Nghiên cứu kỹ thuật mô phỏng lửa bằng phương pháp Partical và ứng dụng

Do tầm quan trọng cũng như những tác hại to lớn mà nó có thể mang lại, mô phỏng lửa trở thành một công cụ nghiên cứu quan trọng về lửa trong việc trình diễn những vẻ đe ̣p huyền ả

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRƯỜNG ĐẠI HọC CÔNG NGHỆ

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG LỬA 5

1.1 Tổng quan về thực tại ảo 5

1.1.1 Định nghĩa 5

1.1.2 Đặc điểm củ a một hệ thống thực tại ảo: 6

1.1.3 Một số loại hệ thống thực tại ảo 7

1.1.4 Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo 8

1.1.5 Một số ứng dụng chính của VR 11

1.2 Mô phỏng lửa và ý nghĩa 11

1.2.1 Tầm quan trọng của lửa và mô phỏng lửa 11

1.2.2 Tổng quát về mô phỏng lửa 13

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG LỬA BẰNG PHƯƠNG PHÁP PARTICLE 15

2.1 Cơ sở lý thuyết để xây dựng kỹ thuâ ̣t mô phỏng lửa 15

2.1.1 Định nghĩa Particle System 15

2.1.2 Đặc tính của Particle System 16

2.1.3 Mô hình mô phỏng bằng phương pháp Partical 17

2.1.3.1 Sự khởi tạo ra các particle 18

2.1.3.2 Các thuộc tính của particle 19

2.1.3.3 Chuyển động của các particle 21

2.1.3.4 Render particle 21

2.1.3.5 Sự phân cấp của Particle System 22

2.1.3.6 Sự chết của particle 23

2.1.4 Sử dụng Partical system cho vụ cháy nổ 23

2.2 Mô phỏng ngọn lửa dựa trên phương pháp Particle System 30

2.2.1 Khởi tạo hình dạng và màu sắc cho Particle lửa 30

2.2.2 Tính chất của particle và Particle System cho mô phỏng ngọn lửa 32

2.2.3 Các phương thức của Particle System mô phỏng lửa 32

2.2.3.1 Phương thức khởi tạo một particle: 33

2.2.3.2 Phương thức khởi tạo cho particle system: 34

CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 36

3.1 Chương trình thử nghiệm mô phỏng lửa 36

3.2 Các kĩ thuật liên quan 45

3.2.1 VRML 45

3.2.2 Billboard 47

PHẦN KẾT LUẬN 49

1 Tầm quan trọng của mô phỏng lửa 49

2 Các vấn đề đã làm đươ ̣c 49

3 Hướng phát triển của luận văn 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

PHẦN MỞ ĐẦU

Ngày nay, mô phỏng vi tính đã ngày càng chứng tỏ vai trò quan trọng trong đời sống cũng như trong nghiên cứu, khoa học, kỹ thuật và trong giảng dạy Mô phỏng hiện diện ở hầu như mọi lĩnh vực kinh tế, chính trị, khoa học, đời sống hiện nay Sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ phần cứng đã giúp cho các phần mềm mô phỏng ngày càng đáp ứng được những đòi hỏi khắt khe và sát với thực tế hơn Điều này làm cho công nghê ̣ mô phỏng vi tính đươ ̣c phát triển và ứng dụng vào thực tế cuộc sống sâu hơn và rộng rãi hơn

Lửa là một loại vật chất đặc biệt không thể thiếu trong cuô ̣c sống đời thường cũng như trong khoa học, kĩ thuật và giảng dạy trong nhà trường Do tầm quan trọng cũng như những tác hại to lớn mà nó có thể mang lại, mô phỏng lửa trở thành một công cụ nghiên cứu quan trọng về lửa trong việc trình diễn những vẻ đe ̣p huyền ảo , ứng dụng thực tế trong đời sống và ngăn ngừa các thảm họa về lửa cũng như tận dụng được nguồn năng lượng ẩn chứa trong ngọn lửa trong viê ̣c nghiên cứu khoa ho ̣c và giảng da ̣y trong nhà trường

Việc nghiên cứu và ứng dụng vào việc mô phỏng lửa cũng có rấ t nhiều phương pháp nghiên cứu như: phương pháp đa giác , phương pháp bề mă ̣t và phương pháp đường biên …., tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu, kỹ thuật mô phỏng lửa bằng phương pháp Particle và ứng dụng” nhằm nghiên cứu về một phương pháp đặc biệt sử dụng trong mô phỏng nói chung cũng như mô phỏng lửa nói riêng Tôi hi vọng đề tài này sẽ đem lại một số kiến thức thực tế và ứng dụng của mô phỏng lửa vào công nghệ giải trí , nghiên cứu kh oa ho ̣c, nghiên cứu ứng dụng lửa ngăn chă ̣n các thảm ho ̣a về lửa và ứng dụng của mô phỏng này vào những th í nghiệm giảng dạy trong nhà trường khi thí nghiê ̣m này phải cần đến lửa

Viê ̣c ứng dụng công nghê ̣ thông tin vào quá trình giảng da ̣y trong nhà

trường đang là mô ̣t nhu cầu thiết yếu cụ thể , nhất là viê ̣c xây dựng bài giảng điê ̣n tử là mô ̣t công viê ̣c đổi mới phương pháp giảng da ̣y truyền thống trong nhà trường phổ thông Do đó đưa công nghê ̣ thực ta ̣i ảo vào mô phỏng các thí

nghiê ̣m đã và đang là mô ̣t nhu cầu thiết yếu và cần làm trong giai đoa ̣n hi ện nay

Là một giảng viên trong trường Cao đẳng Sư phạm tôi thấy mình cũng phải có trách nhiệm trong công việc đổi mới phương pháp giảng dạy nên tôi đã chọn đề

tài: “Nghiên cứu kỹ thuâ ̣t mô phỏng lửa bằng phương pháp Partical và ứng dụng”

Luâ ̣n văn gồm 3 chương:

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG LỬA

Chương này giới thiệu một cách tổng quan về thực tại ảo và mô phỏng Phần đầu của chương trình bày khái niệm, tầm quan trọng, ưu điểm và nhược điểm của thực ta ̣i ảo, hê ̣ thực ta ̣i ảo trong mô phỏng Tiếp sau đó là tầm quan trọng của lửa và ý nghĩa của mô phỏng lửa

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG LỬA BẰNG KỸ THUẬT PARTICLE

Căn cứ vào những tính chất lý ho ̣c , đô ̣ng lực ho ̣c của lửa và tính chất của Patical, Patical system Chương này trình bày về cơ sở của lý thuyết của kỹ thuật Particle, Patical system một kỹ thuật được sử dụng trong mô phỏng lửa Phần đầu chương trình bày về khái niệm và một số tính chất cơ bản của kỹ thuật Particle sau đó là ứng dụng cách xây dựng mô phỏng cho ngọn lửa bằng phương pháp Particle System

CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM

Chương này dựa vào các cơ sở lý thuyết trình bày ở chương trước để viết chương trình thử nghiệm mô phỏng lửa bằng kỹ thuật Particle và Particle system Phần cuối chương trình bày một số kĩ thuật liên quan khác được sử dụng trong xây dựng chương trình thử nghiệm như VRML, Billboard

Do thời gian và khả năng có hạn, nên trong tài liệu cũng như trong chương trình thử nghiệm không thể tránh được những sai sót Rất mong nhận được sự quan tâm, giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các thầy cô, bạn bè để tôi có thể áp dụng được đề tài vào nhiều lĩnh vực thiết thực trong cuộc sống , trước tiên là ứng dụng của đề tài trong việc xây dựng cá c hình tượng ngo ̣n lửa trong phòng thí nghiê ̣m khi xây dựng các thí nghiê ̣m ảo, các hình tượng lửa trong phong cảnh hoă ̣c áp dụng vào những bài kể chuyê ̣n phục vụ cho công viê ̣c giảng da ̣y ở các

bâ ̣c học Mầm non , hoă ̣c lớn hơn l à thực tại ảo trong việc mô phỏng các thảm họa do lửa gây ra

CHƯƠNG 1:

KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG LỬA

 Tổng quan về thực tại ảo và hệ thống thực tại ảo

 Mô phỏng lửa và ý nghĩa

1.1 Tổng quan về thực tại ảo

1.1.1 Định nghĩa

VR- Virtual Reality - Thực Tế Ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện khoảng đầu thập kỷ 90, nhưng ở Mỹ và châu Âu VR đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực (nghiên cứu

và công nghiệp, giáo dục và đào tạo cũng như thương mại, giải trí, ) tiềm năng kinh tế, cũng như tính lưỡng dụng (trong dân dụng, quân sự) của nó Thuật ngữ

"virtual reality" - thực tại ảo - được đưa ra bởi Jaron Lanier (người sáng lập công

ty VPL Research, tại Redwood - California, một trong những công ty đầu tiên cung cấp các sản phẩm cho môi trường ảo, virtual environment) Hiện nay, có nhiều định nghĩa về thực tại ảo, một trong các định nghĩa được chấp nhận rộng rãi là của C Burdea và P Coiffet thì có thể hiểu VR tương đối chính xác như sau:

VR- Thực Tế Ảo là một hệ thống giao diện cấp cao giữa Người sử dụng và Máy tính Hệ thống này mô phỏng các sự vật và hiện tượng theo thời gian thực

có tương tác với người sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác Đó là ngũ giác gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác, vị giác.[4](approve sites)

Sự hình dung liên quan đến các tác động đầu ra mà máy tính tạo ra về thị giác, thính giác hay các giác quan khác khi người sử dụng tương tác với thế giới bên trong máy tính Thế giới này có thể là các mô hình được thiết kế với sự trợ giúp của máy tính, là sự mô phỏng hay là cách nhìn nhận một cơ sở dữ liệu Hệ thống

có thể có tính động, có các mô phỏng vật lý hay các hoạt cảnh

Ngày nay, ứng dụng của thực tại ảo có thể thấy được rất nhiều trong thế giới hàng ngày của chúng ta Khi tiến hành mua ô tô qua mạng, người mua rất cần thấy được hình ảnh trực quan của chiếc ô tô cần mua, quan sát từ nhiều góc

độ, thậm chí có thể thử độ rung xóc, các hiệu ứng khi vận hành xe Một số ứng dụng thực tại ảo thể hiện các hiệu ứng khó có thể đạt được trong những điều kiện thông thường như việc thể hiện các vụ thử hạt nhân, các thí nghiệm khoa học, các hệ thống điều khiển không lưu

1.1.2 Đặc điểm của một hệ thống thực tại ảo :

 VR là một hệ thống mô phỏng trong đó đồ họa máy tính được sử dụng để tạo

ra một thế giới "như thật" Hơn nữa, thế giới "nhân tạo" này không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn (tín hiệu vào) của người sử dụng (nhờ hành động, lời nói, ) Người sử dụng tương tác với mô hình ảo, trong đó tương tác được mô phỏng từ thao tác với các đối tượng thực Điều này xác định một đặc tính chính của VR, đó là tương tác thời gian thực (real-time interactivity) Thời gian thực ở đây có nghĩa là máy tính có khả năng nhận biết được tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức thế giới ảo Người sử dụng nhìn thấy

sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ và bị thu hút bởi sự mô phỏng này Điều này chúng ta có thể nhận thấy ngay khi quan sát trẻ nhỏ chơi video game

 Các phương pháp hiển thị có độ phân giải và tốc độ cao lôi cuốn người sử dụng tạo cảm giác như trong thực tế khả năng thu hút của VR góp phần lớn vào cảm giác đắm chìm (immersion), cảm giác trở thành một phần của hành động trên màn hình mà người sử dụng đang trải nghiệm Nhưng VR còn đẩy cảm giác này "thật" hơn nữa nhờ tác động lên tất cả các kênh cảm giác của con người Trong thực tế, người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D nổi, điều khiển (xoay, di chuyển, ) được đối tượng trên màn hình (như trong game), mà còn sờ và cảm thấy chúng như có thật Ngoài khả năng nhìn (thị giác), nghe (thính giác), sờ (xúc giác), nhiều nghiên cứu hiện nay đã nghiên cứu để tạo các cảm giác khác như ngửi (khứu giác), nếm (vị giác) Tuy nhiên hiện nay trong

VR các cảm giác này cũng ít được sử dụng đến

 Như trên đã trình bày, 2 đặc tính chính của VR là Tương tác và Đắm chìm, đây là hai "I" (Interactive, Immersion) mà nhiều người đã biết Tuy nhiên VR cần có 1 đặc tính thứ 3 mà ít người để ý tới VR không chỉ là một hệ thống tương tác Người- Máy tính, mà các ứng dụng của nó còn liên quan tới việc giải

quyết các vấn đề thật trong kỹ thuật, y học, quân sự, Các ứng dụng này do các nhà phát triển VR thiết kế, điều này phụ thuộc rất nhiều vào khả năng Tưởng tượng của con người, đó chính là đặc tính "I" (Imagination) thứ 3 của VR Do đó

có thể coi VR là tổng hợp của 3 yếu tố: Tương tác- Đắm chìm- Tưởng tượng, (3

I trong tiếng Anh: Interactive- Immersion- Imagination)

1.1.3 Một số loại hệ thống thực tại ảo

Hệ thống Window on a World còn gọi là Desktop VR, là các chương trình thực tại ảo chạy trên các máy tính cá nhân Các hệ thống này ra đời từ rất sớm, tuy nhiên chúng chỉ là các ứng dụng đồ hoạ máy tính nhỏ luôn gặp phải khó khăn là làm thế nào để hình ảnh, âm thanh và các đối tượng hoạt động như trong thực tế

Hệ thống kết hợp các hình ảnh video với các hình ảnh đồ hoạ 2D làm cho chúng ta có cảm giác người được quay video đang tương tác với các đối tượng Phương pháp này được áp dụng từ cuối những năm 1960 và được mô tả chi tiết trong 2 cuốn sách "Artificial Reality" và "Artificial Reality II" của Myron Kruger Nó đã được áp dụng vào hệ thống thương mại Mandala của kênh truyền hình cáp Nickelodeon cho chương trình giải trí mà trong đó những người dự thi xuất hiện với những hình ảnh rất lớn và ngộ nghĩnh

Hệ thống immersive là các hệ thống mà người sử dụng dùng thiết bị đặc biệt như màn hình gắn trên đầu (head-mounted display HMD), kính đặc biệt, các

bộ cảm ứng và đắm chìm vào bên trong thế giới ảo do các thiết bị này tạo ra Hệ thống quan sát từ xa (telepresence systems) kết nối các bộ cảm biến từ xa đặt trong thế gíới thực với các giác quan của người vận hành Ví dụ, chúng ta gắn các bộ cảm biến vào các cơ quan trên cơ thể và đeo một chiếc kính thực tại ảo Chiếc kính này nhận các tín hiệu quan sát được từ vị trí của một robot ở một

khoảng cách xa và chúng ta sẽ thấy những gì mà robot thấy để rồi chúng ta có các phản ứng như chính ta đang nhìn thấy các hình ảnh đó Các phản ứng này, theo các bộ cảm biến được nối với máy tính sẽ chuyển đến các bộ phận tương ứng của robot, kết quả là robot sẽ bắt chước các hoạt động của chúng ta Điều này thực sự ý nghĩa nếu robot được đặt trên một hành tinh xa xôi hay trong lòng núi lửa Hệ thống hỗn hợp (mixed realityseamless simulation systems), là sự kết hợp các hệ thống hiện thực ảo đã trình bày ở trên

1.1.4 Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo

Hệ thống thực tại ảo bao gồm 3 thành phần chính sau: HW (phần cứng), bộ giả lập thực tại (reality simulator), ứng dụng (application)

HW (phần cứng)

Phần cứng của một VR bao gồ m:

Các thiết bị đầu vào (Input devices): Chúng bao gồm những thiết bị đầu ra

có khả năng kích thích các giác quan để tạo nên cảm giác về sự hiện hữu trong thế giới ảo Chẳng hạn như màn hình đội đầu HMD, chuột, các tai nghe âm thanh nổi - và những thiết bị đầu vào có khả năng ghi nhận nơi người sử dụng đang nhìn vào hoặc hướng đang chỉ tới, như thiết bị theo dõi gắn trên đầu (head-trackers), găng tay hữu tuyến (wire-gloves)

Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (như màn hình,

HDM, ) để nhìn được đối tượng 3D Thiết bị âm thanh (loa) để nghe được âm thanh vòm (như Hi-Fi, Surround, ) Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback như găng tay, ) để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tượng Bộ phản hồi xung lực (Force Feedback) để tạo lực tác động như khi đạp xe, đi đường xóc,

Bộ giả lập thực tại (reality simulator)

Là trái tim của hệ thống thực tại ảo, bao gồm hệ thống máy tính và phần cứng ngoại vi, thiết bị đồ hoạ và multimedia; cung cấp cho bộ tác động những thông tin giác quan cần thiết Trong hệ thống mô phỏng cabin lái, thì mô hình cabin là thành phần này

Ứng dụng (application)

Phần mềm luôn là linh hồn của VR cũng như đối với bất cứ một hệ thống máy tính hiện đại nào Về mặt nguyên tắc có thể dùng bất cứ ngôn ngữ lập trình hay phần mềm đồ họa nào để mô hình hóa (modelling) và mô phỏng (simulation) các đối tượng của VR Ví dụ như các ngôn ngữ (có thể tìm miễn

phí) Open GL, Open Scene Graph?, Open SG?, C++, Java 3 D?, VRML, X 3

D?, .hay các phần mềm thương mại như World Tool Kit?, People Shop?,Ve Ga?

Phần mềm của bất kỳ VR nào cũng phải bảo đảm 2 công dụng chính: Tạo hình và Mô phỏng Các đối tượng hình học (geometry) Thành phần này bao gồm những thông tin mô tả các thuộc tính vật lý (hình dạng, màu sắc, vị trí ) của các đối tượng trong môi trường ảo Thông thường, các đối tượng hình học được xây dựng bởi các phần mềm CAD, sau đó dữ liệu có thể được chuyển qua một trong số các định dạng file khác phù hợp với việc thể hiện trong ứng dụng Sau đó phần mềm VR phải có khả năng mô phỏng động học, động lực học, và

mô phỏng ứng xử của đối tượng

 Không gian trong thế giới ảo (World Space)

Bản thân thế giới ảo cũng cần được định rõ trong một không gian gọi là

„world space‟ Do bản chất tự nhiên của thế giới ảo là một mô phỏng máy tính, nên thế giới ảo có hạn chế nhất định Vị trí của mỗi điểm của mỗi đối tượng trong thế giới đó đều phải được gán cho một giá trị số (toạ độ) Các toạ độ này thường được mô tả trong hệ toạ độ Đê-các-tơ với các thứ nguyên X, Y và Z (biểu diễn độ dài, độ cao, độ sâu) Cũng có thể sử dụng các hệ toạ độ khác như

hệ toạ độ cầu, nhưng hệ toạ độ Đê-các-tơ vẫn là chuẩn cho hầu hết các ứng dụng Sự chuyển đổi giữa các hệ toạ độ này cũng khá đơn giản

 Cơ sở dữ liệu cho thế giới ảo (World Database)

Lưu trữ thông tin về các đối tượng và thế giới ảo là một phần quan trọng trong việc thiết kế hệ thống thực tại ảo VR Những thông tin chính được lưu trữ trong World Database (hoặc World Description Files) là các đối tượng ở trong thế giới đó, các kịch bản (scripts) mô tả các hành động của các đối tượng hoặc người sử dụng (những kịch bản, phản ứng xảy ra đối với người sử dụng), ánh sáng, các điều khiển chương trình, và hỗ trợ thiết bị phần cứng Có nhiều cách lưu trữ thông tin về thế giới ảo: một file đơn, một tập các file, hoặc là cả một cơ

sở dữ liệu Phương pháp sử dụng nhiều file là một trong những hướng tiếp cận thường gặp nhất trong những package phát triển về thực tại ảo Mỗi một đối tượng có một hoặc nhiều file (file lưu trữ về hình dạng hình học, file lưu trữ scripts, v.v ) và có một số file toàn cục sử dụng chung cho thế giới ảo đó có tác dụng load các file khác Một số hệ thống còn bao gồm cả một file cấu hình định nghĩa về các kết nối giao diện phần cứng Đôi khi toàn bộ cơ sở dữ liệu được load trong khi chương trình khởi động, các hệ thống khác chỉ việc đọc các file

mà hệ thống cần tại thời điểm đó Với cách tiếp cận về sau (các thông tin được lưu trữ trong một cơ sở dữ liệu), một hệ thống cơ sở dữ liệu thực sẽ giúp ích rất nhiều Một cơ sở dữ liệu hướng đối tượng (Object Oriented Database) sẽ thích hợp nhất cho một hệ thống thực tại ảo, nhưng chưa thấy có một dự án nào sử dụng cách tiếp cận này Các file dữ liệu đa phần thường được lưu trữ dưới dạng các file văn bản sử dụng mã ASCII (con người có thể đọc được) Tuy nhiên, trong nhiều hệ thống, các file này được thay thế bởi các file lưu trữ dưới dạng

mã nhị phân (máy tính có thể đọc được) Một số hệ thống dịch trực tiếp các thông tin về thế giới ảo đó vào ứng dụng

Phần cứng của hệ thống thực tại ảo

Các hệ thống thực tại ảo xét ở góc độ phần cứng được phân chia thành một

số mức như sau:

Mức độ tiếp nhận (Entry VR - EVR), là một máy tính cá nhân hay một máy

trạm thực hiện như một hệ thống Wo W? Hệ thống này có thể chạy trên nền

IBM, Apple Macintosh

Hệ thống cơ bản (Basic VR - BVR), được phát triển từ một hệ thống EVR với sự bổ sung các tương tác cơ bản và nâng cao chất lượng thể hiện Các thành phần bổ sung có thể là những thiết bị đặc biệt như kính, joystick Hệ thống nâng cao (Advanced VR - AVR), trong hệ thống này, cùng với thiết bị tăng tốc

đồ hoạ, quá trình xử lý còn được nâng lên một bước với các bộ xử lý song song

Hệ thống thực tại ảo Immersion (Immersion VR - IVR), trong hệ thống này, với các thiết bị như HMD, các màn hình cực lớn tạo cảm giác chìm đắm, người sử dụng có thể cảm nhận các giác quan như xúc giác, thính giác, cơ chế tương tác

có phản hồi với thế giới ảo

Các thiết bị mô phỏng cabin (Cockpit Simulators), đây là các hệ thống khá thông dụng cho phép mô phỏng cabin lái máy bay, ô tô, tàu biển hay các phương tiện giao thông nói chung Một hệ thống như vậy có thể tạo ra một môi trường

ảo, trong đó người sử dụng điều khiển thiết bị giả lập và nhận được cảm giác như khi thao tác ở môi trường thực tế Ví dụ về một hệ thống loại này sẽ được phân tích kỹ trong phần sau

Các hệ thống mô phỏng quân sự qua mạng máy tính được phát triển chưa nhiều do độ phức tạp và khả năng công nghệ Chúng cho phép mô phỏng các trận đánh trong đó thể hiện cả ý đồ chiến thuật, nghệ thuật quân sự SIMNET là một hệ thống điển hình của ủy ban quản lý các dự án nghiên cứu cao cấp Bộ quốc phòng Mỹ (DARPA)

1.1.5 Một số ứng dụng chính của VR

Tại các nước phát triển, chúng ta có thể nhận thấy VR được ứng dụng trong mọi lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, và đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu- Giáo dục- Thương mại

Y học là lĩnh vực ứng dụng truyền thống của VR(approve sites) Bên cạnh

đó VR cũng được ứng dụng trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí Trong lĩnh vực quân sự, VR cũng được ứng dụng rất nhiều ở các nước phát triển

Bên cạnh các ứng dụng truyền thống ở trên, cũng có một số ứng dụng mới nổi lên trong thời gian gần đây của VR như: VR ứng dụng trong sản xuất, VR ứng dụng trong ngành rôbốt, VR ứng dụng trong hiển thị thông tin (thăm dò dầu

mỏ, hiển thị thông tin khối, )

VR có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn Có thể nói tóm lại một điều: Mọi lĩnh vực "có thật " trong cuộc sống đều có thể ứng dụng "thực tế ảo" để nghiên cứu và phát triển hoàn thiện hơn

1.2 Mô phỏng lửa và ý nghĩa

1.2.1 Tầm quan trọng của lửa và mô phỏng lửa

Hàng triệu năm về trước, những người nguyên thủy đã bắt đầu sử dụng lửa như một công cụ để sưởi ấm, xua đuổi thú dữ Lửa cũng là nguồn ánh sáng và hơi ấm, lửa dùng trong nấu nướng, công cụ truyền tin thô sơ và được dùng trong các lễ hội buổi đêm Lửa từ khi mới xuất hiện đã chiếm vai trò cực kì quan trọng trong đời sống vật chất cũng như tâm linh của con người vì sự ứng dụng rộng rãi của nó Lửa được coi là phát minh vĩ đại nhất của xã hội con người từ thủa sơ khai

Cuộc sống con người đã rất hiện đại, nhiều nguồn năng lượng mới được tạo

ra, nhiều công cụ được phát minh để phục vụ cuộc sống, nhưng lửa vẫn là một phần không thể thiếu, không những trong cuộc sống thường ngày mà còn trong khoa học, kĩ thuật Không chỉ mang lại những lợi ích, lửa còn là nỗi khiếp sợ

của loài người với những vụ cháy, nổ với thiệt hại vô cùng lớn Hằng ngày, hằng giờ, những thảm họa do lửa gây nên vẫn diễn ra trên khắp thế giới

Hình 1: Cháy ở Canifornia 2009

Hình 2: Cháy rừng ở Nga năm 2010

Những lợi ích cũng như những tác hại của lửa đã gây ra cho con người nên việc mô phỏng lửa là một việc làm cần thiết Khi hiểu rõ về bản chất và hoạt động của lửa thì con người mới có khả năng sử dụng hiê ̣u quả nguồn năng lượng của nó và ngăn ngừa các tai họa mà lửa có thể gây ra Ngoài ra, việc mô phỏng lửa cũng rất cần thiết trong công nghê ̣ giải trí ví dụ như : trong điện ảnh và game

vi tính Vì người ta không thể tạo ra những vụ cháy thật sự chỉ để cho một lần quay một cảnh phim khi không quá cần thiết gây tốn kém và nguy hiểm , trong

khi đòi hỏi của người xem ngày càng cao, những hoạt cảnh cháy nổ phải diễn ra

có tính chất nguy hiểm y như ngoài đời thực

1.2.2 Tổng quát về mô phỏng lửa

Theo tính chất vâ ̣t lý , hóa học và khí động học của l ửa, lửa có thể được xem xét từ nhiều khía cạnh Nó là một nguồn bức xạ, một hỗn hợp khí hoạt động theo các qui luật của cơ chế khí động học, hay một vật chất trong suốt điều biến ánh sáng Tuy nhiên, khi mô phỏng ngọn lửa chúng ta chỉ tập trung vào mô hình hình ảnh của lửa, bởi vì mục tiêu chính của chúng ta là xây dựng mô hình trực quan của ngọn lửa Các thuộc tính vật lý của nó có thể được xác định bằng phương thức quang học dựa vào mô hình đó Phần lớn các mô hình hình ảnh đặc

tả ngọn lửa như một vật chất phát ra ánh sáng và có tính trong suốt cao và mặc nhận nó là môi trường không tán xạ Khi không có khói hay độ ẩm thì giả định này là có thể chấp nhận được

Thể hiện ngọn lửa trong đồ họa vi tính cần tạo ra một cảm giác trực quan đúng đắn về tính động của lửa Hiện tại có rất nhiều mô hình được sử dụng để

mô phỏng ngọn lửa Trong các mô hình cháy vẫn đang khá sơ sài ở thời điểm hiện tại, các tia lửa được mô phỏng khá thuyết phục bằng cách sử dụng mô hình đơn giản của cơ chế đốt cháy hỗn hợp khí – nhiên liệu cũng như bằng các mô hình thủ tục phức tạp hơn Những mô hình nắm bắt các chuyển động của lửa cũng như các thuộc tính như sự khuếch tán, sự đối lưu, sự nổ hay sự nhiễu loạn Tiến trình thể hiện ngọn lửa là vấn đề then chốt của mô phỏng lửa Trong một thể hiện ba chiều của ngọn lửa, các hình ảnh có thể được tạo ra rất nhanh bằng các kĩ thuật tận dụng sức mạnh của phần cứng để cho ta cảm giác thực sự

về một ngọn lửa Để có kết quả tốt hơn, người ta có thể sử dụng các kĩ thuật như ánh xạ photon coi ngọn lửa như là các nguồn sáng hạt thật sự Các hiệu ứng tâm

lý như sự điều chỉnh của mắt người khi thay đổi độ sáng của ngọn lửa cũng được sử dụng

Để thể hiện ngọn lửa, ta có thể sử dụng những kĩ thuật đơn giản như phép chiếu thẳng và phép theo vết tia sáng Chúng ta cũng có thể sử dụng các mô hình thể hiện ngọn lửa dựa trên hình ảnh để tận dụng các thông tin ở các hình ảnh sử dụng Phương hướng trong tương lai là ứng dụng các phân tích chuẩn về các tính chất của ngọn lửa như tính mờ để đề ra các phương thức mới, mở rộng các phương thức mô phỏng để có thể thể hiện được các thuộc tính vật lý khác của ngọn lủa và thiết kế phương thức để đánh giá một cách khách quan và đáng tin cậy các thuộc tính này [5]

Dưới đây là một số chương trình mô phỏng lửa nổi tiếng đã được xây dựng

và có ứng dụng khá quan trọng Wildland Fire Simulation là một sản phẩm của DAS (Dynamic Animations Systems Inc.) làm cho Học viện Quốc gia về lửa (National Fire Academy) và Cục quản lí rừng Hoa Kỳ (US Forest Service); chương trình này cho phép mô phỏng một đám cháy rừng với các điều kiện môi trường và địa chất được tùy biến và cung cấp các phân tích kết quả cho người dùng [6] Fire Dynamics Simulator là một dự án mở của Học viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (National Institute of Standards and Technology)

mô phỏng sự phát sinh của lửa và đưa ra các kết quả phân tích về tác động của lửa Đây là một chương trình mô phỏng lửa khá thành công và nổi tiếng [7]

Hình 3:Wildland Fire Simulation

Hình 4: Fire Dynamics Simulator

CHƯƠNG 2:

MÔ PHỎNG LỬA BẰNG PHƯƠNG PHÁP PARTICLE

Cơ sở lý thuyết để xây dựng kỹ thuâ ̣t mô phỏng lửa

 Mô phỏng lửa bằng Particle

2.1 Cơ sơ ̉ lý thuyết để xây dựng kỹ thuâ ̣t mô phỏng lửa

Mô hình hóa các hiện tượng như mây, khói, nước, lửa… với các kĩ thuật tổng hợp hình ảnh hiện tại rất khó khăn Bề mặt của những đối tượng này chưa được định nghĩa rõ ràng bằng các phương trình toán học mà rất phức tạp, không

có qui luật Đặc biệt, chúng luôn chuyển động và hay thay đổi Do đó các đối tượng không định hình như thế này không thể được mô hình bằng các kĩ thuật biến đổi thông thường dành cho các vật thể cứng hay các hiện tượng thông thường khác trong đồ họa vi tính Particle là một trong những phương pháp đặc biệt được dùng để mô phỏng các đối tượng kiểu này

2.1.1 Định nghĩa Particle System

Particle System được định nghĩa như sau:

Một Particle System là một tập hợp các thành phần hay các hạt (particle) riêng biệt Particle System điều khiển tập particle đó, cho phép chúng hoạt động một cách tự động nhưng với một số thuộc tính chung nhất định [8]

2.1.2 Đặc tính của Particle System

Particle System có ba đặc tính riêng khác hẳn với các kĩ thuật tổng hợp hình ảnh thông thường khác Đó là:

1 Một đối tượng được biểu diễn không phải bởi một tập các thành phần bề mặt cơ bản như các đa giác hay các miếng nhỏ bề mặt để tạo ra bề mặt biên, mà được cấu thành từ tập particle để tạo ra hình khối

2 Particle System không phải là thực thể tĩnh mà chuyển động và thay đổi hình dạng theo thời gian Các particle liên tục "chết đi" và các particle mới được "sinh ra"

3 Một đối tượng được biểu diễn bằng Particle System không được xác định hoàn toàn, cả về đường nét lẫn hình dạng Thay vào đó, nó được xác định bằng các tiến trình ngẫu nhiên

Trong việc mô hình hóa các đối tượng không định hình, phương pháp Particle System có một số ưu điểm quan trọng so với các kĩ thuật hướng bề mặt

cổ điển:

1 Một particle là một thành phần nguyên tố đơn giản hơn cả đa giác – thành phần đơn giản nhất của kĩ thuật mô hình dựa trên bề mặt Do đó, trong một khoảng thời gian xử lí của máy tính, ta có thể tạo ra nhiều quá trình

xử lí hơn, xây dựng hình ảnh phức tạp hơn Cũng do đơn giản hơn nên việc tạo hiệu ứng nhòe khi chuyển động cho particle sẽ dễ dàng hơn Việc tạo hiệu ứng nhòe cho khi đối tượng di chuyển nhanh phần lớn đã bị bỏ qua trong kĩ thuật tổng hợp hình ảnh cho đến ngày nay

2 Định nghĩa mô hình được xác định theo thủ tục, và được điều khiển bởi các số ngẫu nhiên Do đó, việc nhận về một mô hình với độ chi tiết cao không yêu cầu một thời gian thiết kế lớn như trong các hệ thống hướng bề mặt Vì nó là theo thủ tục, một Particle System có thể tự điều chỉnh mức

độ chi tiết của nó để phù hợp với tập các tham số đã được xác định cho việc quan sát Cũng như với các bề mặt Fractal, càng phóng đại một Particle System càng cho ta những hình ảnh chi tiết hơn

3 Một đối tượng được mô phỏng bằng Particle System là một đối tượng

"sống", có nghĩa là chúng thay đổi theo thời gian Rất khó để có thể mô hình sự chuyển động phức tạp này bằng các kĩ thuật mô hình dựa vào bề mặt đối tượng

Particle System không phải là một ý tưởng đã có từ lâu Khoảng 50 năm trước thì những trò chơi vi tính đầu tiên cũng đã sử dụng rất nhiều các pixel

chuyển động để tạo ra vụ nổ của vũ khí (SpaceWar – 1962, Asteroids – 1978…) Particle System cũng đã được sử dụng để tạo ra các hiệu ứng 3D trong các bộ phim từ những năm 1980 Alvy Ray Smith và Jim Blinn sử dụng particle để mô hình hóa việc hình thành và chết đi của các vì sao trong các dải ngân hà trong Cosmos, một seri phim truyền hình về nguồn gốc sự sống và vị trí của trái đất trong vũ trụ được phát hành lần đầu năm 1980 Star Trek II, bộ phim nổi tiếng

về đề tài chiến tranh vũ trụ được phát hành năm 1982 cũng sử dụng kĩ thuật Particle System để xây dựng hiệu ứng các vụ nổ ngoài vũ trụ Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ nghiên cứu rõ hơn kĩ thuật xây dựng một Particle System

2.1.3 Mô hình mô phỏng bằng phương pháp Partical

Một Particle System là một tập hợp của nhiều particle nhỏ kết hợp cùng nhau tạo nên một đối tượng không định hình Trong một khoảng thời gian, các particle được hệ sinh ra, chuyển động và thay đổi trong hệ, sau đó chết đi Để tính toán mỗi khung hình trong một chuỗi chuyển động, chúng ta cần tiến hành các bước sau đây:

1 Các particle mới được sinh ra trong hệ

2 Mỗi particle được gán cho các thuộc tính riêng biệt

3 Bất cứ một particle nào đã tồn tại trong hệ một thời gian đều bị làm mờ dần

4 Các particle còn sống trong hệ chuyển động và biến đổi dựa theo các thuộc tính động của nó

5 Một hình ảnh của các particle đang sống được kiết xuất trong bộ đệm khung hình (frame buffer)

Particle System có thể được lập trình để thực thi bất cứ tập lệnh nào ở mỗi bước Do có tính thủ tục, phương pháp này có thể phối hợp bất cứ mô hình tính toán nào dùng để mô tả bề ngoài và chuyển động của đối tượng Ví dụ, sự chuyển động và biến đổi của các particle có thể được gắn vào các phương trình

vi phân cục bộ, hay các thuộc tính của particle có thể được gán vào các cơ chế thống kê xác suất cơ bản Do vậy, chúng ta có thể tận dụng các ưu điểm của các

mô hình được phát triển trong nhiều môn khoa học hay kĩ thuật khác nhau

Trong phạm vi tài liệu này, chúng ta sẽ chỉ sử dụng các tiến trình ngẫu nhiên đơn giản làm thủ tục nguyên tố cho mỗi bước trong quá trình tạo ra các khung hình cho Particle System Để điều khiển hình dáng, bề mặt và sự chuyển động của các particle trong một Particle System, chúng ta sẽ sử dụng một tập các tham số Chuyển động và biến đổi của các particle sẽ được ràng buộc vào

các tham số ngẫu nhiên này Nói một cách tổng quát, mỗi tham số sẽ xác định một dải giá trị mà mỗi particle sẽ nhận một giá trị trong khoảng đó Các phần tiếp theo sẽ nói rõ hơn từng bước để tạo nên một Particle System

2.1.3.1 Sự khởi tạo ra các particle

Các particle tạo ra trong Particle System được điều khiển bởi các tiến trình ngẫu nhiên Một tiến trình xác định số particle được sinh ra và tham gia vào hệ trong một khoảng thời gian Con số này sẽ ảnh hưởng đến mật độ của đối tượng đang được xây dựng

Có hai cách để điều khiển số lượng particle mới được sinh ra:

1 Xác định số trung bình của số lượng particle được sinh ra trong một khung hình và khoảng biến đổi của nó Khi đó, số lượng particle thực sự

trong một frame f là:

N f = Mean f + Rand() Var f (1)

Trong đó Rand() là một thủ tục trả về một giá trị ngẫu nhiên nằm trong khoảng [-1, 1]; Mean f là số lượng trung bình các particle, Var f là

khoảng biến đổi của nó

2 Số lượng particle phụ thuộc vào cỡ mà đối tượng thể hiện trên màn hình Trong phương pháp này, ta cần xác định các tham số của điểm quan sát

so với một khung hình cụ thể của đối tượng, tính toán vùng màn hình mà

nó bao phủ và đưa ra số lượng particle mới phù hợp Phương trình cụ thể như sau:

N f = (Mean saf + Rand()Var saf )  ScreenArea (2)

Trong đó Mean saf là số lượng trung bình particle trên mỗi đơn vị diện

tích màn hình, Var saf là khoảng biến đổi của nó và ScreenArea là

diện tích phần màn hình mà Particle System bao phủ Phương pháp này cho phép điều khiển mức độ chi tiết của Particle System, và do đó, cả thời gian cho việc render các hình ảnh của Particle System

Để điều khiển cường độ của Particle System, người thiết kế phải điều khiển

số lượng particle trung bình được sinh ra cho mỗi frame Tiến trình này có thể

sử dụng một hàm tuyến tính đơn giản như sau:

Mean f = InitialMean + DeltaMean  (f – f 0 ) (3) Hay:

Mean saf = InitialMean sa + DeltaMean sa  (f – f 0 ) (4)

Trong đó f là frame hiện tại, f 0 là frame đầu tiên, InitialMean là số lượng particle trung bình tại frame đầu tiên, và DeltaMean là tốc độ thay đổi Với phương trình biến đổi tuyến tính thì DeltaMean và DeltaMean sa là

hằng số Tất nhiên, trong trường hợp sự biến đổi về mật độ đối tượng phức tạp hơn thì các phương trình phức tạp hơn (bậc 2, bậc 3, hàm mũ…) sẽ được sử dụng Ở đây chúng ta chỉ đang cố gắng xây dựng mô hình đơn giản nhất của Particle System

Để điều khiển việc sinh ra các particle của Particle System, ta cần phải xác

định rõ f 0 và các tham số trong phương trình (3) hay (4)

2.1.3.2 Các thuộc tính của particle

Với mỗi một particle mới được sinh ra, Particle System phải gán giá trị cho các thuộc tính sau của nó:

1 Vị trí khởi tạo

2 Tốc độ khởi tạo (bao gồm cả tốc độ và hướng)

3 Kích thước khởi tạo

4 Màu sắc khởi tạo

5 Độ trong suốt khởi tạo

6 Hình dạng khởi tạo

7 Thời gian sống

Một vài tham số của Particle System điều khiển vị trí khởi tạo của các particle của nó Một Particle System có một vị trí trong không gian ba chiều làm gốc "Vùng sinh" (generation shape) của Particle System là một không gian được xác định xung quanh điểm gốc này Các particle của Particle System mới luôn được tạo ra ở trong vùng sinh Một vùng sinh có thể là một hình cầu bán

kính r với tâm là điểm gốc, một hình tròn bán kính r tâm là điểm gốc và song song với mặt phẳng Oxy, hoặc một hình chữ nhật chiều dài h và chiều rộng w

tâm là điểm gốc và nằm song song với mặt Oyz

Hình 1 Particle System với hình dạng thế hệ cầu Vùng sinh của Particle System cũng mô tả hướng chuyển động ban đầu của các particle mới Ví dụ như trong trường hợp vùng sinh là hình cầu, particle bay

từ điểm gốc ra phía ngoài vùng hình cầu đó (như một vụ nổ pháo hoa) Hay như trong trường hợp vùng sinh là hình tròn, các particle xuất phát theo phương thẳng đứng vuông góc với mặt phẳng Oxy (giống như một đài phun nước) Tốc

độ, hướng ban đầu cũng được tùy biến dựa vào một tham số ngẫu nhiên, ví dụ:

InitialSpeed = MeanSpeed + Rand()  VarSpeed (5)

Trong đó MeanSpeed là tốc độ trung bình, VarSpeed là khoảng biến

đổi của tốc độ Đây là hai tham số của Particle System

Để xác định màu sắc khởi tạo của particle, Particle System cũng cho nó một màu trung bình (các giá trị của Red, Green, Blue đã được xác định) và một khoảng biến thiên Màu sắc của particle mới được sinh ra sẽ ngẫu nhiên nằm trong khoảng biến thiên này

InitialColor R = MeanColor R + Rand() VarColor R

InitialColor G = MeanColor G + Rand() VarColor G

InitialColor B = MeanColor B + Rand() VarColor B (6) Trong đó R, G, B lần lượt là chỉ số của màu sắc Red, Green, Blue trong hệ màu RGB

Một cách tương tự, độ trong suốt và kích thước đều được xác định bằng các giá trị trung bình và một khoảng biến thiên

Trên đây chỉ là những thuộc tính thường dùng và hữu ích nhất trong hầu hết các Particle System Tất nhiên, một Particle System có thể có nhiều thuộc

tính nữa, và khoảng biến thiên của chúng cũng không hề bị giới hạn Tùy thuộc vào từng ứng dụng mà chúng ta sẽ sử dụng những tham số phù hợp

2.1.3.3 Chuyển động của các particle

Các particle riêng biệt trong một Particle System chuyển động trong không gian ba chiều và thay đổi màu sắc, độ trong suốt, kích thước theo thời gian Để chuyển một particle từ một frame này sang frame khác, ta chỉ cần cộng vector vận tốc với vector vị trí của particle Phức tạp hơn, ta có thể sử dụng một thành phần gia tốc nhằm thay đổi tốc độ chuyển động của các particle Với thành phần này, ta có thể mô phỏng trọng lực hay các lực khác tác động lên chuyển động của vật thể

Sự thay đổi màu sắc cũng được điều khiển bằng tham số tốc độ thay đổi màu sắc tương tự như trên Các tham số khác của particle như độ trong suốt, kích thước đều được điều khiển theo cách như thế Tốc độ thay đổi của các tham

số này có thể được sử dụng thống nhất cho toàn bộ các particle trong hệ, tuy nhiên chúng ta có thể dễ dàng tăng sự đa dạng của đối tượng được mô phỏng

2.1.3.4 Render particle

Một khi các tham số về vị trí và hình dạng, màu sắc của tất cả các particle đều đã được tính toán cho một frame thì thuật toán render sẽ được sử dụng để tạo nên một bức tranh Vấn đề chung của việc render particle là cũng phức tạp tương tự việc render một đối tượng được hợp thành từ nhiều thành phần đồ họa

cơ bản (như các đa giác hay các bề mặt cong) Particle có thể che khuất các particle khác nằm đằng sau nó (có độ sâu trên màn hình thấp hơn) Chúng có thể trong suốt và có thể đổ bóng lên các particle khác Hơn thế nữa, các particle có thể sống chung với các đối tượng được tạo nên bởi các thành phần đồ họa nguyên tố của phương pháp hướng bề mặt, và những đối tượng này có thể giao với các particle

Có hai giả định cho phép chúng ta đơn giản hóa thuật toán render Đầu tiên,

ta thừa nhận Particle System không giao với các thành phần nguyên tố của sử dụng trong mô hình hóa hướng bề mặt, và do đó thuật toán render chỉ quan tâm đến particle Các đối tượng sử dụng kĩ thuật khác sẽ được kết hợp với các đối tượng Particle System trong một bước chuẩn bị trước đó Nhằm cho Particle System giao hoặc nằm sau các đối tượng khác, hệ thống render sẽ chia nhỏ hình ảnh của Particle System thành các hình ảnh con dựa vào việc chia cắt các mặt được định nghĩa trong không gian tọa độ mô hình Những hình ảnh con này sẽ được kết hợp với các ảnh khác trong bước phối hợp Giả định thứ hai là mỗi

particle được coi là một nguồn sáng điểm Với giả định này, việc xác định các

bề mặt bị che không còn là vấn đề Mỗi particle sẽ cộng thêm một lượng ánh sáng cho các pixel nó bao phủ Một particle ở đằng sau không bị che bởi particle trước nó mà chỉ làm sáng thêm các pixel nó bao phủ Độ sáng của pixel được cộng vào và màu sắc của nó phụ thuộc vào màu sắc và độ trong suốt của particle Độ sáng được cộng thêm vào một pixel không phụ thuộc vào khoảng cách của particle tới điểm nhìn Vị trí điểm nhìn, kích thước particle và hình dạng của nó xác định những pixel nào bị che phủ Tất cả các hình dạng particle được vẽ bằng kĩ thuật khử răng cưa (antialiased) để tránh hiện tượng răng cưa và nhấp nháy tạm thời Ánh sáng tại một pixel được cộng vào từ nhiều particle, do

đó thuật toán render sẽ cộng dần các cường độ R, G, B riêng biệt cho tới khi đạt giá trị cực đại chứ không để particle trước che phủ particle sau nó

Với thuật toán và các giả định này, ta không cần phải sắp xếp các particle Chúng được render vào bộ đệm frame ở bất cứ thứ tự nào chúng được sinh ra

Đổ bóng không còn là vấn đề do particle không phản xạ mà trực tiếp phát ra ánh sáng

Hình 2-1: Kĩ thuật Anti-Aliased

2.1.3.5 Sự phân cấp của Particle System

Hệ thống của chúng ta có cơ chế hỗ trợ tổ chức và điều khiển hệ thống phân cấp Particle System Người thiết kế mô hình có thể tạo ra các Particle System mà trong đó các particle tự bản thân chúng cũng chính là một Particle System Khi Particle System cha thay đổi, tất cả các Particle System con cũng như các particle của chúng cũng thay đổi Màu sắc trung bình và khoảng biến đổi của Particle System cha được dùng để chọn ra màu sắc và khoảng biến đổi của các Particle System con cháu giống như các phương trình đã trình bày ở trên Số lượng Particle System mới được sinh ra tại một frame dựa trên tỉ lệ sinh particle của Particle System cha Các tham số của Particle System cha cũng ảnh hưởng tương tự như trong trường hợp một Particle System lên các Particle System con Các hệ Particle System kiểu này được dùng để sử dụng một điều khiển chung cho một đối tượng không định hình phức tạp được cấu thành từ

nhiều Particle System Ví dụ, một đám mây có thể được tạo thành từ nhiều Particle System, mỗi Particle System biểu diễn một vùng cuộn của mây Một Particle System cha có thể gộp tất cả các Particle System này lại để điều khiển chuyển động và hình dạng chung của đám mây theo ảnh hưởng của gió

2.1.3.6 Sự chết của particle

Khi mới được tạo ra, một particle được gán cho một thời gian sống (lifetime) Thời gian này được đo bằng các frame Khi một frame mới được render thì thời gian sống bị giảm xuống Một particle sẽ chết khi thời gian sống hết (lifetime = 0)

Ngoài ra, còn một số cơ chế khác không dựa vào thời gian sống của particle mà dựa vào tính qui tắc: một particle khi không tham gia cấu tạo nên hình ảnh của vật thể sẽ bị hủy Ví dụ như độ mờ của nó thấp hơn một ngưỡng nào đó, khoảng cách của nó tới điểm gốc của Particle System xa hơn một giới hạn cho trước… thì particle bị hủy

2.1.4 Sƣ ̉ du ̣ng Partical system cho vu ̣ cháy nổ

Genesis Demo trình tự từ phim Star Trek II: The Wrath of Khan [9] được tạo ra bởi các dự án đồ họa máy tính của Lucasfilm Ltd trình tự miêu tả sự biến đổi của một hành tinh moonlike, vào một hành tinh earthlike, bởi một thiết bị thử nghiệm được gọi là bom Genesis Trong một sự hỗ trơ ̣ của máy tính mô phỏng, quả bom chạm bề mặt của hành tinh và một bức tường mở rộng của đám cháy lan ra từ điểm tác động cuối cùng "làm sạch" toàn bộ hành tinh Bề mặt của hành tinh: ngọn núi lớn, và đại dương, thực vật, và tạo thành một bầu không khí

để tạo ra một môi trường earthlike

Các phần tử của tường lửa trong Demo Genesis được tạo ra bằng cách sử dụng một hệ thống hai cấp độ của các Partical system, đã được tập trung tại các điểm tác động của bom Nó tạo ra các Partical là tự Partical system Hình 2 minh họa các vị trí của Partical system thứ cấp và cách thức chúng được hình thành

mở rộng vòng tròn đồng tâm trên bề mặt của hành tinh

Hình 2 Phân phối của Partical system trên bề mặt của hành tinh

Số lượng Partical system mới tạo ra trong mỗi vòng dựa trên chu vi của vòng một tham số và mật độ kiểm soát Partical system mớ i có được khoảng cách ngẫu nhiên tạo thành những vòng tròn xung quanh Partical system chồngchéo những Partical khác trong cùng một vòng hoặc là các vòng tròn liền kề Partical system đã bắt đầu tạo ra các hạt ở các lần khác nhau lần trên cơ sở khoảng cách từ điểm tác động Bằng cách thay đổi thời gian bắt đầu của các Partical system, hiệu quả của một bức tường lửa đã được sinh ra

Việc thứ hai Partical system được mô phỏng giống như các vụ nổ Hình 3 cho thấy một ví dụ Hình dạng thế hệ là một vòng tròn trên bề mặt của hành tinh Mỗi Partical system đã được định hướng để các Partical, được tạo ra tại vị trí ngẫu nhiên trong vòng tròn, bay lên khỏi bề mặt của hành tinh Hướng ban đầu của các Partical đã được hạn chế bởi góc phóng của hệ thống để nằm trong khu vực bao quanh bởi các hình nón ngược thể hiện trong hình 3 Khi hạt đã bay lên trên, tham số trọng lực kéo chúng trở lại xuống đến bề mặt của hành tinh , tạo

ra mô ̣t họ đường chuyển động của parabol Số lượng của các hạt được tạo ra mỗi khung hình được dựa trên số lượng diện tích màn hình được bảo vệ bởi các Partical system

Các hệ thống hạt nhân không giống nhau màu sắc trung bình của nó và mức giá mà tại đó các màu sắc thay đổi được kế thừa từ các hệ thống hạt cha

mẹ, nhưng thay đổi stochastically Các ban đầu có nghĩa là vận tốc, bán kính vòng tròn thế hệ, phóng góc, có nghĩa là kích thước hạt, có nghĩa là thời gian sống của nó tỷ lệ với thế hệ Partical, và có nghĩa là độ trong suốt khởi tạo cũng