Nghiên cứu kỹ thuật mô phỏng lửa

Muốn hoàn thành được mục tiêu trên, bài báo cáo phải thực hiện nhiệm vụ sau: - Tìm hiểu chung về thực tại ảo, các ứng dụng cơ bản của thực tại ảo và giới thiệu về bài toán mô phỏng lửa t

i

LỜI CÁM ƠN

Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Thầy giáo Ths Nghiêm Văn Hưng - giáo viên hướng dẫn chuyên đề Trong thời gian qua, Thầy luôn nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo, trau dồi cho chúng em những kiến thức quý giá về chuyên đề Sự gợi ý về ý tưởng, cung cấp tài liệu, hướng dẫn của thầy là một trong những nhân tố chính giúp chúng em hoàn thành tốt chuyên đề của mình Đồng thời, chúng em xin cảm ơn các thầy, các cô giáo khoa Công nghệ thông tin Trường Đại học Kỹ thuật - Hậụ cần CAND đã truyền đạt những kiến thức cần thiết và đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành chuyên đề này Điều

đó có ý nghĩa hết sức to lớn đối với chúng em - học viên ngành Công nghệ thông tin

Trong quá trình làm chuyên đề của chúng em không tránh khỏi những sai sót Mong quý thầy cô thông cảm và góp ý cho chúng em để chuyên đề được hoàn chỉnh hơn Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Bắc Ninh, ngày 06 tháng 12 năm 2016

ii

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH ẢNH iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG LỬA 3

1.1 Khái niệm thực tại ảo 3

1.1.1 Khái niệm Thực tại ảo [1] 3

1.1.2 Lịch sử phát triển của công nghệ Thực tại ảo 4

1.1.3 Các đặc tính chính của Thực tại ảo [1] 6

1.1.4 Phân loại hệ thống Thực tại ảo 7

1.1.5 Các thành phần của một hệ thống Thực tại ảo 7

1.1.6 Các thiết bị cơ bản của hệ thống Thực tại ảo 9

1.1.7 Một số ứng dụng chính của VR [3] [1] 11

1.2 Mô phỏng lửa và ý nghĩa 16

1.2.1 Mô phỏng lửa 16

1.2.2 Ý nghĩa của mô phỏng lửa 17

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG LỬA 18

2.1 Phương pháp Particle-based 18

2.1.1 Kỹ thuật mô phỏng Particle-based 18

2.1.2 Mô hình mô phỏng hiệu ứng lửa bằng Particle-based 19

2.1.3 Bối cảnh 21

2.1.4 Phương pháp mô phỏng 22

2.1.5 Phương pháp dựng hình 29

2.2 Mô phỏng lửa bằng phương pháp Physically-based 29

2.2.1 Kỹ thuật mô phỏng Physically-based 30

2.2.2 Mô hình mô phỏng hiệu ứng lửa bằng Physically-based 31

2.2.3 Cơ sở vật lý 33

2.2.4 Phương pháp mô phỏng 33

iii

2.2.5 Nhiệt độ và mật độ 37

2.2.6 Cung cấp cháy 38

CHƯƠNG 3 CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 41

3.1 Bài toán 41

3.2 Phân tích và lựa chọn công cụ 41

3.2.1 Unity3D 41

3.2.2 Xây dựng mô hình mô phỏng 43

3.3 Kết quả 44

3.3.1 Mô phỏng lửa xăng 44

3.3.2 Mô phỏng lửa cháy trong một căn phòng 47

3.4 Ứng dụng trong tập huấn phòng cháy chữa cháy 51

KẾT LUẬN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Giao diện giữa người và thực tế ảo 3

Hình 1.2 Hình ảnh về thiết bị mô phỏng Sensorrama-1960 4

Hình 1.3 Ivan Sutherland và thiết bị mô phỏng HMD-1970 5

Hình 1.4 Thiết bị VIDEOPLACE-1970 5

Hình 1.5 Scott Fisher, McGreevy và thiết bị HMD-1984 của NASA 6

Hình 1.6 Các đặc tính chính của Thực tại ảo 7

Hình 1.7 Các thành phần của một hệ thống VR (Virtual Reality) 8

Hình 1.8 DataGloves 9

Hình 1.9 3D Mouse 9

Hình 1.10 Shutter glasses 9

Hình 1.11 Head-Mounted Displays 10

Hình 1.12 Cave 10

Hình 1.13 Thiết bị CyberTouch 11

Hình 1.14 Thiết bị CyberGras 11

Hình 1.15 Kính thực tế ảo Oculus Rift sử dụng cho quân đội 12

Hình 1.16 Một lớp học sử dụng thực tế ảo 13

Hình 1.17 Ứng dụng trong xây dựng và kiến trúc 13

Hình 1.18 Ứng dụng trong Y học 14

Hình 1.19 Ứng dụng trong khoa học kỹ thuật 15

Hình 1.20 Ứng dụng trong thể thao 15

Hình 2.1 Vụ nổ bên cạnh bức tường 20

Hình 2.2 Sơ đồ vòng đời của hạt 25

Hình 2.3 Minh họa kết quả bơm chất lỏng 26

Hình 2.4 Một loạt các ảnh một vụ nổ duy nhất trên mặt phẳng vô hạn 28

Hình 2.5 Mô phỏng súng phun lửa 29

Hình 2.6 Sự thay đổi vận tốc 31

Hình 2.7 Mô hình ngọn lửa khí hỗn loạn của súng phun lửa 32

Hình 2.8 Nhiệt độ ngọn lửa cho một chất rắn (hoặc khí) nhiên liệu 34

Hình 2.9 Khu vực phản ứng lõi màu xanh ngọn lửa tốc độ S 35

Hình 2.10 So sánh hình dạng ngọn lửa của việc mở rộng khí 36

Hình 2.11 Hai bản ghi sử dụng để phát ra nhiên liệu 37

v

Hình 2.12 Một quả bóng dễ cháy đi qua ngọn lửa khí và bắt lửa 39

Hình 3.1 Nền tảng Unity3D hỗ trợ 42

Hình 3.2 Bối cảnh mô phỏng xăng 44

Hình 3.3 Khởi tạo vị trí ngọn lửa 45

Hình 3.4 Thiết lập thông số cho ngọn lửa 45

Hình 3.5 Thiết lập màu sắc cho lửa 46

Hình 3.6 Hình ảnh lửa cháy 47

Hình 3.7 Mô hình toàn cảnh bên trong của một căn phòng 48

Hình 3.8 Một số lửa sprite miễn phí 48

Hình 3.9 Tạo ngọn lửa sprite 48

Hình 3.10 Thống số ngọn lửa sprite 49

Hình 3.11 Chỉnh màu sắc của ngọn lửa 49

Hình 3.12 Ảnh ngọn lửa cháy của bàn ghế 50

Hình 3.13 Mô phỏng cháy gỗ 50

Hình 3.14 Mô phỏng cháy rèm cửa 50

Hình 3.15 Dập tắt đám cháy nhỏ 51

Hình 3.16 Chữa cháy đối với đám cháy lớn 52

1

LỜI NÓI ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật trong những năm gần đây đã ít nhiều làm thay đổi cuộc sống con người Sự phát triển của công nghệ thông tin và kinh tế xã hội đặt ra những yêu cầu mới về mục tiêu, nội dung, phương pháp tập huấn Điển hình của ứng dụng công nghệ thông tin là sử dụng công nghệ mô phỏng để tái tạo các sự vật, hiện tượng, trong thế giới thực Thông qua những thí nghiệm, những

ví dụ mô tả sát thực, giải thích, minh họa những quá trình, hệ thống, hiệu ứng phức tạp trên máy tính giúp cho người học hứng thú hơn, kiến thức được thể hiện

rõ ràng hơn, trực quan hơn, sinh động hơn, đầy đủ hơn

Có rất nhiều môi trường trong thế giới thực cần được mô phỏng, trong đó lửa là một chất liệu phổ biến và quan trọng Lửa đã được người tiền sử phát hiện

ra từ cách đây hàng nghìn năm Lửa được xem là một trong những phát minh quan trọng nhất của nhân loại Lửa trở thành nguồn sống của con người, giúp con người thoát khỏi đời sống nguyên sơ Để đảm bảo cho việc tính toán thiết kế các ứng dụng của lửa được chính xác và sử dụng có hiệu quả vào cuộc sống việc mô phỏng những ứng dụng của lửa trước khi đưa ra ứng dụng là vô cùng quan trọng Ngoài

ra, việc mô phỏng lửa cũng giúp cho lực lượng phòng cháy chữa cháy hiểu rõ để công tác tốt trong việc phòng cháy chữa cháy

Tại Việt Nam, trong thời điểm gần đây xảy ra rất nhiều vụ cháy Việc tìm hiểu kỹ thuật mô phỏng lửa, các phương pháp mô phỏng để mô phỏng lửa trên các vật liệu cháy khác nhau giúp cho lực lượng phòng cháy chữa cháy thực hiện tốt công việc Bài toán đặt ra đối với lực lượng cảnh sát phòng cháy chữa cháy phải hiểu rõ bản chất cháy trên các vật liệu, tốc độ cháy để kịp thời ứng phó và chữa cháy Vậy nên, nhóm em chọn đề tài: “Nghiên cứu kỹ thuật mô phỏng lửa ” làm đề tài nghiên cứu Trong khuôn khổ đề tài này, nhóm em tập trung trình bày tổng quan kỹ thuật mô phỏng lửa, phương pháp mô phỏng lửa

2 Mục tiêu của Chuyên đề

- Mục đích của đề tài nhằm nghiên cứu tổng quan về thực tại ảo và kỹ thuật

mô phỏng lửa, từ đó xây dựng demo trên công cụ để mô phỏng lửa trong thực tế Muốn hoàn thành được mục tiêu trên, bài báo cáo phải thực hiện nhiệm vụ sau:

- Tìm hiểu chung về thực tại ảo, các ứng dụng cơ bản của thực tại ảo và giới thiệu về bài toán mô phỏng lửa trong thực tại ảo

- Phương pháp mô phỏng lửa phương pháp Physically-based và phương pháp Particle-based

- Tìm hiểu công cụ mô phỏng Unity3D

3 Đối tượng nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu kỹ thuật mô phỏng lửa và phương pháp mô phỏng lửa

2

4 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu chủ yếu áp dụng trong học tập và ngành Công an đặc biệt lực lượng phòng cháy chữa cháy Sản phẩm bao gồm 01 bản báo cáo và Demo, sản phẩm phục vụ học tập, nghiên cứu

5 Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp chủ đạo

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu

+ Tìm hiểu kỹ thuật mô phỏng lửa và phương pháp mô phỏng lửa

+ Tìm hiểu công cụ để mô phỏng

+ Từ các hệ thống giáo trình thực tải ảo

+ Từ các nghiên cứu của những người nghiên cứu trước đó, các sách, tạp chí, các đề tài khoa học có liên quan đến đề tài

+ Từ các thông tin trên mạng Internet

 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

+ Tiến hành thử nghiệm trên công cụ mô phỏng được chọn

+ Đánh giá kết quả đạt được

6 Nội dung nghiên cứu

- Trình bày các hướng nghiên cứu cơ bản giới thiệu chung về thực tại ảo, các ứng dụng cơ bản của thực tại ảo và giới thiệu về bài toán mô phỏng lửa trong thực tại ảo

- Trình bày và phân tích các phương pháp mô phỏng lửa Đề tài sẽ tập trung phân tích vào 2 phương pháp cơ bản là phương pháp Physically-based và phương pháp Particle-based

- Trình bày về công cụ mô phỏng, bài toán mô phỏng lửa trong thực tại ảo; Đánh giá các kết quả đạt được

7 Dự kiến sản phẩm đạt được

Bao gồm 2 sản phẩm chính:

- Thứ nhất: Bản báo cáo tổng hợp nội dung nghiên cứu

- Thứ hai: Chương trình Demo

3

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG LỬA 1.1 Khái niệm thực tại ảo

1.1.1 Khái niệm Thực tại ảo [1]

Thực tại ảo (Virtual Reality) 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 lại, mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn (tín hiệu vào) của người

sử dụng (nhờ hành động, lời nói,…) Điều này xác định một đặc tính chính của Thực tại ảo, 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 Thực tại ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện phát triển mạnh trong vòng vài năm trở lại đây, đang trở thành một ngành công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực y tế, giáo dục, kiến trúc, quân sự, du lịch, giải trí,… Nhiều bài báo, chương trình giới thiệu TV, hội thảo, đã miêu tả VR theo nhiều cách khác nhau

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 Thực tại ảo tương đối chính xác như sau: 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 có tương tác với người sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác (ngũ giác) gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác và vị giác

Hình 1.1 Giao diện giữa người và thực tế ảo

Một cách lý tưởng, người sử dụng có thể tự do chuyển động trong không gian ba chiều, tương tác với các vật thể ảo, quan sát và khảo cứu thế giới ảo ở những góc độ khác nhau về mặt không gian Ngược lại, môi trường ảo lại có những phản ứng tương ứng với mỗi hành động của người sử dụng, tác động vào

4

các giác quan thị giác, thính giác, xúc giác của người sử dụng trong thời gian thực làm người sử dụng có cảm giác như đang tồn tại trong một thế giới thực

1.1.2 Lịch sử phát triển của công nghệ Thực tại ảo

Mặc dù Thực tại ảo được mô tả như một công nghệ mới mang tính cách mạng, nhưng ý tưởng về việc nhúng người sử dụng vào một môi trường nhân tạo

đã ra đời từ rất sớm

Thuật ngữ “Thực tại ảo” mới được quan tâm trong một vài năm gần đây xong

nó lại có lịch sử từ khá lâu Cách đây khoảng gần 40 năm một nhà làm phim có tên là Morton Heilig (1926-1997) người Mỹ đã đưa ra ý tưởng hệ thống mô phỏng bay (Flight Simulation) là tại sao không đưa con người bước sang một thế giới khác Sử dụng hệ thống này người quan sát có cảm giác ảnh đang sống động ngay trước mắt mình Do không có sự hỗ trợ về tài chính Heilig không thể hoàn thành ước mơ của mình, xong ông cũng đã tạo ra được một thiết bị mô phỏng gọi là

“Sensorrama Simulator”, thiết bị này được công bố vào khoảng đầu những năm

1960

Hình 1.2 Hình ảnh về thiết bị mô phỏng Sensorrama-1960

Thiết bị mô phỏng Sensorrama sử dụng hình ảnh 3D, thu được từ camera 35mm kết hợp thành một camera chính Bao gồm một hệ thống âm thanh kết hợp với những cảnh quay 3 chiều thực sự Người nhìn có thể cưỡi một cái xe máy, có thể cảm thấy gió khi chuyển động, thậm chí họ có thể cảm thấy những đoạn đường

có ổ gà Mặc dù đây còn là một cái máy đơn giản, thô sơ xong nó đã mở ra nhiều

ý tưởng nghiên cứu mới chưa từng có trên thế giới

Năm 1966, Ivan Sutherland (1938) một sinh viên tốt nghiệp Trường Utah tiếp tục nghiên cứu vấn đề Heilig đã bỏ dở Sutherland cho rằng cảnh quay tương

tự không đáp ứng được yêu cầu thực tế Anh bắt đầu ý tưởng của một bộ tăng tốc

đồ hoạ và đã chế tạo được hệ thống thiết bị hiển thị đội đầu (Head Mounted Display-HMD) có thể kết nối tới máy tính

5

Năm 1970, Sutherland tiếp tục phát triển phần cứng của HMD tại trường đại học Utah, làm cho nó hoàn thiện hơn có màn hình là màn hình màu Sử dụng hiển thị này, một người có thể thấy một thế giới ảo hiện ra như thế giới vật lý thật Bao gồm một thế giới ảo mà ta có thể quan sát thông qua một HMD; một máy tính để duy trì các mô hình trong thời gian thực; các khả năng cho người sử dụng để thao tác những đối tượng thực tế một cách trực quan nhất

Hình 1.3 Ivan Sutherland và thiết bị mô phỏng HMD-1970

Cũng trong khoảng thời gian này Myron Kreuger (1942) đã phát triển một thiết bị có tên VIDEOPLACE Thiết bị này sử dụng một màn hình lớn đối diện với người dùng Trên màn hình hiển thị cái bóng người dùng Hệ thống cũng có khả năng hiển thị nhiều người sử dụng trên cùng một màn hình

Hình 1.4 Thiết bị VIDEOPLACE-1970

Những ý tưởng này được hai nhà khoa học Mỹ ở NASA là Scott Fisher (1963) và McGreevy (1957) kết hợp lại trong một dự án có tên là “Trạm làm việc ảo” (Visual Workstation) vào năm 1984 Cũng từ đó NASA phát triển thiết bị hiển thị đội đầu có tính thương mại đầu tiên, thiết kế dựa trên mẫu hình mặt nạ lặn với các màn hình quang học mà ảnh được cung cấp bởi hai thiết bị truyền hình cầm tay Sony Watchman Sự phát triển của thiết bị này đã thành công ngoài dự đoán, bởi NASA đã sản xuất được một thiết bị HMD có giá chấp nhận được trên thị trường và như vậy ngành công nghiệp Thực tại ảo đã ra đời

6

Hình 1.5 Scott Fisher, McGreevy và thiết bị HMD-1984 của NASA

Công nghệ Thực tại ảo từ những năm 90 trở lại đây được phát triển mạnh mẽ

và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực như: 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

và quân sự của nó

1.1.3 Các đặc tính chính của Thực tại ảo [1]

VR (Virtual Reality) là một hệ thống mô phỏng trong đó đồ họa máy tính được sử dụng để tạo ra một thế giới “như thật” Hay nói một cách cụ thể VR là công nghệ sử dụng các kỹ thuật mô hình hoá không gian ba chiều, với sự hỗ trợ của thiết bị hiện đại để xây dựng một thế giới mô phỏng để đưa người ta vào một thế giới nhân tạo với không gian như thật

Trong thế giới ảo này, người sử dụng không còn được xem như người quan sát bên ngoài, mà đã thực sự trở thành một phần của hệ thống Thế giới “nhân tạo” này không tĩnh tại mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn của người sử dụng nhờ những cử chỉ, hành động, Tức là 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

có thể nhận thấy ngay khi quan sát trẻ nhỏ chơi video game Tương tác và khả năng thu hút của VR góp phần lớn vào cảm giác đắm chìm, 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

Hai 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, (Interactive - Immersion - Imagination)

7

Hình 1.6 Các đặc tính chính của Thực tại ảo

1.1.4 Phân loại hệ thống Thực tại ảo

Hệ thống VR được phân ra 3 loại chính là: Hệ thống VR không nhập vai (non - Immersive), Hệ thống VR bán nhập vai (Semi-Immersive) và Hệ thống VR nhập vai (Immersive) Một số cách phân loại khác dựa vào mức độ phức tạp hoặc phương thức hoạt động của hệ thống Mức độ phức tạp của hệ thống phụ thuộc vào mức độ khó trong việc phát triển ứng dụng Phân loại theo mức độ phức tạp bao gồm hệ thống Thực tại ảo mức sơ khai, mức cơ bản, mức tiên tiến, mức nhập vai và mức làm việc như một hệ điều hành cho môi trường Thực tại ảo Phân loại theo phương thức bao gồm hệ thống hoạt động dựa trên mô phỏng, dựa trên hệ thống máy chiếu, dựa trên hình ảnh thay thế (avatar-image) hoặc dựa trên máy

tính để bàn [1] [2]

Hệ thống VR không nhập vai: Hệ thống VR không nhập vai được xây dựng cho máy tính để bàn Hệ thống này được biết với tên là Windown on World (WoW) hay Desktop VR Trong hệ thống này, môi trường ảo được quan sát thông qua màn hình có độ phân giải cao Việc tương tác được thực hiện thông qua các phương tiện như bàn phím, chuột hoặc joystick

Hệ thống VR bán nhập vai: Hệ thống VR bán nhập vai bao gồm hệ thống máy tính hỗ trợ đồ họa tương đối mạnh đi kèm với một hoặc nhiều màn hình hoặc

hệ thống máy chiếu để tạo ra màn hình lớn Hệ thống màn hình này được đặt xung quanh người dùng để tạo cảm giác hòa mình vào môi trường 3D ảo

Hệ thống VR nhập vai: Hệ thống VR nhập vai là hệ thống tạo cho người dùng trải nghiệm trong môi trường ảo giống với thực tế nhất Trong hệ thống này, người dùng đeo HMD hoặc sử dụng BOOM để nhìn vào môi trường ảo Tất nhiên,

so với 2 hệ thống trên, hệ thống này là phức tạp và đòi hỏi chi phí lớn để tạo các ứng dụng

1.1.5 Các thành phần của một hệ thống Thực tại ảo

Tổng quan một VR gồm những thành phần sau:

8

Hình 1.7 Các thành phần của một hệ thống VR (Virtual Reality)

1.1.5.2 Phần cứng (Hardware) [2]

Phần cứng của một VR tổng quát bao gồm:

- Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh)

- Các thiết bị đầu vào (Input devices): là các thiết bị có khả năng kích thích các giác quan để tạo nên cảm giác về sự hiện hữu trong thế giới ảo gồm có: Bộ dò

vị trí (position tracking) để xác định vị trí quan sát, bộ giao diện định vị (Navigation interfaces) để di chuyển vị trí người sử dụng, bộ giao diện cử chỉ (Gesture interfaces) như găng tay dữ liệu (data glove), thiết bị tương tác với máy tính thông qua thiết bị như chuột (SpaceBall), bàn phím,

- Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm thiết bị hiển thị đồ họa (Kính mắt Shutter Glasses, màn hình rộng, thiết bị 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,

1.1.5.3 Phần mềm (Software)

Phần mềm luôn là linh hồn của Thực tại ảo 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 cũng phải bảo đảm hai công dụng chính là: Mô hình hóa (modelling) và mô phỏng (simulation) các đối tượng trong VR

Các đối tượng của VR được mô hình hóa (modelling) tức là tạo dựng mô hình nhờ chính phần mềm này hay mô hình hoá từ mô hình 2D thành mô hình 3D nhờ công cụ đặc biệt từ các phần mềm như: Maya, 3D Max,…

9

1.1.6 Các thiết bị cơ bản của hệ thống Thực tại ảo

1.1.6.1 Thiết bị định hướng và chuyển động

- DataGloves

Thiết bị đo lường bàn tay phải cảm nhận được cả độ cong của các ngón tay

và vị trí, sự định hướng của cổ tay trong thời gian thực Thiết bị thương mại đầu tiên là DataGloves từ viện nghiên cứu VPL DataGloves bao gồm 1 găng tay nylon nhẹ có các cảm biến quang học được gắn ở các ngón tay

và sàn nhà cũng là một màn chiếu thẳng đứng Máy chiếu độ phân giải cao hiển thị hình ảnh lên toàn bộ nhứng màn ảnh khác bằng các tấm gương phản chiếu Người dùng sẽ đi vào bên trong Cave và đeo 1 chiếc kính đặc biệt để có thể nhìn thấy những hình ảnh 3 chiều mà Cave hiển thị Với những chiếc kính này người dùng có thể thấy các đối tượng thực sự nổi trong không khí và có thể đi lại xung quanh chúng Điều này là hoàn toàn khả dĩ với các cảm biến điện tử Khi một người đi lại trong Cave, chuyển động của họ được theo dõi bởi các cảm biến này

và video sẽ điều chỉnh cho phù hợp Máy tính sẽ kiểm soát việc này của Cave cũng như khía cạnh âm thanh Không chỉ có hình ảnh 3 chiều mà có cả âm thanh

3 chiều nhờ có rất nhiều loa được đặt trong Cave dưới nhiều góc độ

Hình 1.12 Cave

11

1.1.6.2 Thiết bị tương tác và phản hồi

Các thiết bị này cảm nhận một số nhân tố sau của thiết bị khác gây ra: nhiệt

độ, vận tốc di chuyển, sự chuyển động, áp lực và các ngoại lực khác

có một số ứng dụng mới nổi lên trong thời gian gần đây của Thực tại ảo như: Thực

12

tại ảo ứng dụng trong sản xuất, Thực tại ảo ứng dụng trong ngành rôbốt, Thực tại

ảo ứng dụng trong hiển thị thông tin (thăm dò dầu mỏ, hiển thị thông tin khối, ) Thực tại ảo có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn Mọi lĩnh vực trong cuộc sống đều có thể ứng dụng “Thực tại ảo” để nghiên cứu và phát triển hoàn thiện hơn

1.1.7.1 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 công việc thực tế Điều này vừa đảm bảo an toàn cho binh sĩ, vừa tiết kiệm được chi phí cho các khóa huấn luyện thực tế Lầu Năm Góc đã đưa ra quyết định sẽ đầu tư 36 triệu USD cho quân đội mỹ để phát triển một game đặc biệt nhằm huấn luyện binh sĩ chống lại khủng bố dưới dạng chiến thuật thực tế ảo Với hệ thống trò chơi đặc biệt này, những binh sĩ có thể tập luyện những bài tập của mình ngay tại nhà nhằm chống lại những tình huống có thể phát sinh ra trong thực tế Đây sẽ

là một game rất sống động, có tính hành động cao với môi trường và bối cảnh bám sát thực tế Những người lính sẽ phải vận dụng tất cả những kỹ năng đã được rèn giũa trong quân đội

Hình 1.15 Kính thực tế ảo Oculus Rift sử dụng cho quân đội

1.1.7.2 Giáo dục

Ở các nước phương Tây ở việc nhà học Internet không còn là điều mới mẻ nữa Và công nghệ VR sẽ làm cho việc này trở nên thú vị hơn rất nhiều Giống như một game MMORPG bạn điều khiện một nhân vật đại diện cho bạn đi lại trong 1 trường học ảo được xây dựng trên máy tính Bạn có thể tham gia vào bất

cứ lớp học ảo nào mà bạn thích, nói chuyện với các thành viên khác trong lớp

Hình 1.17 Ứng dụng trong xây dựng và kiến trúc

14

1.1.7.4 Y học

Thực tại ảo giải quyết được rất nhiều vấn đề trong y học: cung cấp môi trường thực hành cho nghiên cứu và học tập, rất hữu ích trong việc mô phỏng các ca phẫu thuật tránh gây rủi ro trong thực tế

Như vậy Thực tại ảo có áp 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, bởi những vấn đề khó khăn mà nếu khó có Thực tế ảo thì rất khó giải quyết và hiệu quả không cao mà chi phí tốn kém

Hình 1.18 Ứng dụng trong Y học

Đây có thể nói là một trong những ứng dụng tuyệt vời nhất của công nghệ thực tế ảo Trước đây việc cho những bác sĩ thực tập hoặc bác sĩ thiếu kinh nghiệm thực hành phẫu thuật trên cơ thể người luôn làm nảy sinh những lo ngại về tính

an toàn cũng như đạo đức Giờ thì mọi ca phẫu thuật cũng như các quy trình chăm sóc bệnh nhân đều có thể được mô phỏng trong môi trường thực tế ảo Bác sĩ có thể nâng cao kỹ năng bản thân mà không có bất kỳ sự mạo hiểm nào đối với sức khỏe và tính mạng bệnh nhân Ngoài ra thực tế ảo còn có một số ứng dụng khác trong y tế như kết hợp với các mẫu scan để giúp bác sĩ quan sát và chẩn đoán bệnh chính xác hơn

1.1.7.5 Khoa học kỹ thuật

Ứng dụng quan trọng nhất của thực tế ảo trong khoa học chính là hình ảnh hóa những số liệu khoa học (data visualization) Ứng dụng này giúp ta nắm được bức tranh toàn cảnh và nhanh chóng phán đoán được các xu thế từ một khối lượng

dữ liệu đồ sộ và tưởng chừng như rời rạc dưới đôi mắt và trí não thông thường Với những kỹ sư thì công nghệ thực tế ảo càng quan trọng hơn bởi nó giúp họ tạo

ra mô hình cho những máy móc họ thiết kế trong một môi trường an toàn cũng như tiết kiệm thời gian và tiền bạc

Hình 1.20 Ứng dụng trong thể thao

hóa chậm khác như gỉ hay thủy phân không bao gồm trong định nghĩa này [2]

Ngọn lửa là một phần biểu hiện thấy được (phát ra ánh sáng) của sự cháy, tạo ra từ các phản ứng hóa học có sự tỏa nhiệt cao (cháy, phản ứng oxy hóa tự duy trì) diễn ra trong môi trường hẹp Ngọn lửa là một trạng thái tồn tại của vật chất

và được xếp như một loại khí plasma - bị ion hóa một phần

Để sự cháy xảy ra, phải cần và đủ 3 yếu tố đó là chất cháy, ôxy và nguồn nhiệt Thiếu một trong các yếu tố trên hoặc các yếu tố trên không đủ thì sự cháy

sẽ không xảy ra Mỗi chất khác nhau có nhiệt độ bốc cháy khác nhau Màu sắc của ngọn lửa theo nhiệt độ cũng khác nhau, chẳng hạn như:

Phân loại của các dạng lửa:

- Tự nhiên: Núi lửa, lửa mặt trời, lửa sấm sét,…

- Nhân tạo: diêm, bật lửa; lửa hàn; hệ thống đánh điện động cơ, tên lửa…

Mô phỏng lửa có thể coi là một trong những công việc khó khăn nhất, phức tạp nhất của mô phỏng Mô phỏng lửa ở dạng mô phỏng động theo thời gian thực hoặc không theo thời gian thực Để mô phỏng lửa mà chỉ yêu cầu dạng mô hình, không yêu cầu độ chính xác cao và không yêu cầu thể hiện đúng bản chất vật lý thì không quá khó Nhưng để mô phỏng được lửa đúng với các tính chất vật lý của nó và hiệu ứng của lửa theo thời gian thực thì quả là một công việc không dễ dàng Đối với công việc này người ta phải nghiên cứu, xây dựng ra các phương pháp và sẽ cài đặt bằng các ngôn ngữ lập trình thì mới có thể thể hiện được yêu cầu

Cũng như các đối tượng khác, mô phỏng lửa cũng có 2 cách thức riêng biệt Một là sử dụng các công cụ đã được xây dựng sẵn với độ chính xác không cao,

17

hai là sử dụng các ngôn ngữ lập trình thể hiện các phương pháp phức tạp dựa trên

cơ sở lý thuyết chặt chẽ

1.2.2 Ý nghĩa của mô phỏng lửa

Lửa được xem là một trong những phát minh quan trọng nhất của nhân loại Lửa trở thành nguồn sống của con người, giúp con người thoát khỏi đời sống nguyên sơ Nhờ đó, lửa là sản vật thiêng liêng, vừa là khởi điểm cho những sinh hoạt văn hóa cộng đồng của người sơ khai Ngoài duy trì sự sống lửa còn có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực sản xuất, vui chơi giải trí…

Có rất nhiều nguồn lửa khác nhau, để đảm bảo cho việc tính toán thiết kế các ứng dụng của lửa được chính xác và sử dụng có hiệu quả vào cuộc sống việc mô phỏng những ứng dụng của lửa trước khi đưa ra ứng dụng là vô cùng quan trọng Việc kiểm duyệt các thiết kế, các dự án liên quan khi đưa vào thực hiện nhằm giảm thiểu các rủi ro do lửa gây ra Ứng dụng mô phỏng lửa trong giáo dục, đặc biệt là trong các trường công nghiệp, trường nghề đào tạo về chế tạo máy, cơ khí,… các mô phỏng về lửa với các đối tượng khác hay các đối tượng lửa với nhau sẽ giúp người học có một cái nhìn trực quan hơn, tiếp thu bài dễ hơn Ví dụ

mô phỏng các loại đèn dùng trong quá trình đun nóng ở phòng thí nghiệm hóa học

Việc xây dựng các mô hình mô phỏng lửa và các hiệu ứng của lửa đang là nhu cầu cấp thiết đối với ngành liên quan đến lửa, mà công nghệ mô phỏng cần phải thực hiện Tuy nhiên, đây vẫn đang là một thách thức lớn của công nghệ mô phỏng

18

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG LỬA

Trong chương 2 chúng ta cùng tìm hiểu phương pháp mô phỏng lửa, dùng

kỹ thuật nào để thực hiện nó, tìm hiểu đặc tính của ngọn lửa để mô phỏng nó được chính xác và xem một số mô hình mô phỏng

2.1 Phương pháp Particle-based

Mô phỏng lửa bằng phương pháp Particle Based phù hợp với việc tạo hiệu ứng cho vụ cháy nổ Ở đây không mô hình hóa bằng số rắc rối mà phần lớn là sóng xung kích vô hình, phương pháp này sử dụng một mô hình chất lỏng không nén được tương đối ổn định vào phép tính toán cho các chuyển động của không khí và khí nóng Lĩnh vực phân tán của chất lỏng được điều chỉnh trực tiếp vào phép tính toán cho vụ nổ và sự phát sinh, mở rộng các sản phẩm của quá trình đốt cháy khí Hạt thấm vào trong chất lỏng theo dõi chuyển động của hạt nhiên liệu

và muội khi chúng được bổ sung thêm bằng chất lỏng Đốt là mô hình sử dụng một quá trình đơn giản nhưng hiệu quả chi phối bởi các hạt và hệ thống chất lỏng Phương pháp này có đủ linh hoạt để xịt xấp xỉ của chất lỏng cháy Báo cáo này tập trung vào một số ví dụ các vụ nổ khí, vụ nổ gần những trở ngại, hạn chế các

vụ nổ và thuốc xịt cháy Bởi vì phương pháp này được dựa trên các bước hội nhập thành phần cho phép thời gian lớn, nó chỉ đòi hỏi một vài giây tính toán cho mỗi khung hình cho các ví dụ được hiển thị

2.1.1 Kỹ thuật mô phỏng Particle-based

Mô hình hóa các hiện tượng như mây, khói, nước, lửa, điện với các kỹ 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 quy 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 kỹ 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

2.1.1.1 Định nghĩa Particle System

Particle System là một tập hợp các thành phần hay các hạt (particle) riêng biệt Particle System điều khiển tập hạt đó, cho phép chúng hoạt động một cách

tự động nhưng với một số thuộc tính chung nhất định [2] [4]

2.1.1.2 Đặc tính của Particle System [2]

Particle System có ba đặc tính riêng khác hẳn với các kỹ 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 các hạt để tạo hình khối

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

19

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 kỹ 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 kỹ 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 kỹ 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

3 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

4 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 kỹ thuật mô hình dựa vào bề mặt đối tượng Particle System 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 kỹ thuật Particle System để xây dựng hiệu ứng các vụ nổ ngoài vũ trụ

2.1.2 Mô hình mô phỏng hiệu ứng lửa bằng Particle-based

Trong môi trường tự nhiên với hầu hết mọi người các vụ nổ là may mắn xuất hiện hiếm hoi, song chúng xuất hiện ở khắp nơi trong môi trường nhân tạo, do con người tạo ra Phim và các tình tiết của kịch bản truyền hình, trò chơi video,… cũng không ngoại lệ Môi trường phát triển cho mô phỏng huấn luyện thường xuyên tập trung vào các tình huống bạo lực hoặc nguy hiểm, vì vậy nó cũng thường bao gồm một số hình thức của hiện tượng nổ Phương pháp Particle based tạo hiệu ứng động cho các vụ nổ thực tế như thể hiện trong hình 2.1

20

Hình 2.1 Vụ nổ bên cạnh bức tường

Định nghĩa chính xác về một vụ nổ khác nhau tùy thuộc vào hoàn cảnh, một

vụ nổ nói chung bao gồm một bản phóng thích đột ngột của năng lượng tạo ra một

áp lực phía trước hướng ra bên ngoài lan truyền, hoặc sóng xung kích Vụ nổ có thể phát sinh từ cơ học, hóa chất, hạt nhân, hoặc các sự kiện khác Sóng xung kích

là hiệu ứng chính của một vụ nổ, nhưng nó di chuyển ở tốc độ siêu âm và chỉ biểu hiện rõ ràng là một sự khúc xạ của ánh sáng Ngoại trừ trường hợp đặc biệt, vụ nổ mạnh mẽ, hiệu ứng khúc xạ gần như hoàn toàn vô hình Tác dụng phụ có thể bao gồm nhấp nháy sáng của ánh sáng, lửa, bụi và các mảnh vụn bay Đáng chú ý những tác dụng phụ có thể được hiện ra khá rõ ràng

Theo thiết kế, các vụ nổ thực tế sử dụng cho hiệu ứng hình ảnh thường hạn chế tối đa sức mạnh của vụ nổ, tối đa hóa sự xuất hiện của tác dụng phụ Đặc biệt, quả cầu lửa có ấn tượng lớn ngay cả khi sản xuất ngọn lửa số lượng tối thiểu Một

lý do cho độ lệch từ thực tế này là sóng nổ mạnh rất khó để nhìn thấy nhưng cực

kỳ nguy hiểm, lực làm chấn động của một vụ nổ mạnh và mảnh vỡ tốc độ cao có thể gây tử vong ngay khi ở một khoảng cách hợp lý Ngược lại, quả cầu lửa lớn trông rất ấn tượng và phần nào an toàn hơn để làm việc với nó

Cả hai vụ nổ hạt lơ lửng và các vụ nổ lỏng, hơi có thể tạo ra quả cầu lửa lớn Một hạt lơ lửng, bụi, vụ nổ xảy ra khi một hạt rất dễ cháy như thuốc súng, than, mùn cưa, hoặc bột, được phân tán qua một khối không khí và sau đó đốt cháy Cơ chế phát tán bụi có thể bao gồm rung động hay một vụ nổ ban đầu nhỏ hơn Vụ

nổ lỏng, hơi xảy ra tương tự một hạt dễ cháy, hơi của nó được phân tán và sau đó đốt cháy Một ví dụ nổi tiếng của một kịch bản phát tán chất lỏng, hơi được biết đến như một BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion), xảy ra khi một thùng kín chất lỏng dễ cháy được làm nóng Sức nóng làm bay hơi chất lỏng trong container, tạo áp lực cho đến khi bị vỡ thùng chứa, xịt một hỗn hợp chất lỏng dễ cháy và hơi ra môi trường xung quanh nơi nó có thể được đốt cháy bằng bất cứ nguồn đã được làm nóng các thùng chứa

21

Sự xuất hiện ngẫu nhiên của hạt lơ lửng và các vụ nổ lỏng, hơi có thể phá hủy và chết người, người làm trong lĩnh vực hỏa công có thể sử dụng chúng để tạo sự xuất hiện với hiệu quả mong muốn Tuy nhiên, ngay cả người trong nghề với bàn tay khéo léo, vẫn còn tốn kém và nguy hiểm tiềm tàng

Phương pháp mô phỏng Particle mô tả một thiết kế để thực tế mô hình hành

vi của các vụ nổ hạt lơ lửng Mặc dù phương pháp này chủ yếu dành cho các tình huống liên quan đến các hạt bụi, song nó hoạt động khá tốt linh hoạt đối với một

số kịch bản liên quan đến xịt chất lỏng cháy

Phương pháp này sử dụng một chất lỏng mô phỏng động lực tương đối ổn định để tính toán chuyển động của không khí và khí nóng xung quanh vụ nổ Hạt thấm vào trong chất lỏng theo dõi chuyển động của nhiên liệu đốt và các sản phẩm hạt bổ sung bằng chất lỏng Các mô hình hệ thống đốt sử dụng quá trình đơn giản nhưng hiệu quả chi phối bởi các hạt và hệ thống chất lỏng

Không giống như phương pháp Physically-based tiếp cận các vụ nổ sinh động, phương pháp Particle-based không mô hình sóng xung kích số lượng phiền

hà cũng như hiện tượng áp lực thoáng qua khác được tạo ra bởi vụ nổ Thay vào

đó nó sử dụng một mô hình chất lỏng không nén được nhanh gọn và điều chỉnh phân tán vào hoạch toán cho các thế hệ mở rộng sản phẩm cháy khí Thực hiện MATLAB kết quả đòi hỏi không quá một vài giây tính toán cho mỗi khung hình trên một máy trạm để mô phỏng chuyển động

2.1.3 Bối cảnh

Nỗ lực đáng kể đã được hướng vào việc tạo hiệu ứng nổ và các hiện tượng liên quan như lửa Particle systems được xem như một phương tiện để mô hình ngọn lửa và các đối tượng khác thiếu ranh giới cứng, là một trong những phương pháp sinh động thường được sử dụng nhất cho các vụ nổ, nhiều hệ thống phát triển sử dụng các quy tắc heuristic để di chuyển các hạt màu để tạo ra sự xuất hiện của một vụ nổ hoặc cháy

Sức mạnh chính và hạn chế của các hệ thống này phụ thuộc vào kỹ năng người sử dụng chọn các thông số mang lại kết quả thực tế Phương pháp tiếp cận Particle Systems chỉ đơn giản là nơi các quy tắc theo kinh nghiệm đã được thay thế bằng quy định chặt chẽ hơn dựa trên cơ sở vật lí cơ bản Cơ sở vật lý tạo điều kiện đạt được kết quả thực tế cho một phạm vi rộng lớn hơn của điều kiện bằng cách thêm các quy tắc gần đúng của thế giới thực

Trước đây trong đồ họa mô hình vụ nổ Physically-based tập trung vào làn sóng chấn động và ảnh hưởng của các vật thể rắn Vụ nổ xấp xỉ như một làn sóng dạng cầu mở rộng với một cấu hình áp lực được xác định bởi một xấp xỉ phân tích

số liệu thực nghiệm Khi làn sóng mở rộng gặp đối tượng trong môi trường, nó được áp dụng lực xuyên tâm đến các đối tượng Nếu các lực vượt quá ngưỡng sau

đó các kết nối sẽ bị phá vỡ Một cách tiếp cận tương tự chiếm góc giữa sóng xung kích và bề mặt pháp tuyến đối tượng

22

Một cách chính xác hơn, nhưng tốn kém hơn nhiều là mô hình sóng nổ nơi

vụ nổ được mô hình hóa bằng cách sử dụng mô phỏng chất lỏng nén Lực dựa trên chênh lệch áp suất cho các đối tượng trong môi trường làm cho chúng di chuyển hoặc gãy xương Mặc dù phương pháp này mô hình nhiễu xạ và các hiệu ứng phản chiếu tốt, đối phó với áp lực dốc và gradient mật độ trong chất lỏng làm cho phương pháp tính toán rất tốn kém Ngoài việc mô hình hóa các sóng xung kích, cũng có thể giải quyết mô hình hóa các hiệu ứng phụ của ngọn lửa và khuấy đều bụi

Phương pháp Particle-based tập trung vào mô hình ngọn lửa kết hợp với sự bùng nổ chứ không phải là sóng xung kích Thay vì sử dụng mô phỏng một chất lỏng nén trong điều kiện xấu, phương pháp này sử dụng một mô phỏng chất lỏng không nén được và tạo ra những dòng chảy mở rộng gây ra bởi sự bùng nổ với những hạn chế về phân kỳ của các trường dòng chảy Phương pháp này cũng bao gồm một mô hình quá trình đốt cháy để tạo ra quả cầu lửa thực tế hơn

Ngoài các vụ nổ, các nhà nghiên cứu trong cộng đồng đồ họa cũng đã điều tra phương pháp mô hình hóa các chuyển động của các chất khí như khói hay sương mù sử dụng ba chiều chất lỏng mô phỏng động lực

Mô hình chất lỏng sử dụng để mô hình lửa là tốt Sử dụng một mô hình chất lỏng và tiếng ồn để tạo ra ngọn lửa tăng Một loạt các hiệu ứng ngọn lửa có sức thuyết phục, bao gồm quả cầu lửa lớn, được tạo ra bằng cách mô phỏng chuyển động của các dòng trong một dòng chảy hỗn loạn và sau đó áp dụng kết cấu lửa cho các dòng Một mô hình đốt theo dõi chuyển động của các loại khí dễ cháy trên lưới điện chất lỏng

Phương pháp mô tả tạo ra ngọn lửa thực tế cho tình huống mà quá trình đốt cháy xảy ra dọc theo biên giới rất nhỏ giữa khí dễ cháy và một môi trường oxy hóa Quá trình đốt cháy tạo ra nhiệt và dòng chảy chất lỏng ở khí, không khí ranh giới được điều chỉnh để mở rộng Phương pháp này cho kết quả tuyệt vời khi đốt cháy nhanh chóng chỉ xảy ra dọc theo phía trước mỏng, nó không thích hợp với các tình huống lây lan khu vực đốt trên một khối lượng đáng kể

Các công việc khác liên quan đến đồ họa bao gồm phương pháp mô hình lửa trong các tòa nhà, lửa lan truyền trên bề mặt, nổ như hiệu ứng Bên ngoài của đồ họa, các nhà nghiên cứu đã thực hiện một khối lượng công việc phát triển các phương pháp để mô phỏng các vụ nổ và cháy Đồ thị biến mô phỏng lửa (Fire Dynamics Simulator - FDS) là phù hợp nhất với cách tiếp cận lửa Một số lựa chọn quan trọng thực hiện trong FDS bao gồm: điều kiện bình lưu máy tính sử dụng một chương trình bán Lagrangian vô điều kiện ổn định, hạn chế sử dụng phân kỳ trực tiếp, tăng cường sử dụng chất lỏng chuyển động xoáy giam và theo dõi chất phản ứng vi hạt sử dụng một particle system

2.1.4 Phương pháp mô phỏng

Sự xuất hiện của các vụ nổ hạt lơ lửng phát sinh từ hành vi của các hạt bụi cháy, không khí xung quanh và sản phẩm cháy Phương pháp Particle based làm

23

mẫu một cách rõ ràng mỗi thành phần và tương tác với nhau Người sử dụng xác định loại hành vi được mô phỏng bằng cách thiết lập các điều kiện ban đầu làm phát sinh sự bùng nổ Sau khi cấu hình, hệ thống tiến hóa theo quy tắc gần đúng các định luật vật lý chi phối chuyển động, nhiệt độ và đốt cháy trong hệ thống kết

hợp Đưa ra một cái nhìn tổng quan về các tính chất của vụ nổ bụi [5]

2.1.4.1 Mô hình khí [4]

Mô hình hỗn hợp không khí và các sản phẩm khí đốt làm đầy các môi trường

mà vụ nổ xảy ra sử dụng một phiên bản chỉnh sửa của mô hình chất lỏng Mô hình này xử lý các chất khí không nén được, chất lỏng nhớt lấp đầy một mạng lưới ba chiều thẳng Nó quyết định chuyển động của chất lỏng để đáp ứng các yêu cầu lực và bảo toàn khối lượng Bảo toàn động lực được thực thi bởi các phương trình Euler (Navier-Stokes với độ nhớt bằng không):

Đối với một chất lỏng không nén được, bảo toàn khối lượng đòi hỏi sự phân

kỳ vận tốc bằng không, tuy nhiên sẽ có quá trình thêm chất lỏng vào môi trường hoặc gây ra các chất lỏng để mở rộng Thay vì thống nhất yêu cầu không phân kỳ, yêu cầu cho từng ô chất lỏng:

ϕ=0 ở khắp mọi nơi trừ trường hợp một số quá trình tạo ra chất lỏng bổ sung hoặc gây chất dịch hiện có để mở rộng bằng cách nung nóng nó Để thực thi phương trình (2), giải quyết phiên bản chỉnh sửa của phương trình Poisson để xác định áp suất chất lỏng trong mỗi ô:

T: nhiệt độ chất lỏng

24

Ta: nhiệt độ môi trường xung quanh Tmax: nhiệt độ tối đa trong môi trường H: năng lượng nhiệt chuyển thành chất lỏng

Nhiệm kỳ đầu mô hình bình lưu bằng chất lỏng Nhiệm kỳ thứ hai làm mát liên tục cr mất bức xạ vào trong môi trường Thứ ba là sử dụng đại lượng phổ biến cho tính dẫn nhiệt ck giá trị là không đáng kể để ước tính chuyển bức xạ và khuếch tán, tính toán hạn cho năng lượng nhiệt chuyển vào chất lưu từ một nguồn bên ngoài

2.1.4.2 Mô hình hạt

Mô hình chuyển động của hạt nhiên liệu và các sản phẩm đốt rắn (bồ hóng)

sử dụng một particle system Mô tả hạt bao gồm vị trí, vận tốc, khối lượng, nhiệt

độ, khối lượng nhiệt, âm lượng và loại định danh Hành vi của mỗi hạt sau các quy tắc đơn giản

𝑥̈ = ƒ/𝑚𝑌̇ = 𝐻̇/𝐶𝑚 (5)

Trong đó:

𝑥̈: vị trí của một hạt f: lực bên ngoài trên hạt (bao gồm cả lực hấp dẫn) 𝑌̇: nhiệt độ hạt

𝐻̇: năng lượng nhiệt chuyển giao cho hạt hoặc tạo ra bằng cách đốt cháy

Cm: khối nhiệt của hạt Nếu các hạt có khối lượng rất nhỏ khối lượng / nhiệt coi như không có và bỏ qua phần thích hợp của phương trình (5)

Mỗi hạt mô phỏng không đại diện cho một hạt bụi đất duy nhất, nó đại diện cho một nhóm các hạt nhiên liệu bồ hóng và các thuộc tính của hạt mô phỏng mô

tả tính chất tổng hợp của nhóm

Một Particle System là một tập hợp nhiều hạt nhỏ kết hợp cùng nhau tạo nên một vật thể mờ ảo, không định hình Trong một khoảng thời gian, các hạt được tạo thành một hệ thống, di chuyển và thay đổi từ bên trong hệ thống, sau đó chết

đi Để tính toán mỗi khung hình trong một chuỗi chuyển động, trình tự các bước sau đây được thực hiện:

Các hạt mới được tạo ra trong hệ thống

Mỗi hạt mới được gán cho các thuộc tính riêng biệt

Các hạt đã tồn tại trong hệ thống sẽ bị dập tắt dần theo quy định

Các hạt vẫn còn sống trong hệ sẽ chuyển động và biến đổi dựa theo các thuộc tính động của nó