Tìm hiểu kĩ thuật mô phỏng nước bằng phương pháp PARTICLE và ứng dụng minh họa

Ở nước ta, việc ứng dụng thực tại ảo vào mô phỏng nước vẫn chưa được quan tâm nhiều, mà nước là một thành phần không thể thiếu trong đời sống con người... Cấu trúc khóa luận Luận văn gồm

Trang 1

Mặc dù đã nỗ lực hết mình, xong do thời gian và trình độ chuyên môn còn hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy giáo, cô giáo và các bạn để khóa luận được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Xuân Hoà, tháng 05 năm 2013

Sinh viên

Phạm Thanh Nhã

luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 1 of 128

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Phạm Thanh Nhã Sinh viên lớp: K35 – CNTT, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Tôi xin cam đoan:

1 Đề tài “Tìm hiểu kỹ thuật mô phỏng nước bằng phương pháp Particle và ứng dụng minh họa” là kết quả nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của cô giáo, Th.s Nguyễn Minh Hiền và tham khảo một số nguồn tài liệu nước ngoài trên Internet

2 Khóa luận hoàn toàn không sao chép từ các tài liệu có sẵn nào

3 Kết quả nghiên cứu không trùng với các tác giả khác

Nếu sai, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm!

Xuân hoà, tháng 05 năm 2013

Người cam đoan

Phạm Thanh Nhã

Trang 3

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG NƯỚC 4

1.1 Khái quát về thực tại ảo (VR-Virtual Reality) 4

1.1.1 Định nghĩa 4

1.1.2 Đặc điểm của một hệ thống thực tại ảo 5

1.1.3 Một số loại hệ thống thực tại ảo 8

1.1.4 Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo 9

1.1.5 Một số lĩnh vực ứng dụng chính của thực tại ảo 10

1.2 Mô phỏng nước 15

1.2.1 Khái quát về mô phỏng 15

1.2.2 Mô phỏng chất lỏng 17

1.2.3 Một số tính chất của chất lỏng 19

1.2.4 Một số tính chất vật lý hóa của nước 21

1.2.5 Tầm quan trọng của nước và mô phỏng nước 25

Chương 2: MÔ PHỎNG NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP PARTICLE 26

2.1 Kỹ thuật mô phỏng hiệu ứng của nước thông thường 26

2.2 Một số phương pháp mô phỏng nước 27

2.2.1 Phương pháp Physically - based 27

2.2.2 Phương pháp Particle-based 28

2.3 Mô phỏng nước bằng phương pháp Particle 28

2.3.1 Tiến trình mô phỏng 28

2.3.2 Giảm mật độ kép 34

Trang 4

2.3.3 Biểu diễn bề mặt 41

Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 45

3.1 Ứng dụng của mô phỏng nước trong thực tại ảo 45

3.2 Chương trình thử nghiệm mô phỏng nước 46

3.2.1 Giới thiệu chung 46

3.2.2 Mô phỏng mặt nước 47

3.2.3 Chương trình mô phỏng mặt nước 51

3.2.4 Các kỹ thuật liên quan 54

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

Trang 5

BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT

VR Virtual Reality - Thực tại ảo HMD Head mounted display - Màn hình gắn trên đầu 3D 3 Dimension - Không gian 3 chiều

2D 2 Dimension – Không gian 2 chiều

VRML Virtual Reality Modelling Language - Ngôn ngữ

Trang 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Một hệ thống VR tại Viện Fraunhofer (CHLB Đức) 5

Hình 1.2 Sử dụng tay điều khiển và mũ chụp ảo 6

Hình 1.3 Tái tạo không gian phố cổ Hà Nội bằng mô phỏng thực tại ảo 7

Hình 1.4 Các đặc tính chính của Thực tại ảo 7

Hình 1.5 Các thành phần của một hệ thống VR 9

Hình 1.6 Cảnh sinh hoạt trong lớp học ảo 11

Hình 1.7 Mô phỏng quá trình đào tạo phẩu thuật ảo 11

Hình 1.8 Hệ thống trong lĩnh vực giải trí 3D 12

Hình 1.9 Các kỹ sư đang thay đổi các chi tiết cho chiếc xe hơi ảo 13

Hình 1.10 Mô phỏng trong thiết kế kiến trúc cầu 3D 13

Hình 1.11 Một góc của Văn Miếu Quốc Tử Giám trên mô hình 3D 14

Hình 1.12 Ứng dụng của VR trong quân sự 14

Hình 1.13 Mô phỏng tĩnh vật 15

Hình 1.14 Mô phỏng đối tượng động 16

Hình 1.15 Mô hình phân tử nước 22

Hình 1.16 Hình học của Phân tử nước 22

Hình 1.17 Liên kết hiđrô 23

Hình 1.18 Khi đông lạnh dưới 40C, các phân tử nước phải dời xa ra để tạo… liên kết tinh thể lục giác mờ 24

Hình 2.1 Mô tả một số hạt particle chuyển động trong không gian 32

Hình 2.2 Các hạt particle chuyển động với vận tốc thay đổi khi có trọng lực32 Hình 2.3 Các hạt particle chuyển động khi có thêm độ nhớt 33

Hình 2.4 Các particle chuyển động khi mật độ các hạt tăng 33

Hình 2.5 Dạng khác nhau của bề mặt chất dẻo 42

Hình 3.1 Hệ thống tập lái tàu thuỷ của trường ĐH GTVT HCM 45

Hình 3.2 Thể hiện hiệu ứng mặt nước đã được tạo 46

Trang 7

Hình 3.3 Thể hiện mặt nước bằng lưới đa giác trong phương pháp

Particle – based 46

Hình 3.4 Mặt nước đứng yên 53

Hình 3.5 Mặt nước chuyển động mạnh 53

Hình 3.6 Mô hình tổ chức của một file VRML 56

Hình 3.7 Hình hộp đơn giản viết bằng VRML 56

Hình 3.8 Billboad với mô hình hóa một cái cây 58

Trang 8

1

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Công nghệ thông tin đã, đang và sẽ tiếp tục trên đà phát triển mạnh mẽ,

sự phát triển nhanh chóng ấy đã đem lại những thành tựu đáng kể trong nhiều lĩnh vực như y tế (với các phần mềm quản lý bệnh viện, mô phỏng tim người,

cơ thể người, các mô cơ, ), giao thông (các phần mềm trắc nghiệm thi lý thuyết lái xe, phần mềm mô phỏng lái xe ảo,…), giáo dục (hệ thống các phần mềm quản lý, giáo án, giáo trình điện tử, website đào tạo trực tuyến,…), an ninh, quốc phòng,

Những năm gần đây, cũng trên đà phát triển ấy đã xuất hiện một mô hình phát triển mới mà phạm vi ứng dụng của nó còn rộng lớn hơn rất nhiều

Nó dự báo một tương lai có nhiều tiềm năng, một cánh cửa rộng mở, đó chính

là công nghệ thực tại ảo Trên thế giới, công nghệ thực tại ảo đã và đang trở thành một ngành công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực như: nghiên cứu và công nghệ, giáo dục đào tạo, du lịch, dịch vụ bất động sản, thương mại và giải trí,… và tiềm năng kinh tế cũng như tính hữu dụng của nó Đối với Việt Nam, công nghệ thực tại ảo đang dần được phát triển mạnh trong hầu hết các lĩnh vực Tại viện công nghệ thông tin thuộc viện khoa học và công nghệ Việt Nam đã được trang bị phòng máy thực tại ảo đầu tiên trong cả nước Bên cạnh trung tâm đầu não đó, kỹ thuật mô phỏng đã được nhiều trường Đại học, nhiều công ty phần mềm nghiên cứu và cho tới nay đã thu được những kết quả bước đầu đáng khích lệ, nhưng để làm chủ được công nghệ mới này thì rất cần phải đầu tư nghiên cứu tiếp Một điều thực tế là muốn hiểu toàn bộ công nghệ thì phải nắm được phương pháp thể hiện hay mô phỏng đối tượng trong môi trường thực tại ảo, chẳng hạn để mô phỏng nước thì chúng ta cần phải nắm được kỹ thuật mô phỏng nước Ở nước

ta, việc ứng dụng thực tại ảo vào mô phỏng nước vẫn chưa được quan tâm nhiều, mà nước là một thành phần không thể thiếu trong đời sống con người

Trang 9

2

Chính vì vậy, em đã chọn đề tài khoá luận tốt nghiệp là “Tìm hiểu kỹ thuật

mô phỏng nước bằng phương pháp Particle và ứng dụng minh họa”

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu của khóa luận là nghiên cứu một phương pháp đặc biệt phương pháp Particle sử dụng trong mô phỏng nói chung cũng như trong mô phỏng nước nói riêng và xây dựng chương trình ứng dụng minh họa

3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là mô phỏng nước bằng phương pháp Particle Nước là thành phần không thể thiếu trong cuộc sống của mỗi chúng ta Nước phục vụ cho cuộc sống hàng ngày, phục vụ cho sản xuất, cuộc sống của con người gắn liền với nước,…

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý luận Nghiên cứu qua việc đọc sách, báo và các tài liệu liên quan nhằm xây dựng cơ sở lý thuyết của đề tài và các biện pháp cần thiết để giải quyết các vấn đề của đề tài

- Phương pháp chuyên gia Tham khảo ý kiến của các chuyên gia để có thể thiết kế chương trình phù hợp với yêu cầu thực tiễn Nội dung xử lý nhanh đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng

- Phương pháp thực nghiệm Thông qua quan sát thực tế, yêu cầu của cơ sở, những lý luận được nghiên cứu và kết quả đạt được qua những phương pháp trên, dùng 3DS Max

để xây dựng mô hình, sau đó dùng ngôn ngữ C# để điều kiển mô hình mô phỏng nước

Trang 10

3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn khóa luận

Đề tài đem lại một số kiến thức thực tế về ứng dụng mô phỏng nước vào công nghệ giải trí, nghiên cứu khoa học và mô phỏng những thí nghiệm

có liên quan đến nước trong quá trình giảng dạy tại các trường học

6 Cấu trúc khóa luận

Luận văn gồm 3 chương với những nội dung chính như sau:

Chương 1: Khái quát về thực tại ảo và mô phỏng nước

Trong chương này giới thiệu tổng quan về quá trình phát triển và các lĩnh vực ứng dụng chính hiện nay của Thực tại ảo, đồng thời cung cấp một cái nhìn tổng quan về mô phỏng nước trong hệ thực tại ảo Tại chương này cũng

đi sâu phân tích những tính chất vật lý, các hiệu ứng cơ bản của nước để làm

cơ sở cho sự trình bày phương pháp mô phỏng nước trong chương 2

Chương 2: Mô phỏng nước bằng phương pháp Particle

Chương này đưa ra các kỹ thuật mô phỏng hiệu ứng nước thông thường

và giới thiệu những phương pháp mô phỏng mà người ta đã dùng để tạo ra các hiệu ứng nước Đặc biệt là trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp Particle một phương pháp được sử dụng hiệu quả trong mô phỏng nước

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 nước bằng phương pháp Particle Phần cuối chương trình bày một số kỹ thuật liên quan khác được sử dụng trong xây dựng chương trình thử nghiệm như VRML, Billboard

Trang 11

4

Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ

MÔ PHỎNG NƯỚC

1.1 Khái quát về thực tại ảo (VR-Virtual Reality)

Thực tại ảo có tiềm năng ứng dụng vô cùng to lớn trong đời sống xã hội của con người và sự phát triển chung của thế giới

Trang 12

5

lên tất cả các kênh cảm giác của con người Trong thực tế, người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ hoạ 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), các nhà nghiên cứu cũng đã nghiên cứu để tạo các cảm giác khác như ngửi (khứu giác), nếm (vị giác)

Từ các phân tích trên, chúng ta có thể thấy định nghĩa sau đây của C Burdea và P Coiffet tương đối chính xác về Thực tại ảo:

VR – Thực tại 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 và 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 [10]

Hình 1.1 Một hệ thống VR tại Viện Fraunhofer (CHLB Đức)

1.1.2 Đặc điểm của một hệ thống thực tại ảo

 Khả năng đắm chìm (Immersion): Một hiệu ứng hết sức mạnh mẽ của

nó là khả năng tập trung sự chú ý của người sử dụng Sự đắm chìm có nghĩa

là ngăn chặn sự xao nhãng và tập trung một cách có chọn lọc vào chính thông

Trang 13

6

tin với những gì mà ta muốn làm Khả năng tập trung vào công việc dường như là điều kiện tiên quyết đối với sự thành công Một thuộc tính then chốt khác của sự đắm chìm là nó có thể tác động như một thấu kính mạnh để khai thác kiến thức từ dữ kiện bằng cách biến đổi nó thành kinh nghiệm Năng lực này chính là lý do kiến cho rất nhiều ngành công nghiệp đang khai phá cách

sử dụng các môi trường ảo

Hình 1.2 Sử dụng tay điều khiển và mũ chụp ảo

 Tính tương tác (Interactive): Có hai khía cạch là sự điều hướng và

động lực học của môi trường Sự điều hướng (navigation) chỉ đơn giản là khả năng của người dùng để di chuyển khắp nơi một cách độc lập, cứ như là đang

ở trong một môi trường thật, người ta có thể thiết lập những áp đặt đối với việc truy cập vào các khu vực ảo nhất định, cho phép có được nhiều mức độ

tự do khác nhau hay định vị điểm nhìn của người dùng, kiểm soát điểm nhìn, hoặc di chuyển trong khắp thiết kế Động lực học của môi trường là những quy tắc về cách thức mà nội dung của nó (người, vật,… và mọi thứ) tương tác với nhau trong một trật tự để trao đổi năng lượng hoặc thông tin

Trang 14

7

Hình 1.3 Tái tạo không gian phố cổ Hà Nội bằng mô phỏng

thực tại ảo

 Tính tưởng tượng (Imagination): Thực tại ảo không chỉ là một hệ

thống tương tác giữa người và máy, 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 Thực tại ảo 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 Thực tại ảo

Do đó, có thể coi Thực tại ảo là tổng hợp của ba yếu tố: tương tác – đắm chìm – tưởng tượng [9],[10]

Hình 1.4 Các đặc tính chính của Thực tại ảo

Trang 15

8

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

Trang 16

9

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

Tổng quát một hệ thống VR bao gồm những thành phần sau:

 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,

Trang 17

10

 Bộ giả lập thực tại ảo (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 đa phương tiện; 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, C++, Java 3D,VRML, X 3D, hay các phần mềm thương mại như World Tool Kit, People Shop,

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

1.1.5 Một số lĩnh vực ứng dụng chính của thực tại ảo

Thực tại ảo có rất nhiều ứng dụng trong hầu như tất cả các lĩnh vực:

 Giáo dục: Mô phỏng các thí nghiệm, các phản ứng hoá học, xây dựng

các phần mềm mô phỏng,… Ở các nước phương Tây việc ở nhà học qua Internet không còn là điều mới mẻ Công nghệ VR sẽ làm cho việc này trở nên thú vị hơn nhiều Người học có thể điều khiển một nhân vật đại diện cho mình đi lại trong một trường học ảo được xây dựng trên máy tính Người học cũng có thể tham gia vào bất cứ lớp ảo nào mà họ thích và nói chuyện với những thành viên khác trong lớp

Trang 18

11

Hình 1.6 Cảnh sinh hoạt trong lớp học ảo

 Y học: Việc tìm kiếm các mẫu, mô hình làm thí nghiệm (nhất là đối với

cơ thể người) là vấn đề khó khăn, do kinh phí đắt, hoặc do không có các bộ phận, hoặc do vấn đề văn hoá dân tộc,… nên việc lập các chương trình, phần mềm để mô phỏng các bộ phận cơ thể người, các quá trình giải phẫu, các bệnh là một nhu cầu rất cần thiết, nó không chỉ cung cấp thư viện thông tin dữ liệu cần thiết mà thông qua đó cũng giúp cho không chỉ sinh viên, bác sĩ, mà ngay cả những người bệnh nếu muốn cũng có thể tìm hiểu, vì vấn đề được trực quan hoá nên dễ hiểu và dễ được nắm bắt

Hình 1.7 Mô phỏng quá trình đào tạo phẩu thuật ảo

Trang 19

12

 Giải trí: Trong giải trí có thể kể đến hai lĩnh vực đó là điện ảnh và

game Trong điện ảnh ngày nay con người có thể dựng được những thước phim tưởng chừng như không thể dựng được với các kỹ xảo điện thông thường, ví dụ trong một số cảnh của phim vua bọ cạp,… Khi xem các phim này bạn sẽ có cảm giác như đang sống trong chính bộ phim như thể bạn là một nhân vật của bộ phim chứ không phải bạn đang xem phim Game 3D hiện nay đã trở thành một ngành công nghiệp thu được nhiều lợi nhuận Các trò chơi với sự hỗ trợ của thực tại ảo sẽ cho bạn có cảm giác như đang thực sự tham gia vào vai diễn mà bạn đảm nhiệm trong trò chơi

Hình 1.8 Hệ thống trong lĩnh vực giải trí 3D

 Khoa học kỹ thuật: Với sự giúp đỡ của thực tại ảo, ngày nay con người

không những có thể xem được hình ảnh trực quan của các thiết bị cần sản xuất mà thậm chí người ta còn có khả năng sử dụng hay thay đổi các chi tiết của các thiết bị đó Việc này nhằm giúp cho các ngành khoa học và các kỹ sư thuận lợi hơn trong việc tạo ra một sản phẩm hợp ý muốn mà không cần tốn nhiều chi phí

Trang 20

13

Hình 1.9 Các kỹ sư đang thay đổi các chi tiết cho chiếc xe hơi ảo

 Kiến trúc: Trong nhiều năm trở lại đây, thực tại ảo đã được sử dụng để

xây dựng mô hình của các dự án kiến trúc trước khi các dự án này đưa vào thực tế, nhằm giúp cho người sử dụng có cái nhìn tổng quan và chi tiết về các

dự án đó

Hình 1.10 Mô phỏng trong thiết kế kiến trúc cầu 3D

Bên cạnh đó, thực tại ảo cũng được sử dụng để tái hiện lại các công trình kiến trúc cổ, nhằm lưu giữ lại các di sản văn hoá

Trang 21

14

Hình 1.11 Một góc của Văn Miếu Quốc Tử Giám trên mô hình 3D

 Quân sự: Với việc phát triển của VR, các binh sĩ sẽ được huấn luyện

một cách trực quan nhất các kĩ năng cần thiết như: lái máy bay, lái xe tăng,… trước khi tham gia vào trận chiến thực tế Điều này vừa bảo đảm an toàn cho binh sĩ, vừa tiết kiệm được chi phí cho khoá huấn luyện thực tế

Hình 1.12 Ứng dụng của VR trong quân sự

Như vậy, thực tại ảo có ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống Qua đó cũng nhận thấy được ý nghĩa to lớn của việc ứng dụng thực tại ảo

Trang 22

Mô phỏng (simulation) là quá trình “bắt chước” các sự vật, hiện tượng

có thực trong thiên nhiên, trong cuộc sống của con người Hay nói cách tổng quát là quá trình thiết kế một mô hình của hệ thống thật, và thực hiện các thử nghiệm trên mô hình đó nhằm mục đích hiểu được hoạt động của nó Công nghệ mô phỏng đã xuất hiện từ rất lâu và đã phát triển mạnh ở các nước châu

Âu và một số nước châu Á, nhưng ở Việt Nam mấy năm gần đây công nghệ này mới thực sự được quan tâm và đầu tư thích đáng

b Phân loại

Mô phỏng nói chung có 2 dạng chính: Mô phỏng tĩnh và mô phỏng động

 Mô phỏng tĩnh: Là dạng mô phỏng chỉ thể hiện được mô hình tĩnh,

trong kết quả mô phỏng không có sự chuyển động, không có sự biến đổi Đây

là dạng mô phỏng thường chỉ áp dụng cho các vật tĩnh, nó là dạng mô phỏng đơn giản nhất

Hình 1.13 Mô phỏng tĩnh vật

Trang 23

16

 Mô phỏng động: Mô phỏng động được tách thành 2 loại, đó là mô

phỏng động theo thời gian thực và mô phỏng động không theo thời gian thực:

 Mô phỏng động theo thời gian thực: Là dạng mô phỏng đối tượng có sự chuyển động hoặc có tính chất thay đổi theo thời gian, không gian, và khi có tương tác thì hệ phải đáp ứng sự kiện đó trong một khoảng thời gian nhất định Đây là dạng mô phỏng phức tạp nhất, khó khăn nhất, nhưng đó lại là một đặc tính của Thực tại ảo

 Mô phỏng động không theo thời gian thực: Đây là dạng mô phỏng không quan tâm tới thời gian đáp ứng của yêu cầu Nó phù hợp cho xây dựng các hệ mô phỏng không có sự tương tác nhiều, không cần đáp ứng thời gian

Hình 1.14 Mô phỏng đối tượng động

c Xu hướng thực hiện mô phỏng

Cho đến nay, thường có 2 xu hướng để thực hiện mô phỏng:

Thứ nhất: Dùng các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++,… để

thực hiện các mô hình 3D Cách này không đòi hỏi sự chạy đua về công nghệ cũng như cấu hình mạnh của phần cứng, nó có thể thực hiện các mô phỏng phức tạp đòi hỏi sự chính xác cao Tuy nhiên nó không được nhiều người sử dụng vì đó không phải là một công cụ đơn giản, nó đòi hỏi trình độ lập trình cao, các thuật toán phức tạp, chính xác và khối lượng thời gian rất lớn Mặt dù

ít được ưa thích nhưng đôi khi nó lại là lựa chọn duy nhất cho những ai muốn

mô phỏng chính xác các hiện tượng tự nhiên đúng với bản chất của nó

Trang 24

17

Thứ hai: Sử dụng các công cụ mô phỏng đã được xây dựng sẵn Cách

này không đòi hỏi trình độ lập trình cao, không tốn nhiều thời gian thực hiện nhưng nó chỉ phù hợp với các mô phỏng có tính chất mô hình, không yêu cầu

độ chính xác cao và không yêu cầu thể hiện đúng bản chất vật lý của hiện tượng Một nhược điểm là nhiều khi nó yêu cầu cấu hình hệ thống mạnh để cài đặt công cụ và chạy chương trình Tuy nhiên, hiện nay cách này đang rất phổ biến, rất được ưa chuộng, nhất là trong các công việc làm game, làm web,… Một số công cụ mô phỏng thông dụng là: 3DSMax, Flash, Maya,… 1.2.2 Mô phỏng chất lỏng

Mô phỏng chất lỏng có thể coi là một trong những công việc khó khăn nhất, phức tạp nhất của công nghệ mô phỏng Ví dụ như mô phỏng nước, nước có thể nói là thành phần không thể thiếu trong cuộc sống của mỗi chúng

ta Nước phục vụ đời sống hàng ngày, phục vụ sản xuất nông nghiệp, Mô phỏng nước ở dạng mô phỏng động theo thời gian thực hoặc không theo thời gian thực Để mô phỏng nước mà chỉ cần dạng mô hình, không yêu cầu sự chính xác và không cần thể hiện đúng bản chất vật lý thì không quá khó Ví dụ: để mô phỏng mặt nước động không theo thời gian thực ta có thể thực hiện bằng cách sử dụng các mặt phẳng được áp dụng vật liệu nước trượt lên nhau (trong Flash), hay để mô phỏng vòi nước chảy theo thời gian thực ta sử dụng thành phần Particel System trong 3DsMax Nhưng để mô phỏng được nước đúng với các tính chất vật lý của nó và hiệu ứng của nước theo thời gian thực thì quả là một công việc không dễ dàng mà cho đến nay kết quả nghiên cứu được vẫn còn hạn chế [10]

Không giống với các loại vật chất khác, nước tồn tại ở rất nhiều trạng thái và có tính chất rất phức tạp Do đó, muốn mô phỏng thành công chất lỏng nói chung và nước nói riêng thì phải dựa vào các tính chất vật lý của chúng,

và xác định hình thái của chất lỏng mình muốn thể hiện

Có nhiều tiêu chí để phân loại nước, nhưng ở đây chúng ta giới hạn việc phân loại nước theo hình dạng

Trang 25

 Dòng nước:

 Dòng nước chảy gặp vật rắn cản

 Dòng nước (nước trong kênh, sông) va vào bờ

 Dòng nước chảy từ cao xuống thấp

Ví dụ: nước chảy ở đỉnh đập xuống, nước ở các thác

 Giọt nước:

 Giọt nước rơi xuống mặt nước

 Giọt nước rơi nằm trên các bề mặt:

+ Giọt nước trên bề mặt lá + Giọt nước trên bề mặt các chất rắn

 Khối nước:

 Khối nước tan chảy

 Khối nước dưới tác dụng của chất rắn

 Mặt nước:

 Mặt nước dao động bình thường

 Mặt nước khi có vật rắn rơi xuống

 Mặt nước khi có mưa

 Mặt nước khi có gió mạnh

Trang 26

19

Đối với các dạng nước khác nhau, dưới tác dụng khác nhau thì sẽ dẫn đến các hiệu ứng khác nhau Sau đây là một số hiệu ứng nước cơ bản mà ta thường gặp:

 Hiệu ứng phản chiếu ánh sáng

 Hiệu ứng in bóng

 Hiệu ứng sóng nước

 Hiệu ứng giao thoa sóng nước

 Hiệu ứng nước chảy

 Hiệu ứng giọt nước rơi

 Hiệu ứng nước sôi (sủi bọt nước) 1.2.3 Một số tính chất của chất lỏng

Cơ sở lý thuyết của các phương pháp mô phỏng nước chính là các tính chất vật lý của nó Dưới đây em xin giới thiệu một số tính chất vật lý của chất lỏng nói chung và nước nói riêng để tạo điều kiện cơ sở cho phương pháp mô phỏng

Chất lỏng chiếm vị trí trung gian giữa chất khí và chất rắn Ở nhiệt độ cao, chất lỏng giống trạng thái của thể khí và ở nhiệt độ thấp thì giống trạng thái của vật rắn Chất lỏng có sự biến đổi liên tục từ thể này sang thể khác tuỳ thuộc vào nhiệt độ, áp suất Biển diễn chất lỏng biến đổi trạng thái từ rắn sang lỏng, từ lỏng sang khí là bài toán hiệu ứng tan chảy và mây mù của chất lỏng [3], [9], [10]

a Tính co giãn của chất lỏng

Tính chịu nén của chất lỏng được đặc trưng bằng hệ số nén c Nó biểu thị sự thay đổi tương đối của thể tích W khi áp lực P thay đổi đi một lượng 1kg/m2 và xác định bằng công thức:

c = (1/W)*(dw/dp) m2/kg

Trang 27

Lực ma sát làm cho lớp chất lỏng chảy nhanh hơn sẽ lôi kéo lớp chất lỏng chảy chậm hơn và ngược lại, do lực ma sát biến cơ năng của chất lỏng đang chuyển động sẽ biến thành nhiệt năng Độ nhớt của chất lỏng được đặc trưng bằng hệ số nhớt Hiện nay, chưa có một công thức thống nhất nào để tính độ nhớt của chất lỏng, mà người ta chỉ mới tính được vài trị số độ nhớt của nước như sau:

Chúng ta đã biết rằng mặt thoáng của chất lỏng hay nói tổng quát hơn

là mặt phân giới của chất lỏng và chất khí ở trong trạng thái cân bằng của sức căng mặt ngoài

Trang 28

21

Trị số của sức căng mặt ngoài  qui về một đơn vị chiều dài của

“đường tạo thành” chỉ phụ thuộc vào bản chất chất lỏng và nhiệt độ của nó Đối với nước tiếp xúc với không khí, trị số  ở 200C bằng khoảng 0,0074kg/m2, và giảm đi khi nhiệt độ tăng

Trong một số lớn quá trình thuỷ lực, ảnh hưởng của sức căng mặt ngoài

vì quá nhỏ nên bỏ qua, chỉ cần tính đến sức căng mặt ngoài nếu mặt thoáng của chất lỏng có một độ cong rõ rệt hoặc nếu các lực căng mặt ngoài tạo thành áp lực phụ lên chất lỏng Tác dụng của áp lực phụ này giải thích được hiện tượng dâng mao quản của chất lỏng

d Sự hút khí của chất lỏng

Chất lỏng có khả năng hút và hoà tan các chất khí khi tiếp xúc với nó Khi đó, trọng lượng của chất khí bị hoà tan thay đổi tỷ lệ với áp lực của chất lỏng, còn về thể tích thì thực tế vẫn không thay đổi

Nước trong trạng thái thiên nhiên bao giờ cũng chứa một lượng không khí bị hoà tan ở nhiệt độ bình thường, lượng đó vào khoảng 2% thể tích nước, khi áp lực giảm, một phần không khí hoà tan sẽ bốc lên khỏi chất lỏng Áp lực càng giảm thì không khí bốc hơi lên càng mạnh, khi đó sẽ sinh ra hơi chất lỏng

Sự bốc hơi tạo thành sương mù của chất lỏng có thể xảy ra ở các áp lực lớn hơn áp lực khí trời nếu nhiệt độ nước tăng hay nước chứa nhiều khí quá

Đó là nguyên nhân của việc sinh ra các “túi” không khí trong các ống dẫn nước dài; không khí bốc ra và hơi nước sẽ tích luỹ lại trong các ống đó ở những nơi cao nhất và có thể gây khó khăn hay làm cho nước hoàn toàn không chuyển động được

1.2.4 Một số tính chất vật lý hóa của nước Nước là một hợp chất hóa học của ôxy và hiđrô, có công thức hóa học là

H2O Với các tính chất lý hóa đặc biệt, ví dụ như tính lưỡng cực, liên kết hiđrô và tính bất thường của khối lượng riêng Nước là một chất rất quan

Trang 29

22

trọng trong nhiều ngành khoa học và trong đời sống, 70% diện tích của Trái Đất được nước che phủ nhưng chỉ 0,3% tổng lượng nước trên Trái Đất nằm trong các nguồn có thể khai thác dùng làm nước sinh hoạt [10]

Hình 1.15 Mô hình phân tử nước

a Cấu tạo và tính chất của phân tử nước

Phân tử nước bao gồm hai nguyên tử hiđrô và một nguyên tử ôxy Về mặt hình học thì phân tử nước có góc liên kết là 104,45° Do các cặp điện tử

tự do chiếm nhiều chỗ nên góc này sai lệch đi so với góc lý tưởng của hình tứ

diện Chiều dài của liên kết O-H là 95,84 picômét

Hình 1.16 Hình học của phân tử nước

Ôxy có độ âm điện cao hơn hiđrô, việc cấu tạo thành hình ba góc và việc tích điện từng phần khác nhau của các nguyên tử đã dẫn đến cực tính dương ở các nguyên tử hiđrô và cực tính âm ở nguyên tử ôxy, gây ra sự lưỡng cực, dựa

0,9584 A

0104.45

Trang 30

23

trên hai cặp điện tử đơn độc của nguyên tử ôxy Vì phân tử nước có tích điện từng phần khác nhau nên một số sóng điện từ nhất định như sóng cực ngắn có khả năng làm cho các phân tử nước dao động, dẫn đến việc nước được đun nóng Hiện tượng này được áp dụng để chế tạo lò vi sóng

Các phân tử nước tương tác lẫn nhau thông qua liên kết hiđrô và nhờ vậy

có lực hút phân tử lớn Đây không phải là một liên kết bền vững Liên kết của các phân tử nước thông qua liên kết hiđrô chỉ tồn tại trong một phần nhỏ của một giây, sau đó các phân tử nước tách ra khỏi liên kết này và liên kết với các phân tử nước khác

Hình 1.17 Liên kết hiđrô

Đường kính nhỏ của nguyên tử hiđrô đóng vai trò quan trọng cho việc tạo thành các liên kết hiđrô, bởi vì chỉ có như vậy nguyên tử hiđrô mới có thể đến gần nguyên tử ôxy một chừng mực đầy đủ Các chất tương đương của nước, thí dụ như đihiđrô sulfua (H2S), không tạo thành các liên kết tương tự

vì hiệu số điện tích quá nhỏ giữa các phần liên kết Việc tạo chuỗi của các phân tử nước thông qua liên kết cầu nối hiđrô là nguyên nhân cho nhiều tính chất đặc biệt của nước, thí dụ như nước mặc dù có khối lượng mol nhỏ vào khoảng 18 g/mol vẫn ở thể lỏng trong điều kiện tiêu chuẩn Ngược lại, H2S tồn tại ở dạng khí cùng ở trong những điều kiện này Nước có khối lượng riêng cao nhất ở 4 độ Celcius và nhờ vào đó mà băng đá có thể nổi lên trên mặt nước; hiện tượng này được giải thích nhờ vào liên kết cầu nối hiđrô

Trang 31

24

b Các tính chất hóa lý của nước

Cấu tạo của phân tử nước tạo nên các liên kết hiđrô giữa các phân tử là

cơ sở cho nhiều tính chất của nước

Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của nước đã được Anders Celsius dùng làm hai điểm mốc cho độ bách phân Celcius Cụ thể, nhiệt độ nóng chảy của nước là 0 độ Celcius, còn nhiệt độ sôi bằng 100 độ Celcius Nước đóng băng được gọi là nước đá Nước đã hóa hơi được gọi là hơi nước Nước

có nhiệt độ sôi tương đối cao nhờ liên kết hiđrô Dưới áp suất bình thường nước có khối lượng riêng (tỷ trọng) cao nhất

là ở 4°C: 1 g/cm³ đó là vì nước vẫn tiếp tục giãn nở khi nhiệt độ giảm xuống dưới 4°C Điều này không được quan sát ở bất kỳ một chất nào khác Điều này có nghĩa là: với nhiệt độ trên 4°C, nước có đặc tính giống mọi vật khác là nóng nở, lạnh co; nhưng với nhiệt độ dưới 4°C, nước lại lạnh nở, nóng co Do hình thể đặc biệt của phân tử nước (với góc liên kết 104,45°), khi bị làm lạnh các phân tử phải dời xa ra để tạo liên kết tinh thể lục giác mở Vì vậy mà tỉ trọng của nước đá nhẹ hơn nước thể lỏng

Hình 1.18 Khi đông lạnh dưới 4 0 C, các phân tử nước phải dời xa ra để tạo

liên kết tinh thể lục giác mờ

Trang 32

25

1.2.5 Tầm quan trọng của nước và mô phỏng nước

Có thể nói nước là thành phần không thể thiếu trong cuộc sống của mỗi chúng ta Nước phục vụ cho đời sống hàng ngày, phục vụ cho sản xuất, cuộc sống của con người gắn liền với nước,… Nhưng để mô phỏng được nước không phải là điều đơn giản, việc tính toán, đo đạc các thông số của nước trong nhiều môi trường và điều kiện khác nhau tồn tại nhiều thời gian và công sức Sau đó, để có thể biểu diễn được những dữ liệu đó thành hình ảnh trên máy tính cần phải tìm ra những thuật toán, những phương pháp để xử lý kho

dữ liệu đó Tiếp theo, phải phân tích thiết kế một hệ thống các công cụ trợ giúp cho việc lập trình tạo hiệu ứng nước, rồi mới tới khâu thiết kế ra những bản vẽ nước được thể hiện trên màn hình Cuối cùng, là khâu kết xuất (Rendering) tạo ra sản phẩm thực sự

Ngoài ra, còn một lý do nữa để xếp mô phỏng nước có vị trí quan trọng trong lĩnh vực mô phỏng chính là tầm quan trọng không thể thiếu của hiệu ứng nước trong các hệ mô phỏng Hiệu ứng nước tạo ra cảm giác thật, lôi cuốn cho hệ vốn không phải là những hình ảnh thật, nó tạo ra sự hài hoà, nhẹ nhàng cho những chuyển động của đối tượng Việc thể hiện thành công hiệu ứng nước trong Thực tại ảo sẽ cho phép ta đi sâu vào thế giới ảo để tạo ra những giá trị thật cho cuộc sống con người

Trang 33

26

Chương 2: MÔ PHỎNG NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP

PARTICLE 2.1 Kỹ thuật mô phỏng hiệu ứng của nước thông thường

Tìm hiểu các giải thuật để thể hiện được những hiệu ứng rất phức tạp nên nguời ta đã đưa ra nhiều giải pháp khác nhau, một số nhà khoa học đã tìm

ra các phương pháp để thể hiện chính xác các hiệu ứng của nước nhưng chưa thực sự được sử dụng Nhìn chung các kĩ thuật chung thường được dùng để thể hiện các hiệu ứng này là:

- Cho những điểm ảnh là sóng nước chuyển động theo chiều thẳng đứng với các thông số như: tần số, biên độ góc, góc radian, do đó sinh sóng, nhiều sóng như vậy tạo thành mặt sóng

- Cũng có thể tạo ra sóng bằng cách cho các lớp hình ảnh mặt nước xếp chồng lên nhau chuyển động trượt trên nhau, do đó có mặt sóng

- Cũng có thể tạo ra mặt sóng bằng cách cho các khối hình cơ bản (cấu tạo nên ảnh) chuyển động, sau đó dùng các kỹ thuật ghép ảnh, cắt xén ảnh, biến đổi ảnh để làm trơn làm cho những hình cơ bản ghép với nhau mềm mại hơn, hợp khớp với nhau hơn Cách này có ưu điểm là dung lượng nhỏ, tốn ít

bộ nhớ

- Với các trò chơi 3D trực tuyến, do yêu cầu khắt khe về dung lượng

và tốc độ đường chuyền để đáp ứng nhanh chóng thao tác của người chơi Cho nên họ đã tạo hiệu ứng nước bằng cách đơn giản là chụp ngoại cảnh rồi

sử dụng các phép ghép ảnh, làm trơn để tạo hiệu ứng nước đơn giản Hoặc dùng các phương pháp Texture tạo bề mặt cho đối tượng, tạo các script từ các ảnh lẻ hoặc phương pháp flash động,…

- Để thể hiện hiệu ứng in bóng nước: người ta dùng phép chiếu ảnh và phép biến đổi ảnh

- Để thể hiện hiệu ứng phản chiếu ánh sáng gồm có phản xạ và khúc

xạ, người ta sử dụng phép chiếu và quay vectơ + màu sắc (ánh sáng chiếu vào

Trang 34

27

bề mặt chất lỏng thì có phản xạ và khúc xạ, ánh sáng chiếu vào bề mặt chất rắn thì có phản xạ và khuếch tán)

- Để thể hiện hiệu ứng giọt nước rơi người ta phải dựa vào một loạt các thông số như độ bám dính, sức căng bề mặt, mặt cong, quãng đường, thời gian, vận tốc, gia tốc, độ trong suốt của giọt nước,… Giọt nước được thể hiện bằng hình học cơ bản rồi sau đó gắn thêm các thuộc tính như trên sau đó được đưa vào một hệ vật để thể hiện nó

- Kỹ thuật thể hiện hiệu ứng nước sôi tương tự như kỹ thuật thể hiện hiệu ứng giọt nước rơi, bởi vì giọt nước chuyển động trong không khí còn nước sôi thì bọt khí chuyển động trong nước Ta chỉ việc thay đổi các thông

số cho phù hợp với môi trường thôi

- Kỹ thuật thể hiện hiệu ứng nước chảy mở rộng hơn một chút so với

kỹ thuật thể hiện hiệu ứng sóng nước Ta chỉ thêm thông số vận tốc, hướng vector cho những điểm chuyển động (hay những hình cơ bản chuyển động)

Dựa vào mục đích sử dụng người ta đã chia ra hai kỹ thuật chính để thể hiện hiệu ứng nước: Kỹ thuật tạo hiệu ứng giả mặt nước và kỹ thuật tạo hiệu ứng mặt nước thật Các kỹ thuật tạo hiệu ứng giả mặt nước như Texture, Sclip, ghép ảnh, biến đổi ảnh,… chỉ áp dụng cho những đối tượng ít quan trọng trong một hệ mô phỏng để làm giảm dung lượng bộ nhớ và đáp ứng nhanh hoặc trong các trò cho game Trong phạm vi bài khoá luận này em không đi sâu vào tìm hiểu phương pháp đó mà trọng tâm là tìm hiểu phương pháp tạo ra hiệu ứng thật cho mặt nước [10]

2.2 Một số phương pháp mô phỏng nước2.2.1 Phương pháp Physically - based

Phương pháp Physically - based được đưa ra để tìm ra góc tiếp xúc giữa mặt thoáng của chất lưu (lỏng, khí) với các đối tượng rắn, cho phép mô phỏng các trạng thái khác nhau của chất lỏng co giãn nhẹ bao gồm cả giọt nước trên bề mặt Trọng tâm của kĩ thuật này là phương pháp bề mặt ảo

Định dạng
Số trang	68
Dung lượng	1,5 MB