- Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp tại Viện nghiên cứu Quốc tế MICA, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tập thể phòng môi trường cảm thụ và tương tác đã tạo điều kiện giúp dỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn. - 6 1.3 Cấu trúc luận văn. - Tổng quan về các phương pháp mô hình hóa môi trường. - 8 2.1 Các phương pháp mô hình hóa thông tin môi trường tự động. - 8 2.2 Các phương pháp mô hình hóa thông tin môi trường bán tự động. - Xây dựng giải pháp mô hình hóa môi trường. - 12 3.2 Bước tiền xử lý thông tin môi trường. - 14 3.3 Xây dựng cấu trúc văn bản XML mô tả thông tin môi trường. - 16 3.3.2 Hướng thiết kế cấu trúc XML cho mô hình hóa môi trường. - 18 3.3.3 Thiết kế cụ thể cấu trúc XML mô tả thông tin môi trường. - Xây dựng các mô-đun hỗ trợ và ứng dụng mô hình hóa môi trường 29 4.1 Mô-đun chuyển đổi XML sang SQL. - 33 4.3 Ứng dụng tìm đường đi ngắn nhất trong môi trường nhiều vật cản động. - 35 4.4 Ứng dụng cải thiện kết quả định vị dựa trên thông tin môi trường. - 9 Hình 3-1 Tổng quan về hệ thống mô hình hóa môi trường. - 13 Hình 3-2 Ví dụ về mô hình AutoCAD 2D của môi trường. - 16 Hình 3-4 Mô hình đối tượng tổng quát XML. - 32 Hình 4-3 Mô hình 3D theo chuẩn COLLADA. - 34 Hình 4-4 Phát biểu về bài toán tìm đường đi ngắn nhất. - 40 vi Hình 4-8 Tập các lược đồ Voronoi được xây dựng từ môi trường tĩnh. - 42 Hình 4-10 Ví dụ về phương pháp mở rộng biên môi trường. - 46 Hình 5-1 Mô hình AutoCAD 2D 3 tầng 8, 9, 10 tòa nhà B1 – Đại học Bách Khoa Hà Nội. - 54 Hình 5-3 Mô hình 2D AutoCAD tầng 2, nhà D trường Nguyễn Đình Chiểu. - 54 Hình 5-5 Phần mềm xây dựng 3D sử dụng OpenGL và C++ cho môi trường nhà D Nguyễn Đình Chiểu. - 57 Hình 5-10 Thể hiện 2D của mô hình dưới dạng đa giác. - 57 Hình 5-11 Visibility Map của môi trường. - 60 vii Hình 5-14 Kết quả định vị trong nhà sử dụng WiFi với việc áp dụng thông tin môi trường. - Chính sự kết hợp này đã cho phép giải quyết một số các bài toán như: xây dựng môi trường nhà thông minh, văn phòng thông minh, hỗ trợ người khiếm thị di chuyển trong môi trường có vật cản di động hay cho phép robot tự hành di chuyển và thực hiện các tác vụ phục vụ con người trong môi trường phức tạp. - Xuất phát từ các điều kiện và nhu cầu trên, việc nghiên cứu và phát triển một hệ thống môi trường cảm thụ thông minh hoàn thiện, có thể ứng dụng và phát triển nhanh chóng cho mục đích khác nhau là vô cùng cần thiết. - Một trong những bài toán nền tảng nhằm triển khai một hệ thống môi trường thông minh là việc tái tạo và quản lý môi trường vật lý trên hệ thống thông tin hay còn gọi là bài toán mô hình hóa thông tin môi trường. - Giải quyết bài toán này sẽ giúp hệ thống có những thông tin cơ bản và quan trọng về môi trường thực tế để từ đó xây dựng những hệ thống xử lý thông minh một cách chính xác. - Luận văn này sẽ tập trung giải quyết bài toán nói trên hướng tới cho phép mô hình hóa và biểu diễn thông tin môi trường nhanh chóng, chính xác và tiết kiệm. - Ở đây, môi trường được quan tâm sẽ là các tòa nhà hoặc một phần của tòa nhà nơi triển khai hệ thống môi trường cảm thụ. - Thông tin môi trường được mô hình hóa bao gồm: (1) thông tin về kích thước, hình dạng, chất liệu của cấu trúc vật lý trong môi trường (tường, cửa ra vào, cửa sổ, cầu thang, thang máy, sàn nhà. - (2) thông tin ngữ cảnh về môi trường cũng như người dùng (tên vùng, vật liệu cấu thành, đặc điểm quan tâm, sở thích người dùng. - và (3) thông tin về các đối tượng tĩnh (các cảm biến, các vật dụng tĩnh. - được quan tâm trong bài toán cụ thể. - Việc thu thập và mô hình hóa thông tin môi trường đã được triển khai với nhiều phương pháp khác nhau trên thế giới. - Hai phương pháp chính được sử dụng hiện nay như: Phương pháp mô hình hóa tự động (sử dụng robot và các cảm biến 2 môi trường) và phương pháp mô hình hóa bán tự động (đòi hỏi có sự can thiệp, đo đạc của con người). - Tuy nhiên, với xuất phát điểm nhằm nghiên cứu bài toán định vị trong nhà và dẫn đường cho người khiếm thị đòi hỏi độ chính xác cao với chi phí thấp, việc áp dụng các phương pháp tự động hoàn toàn gặp nhiều khó khăn. - Vì vậy,trong luận văn này, một phương pháp thu thập và lưu trữ thông tin môi trường bán tự động sử dụng cấu trúc XML sẽ được nghiên cứu và phát triển thành một bộ công cụ mô hình hóa môi trường hoàn thiện nhằm giải quyết các vấn đề trên. - Với nghiên cứu trình bày trong luận văn này, tác giả mong muốn sẽ xây dựng được một bộ công cụ mô hình hóa thông tin môi trường hoàn thiện nhằm đóng góp vào việc triển khai các hệ thống môi trường cảm thụ cả ở mức độ nghiên cứu và thực tiễn một cách hiệu quả. - Kết quả của luận văn bao gồm. - Báo cáo luận văn - Cấu trúc chuẩn XML cho phép mô tả thông tin môi trường một cách tổng quát, có khả năng áp dụng cho nhiều môi trường khác nhau. - Bộ công cụ hoàn thiện mô hình hóa môi trường cho phép biểu diễn môi trường dưới nhiều hình thức (Cơ sở dữ liệu MySQL, mô hình 2D, mô hình 3D. - Mô-đun sử dụng thông tin môi trường nhằm hỗ trợ các bài toán môi trường cảm thụ (Mô-đun hỗ trợ tìm đường đi ngắn nhất trong môi trường động, mô-đun giúp cải thiện chất lượng định vị trong nhà sử dụng thông tin môi trường. - TỔNG QUAN 1.1 Các khái niệm cơ bản Bài toán môi trường cảm thụ là bài toán xây dựng hệ thống thông minh cho phép con người tương tác với môi trường sinh hoạt thông qua mạng các cảm biến (Sen-sors network) hay các thiết bị di động thông minh. - Mục tiêu chính của bài toán này nhằm xây dựng một môi trường sống thông minh, hiện đại, phục vụ tốt hơn nhu cầu của con người. - Một số ví dụ điển hình về bài toán này có thể kể đến như: nhà thông minh, văn phòng thông minh, hỗ trợ người khuyết tật bằng hệ thống cảm biến hay theo dõi và cảnh báo bất thường các bệnh nhân trong bệnh viện,… Trong các bài toán này, môi trường sinh hoạt được hướng tới rất đa dạng, không giới hạn trong nhà hay ngoài trời. - Tuy nhiên, có những điểm khác biệt lớn khi triển khai bài toán môi trường cảm thụ ở từng môi trường khác nhau. - Một trong những sự khác biệt có thể kể đến là việc giải quyết bài toán nền tảng mô hình hóa thông tin môi trường. - Bài toán mô hình hóa thông tin môi trường là bài toán nền tảng vô cùng quan trọng của mọi bài toàn môi trường cảm thụ. - Giải quyết bài toán này, thông tin về môi trường sinh hoạt vật lý sẽ được thu thập, ghi nhận, tái tạo và quản lý trên hệ thống máy tính nhằm hỗ trợ các bộ máy xử lý thông minh cho bài toán môi trường cảm thụ. - Các thông tin môi trường được mô tả trong bài toán mô hình hóa thông tin môi trường cũng hết sức đa dạng như: thông tin về cấu trúc vật lý của môi trường, thông tin về ngữ nghĩa của môi trường, các thông số về nhiệt độ, độ ẩm, ảnh sáng và đặc tính của môi trường,… Tùy thuộc vào yêu cầu của bài toán môi trường cảm thụ cũng như môi trường sinh hoạt được hướng tới để triển khai, các thông tin môi trường cần được mô hình hóa cũng thay đổi. - Trong hơn mười năm qua, rất nhiều các hệ thống mô hình hóa môi trường được nghiên cứu và phát triển. - Có thể kể đến như hệ thống Modular Modeling System (MMS)[15], Open Modeling Engine (OME) [24], Regional Analysis by Intelligetn Systems on MicroComputer (RAISON) [5] hay UbikSim [10]… Bên cạnh các hệ thống thử nghiệm này, đã có 5 những hệ thống rất thành công như Geographic Information System (GIS) [3],[4], kĩ thuật mô hình hóa sử dụng Kinect hoặc sử dụng đèn laser,… Tùy thuộc vào đặc điểm của môi trường cần mô hình hóa mà các phương pháp trên sẽ có những ưu nhược điểm khác nhau. - Trong khuôn khổ luận văn, các bài toán môi trường cảm thụ sẽ hướng tới các môi trường trong nhà như: nhà ở, văn phòng làm việc, kí túc xá, bệnh viện. - Hai bài toán môi trường cảm thụ cụ thể được giải quyết ở đây là (1) bài toán định vị và đưa ra các dịch vụ dựa trên vị trí cho người dùng trong nhà cũng như (2) bài toán hỗ trợ người khiếm thị di chuyển trong môi trường trong nhà. - Với việc xử lý các bài toán như trên, thông tin môi trường cần được mô tả sẽ được xác định trong phạm vi như sau. - Thông tin vật lý về cấu trúc của toàn nhà, văn phòng. - nơi triển khai hệ thống môi trường cảm thụ. - Thông tin ngữ nghĩa của môi trường nơi triển khai hệ thống môi trường cảm thụ như: tên vùng, quyền hạn truy cập từng vùng của người dùng. - Thông tin về các đối tượng tĩnh nếu được quan tâm như: bàn, ghế, các cảm biến môi trường,… Với phạm vi môi trường này, luận văn sẽ nghiên cứu và đưa ra một giải pháp mô hình hóa thông tin môi trường bán tự động với các tiêu chí như sau. - Khả năng triển khai mô hình hóa thông tin môi trường ở mức thử nghiệm và thực tế cao, hiệu quả, đáp ứng đa dạng môi trường. - Hỗ trợ nhều mục đích sử dụng trong bài toán môi trường cảm thụ. - Hỗ trợ mô hình hóa thông tin ngữ nghĩa của môi trường một cách hiệu quả. - 6 1.2 Đặt vấn đề Như đã trình bày ở phần trên, Bối cảnh nghiên cứu của luận văn là việc triển khai một hệ thống môi trường cảm thụ phục vụ bài toán định vị trong nhà và dẫn đường cho người khiếm thị. - Trong điều kiện phát triển của hai bài toán này, các tiêu chí chính được đặt ra như sau. - Khả năng mô hình hóa thông tin môi trường nhanh chóng. - Độ chính xác cao nhằm đảm bảo an toàn cho người dùng (người khiếm thị) cũng như đảm bảo độ chính xác cho bài toán định vị trong nhà. - Có khả năng mô tả ngữ nghĩa cho môi trường tốt. - Chi phí đầu tư thấp nhằm triển khai được ở các môi trường nhỏ và vừa, các công trình công cộng, từ thiện. - Tuy nhiên, các phương pháp mô hình hóa thông tin môi trường sẵn có không hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu này. - Điểm thiếu sót của các phương pháp này sẽ được phân tích kĩ hơn ở chương 2. - Vì vậy, cần thiết phải xây dựng một phương pháp mô hình hóa thông tin môi trường mới, giải quyết được các vấn đề trên. - Chương 1: Giới thiệu chung về bài toán mô hình hóa môi trường. - Đưa ra cấu trúc tổng quát của luận văn. - Chương 2: Khái quát về các phương pháp mô hình hóa môi trường đã và đang được nghiên cứu. - Những điểm mạnh và điểm yếu của những phương pháp mô hình hóa này cũng sẽ được đặt ra nhằm giải thích lý do và phạm vi lựa chọn đề tài của luận văn. - 7 - Chương 3: Trình bày cơ bản về phương pháp mô hình hóa môi trường sử dụng văn bản XML và một số công cụ hỗ trợ. - Thiết kế và các điểm đặc biệt trong phương pháp mô hình hóa này cũng sẽ được trình bày. - Chương 4: Trình bày các mô-đun tự động đi kèm phương pháp mô hình hóa môi trường này. - Bên cạnh đó, các ứng dụng sử dụng thông tin môi trường, thông tin ngữ nghĩa cũng sẽ được trình bày nhằm tối ưu hóa việc sử dụng mô hình. - Chương 5: Đưa ra các thử nghiệm và kết quả chứng minh tính đúng đắn của phương pháp cũng như hiệu quả của nó. - Các thử nghiệm được tiến hành trong hai môi trường thực tế khác nhau và đưa ra những kết quả tương đối khả quan. - TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƢỜNG Có rất nhiều phương pháp mô hình hóa môi trường đã được nghiên cứu và tìm hiểu trong những năm gần đây, tuy nhiên các cách tiếp cận thường được chia thành 2 hướng chính: (1) Hướng tiếp cận tự động và (2) hướng tiếp cận bán tự động. - 2.1 Các phƣơng pháp mô hình hóa thông tin môi trƣờng tự động Một ví dụ điển hình của các phương pháp tiếp cận này là việc sử dụng robot tự hành với những cảm biến như : cảm biến hồng ngoại, cảm biến âm thanh , cảm biến laser để tiến hành đo đạc môi trường . - Các thông tin thu thập được sẽ được xử lý dựa trên các thuật toán hình học nhằm đưa ra các mô phỏng 2D hoặc 3D tương ứng. - Các kĩ thuật này có chi phí đầu tư khá cao, phụ thuộc vào mức độ chính xác của các cảm biến, khả năng di chuyển của robot và yêu cầu bài toán. - Bên cạnh đó, việc mô hình hóa môi trường thông qua các kết quả thu nhận từ cảm biến sẽ khiến cho quá trình cập nhật môi trường sau này đòi hỏi phải tiến hành các bước tương tự dẫn đến khả năng áp dụng thực tế cho các bài toán môi trường cảm thụ bị hạn chế. - Một trong những vấn đề lớn nhất của phương pháp này là việc xử lý nhiễu sinh ra do quá trình vận hành robot, nhiễu từ các sensor và nhiễu từ môi trường [13], [8]. - Một hạn chế nữa của phương pháp này là việc mô hình không gian ba chiều. - Vấn đề này có thể thấy rõ ràng thông qua việc Robot di chuyển trong môi trường rất khó để thu thập đủ thông tin ba chiều về các vật thể xung quanh. - Cùng với các thuật toán xử lý thông tin cảm biến và nhiễu như trên, các dữ liệu môi trường trong phương pháp này thường được lưu trữ dưới dạng các cơ sở dữ liệu kinh điển như SQL. - Tuy nhiên, các phương pháp tự động thể hiện điểm mạnh của mình trong việc mô phỏng toàn bộ môi trường không cần (hoặc cần rất ít) sự can thiệp của con người. - Do đó, việc sử dụng các phương pháp mô hình hóa thông tin môi trường này rất thích hợp cho các bài toán môi trường cảm thụ có môi trường cần mô hính hóa lớn, yêu cầu độ chính xác không cao và bao gồm các vùng không thể đo đạc, thu thập thông tin bằng tay.
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt