Halfspace: IDE thử nghiệm cho mô hình hóa khối rắn bằng trường khoảng cách

Halfspace là một IDE thử nghiệm dùng trường khoảng cách (distance field) để mô hình hóa khối rắn (solid modeling), chạy trên cả trình duyệt web lẫn nền tảng native. Dự án được xây dựng như một ứng dụng trình diễn cho nhân hình học Fidget, cho phép hiển thị hình ảnh theo thời gian thực và xuất mô hình dưới dạng ảnh hoặc lưới tam giác. Điểm đáng chú ý là Halfspace đặt trường khoảng cách lên vị trí trung tâm, giúp việc chẩn đoán và tinh chỉnh hình học trở nên trực quan hơn.

Giao diện Halfspace với các mô hình khối rắn

Trường khoảng cách và nỗi đau của lập trình bậc thấp

Tác giả Matt Keeter mô tả việc làm việc với bề mặt ẩn (implicit surface) ở mức thấp giống như viết hợp ngữ: mạnh mẽ nhưng đầy phiền toái. Khi chỉ có các biến x, y, z trong tay, việc kết hợp chúng thành đủ loại hình dạng mong muốn là một trải nghiệm khá mệt mỏi.

Cách tiếp cận phổ biến là xây dựng các lớp trừu tượng bên trên — thư viện hình dạng và phép biến đổi như sphere, box, translate, scale. Cách ít phổ biến hơn là làm cho chính lớp bậc thấp trở nên dễ viết hơn. Halfspace chọn cả hai hướng: vừa có thư viện chuẩn nhỏ nhưng đang phát triển, vừa cho phép xây dựng mô hình tăng dần theo từng phần, mỗi phần có thể được tham số hóa và hiển thị riêng.

Minh họa trường khoảng cách với các đường đồng mức

Mô hình hóa khối rắn là gì và vì sao nó quan trọng?

Mô hình hóa khối rắn nghĩa là tập trung vào những vật thể có bên trong và bên ngoài xác định — bất kỳ điểm nào trong không gian cũng có thể xác định được nó nằm trong hay ngoài mô hình. Điều này nghe có vẻ hiển nhiên, nhưng không phải kiểu mô hình hóa nào cũng quan tâm đến tính chất đó. Nhiều mô hình trong game chỉ là những bức tường mỏng vô hạn được ghép từ một chùm tam giác.

Với xuất phát điểm từ phần mềm CAD/CAM (đặc biệt là in 3D), Matt Keeter muốn những mô hình có thể được chế tạo vật lý. Hầu hết phần mềm CAD dùng nhân hình học biểu diễn biên (boundary-representation) để ghép các bề mặt riêng lẻ thành một khối rắn — một bài toán cực kỳ khó, chẳng hạn giao của hai mặt NURBS có thể không có nghiệm dạng đóng.

Thay vào đó, Halfspace dùng bề mặt ẩn — cách tiếp cận có thể được một cá nhân hoặc nhóm nhỏ viết và hiểu trọn vẹn, phù hợp với phần mềm chế tạo quy mô cá nhân.

Vì sao đặt trường khoảng cách lên hàng đầu?

Có thể dùng nhân Fidget thuần ở lớp hình học khối xây dựng (CSG), ghép các hình như cầu, lập phương, trụ bằng phép hợp, giao, hiệu. Nhưng Halfspace chọn đưa trường khoảng cách lên trước. Lý do nằm ở khả năng chẩn đoán lỗi.

Ví dụ với hai trường khoảng cách cho một sóng răng cưa có cùng dấu ở mọi điểm nhưng giá trị khác nhau: trường thứ nhất có gián đoạn bước nhảy tại cạnh đứng — chuyển từ trong (màu xanh) sang ngoài (màu cam) mà không đi qua giá trị 0. Đây là tin xấu, vì Fidget dùng vi phân tự động để tính pháp tuyến, nên các pháp tuyến dọc biên đó sẽ không chỉ đúng hướng, gây đổ bóng sai trong 3D.

Đặt trường khoảng cách lên trung tâm giúp dễ phát hiện những vấn đề kiểu này. Nó còn gợi ý một cải tiến: tinh chỉnh gradient sao cho nó bằng 1 ở mọi nơi thay vì dồn cục trên các đường chéo. Gradient đồng đều giúp nhiều thuật toán hoạt động ổn định hơn và có thể cải thiện chất lượng lưới.

Hiện tại, sẽ là một quyết định rất liều lĩnh nếu dùng Halfspace cho bất kỳ mục đích quan trọng nào.

Chuỗi công nghệ đa nền tảng và tăng tốc GPU

Một mục tiêu của Halfspace là thúc đẩy cải tiến nhân Fidget thông qua việc dùng nó trong một ứng dụng không tầm thường. Thắng lợi lớn nhất là công việc đang diễn ra trên fidget-wgpu, xuất phát từ vấn đề hiệu năng trên web: bản native chạy nhanh, nhưng hiển thị trên CPU lại cực chậm khi chạy qua lớp WebAssembly — đến mức không thể tương tác.

Sau nhiều nỗ lực, cả tạo hình (rasterization) lẫn xử lý hậu kỳ (như đổ bóng) đều có thể chạy hoàn toàn trên GPU, không cần khứ hồi về CPU. Đây là thắng lợi cả về hiệu năng lẫn kiến trúc.

Kết quả xuất mô hình dưới dạng lưới tam giác

Lưu ý quan trọng cho người dùng Việt Nam

Dù được viết bằng Rust và hỗ trợ đa nền tảng, Halfspace vẫn là dự án thử nghiệm. Bản demo hoạt động tốt nhất trên máy tính; Safari trên di động gặp một số vấn đề với WebGPU, và các thao tác xoay, nghiêng, thu phóng chưa được thiết kế cho cảm ứng đa điểm.

Tác giả nhấn mạnh dự án này không phải là "vibe-coded" — anh viết mã bằng chính bộ não con người kể từ tháng 4 năm 2025, còn Fidget đã có từ năm 2022. Dự án mã nguồn mở theo giấy phép MPLv2.

Nếu bạn quan tâm đến hình học tính toán, in 3D hoặc phát triển ứng dụng đa nền tảng web + native, Halfspace là một ví dụ đáng nghiên cứu. Bạn có thể dùng thử, nhưng đừng dùng cho ứng dụng quan trọng. Nếu gặp vấn đề, hãy mở issue hoặc thảo luận trên GitHub.

Quy trình in 3D mô hình từ Halfspace