyển trong không gian hoặc thay đổi góc nhìn trong khi vẫn duy trì hình ảnh chân thực như ảnh chụp.

Trong bài báo gốc về 3DGS được công bố năm 2023, các tác giả đã cho thấy khả năng tạo ra hình ảnh từ những góc nhìn mới với chất lượng cao theo thời gian thực.

Mesh và 3DGS khác nhau như thế nào?

Tóm tắt những nội dung trên, sự khác biệt giữa Mesh và 3DGS nằm ở cách chúng biểu diễn không gian 3D.

Điểm quan trọng ở đây không phải là phương pháp nào tốt hơn.

Hai phương pháp có cách tiếp cận khác nhau ngay từ đầu khi biểu diễn không gian ba chiều.

Mesh phù hợp với việc xác định hình dạng một cách rõ ràng, đồng thời cho phép chỉnh sửa và gia công hình dạng một cách linh hoạt.

Trong khi đó, 3DGS có thế mạnh trong việc tái tạo phong cảnh hoặc vật thể thực với hình thức gần giống ảnh chụp.

Ví dụ, hãy xem xét trường hợp số hóa một tòa nhà cũ có thật.

Nếu sử dụng Mesh, trước tiên cần tạo hình dạng của tòa nhà, sau đó thiết lập texture cho các bề mặt như cửa sổ, tường và mái.

Trong trường hợp sử dụng 3DGS, có thể dựa trên các bức ảnh thực tế của tòa nhà để tái tạo một không gian bao gồm hình thức bên ngoài, các chi tiết trang trí và cả môi trường xung quanh.

Ngay cả khi cùng số hóa một tòa nhà thành 3D, cách tiếp cận để đạt được kết quả đó cũng rất khác nhau.

3DGS sẽ thay đổi điều gì?

Một trong những điều được kỳ vọng từ sự xuất hiện của 3DGS là việc mở rộng các lựa chọn để chuyển không gian thực thành dữ liệu 3D.

Trước đây, để tạo một không gian 3D chân thực, trong nhiều trường hợp cần đến công việc modeling chuyên môn và quá trình tạo texture chi tiết.

Tuy nhiên, với 3DGS, có thể tạo ra một cảnh 3D có chất lượng gần giống ảnh chụp từ những hình ảnh được ghi lại trong không gian thực.

Điều này mở ra khả năng số hóa nhiều địa điểm và vật thể hơn thành 3D để sử dụng trong không gian số.

Ví dụ, có thể nghĩ đến những ứng dụng như sau:

• Bất động sản: Tái tạo tòa nhà hoặc không gian nội thất thành không gian 3D chân thực, cho phép người dùng tham quan từ xa với góc nhìn tự do.
• Kiến trúc và xây dựng: Số hóa công trường hoặc cơ sở hiện hữu thành 3D để kiểm tra và chia sẻ tình trạng hiện trường từ xa.
• Di sản văn hóa: Lưu giữ kỹ thuật số các công trình lịch sử hoặc hiện vật với hình thức gần với trạng thái thực tế.
• Sản xuất hình ảnh: Chụp một địa điểm có thật, chuyển thành 3D và sử dụng làm tư liệu nền cho quá trình sản xuất hình ảnh.
• XR: Đưa không gian thực vào không gian ảo để tạo ra trải nghiệm số chân thực hơn.

Điểm chung của các ứng dụng này là không nhất thiết phải có khả năng tự do chỉnh sửa hình dạng của vật thể.

Ví dụ, trong việc tham quan bất động sản từ xa, điều quan trọng không phải là có thể thay đổi hình dạng của bức tường, mà là truyền tải chân thực diện tích căn phòng, bầu không khí và cách bố trí nội thất.

Trong việc lưu trữ số di sản văn hóa cũng vậy, giá trị nằm ở khả năng ghi lại trạng thái gần với thực tế, bao gồm cả các chi tiết trang trí nhỏ và dấu vết thay đổi theo thời gian.

3DGS là một công nghệ đáp ứng nhu cầu “số hóa không gian thực với hình thức gần nhất có thể với trạng thái ban đầu”.

3DGS có thay thế phương pháp tạo 3D truyền thống không?

Nếu 3DGS ngày càng phổ biến, liệu việc tạo 3D truyền thống bằng Mesh có còn cần thiết hay không?

Câu trả lời là có.

3DGS và Mesh có những thế mạnh khác nhau, vì vậy trong tương lai chúng nhiều khả năng vẫn sẽ được sử dụng tùy theo mục đích.

Ví dụ, hãy xem xét trường hợp số hóa một tòa nhà.

Nếu muốn tái tạo chân thực ngoại thất hoặc nội thất của tòa nhà và cho phép người dùng quan sát từ xa với góc nhìn tự do, 3DGS là một lựa chọn đáng cân nhắc.

Ngược lại, nếu cần di chuyển tường, thay đổi vị trí cửa sổ hoặc chỉnh sửa thiết kế của tòa nhà, Mesh phù hợp hơn vì cho phép chỉnh sửa hình dạng một cách rõ ràng.

3DGS cũng có những hạn chế, chẳng hạn như khó chỉnh sửa hình dạng một cách tự do hoặc không thể trực tiếp sử dụng cho một số ứng dụng như mô phỏng vật lý.

Vì vậy, cũng đang có những nghiên cứu kết hợp 3DGS và Mesh nhằm tận dụng ưu điểm của cả hai.

Trong tương lai, thay vì chỉ lựa chọn một trong hai phương pháp, việc kết hợp nhiều cách biểu diễn 3D tùy theo mục đích cũng có thể trở nên quan trọng.

Tổng kết: 3DGS là một cách tiếp cận mới để số hóa không gian thực thành 3D

Trong phương pháp tạo 3D truyền thống, vật thể ba chiều được tạo bằng Mesh gồm các đỉnh và mặt, sau đó màu sắc và chất liệu được thiết lập trên bề mặt để tái tạo vật thể hoặc không gian thực.

Trong khi đó, 3DGS sử dụng một lượng lớn Gaussian để tái tạo không gian thực với chất lượng hình ảnh gần giống ảnh chụp.

Hai phương pháp khác nhau về cách biểu diễn không gian 3D và mỗi phương pháp có những thế mạnh riêng.

Mesh mạnh trong việc chỉnh sửa và gia công hình dạng, trong khi 3DGS có thế mạnh trong việc tái tạo hình thức của thế giới thực.

Sự xuất hiện của 3DGS đã bổ sung một cách tiếp cận mới cho việc số hóa không gian thực thành 3D, một công việc trước đây thường đòi hỏi nhiều thao tác chuyên môn.

Trong tương lai, nhiều đối tượng quen thuộc xung quanh chúng ta như tòa nhà, đường phố, di sản văn hóa, nhà máy hay cửa hàng có thể được lưu giữ và sử dụng dưới dạng không gian 3D chân thực một cách dễ dàng hơn.

3DGS không chỉ đơn thuần là một công nghệ biểu diễn 3D mới.

Nó còn có tiềm năng thay đổi cách chúng ta đưa thế giới thực vào không gian số.