3D Mapping là gì và ứng dụng tại Việt Nam

3D Mapping là gì?

3D Mapping có thể hiểu là quá trình thiết lập mối quan hệ giữa dữ liệu số và hình dạng, vị trí hoặc bề mặt của một đối tượng trong không gian ba chiều.

Trong ngành sự kiện, người thực hiện xây dựng mô hình hoặc mặt nạ của bề mặt cần chiếu, sau đó biến đổi hình ảnh đầu ra để các chi tiết khớp với cửa, cột, cạnh, khối lồi lõm hoặc vật thể thật. Công nghệ này còn được gọi là Projection Mapping hoặc Video Mapping.

Trong đo đạc và xây dựng, 3D Mapping là quá trình số hóa hiện trạng bằng tọa độ ba chiều. Dữ liệu có thể được tạo bởi máy quét laser, UAV, máy ảnh, GNSS, hệ thống SLAM hoặc nhiều cảm biến kết hợp.

Projection Mapping và 3D Mapping kỹ thuật khác nhau

Một dự án trình chiếu quy mô lớn có thể sử dụng dữ liệu quét 3D để dựng chính xác bề mặt. Khi đó, hai nhóm công nghệ hỗ trợ lẫn nhau nhưng vẫn có quy trình và tiêu chí nghiệm thu riêng.

Projection Mapping hoạt động như thế nào?

Máy chiếu thông thường tạo hình ảnh hình chữ nhật. Projection Mapping chia khung hình thành nhiều vùng và biến đổi từng vùng để nội dung khớp với vật thể thật. Phần mềm đầu ra cho phép tạo các slice, mask, warp và blend tương ứng với từng bề mặt.

1. Khảo sát bề mặt. Đo kích thước, chụp ảnh, xác định vật cản và vị trí đặt máy chiếu.
2. Tạo mô hình tham chiếu. Dựng bản vẽ 2D hoặc mô hình 3D của sân khấu, sản phẩm hay mặt đứng.
3. Thiết kế nội dung. Sản xuất animation, video, texture và hiệu ứng theo từng phần hình học.
4. Thiết lập máy chiếu. Chọn vị trí, tiêu cự, độ sáng, số lượng máy và vùng phủ.
5. Mapping đầu ra. Căn chỉnh các góc, cạnh và mặt nạ trong phần mềm trình chiếu.
6. Ghép hình và cân màu. Thực hiện edge blending, chỉnh gamma, màu và độ sáng giữa các máy.
7. Đồng bộ âm thanh, ánh sáng. Cài timeline, timecode, trigger và tín hiệu điều khiển.
8. Chạy thử và dự phòng. Kiểm tra nội dung, nhiệt độ, nguồn điện, tín hiệu và phương án thay thế.

Projection Mapping chính xác phụ thuộc cả mô hình bề mặt và vị trí thực tế của máy chiếu. Nếu máy bị dịch chuyển sau khi căn chỉnh, hình ảnh có thể lệch khỏi vật thể.

Thiết bị cần có cho Projection Mapping

Nội dung Projection Mapping được tạo ra sao?

Nội dung thường được sản xuất trên một mô hình có tỷ lệ tương ứng với bề mặt thật. Nhà thiết kế xác định các vùng chuyển động, điểm nhấn hình học và góc nhìn chính của khán giả.

Quy trình sáng tạo có thể gồm dựng hình 3D, animation, motion graphics, compositing, hiệu ứng âm thanh và render theo kích thước canvas đầu ra. Nội dung phải được kiểm tra trên bề mặt thật vì màu sắc, bóng đổ và góc quan sát có thể khác đáng kể so với màn hình máy tính.

• Phá vỡ hình khối: tạo cảm giác bề mặt nứt, mở, xoay hoặc biến dạng.
• Thay đổi vật liệu: mô phỏng đá, kim loại, nước, lửa hoặc lớp phủ động.
• Kể chuyện theo kiến trúc: sử dụng cửa, cột, mái và nhịp công trình làm thành phần kịch bản.
• Tương tác: nội dung thay đổi theo cảm biến, âm thanh, chuyển động hoặc dữ liệu thời gian thực.

Ứng dụng Projection Mapping trong sự kiện

Projection Mapping phù hợp khi cần biến một vật thể hoặc không gian có hình dạng riêng thành phần của nội dung. Công nghệ thường được triển khai trong:

• Ra mắt sản phẩm: làm nổi bật cấu tạo, tính năng hoặc câu chuyện thương hiệu.
• Sân khấu biểu diễn: tạo bối cảnh thay đổi theo âm nhạc và tiết mục.
• Mặt đứng công trình: kể chuyện lịch sử, văn hóa hoặc trình diễn quy mô lớn.
• Triển lãm, bảo tàng: bổ sung lớp thông tin số lên hiện vật và mô hình.
• Không gian bán lẻ: tạo trải nghiệm tại cửa hàng hoặc khu trưng bày.
• Tiệc cưới và sự kiện riêng: cá nhân hóa hình ảnh, câu chuyện và sân khấu.
• Nghệ thuật tương tác: kết hợp cảm biến, camera và dữ liệu trực tiếp.

3D Mapping trong đo đạc và xây dựng

Trong lĩnh vực kỹ thuật, 3D Mapping là quá trình thu nhận hiện trạng để tạo bản sao số có thể đo lường. Dữ liệu điển hình là Point Cloud gồm hàng triệu điểm có tọa độ X, Y, Z và có thể kèm màu hoặc cường độ phản xạ.

Autodesk mô tả dữ liệu quét laser như một biểu diễn ba chiều của thế giới thực, thường được tổ chức dưới dạng đám mây điểm. Ảnh chụp chồng phủ cũng có thể được xử lý bằng Photogrammetry để tạo Point Cloud, Mesh và ảnh trực giao.

Bài Point Cloud là gì giải thích cấu trúc dữ liệu và các ứng dụng đo kiểm, dựng mô hình, Scan to BIM.

Point Cloud, Mesh và mô hình BIM

Ba loại dữ liệu này có liên quan nhưng không giống nhau:

Point Cloud có thể được sử dụng làm dữ liệu đầu vào cho quy trình Scan to BIM. Việc dựng BIM không hoàn toàn tự động; kỹ thuật viên phải nhận dạng cấu kiện, lựa chọn mức độ chi tiết và kiểm tra sai lệch với dữ liệu quét.

Để chia sẻ dữ liệu cho nhiều bên, có thể sử dụng nền tảng xem 3D Point Cloud trên website thay vì yêu cầu mọi người cài phần mềm chuyên dụng.

Quy trình lập bản đồ 3D kỹ thuật

1. Xác định mục tiêu. Làm rõ cần đo kiểm, dựng BIM, tính khối lượng, bảo tồn hay trình diễn.
2. Chọn công nghệ. Quyết định dùng laser scanner, UAV, SLAM, ảnh mặt đất hoặc phương pháp kết hợp.
3. Thiết lập hệ khống chế. Xác định tọa độ, cao độ, GCP, target hoặc điểm kiểm tra.
4. Thu nhận dữ liệu. Quét, chụp ảnh hoặc di chuyển hệ cảm biến theo phương án đã lập.
5. Đăng ký và ghép dữ liệu. Liên kết các trạm quét hoặc ảnh thành một mô hình thống nhất.
6. Làm sạch và phân loại. Loại nhiễu, vật thể chuyển động và tổ chức dữ liệu theo khu vực.
7. Kiểm tra chất lượng. Đánh giá sai số ghép, điểm khống chế và vùng thiếu dữ liệu.
8. Tạo sản phẩm. Xuất Point Cloud, Mesh, Orthophoto, DEM, CAD hoặc BIM.
9. Bàn giao và quản lý phiên bản. Ghi rõ hệ tọa độ, đơn vị, định dạng và mức độ chính xác.

Ứng dụng 3D Mapping trong xây dựng

• Ghi nhận hiện trạng trước khi thiết kế cải tạo.
• Lập bản vẽ as-built và kiểm tra kích thước công trình.
• Scan to BIM cho nhà xưởng, tòa nhà và hệ thống MEP.
• So sánh thi công thực tế với mô hình thiết kế.
• Kiểm tra độ phẳng, độ nghiêng, biến dạng và khoảng hở.
• Tính khối lượng kho, bãi, mỏ và vật liệu rời.
• Lập hồ sơ số cho bảo tồn kiến trúc và di tích.
• Hỗ trợ quy hoạch, mô phỏng và vận hành tài sản.
• Tạo mô hình phục vụ VR, AR và truyền thông dự án.

Nội dung về liên kết hiện trạng với quy trình thiết kế được trình bày thêm tại bài công nghệ BIM trong xây dựng.

Laser Scanning, UAV hay SLAM?

Thiết bị cầm tay sử dụng SLAM có ưu thế về tốc độ trong không gian phức tạp. Bài 3D Laser Scanning bằng hệ GeoSLAM minh họa một dạng mobile mapping trong nhà.

Đầu ra phổ biến của dự án 3D Mapping

Định dạng bàn giao phải được thống nhất trước khi thu nhận dữ liệu. File Point Cloud có thể rất lớn và cần cấu trúc thư mục, hệ tọa độ cùng phần mềm tương thích để sử dụng hiệu quả.

Ưu điểm của 3D Mapping

• Trực quan: người dùng có thể quan sát hiện trạng hoặc nội dung trong không gian ba chiều.
• Thu nhận dày đặc: Laser Scanning và Photogrammetry tạo lượng điểm lớn hơn phương pháp đo chọn điểm.
• Lưu giữ hiện trạng: dữ liệu hỗ trợ xem lại sau khi công trình hoặc sự kiện đã thay đổi.
• Hỗ trợ phối hợp: mô hình có thể chia sẻ giữa khảo sát, thiết kế, thi công và vận hành.
• Tái sử dụng: cùng dữ liệu có thể tạo mặt cắt, bản vẽ, mô hình và sản phẩm truyền thông.
• Tăng trải nghiệm: Projection Mapping tạo câu chuyện thị giác mà màn hình phẳng khó thay thế.

Hạn chế và rủi ro cần biết

• Vùng khuất: cảm biến hoặc máy chiếu không thể xử lý tốt bề mặt bị che nếu phương án bố trí thiếu.
• Bề mặt khó: kính, kim loại bóng, nước và vật liệu tối có thể gây nhiễu quét hoặc giảm chất lượng chiếu.
• Dữ liệu lớn: Point Cloud và video độ phân giải cao đòi hỏi lưu trữ, GPU và đường truyền phù hợp.
• Sai hệ tọa độ: mô hình kỹ thuật có thể lệch nếu GCP, mốc hoặc tham số chuyển đổi không đúng.
• Ánh sáng môi trường: Projection Mapping ngoài trời cần độ sáng cao và kiểm soát điều kiện quan sát.
• Độ lệch thiết bị: rung hoặc dịch chuyển máy chiếu làm mất căn chỉnh.
• Hiểu sai mục đích: mô hình phục vụ trình diễn không mặc nhiên dùng được để đo thiết kế.
• Bản quyền nội dung: hình ảnh, âm nhạc, thương hiệu và dữ liệu công trình phải được sử dụng hợp pháp.

Khi nào nên dùng Projection Mapping?

Projection Mapping phù hợp khi bề mặt thật có ý nghĩa trong câu chuyện hoặc cần tạo cảm giác vật thể biến đổi. Màn hình LED có thể phù hợp hơn khi môi trường rất sáng, cần độ ổn định cao, thời gian lắp đặt ngắn hoặc nội dung chủ yếu là video hình chữ nhật.

Chi phí 3D Mapping phụ thuộc yếu tố nào?

Không thể báo giá chính xác chỉ dựa trên thời lượng video hoặc diện tích. Chi phí thường phụ thuộc:

• Kích thước và hình dạng bề mặt.
• Số lượng, độ sáng và loại ống kính máy chiếu.
• Độ phân giải canvas và số đầu ra.
• Mức độ phức tạp của animation và nội dung 3D.
• Thời gian khảo sát, dựng mô hình, render và chạy thử.
• Kết cấu treo đặt, nguồn điện, bảo vệ thời tiết và an toàn.
• Yêu cầu tương tác, cảm biến hoặc dữ liệu thời gian thực.
• Đối với khảo sát: diện tích, độ chi tiết, độ chính xác và sản phẩm đầu ra.
• Chi phí xử lý Point Cloud, Mesh, CAD hoặc BIM.
• Đi lại, giấy phép và điều kiện tiếp cận hiện trường.

Checklist đặt dịch vụ 3D Mapping

• Nêu rõ cần Projection Mapping hay mô hình 3D kỹ thuật.
• Cung cấp kích thước, ảnh, bản vẽ hoặc mô hình của đối tượng.
• Xác định vị trí khán giả hoặc phạm vi cần đo.
• Thống nhất độ phân giải, độ chính xác và định dạng bàn giao.
• Kiểm tra nguồn điện, vị trí thiết bị và điều kiện ánh sáng.
• Thống nhất nội dung, storyboard và số lần chỉnh sửa.
• Yêu cầu kế hoạch chạy thử và thiết bị dự phòng.
• Với dữ liệu kỹ thuật, xác nhận hệ tọa độ và điểm kiểm tra.
• Thống nhất quyền sở hữu file nguồn và quyền khai thác dữ liệu.
• Ghi rõ phạm vi bảo mật đối với nhà máy hoặc công trình nhạy cảm.

“Trước khi chọn thiết bị, phải xác định sản phẩm cuối cùng dùng để xem hay dùng để đo. Một mô hình phục vụ trình diễn cần đẹp và đúng góc nhìn; một mô hình phục vụ kỹ thuật phải có hệ tọa độ, kiểm tra sai số và khả năng truy xuất về dữ liệu gốc.”

— Kỹ sư Phan Việt Tuyên

Dịch vụ 3D Mapping cho công trình

Đối với nhà máy, tòa nhà, công trình cải tạo hoặc dự án cần dữ liệu hiện trạng, dịch vụ Scan 3D công trình xây dựng có thể bàn giao Point Cloud, mô hình bề mặt, bản vẽ hoặc dữ liệu Scan to BIM theo phạm vi thống nhất.

Với khu đất, mỏ, rừng hoặc địa hình diện rộng, dịch vụ khảo sát địa hình 3D Flycam tạo ảnh trực giao, Point Cloud và mô hình độ cao. Dữ liệu phải được kiểm tra bằng mốc khống chế và điểm đối chứng nếu dùng cho mục đích kỹ thuật.

Kết luận

3D Mapping không chỉ là hiệu ứng trình chiếu tại sự kiện. Projection Mapping ánh xạ nội dung lên bề mặt thật, trong khi 3D Mapping kỹ thuật số hóa thế giới thực thành Point Cloud, Mesh, bản đồ và mô hình BIM.

Để chọn đúng giải pháp, cần xác định sản phẩm dùng để trình diễn, truyền thông hay đo lường. Từ đó mới lựa chọn máy chiếu, Laser Scanner, UAV, SLAM, phần mềm và tiêu chí nghiệm thu phù hợp.