Nurbs là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa NURBS

NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) là một phương pháp toán học được sử dụng để biểu diễn và mô hình hóa các đường cong và bề mặt trong không gian hai chiều và ba chiều. Đây là một phần mở rộng của B-spline, bổ sung khả năng gán trọng số cho từng điểm điều khiển và hỗ trợ phân bố nút không đều, từ đó mang lại khả năng mô tả linh hoạt hơn, bao gồm cả các đường cong và hình dạng hình học chuẩn xác như đường tròn, elip hay cung tròn.

Khác với các phương pháp mô hình hình học tuyến tính hoặc phương pháp nội suy truyền thống, NURBS không bị giới hạn bởi số lượng điểm dữ liệu hoặc tính đều của hệ nút. Cấu trúc của NURBS cho phép kiểm soát cục bộ hình dạng hình học bằng cách điều chỉnh vị trí và trọng số của các điểm điều khiển mà không ảnh hưởng đến toàn bộ mô hình. Chính vì vậy, NURBS đã trở thành tiêu chuẩn công nghiệp trong thiết kế CAD, mô hình hóa hình học, đồ họa máy tính và kỹ thuật số.

Do tính chất không gian liên tục, NURBS có thể mô tả hình học trơn tru, duy trì tính liên tục đạo hàm cao. Tính năng này rất cần thiết trong các ngành đòi hỏi độ chính xác cao như hàng không, cơ khí chính xác, tạo hình xe hơi hoặc mô phỏng y sinh. Đồng thời, NURBS còn cho phép người dùng áp dụng mô hình hóa tham số, từ đó dễ dàng biến đổi và tùy chỉnh hình học theo yêu cầu thực tiễn.

Thành phần cấu tạo của NURBS

Một hàm NURBS không đơn thuần chỉ là tập hợp các điểm nối liền nhau bằng đường cong. Để tạo ra một đường cong hoặc bề mặt NURBS, cần có sự phối hợp của nhiều yếu tố toán học chặt chẽ. Cấu trúc cơ bản của một đối tượng NURBS bao gồm bốn thành phần chính:

• Điểm điều khiển (Control Points): Các điểm xác định hình dạng tổng quát của đường cong hoặc bề mặt.
• Trọng số (Weights): Các hệ số đi kèm với mỗi điểm điều khiển, ảnh hưởng đến mức độ tác động của điểm đó lên hình dạng.
• Vector nút (Knot Vector): Dãy số xác định cách chia miền tham số thành các đoạn nhỏ, ảnh hưởng đến mức độ ảnh hưởng cục bộ của từng điểm điều khiển.
• Bậc (Degree): Cấp số của hàm cơ sở B-spline (thường là 2 hoặc 3), quyết định tính liên tục đạo hàm.

Cấu trúc này giúp NURBS đạt được tính linh hoạt tối ưu trong kiểm soát hình học. Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, người dùng có thể chọn tăng hoặc giảm bậc của hàm, điều chỉnh trọng số để làm tròn hoặc làm nhọn đoạn cong, hoặc chèn thêm nút để tăng độ phân giải mô hình. Các thuật toán phổ biến như De Boor và Cox-de Boor được sử dụng để đánh giá giá trị đường cong tại một tham số cụ thể.

Bảng dưới đây minh họa tóm tắt vai trò của từng thành phần trong hàm NURBS:

Thành phần	Chức năng
Control Points	Xác định hình dáng tổng thể của đường cong hoặc bề mặt
Weights	Điều chỉnh mức ảnh hưởng của điểm điều khiển lên hình dạng
Knot Vector	Xác định cách phân bố tham số và mức độ ảnh hưởng cục bộ
Degree	Quyết định độ trơn và liên tục đạo hàm của đường cong

Công thức toán học của NURBS

Đường cong NURBS được biểu diễn bằng công thức tỉ lệ giữa các hàm cơ sở B-spline có trọng số. Với bậc $p$, tập điểm điều khiển $P_i$ và trọng số $w_i$, công thức tổng quát như sau:

$C(u) = \frac{\sum_{i=0}^{n} N_{i,p}(u) w_i P_i}{\sum_{i=0}^{n} N_{i,p}(u) w_i}$

Trong đó:

• $C(u)$ là điểm trên đường cong tại tham số $u$
• $P_i$ là điểm điều khiển thứ i
• $w_i$ là trọng số tương ứng
• $N_{i,p}(u)$ là hàm cơ sở B-spline bậc $p$

Hàm B-spline $N_{i,p}(u)$ được tính bằng phương pháp đệ quy từ hệ nút $U = \{ u_0, u_1, ..., u_{m} \}$, đảm bảo tính liên tục đạo hàm đến cấp $p-1$. Cấu trúc tỉ lệ trong công thức NURBS cho phép biểu diễn hình học chính xác hơn so với B-spline thuần túy, vì cho phép kiểm soát mức ảnh hưởng thông qua trọng số. Khi tất cả trọng số bằng nhau, NURBS trở thành B-spline thông thường.

Đặc điểm và ưu điểm của NURBS

NURBS có khả năng biểu diễn nhiều loại hình học từ đơn giản đến phức tạp, bao gồm cả đường cong hình học chính xác (như đường tròn) và hình dạng tự do. Điều này tạo lợi thế lớn trong mô hình hóa các sản phẩm công nghiệp cần bề mặt mịn, kết nối trơn tru giữa các bộ phận và khả năng điều chỉnh dễ dàng.

Khả năng kiểm soát cục bộ là một đặc điểm nổi bật. Khi một điểm điều khiển được thay đổi, chỉ khu vực xung quanh điểm đó bị ảnh hưởng, còn phần còn lại của mô hình vẫn giữ nguyên. Điều này trái ngược với Bezier, nơi mọi điểm đều ảnh hưởng toàn bộ hình dạng. NURBS cũng hỗ trợ mô hình hóa tham số hóa, dễ dàng phối hợp với các thuật toán mô phỏng và tối ưu hóa.

Tóm tắt các ưu điểm chính của NURBS:

• Biểu diễn được cả đường cong hình học chuẩn và hình dạng tự do
• Kiểm soát cục bộ, dễ tinh chỉnh mô hình
• Tính liên tục cao, phù hợp cho mô hình hóa mượt mà
• Khả năng mở rộng lên bề mặt 2D và thể tích 3D
• Hỗ trợ trao đổi dữ liệu trong các định dạng CAD tiêu chuẩn

So sánh với các phương pháp khác

Trong mô hình hóa hình học và đồ họa máy tính, NURBS thường được đặt cạnh các phương pháp như đường cong Bezier, B-spline không có trọng số, và subdivision surface. Mỗi phương pháp có đặc điểm, ưu điểm và giới hạn riêng, tùy theo mục tiêu sử dụng và yêu cầu kỹ thuật cụ thể.

• Bezier curves: Dễ xây dựng, có dạng đơn giản, được sử dụng phổ biến trong phần mềm đồ họa 2D. Tuy nhiên, khi số lượng điểm điều khiển tăng, khả năng kiểm soát hình dạng giảm và toàn bộ đường cong bị ảnh hưởng nếu một điểm bị thay đổi.
• B-splines: Là nền tảng của NURBS, cung cấp tính trơn tru và kiểm soát cục bộ, nhưng không hỗ trợ trọng số nên không biểu diễn được các hình học như đường tròn hay elip chính xác.
• Subdivision surfaces: Thích hợp cho mô hình hóa mesh động, tạo ra hình dạng phức tạp từ lưới tam giác hoặc tứ giác thông qua nội suy liên tiếp. Tuy nhiên, tính chính xác và khả năng kiểm soát hình học kém hơn NURBS.

Bảng dưới đây tóm tắt sự khác biệt giữa các phương pháp:

Phương pháp	Trọng số	Kiểm soát cục bộ	Biểu diễn hình học chính xác	Ứng dụng điển hình
Bezier	Không	Không	Giới hạn	Thiết kế đồ họa 2D
B-spline	Không	Có	Không chính xác với cung tròn	CAD cơ bản, mô hình kỹ thuật
NURBS	Có	Có	Rất chính xác	CAD/CAM/CAE, thiết kế công nghiệp
Subdivision	Không	Giới hạn	Không	Hoạt hình, mô hình nhân vật

Ứng dụng trong thiết kế CAD/CAM/CAE

Trong lĩnh vực CAD (Computer-Aided Design), NURBS là công cụ chuẩn để xây dựng các mô hình bề mặt phức tạp, ví dụ như thân máy bay, thân xe ô tô, vỏ khuôn hoặc thiết bị y tế. NURBS cho phép các nhà thiết kế kiểm soát tốt hình dạng thông qua điểm điều khiển, đồng thời duy trì tính liên tục mượt mà giữa các vùng bề mặt khác nhau.

Trong CAM (Computer-Aided Manufacturing), các mô hình NURBS giúp tạo đường dao mượt, tối ưu chuyển động máy CNC. Điều này giúp cải thiện chất lượng bề mặt gia công và giảm thời gian gia công nhờ khả năng lập trình chuyển động liên tục, không bị ngắt quãng. Nhiều phần mềm CAM hiện đại như Mastercam, Fusion 360 đều hỗ trợ trực tiếp định dạng NURBS.

Trong CAE (Computer-Aided Engineering), NURBS được sử dụng để xây dựng mô hình biên trong các bài toán mô phỏng FEM hoặc CFD. Kỹ thuật IGA (Isogeometric Analysis) kết hợp giữa hình học NURBS và mô phỏng số, giúp tăng độ chính xác mô phỏng mà không cần chia lưới lại. NURBS đóng vai trò cầu nối giữa thiết kế và mô phỏng trong chuỗi công nghệ kỹ thuật số.

Tham khảo thêm: NURBS Curve Resource, Rhino 3D – NURBS Overview.

Vai trò trong đồ họa máy tính và hoạt hình

Trong đồ họa 3D và hoạt hình, NURBS được dùng để mô hình hóa nhân vật, vật thể và môi trường có bề mặt cong mượt. Nhờ tính liên tục cao, các mô hình tạo bằng NURBS không gặp hiện tượng “gãy khúc” khi render, phù hợp để tạo các đối tượng cần độ chi tiết cao như khuôn mặt, cơ thể người, hoặc các vật thể công nghiệp.

Các phần mềm như Autodesk Maya, Rhino, Alias và 3ds Max cung cấp đầy đủ công cụ để thao tác NURBS bao gồm chỉnh sửa điểm điều khiển, ghép bề mặt, tạo mặt xoay và mặt quét. Trong hoạt hình, mô hình hóa bằng NURBS giúp dễ dàng thiết lập hệ xương (rigging) và thực hiện biến dạng bề mặt (deformation) chính xác, ổn định.

Dù mesh-based modeling (polygon) phổ biến hơn trong hoạt hình do tính tương thích với game engine và dễ xử lý thời gian thực, NURBS vẫn giữ vai trò quan trọng trong giai đoạn tạo hình gốc hoặc mô hình cần render chất lượng cao.

Giới hạn và nhược điểm của NURBS

Mặc dù có nhiều ưu điểm, NURBS vẫn tồn tại một số giới hạn nhất định. Một trong số đó là việc mô hình hóa các hình học có thay đổi topological như lỗ thủng, phân nhánh hoặc đỉnh nhọn không tự nhiên, do hệ thống điểm điều khiển yêu cầu dạng lưới bậc đều.

Bên cạnh đó, thao tác với NURBS cần hiểu biết tốt về cấu trúc dữ liệu hình học, khiến quá trình học tập và triển khai với người mới gặp khó khăn. Việc hiệu chỉnh mô hình bằng tay với số lượng điểm điều khiển lớn cũng làm tăng khối lượng công việc. Ngoài ra, mô hình NURBS khi lưu trữ thường lớn hơn các phương pháp mesh do cần lưu điểm, trọng số và vector nút.

Một số nhược điểm:

• Không phù hợp với mô hình có topological phức tạp
• Cần hiểu sâu về toán học và dữ liệu hình học
• Kém linh hoạt khi chỉnh sửa trực tiếp bề mặt mesh
• Tăng kích thước dữ liệu khi số lượng điểm điều khiển lớn

Các tiêu chuẩn dữ liệu liên quan đến NURBS

NURBS được hỗ trợ rộng rãi trong các định dạng dữ liệu CAD tiêu chuẩn, đặc biệt là STEP (ISO 10303), IGES và Parasolid. Những định dạng này cho phép trao đổi mô hình NURBS giữa các phần mềm CAD khác nhau mà không mất thông tin hình học hay độ chính xác.

ISO 10303-42 là phần quy định mô tả hình học hình học và NURBS trong định dạng STEP. Việc sử dụng tiêu chuẩn chung đảm bảo khả năng tương thích giữa các phần mềm và giúp tối ưu quy trình làm việc kỹ thuật số đa hệ thống. Một số phần mềm hỗ trợ chuyển đổi và xác thực định dạng STEP bao gồm Siemens NX, PTC Creo, và CATIA.

Tham khảo chuẩn kỹ thuật: STEP Tools – ISO 10303.

Kết luận

NURBS là công cụ nền tảng cho mô hình hóa hình học chính xác trong thiết kế, mô phỏng và đồ họa kỹ thuật số. Với khả năng kiểm soát linh hoạt, độ chính xác cao và tích hợp sâu với các hệ thống CAD/CAM/CAE, NURBS tiếp tục giữ vai trò trung tâm trong chuỗi giá trị công nghệ kỹ thuật số hiện đại.

Việc hiểu rõ nguyên lý, cấu trúc và ứng dụng của NURBS là điều cần thiết đối với các kỹ sư thiết kế, lập trình viên đồ họa, chuyên gia mô phỏng và nhà phát triển phần mềm kỹ thuật. Trong tương lai, NURBS sẽ tiếp tục được tích hợp trong các công nghệ số hóa tiên tiến như thiết kế tham số hóa, phân tích hình học isogeometric và mô hình hóa ảo hóa thời gian thực.