Luận văn thạc sĩ VNU UET mô phỏng nước trong công nghệ thực tại ảo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỖ THỊ THANH TỒN MƠ PHỎNG NƯỚC TRONG CƠNG NGHỆ THỰC TẠI ẢO LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HÀ NỘI – 2009 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ ĐỖ THỊ THANH TỒN MƠ PHỎNG NƯỚC TRONG CƠNG NGHỆ THỰC TẠI ẢO Chun ngành : Cơng nghệ phần mềm Mã số : 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐỖ NĂNG TOÀN HÀ NỘI – 2009 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC Trang PHẦN MỞ ĐẦU Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG NƢỚC 1.1 KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO 1.1.1.Thực ảo gì? 1.1.2 Sơ lƣợc lịch sử phát triển thực ảo 1.1.3 Một số lĩnh vực thực tế ứng dụng thực ảo 1.2 MÔ PHỎNG NƢỚC TRONG THỰC TẠI ẢO 15 1.2.1 Vai trị mơ nƣớc 15 1.2.2 Một số hiệu ứng nƣớc 16 1.2.3 Cơ sở lý thuyết mô nƣớc 19 1.2.3.1 Tính đàn hồi chất lỏng 20 1.2.3.2 Độ nhớt chất lỏng 20 1.2.3.3 Lực mao dẫn chất lỏng 21 1.2.3.4 Sự hút khí chất lỏng 22 Chƣơng 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT MÔ PHỎNG NƢỚC 23 2.1 KỸ THUẬT PHYSICALLY-BASE 23 2.1.1 Giớí thiệu 23 2.1.2 Cơ sở vật lý 23 2.1.3 Khái quát thuật toán 26 2.1.4 Phƣơng pháp ngoại suy bề mặt ảo 26 2.2 KỸ THUẬT PARTICLE-BASE 29 2.2.1 Giới thiệu 29 2.2.2 Tiến trình mơ 29 2.2.3 Mật độ kép 34 2.2.3.1 Mật độ áp suất 34 2.2.3.2 Phục hồi tính khơng nén đƣợc 35 2.2.3.3 Near – Density and Near- Pressure 35 2.2.3.4 Sức căng bề mặt 40 Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2.2.4 Biểu diễn bề mặt 40 2.2.4.1 Tính đàn hồi 40 2.2.4.2 Tính dẻo 42 2.2.4.3 Tính nhớt 44 2.2.5 Sự va chạm đối tƣợng 44 2.2.5.1 Va chạm 44 3.2.5.2 Tính nhớt tƣơng tác với đối tƣợng 47 Chƣơng 3: ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG NƢỚC 48 3.1 MÔ PHỎNG NƢỚC TRONG CÁC HỆ THỰC TẠI ẢO 48 3.2 CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 52 3.2.1 Kỹ thuật Physically-Based 52 3.2.2 Kỹ thuật Particle-Based 55 PHẦN KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bảng chữ viết tắt Stt Chữ viết tắt Nội dung VR VIVED HMD Head Mounted Display : SPH Smoothed Particle Hydro Dynamics: Vỉtual Reality Visual environment display Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Ứng dụng thực ảo thiết kế kiến trúc ……………………… 10 Hình 1.2 Ứng dụng thực ảo thiết kế thiết bị cơng nghệ …………… 11 Hình 1.3 Ứng dụng thực ảo lĩnh vực giải trí ……………………… 12 Hình 1.4 Mơ hình huấn luyện bay sử dụng cơng nghệ thực ảo …………… 13 Hình 1.5 Một phần thể ảo ………………………………………………… 14 Hình 2.1 Mơ tả góc tiếp xúc bề mặt ảo ……………………………………… 27 Hình 2.2 Mơ tả góc tiếp xúc bề mặt ảo chất lỏng rắn ……………… 28 Hình 3.1 Hệ thống tập tái tàu thuỷ …………………………………………… 48 Hình 3.2 Thể hiệu ứng mặt nƣớc đƣợc tạo ……………………………49 Hình 3.3 Hiệu ứng chuyển động vật rơi xuống nƣớc …………………… 50 Hình 3.4 Thể mặt nƣớc lƣới đa giác phƣơng pháp Particle-Base… 50 Hình 3.5 Thể dịng nƣớc chảy phần tử lập thể particles ……… 51 Hình 3.6 Biểu đồ so sánh ………………………………………………… 52 Hình 3.7 Mô mặt hồ kỹ thuật Physically-Based ………………… 52 Hình 3.8 Mơ hiệu ứng sóng nƣớc kỹ thuật Particle-Based ……….56 Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 PHẦN MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, công nghệ thông tin đƣợc ứng dụng mạnh mẽ hầu hết tất lĩnh vực Các ứng dụng vào sống ngày phong phú, đa dạng thiết thực Từ lĩnh vực nhƣ khoa học bản, đến lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật lĩnh vực nhƣ giải trí, du lịch; khơng lĩnh vực khơng có ứng dụng thiết thực hiệu công nghệ thông tin Sự phát triển không ngừng sức mạnh máy tính làm cho số lĩnh vực khó phát triển trƣớc kia, có khả phát triển đạt đƣợc thành tựu đáng kể; nhƣ là: Các hệ chuyên gia, hệ xử lý thời gian thực v.v lĩnh vực đƣợc phát triển mạnh giới, cơng nghệ mô Việc “tái tạo” tƣợng, vật giới thực máy tính có nhiều tác dụng Trong giải trí, giúp xây dựng đƣợc trò chơi sống động, gần gũi với ngƣời tạo sức lôi mạnh mẽ Trong xây dựng, việc dựng đƣợc mơ hình thực ảo cho phép có nhìn trực quan, xác để đƣa định, sáng kiến thiết kế công trình xây dựng đắn Trong giáo dục, thí nghiệm, ví dụ đƣợc mơ tả sát thực máy tính giúp cho ngƣời học hứng thú hơn, kiến thức đƣợc thể rõ hơn, trực quan hơn, đầy đủ “Thực ảo” lĩnh vực nhằm mô giới thực ngƣời vào máy tính, mà ngƣời tƣơng tác cảm nhận nhƣ giới thực Để mô đƣợc giới thực máy tính, thiết môi trƣờng giới thực cần đƣợc mô phỏng; đó, nƣớc chất liệu phổ biến quan trọng Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 Trong ngành liên quan nhiều đến nƣớc nhƣ: Tàu thuỷ, du lịch, giải trí, cứu hoả… Đặc biệt ngành thuỷ lợi, đê điều, việc mô nƣớc hiệu ứng có ý nghĩa Nó giúp mơ tƣợng thủy lực để đƣa đến nhìn trực quan cho ngƣời học Nó cho thấy xác trƣờng hợp xói lở bờ tính đƣợc lực tác dụng tƣơng ứng; trạng thái chuyển động khác nƣớc chịu tác dụng lực khác Chúng ta dựng đƣợc mơ hình đập ảo, kênh ảo, hệ thống thủy nơng từ thiết kế tính tốn đƣợc xác trạng thái dòng chảy tƣợng mà gây ra… Để từ nhà thiết kế, nhà quản lý dự án đƣa đƣợc định xác việc xây dựng cơng trình thủy lợi, tránh trƣờng hợp đáng tiếc xảy Xuất phát từ thực tế đó, luận văn lựa chọn đề tài “Mô nƣớc công nghệ thực ảo” Mục tiêu luận văn là: Nghiên cứu số kỹ thuật mô nƣớc nhằm ứng dụng cho việc xây dựng mơ hình chiều Thực ảo Cấu trúc luận văn gồm Phần mở đầu, Phần kết luận Chƣơng nội dung, cụ thể nhƣ sau:  Chƣơng 1: Khái quát thực ảo mô nƣớc Trong chƣơng giới thiệu tổng quan trình phát triển lĩnh vực ứng dụng Thực ảo, đồng thời cung cấp nhìn tổng quan mô nƣớc hệ Thực ảo Chƣơng sâu phân tích tính chất vật lý, hiệu ứng nƣớc để làm sở cho trình bày phƣơng pháp mô nƣớc chƣơng  Chƣơng 2: Một số kỹ thuật mơ nƣớc Chƣơng trình bày kỹ thuật mà giới phát triển kỹ thuật Physically-based kỹ thuật Particle-base Mỗi kỹ thuật có cách tính, ƣu điểm nhƣợc điểm riêng Từ cho hiểu biết mô nƣớc, tiếp xúc với phần mềm công cụ hỗ trợ xây dựng mô hình 3D ta dễ dàng biết đƣợc họ dùng kỹ thuật để tạo hiệu ứng nƣớc  Chƣơng 3: Ứng dụng mô nƣớc Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 Trình bày số ứng dụng mô nƣớc Thực ảo chƣơng trình thử nghiệm cho kỹ thuật mơ nƣớc đƣợc hệ thống chƣơng Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 Chƣơng KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG NƢỚC 1.1 KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO 1.1.1.Thực ảo gì? Theo cách truyền thống, việc tƣơng tác với máy tính đƣợc thực thơng qua thiết bị nhƣ bàn phím, chuột hay joystick/trackball để cung cấp thông tin đầu vào sử dụng khối hiển thị trực quan (VDU) để nhận thông tin đầu từ hệ thống Với đời hệ thống Thực ảo (Virtual Reality-VR), phƣơng thức giao tiếp đƣợc phát triển cho phép ngƣời sử dụng tƣơng tác cách tích cực với máy tính Thực ảo cơng nghệ sử dụng kỹ thuật mơ hình hố đối tƣợng không gian ba chiều với hỗ trợ thiết bị đa phƣơng tiện xây dựng giới mô máy tính – mơi trƣờng ảo (virtual environment) Trong giới ảo này, ngƣời sử dụng khơng cịn đƣợc xem nhƣ ngƣời quan sát bên ngoài, mà thực trở thành phần hệ thống Một cách lý tƣởng, ngƣời sử dụng tự chuyển động không gian ba chiều, tƣơng tác với vật thể ảo, quan sát khảo cứu giới ảo góc độ khác mặt khơng gian Ngƣợc lại, mơi trƣờng ảo lại có phản ứng tƣơng ứng với hành động ngƣời sử dụng, tác động vào giác quan nhƣ thị giác, thính giác, xúc giác ngƣời sử dụng thời gian thực tuân theo quy tắc vật lý tự nhiên, làm có cảm giác nhƣ tồn giới thực 1.1.2 Sơ lƣợc lịch sử phát triển thực ảo Mặc dù Thực ảo đƣợc mô tả nhƣ công nghệ mang tính cách mạng, nhƣng ý tƣởng việc nhúng ngƣời sử dụng vào môi trƣờng nhân tạo không cịn Thực ảo đƣợc xem nhƣ mở rộng ý tƣởng đời lâu nhƣ hệ thống mô bay (flight simulation), rạp chiếu phim ảnh rộng (nhƣ Cinerama hay IMAX) Sử Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 50 chạm đƣợc xác định d nhỏ bán kính va chạm R Ngƣời ta đề xuất bƣớc cho q trình tƣơng tác nhƣ sau: Và thuật tốn tƣơng tác particle-body nhƣ sau: Thuật toán 6:  Trong bƣớc đầu (từ dịng đến 7), vị trí phần tử (body position) đƣợc chuyển lên phía trƣớc lực đẩy phụ thuộc vào phần sắc xảo (penetrating particles) đƣợc tích luỹ trọng lực vào nhớ tạm  Trong bƣớc thứ (từ dòng đến 11), vận tốc v vận tốc góc ω body đƣợc cập nhật sử dụng lực vận tốc góc tích lũy Những bodies đƣợc tiến xa lần từ cấu hình ban đầu tùy theo vận tốc chúng, nhƣng vị trí particles va chạm chƣa đƣợc thay đổi Thông Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 51 thƣờng, va chạm trạng thái tiếp xúc đƣợc giải tiếp sau đó, bodies vƣơn tới vị trí vận tốc cuối chúng  Trong bƣớc (từ dịng 12 đến 15), update vị trí particles để loại bỏ trình thâm nhập vận tốc Trong bƣớc cuối cùng, body đƣợc coi nhƣ có tính ì vô hạn Sức đẩy (impulses) phụ thuộc vào body-particle va chạm đƣợc dựa phục hồi kiểu va chạm zero-restitution với ma sát lớn Mơ hình yêu cầu vận tốc particle vi đƣợc tính sử dụng chênh lệch vị trí particles particles trƣớc Sau đó, tính vận tốc tƣơng đối particles: V = V i - Vρ Vρ : vận tốc body điểm tiếp xúc Vận tốc đƣợc tách thành thành phần pháp tuyến tiếp tuyến Xung lực dòng dòng 13 khử vận tốc tiếp tuyến vận tốc pháp tuyến Ở đây, μ tham số va chạm: μ = μ = Trong vài trạng thái khó, ví dụ particles đối tƣợng bắt đầu bƣớc, việc xóa bỏ q trình xâm nhập vận tốc Ngƣời ta giải vấn đề cách sử dụng trƣờng khoảng cách để rút particles bị xâm phạm cuối giai đoạn va chạm (dịng 15) Khi bình thƣờng với phát va chạm dựa trƣờng khoảng cách, va chạm bị bỏ qua đối tƣợng mỏng khía cạnh vận tốc vật Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 52 2.2.5.2 Tính nhớt (stickness) tƣơng tác với đối tƣợng Nhƣ mô tả, particles tách rời khỏi đối tƣợng Chúng ta thực phƣơng pháp đơn giản để gắn (dính) chúng lại với phía dƣới bề mặt ngang Ý tƣởng thay đổi xung lực tính phƣơng trình (11) cách thêm vào sức hút cho particles gần đối tƣợng D i khoảng cách đối tƣợng bề mặt particles xung đột Sự thúc đẩy lực hút xảy di nhỏ khoảng cách cố định dstick Để tránh vật mẫu hố (artifacts), ví dụ nhƣ particles nhảy lên bề mặt dstick phải lực giữ đủ nhỏ để tƣơng tác particles nằm miền h Chúng ta sử dụng cơng thức: Nó đạt giá trị lớn khoảng cách dstick/2 Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 53 Chƣơng ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG NƢỚC 3.1 MÔ PHỎNG NƢỚC TRONG CÁC HỆ THỰC TẠI ẢO Nƣớc đối tƣợng quan trọng hệ Thực ảo, hệ Thực ảo có hoạt động diễn mơi trƣờng có nƣớc, ví dụ: hệ thống mơ tập lái tàu thuỷ (Đại học GTVT HCM), hệ thống mô tập lái xe lội nƣớc (Công ty CadPro-Việt Nam), hệ thống mô chất lƣợng nƣớc hồ Tây (Viện khoa học Cơng nghệ Mơi trƣờng).v.v… Hình 3.1: Hệ thống tập lái tầu thuỷ trƣờng ĐH GTVT HCM Nếu nhƣ hệ mô phải mua từ nƣớc ngồi phải bỏ lƣợng tiền lớn, khoa học nƣớc lại cơhội nghiên cứu Mua nƣớc Mua Loại thiết bị mơ ngồi nƣớc (đơn vị: triệu (đơn vị: triệu USD) USD) Buồng lái tàu thủy 12 - 50 2,2 - 8,6 Số đơn vị trang bị Số lƣợng thiết bị 10 20 Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 54 Buồng máy tàu thủy 5,6 - 12 - 3,4 10 20 Dạy lái tàu hỏa 11 - 22 2,2 - 6,6 20 Dạy lái ô tô 0,67 - 1,35 0,25 - 0,58 22 Nếu nhƣ hệ thống tập lái tàu thủy hay tập lái xe lội nƣớc , mô nƣớc tập trung vào hiệu ứng bề mặt, thể đƣợc hiệu ứng sóng nƣớc, nƣớc chảy, ánh sáng, màu sắc…Thì hệ mơ tính chất nƣớc lại tập trung vào mơ thuộc tính cụ thể nƣớc: độ trong, chất lơ lửng nƣớc, độ sánh, sinh vật nƣớc… Hình 3.2: Thể hiệu ứng mặt nƣớc đƣợc tạo Chính tùy thuộc vào u cầu tốn mà ta lựa chọn kỹ thuật mô cho phù hợp Kỹ thuật Physically-based có ƣu điểm mơ nƣớc có kích thƣớc nhỏ, góc độ quan sát nhỏ mô giọt nƣớc Kỹ thuật đảm bảo mô mặt nƣớc thật, tốt thể tính chất vật lý nƣớc nhƣ sức căng bề mặt, độ dính bám, hình thể đa dạng giọt nƣớc chuyển động Nhƣng nhƣợc điểm khối lƣợng xử lý nhiều, tốn nhiều dung lƣợng nhớ khó khăn muốn thể bề mặt rộng lớn mặt nƣớc Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 55 Hình 3.3: Hiệu ứng chuyển động vật rơi xuống nƣớc Ngƣợc lại, Kỹ thuật Particles-based dựa phần tử đa giác hay khối hình Polygon để tạo thành bề mặt nƣớc, không tốt dùng để thể nƣớc có kích thƣớc nhỏ trơng khơng thật khó khăn việc tạo hiệu ứng bề mặt, nhƣng với bề mặt rộng lớn kỹ thuật tỏ ƣu điểm vƣợt trội Nó thể tốt mặt nƣớc với đầy đủ hiệu ứng nhƣ sóng nƣớc, giao thoa sóng nƣớc, nƣớc chảy, hiệu ứng in bóng nƣớc phản chiếu ánh sáng.v.v… Hình 3.4: Thể mặt nƣớc lƣới đa giác phƣơng pháp Particle-Base Xây dựng mơ hình giới ba chiều khâu quan trọng quy trình xây dựng hệ thống Thực ảo.Từ hệ thống để bàn đến dạng hệ hỗ trợ nhúng hồn tồn, mức độ xác tinh tế hình ảnh Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 56 lập thể không gian ảo ảnh hƣởng khơng nhỏ tới mức độ cảm nhận tính thực ngƣời sử dụng giới ảo Trên giới có nhiều cơng cụ phần mềm hỗ trợ xây dựng ứng dụng đồ hoạ nói chung xây dựng mơ hình nƣớc Thực ảo nói riêng Do vậy, việc lựa chọn cơng cu ̣ phầ n mề m thích hợp mặt tính giá thành vấn đề đáng quan tâm đầu tƣ xây dựng hệ thống Thực ảo Mỗi phầ n mề m đề u có nhƣ̃ng ƣu điể m và nhƣơ ̣c điể m riêng Bài luận văn đƣa số đánh giá khách quan phần mềm phổ biến thông qua việc tập hợp ý kiến chuyên gia sử dụng công cụ phần mềm Hiện tại, nói đến phần mềm hỗ trợ xây dựng mơ hình lập thể, ta phải đề cập đến phần mềm phổ biến nhƣ Maya , 3D Studio Max , Softimage, Renderman, Houdini và LightWave , Hình 3.5: Thể dòng nƣớc chảy phần tử lập thể particles Dƣới là biể u đồ thể tƣơng quan tính phổ biến phần mềm nói dựa sở yêu cầu kinh nghiệm sử dụng phần mềm mơ hình hố ba chiều công ty tuyển nhân viên chuyên xây dựng giới đồ hoạ ba chiều Thố ng kê đƣợc tiến hành 3DRender Ở Việt Nam kết nghiên cứu thực ảo mô nƣớc hạn chế nhƣng với chiến lƣợc phát triển tốt bƣớc hƣớng định ngày tạo đƣợc hệ thống mô lớn sánh ngang với hệ mô giới, không đủ cung cấp cho nhu cầu Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 57 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Maya 3D Studio Max Softimage Renderman Houdini LightWave Hình 3.6: Biểu đồ so sánh mức độ yêu cầu kinh nghiệm phần mềm hỗ trợ xây dựng mơ hình lập thể thiết kế đồ hoạ 3D chuyên nghiệp 3.2 CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM Trong luận văn cài đặt thử nghiệm thuật tốn mơ nƣớc Physically-Based vaf Particle - Base ngơn ngữ lập trình C# NET phiên Microsoft NET 2003 3.2.1 Kỹ thuật Physically-Based a) u cầu: Hình 3.7: Mơ mặt hồ kỹ thuật Physically-Based Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 58 Xây dựng chƣơng trình Demo mơ mặt hồ với hiệu ứng in bóng nƣớc, hiệu ứng sóng nƣớc chƣơng trình có khả sẵn sàng tích hợp hệ Thực ảo b) Phân tích tốn, xác định vấn đề Mơ nƣớc tốn tƣơng đối khó Nhƣng tính cấp thiết tầm quan trọng Thực ảo lại vấn đề cấp thiết cần làm Bài tốn mơ nƣớc có hai hƣớng tiếp cận :  Phƣơng pháp giả mô phỏng: ta dùng kỹ thuật xử lý ảnh để tạo đối tƣợng hiệu ứng giả đánh lừa mắt nhìn ngƣời Ví dụ, nhƣ biến đổi ảnh khơng gian 2D thành hình ảnh vật nhƣ không gian 3D, hay phƣơng pháp Texture  Phƣơng pháp mô thật: dùng kỹ thuật tạo đối tƣợng hiệu ứng dựa sở khoa học thuật toán biểu diễn tính chất vật lý đối tƣợng hàm biến đổi để thể đối tƣợng cách xác Với toán nêu luận văn chọn hƣớng tiếp cận thứ nhất: giả mô để thể mặt nƣớc với hiệu ứng sóng, in bóng Nƣớc có nhiều hiệu ứng khác nhƣ đƣợc đề cập phần 1.2.2 mục luận văn lựa chọn số hiệu ứng mặt nƣớc để giải yêu cầu, là: tạo mặt nƣớc động có sóng, hiệu ứng phản chiếu ánh sáng, in bóng nƣớc, độ màu sắc mặt nƣớc Chƣơng trình mơ mặt nƣớc phải thể đƣợc u cầu phải có tính thẩm mỹ đủ làm hài lịng ngƣời quan sát Có thể mở rộng tạo số tƣơng tác điều khiển lên đối tƣợng mặt nƣớc làm cho mặt nƣớc sinh động có khả sẵn sàng tích hợp hệ mô Thực ảo Qua việc tìm hiểu quy trình mơ hiệu ứng mặt nƣớc yêu cầu đặt cao phải nắm đƣợc quy trình xây dựng hệ Thực ảo Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 59 c) Giải vấn đề Qua phân tích để xác định rõ yêu cầu toán, luận văn đề cập đến giải toán cách sử dụng kỹ thuật Physically-Based thể yêu cầu hiệu ứng mặt nƣớc nhƣ đề Sử dụng ngôn ngữ Visual C # để xây dựng chƣơng trình demo Chia nhỏ tốn mơ mặt nƣớc thành hai phần nhỏ để giải hai yêu cầu toán Cụ thể nhƣ sau: - Hiệu ứng in bóng nƣớc: dùng phép chiếu ảnh để lấy ảnh đối ngẫu với ảnh gốc ban đầu (mọi thao tác diễn ảnh đối ngẫu này) - Mặt nƣớc dao động: chia mặt nƣớc (ảnh đối ngẫu) thành dãy đƣờng kẻ ngang ảnh với bề rộng nhỏ chiều dài chiều dài ảnh Sử dụng vòng lặp để điều khiển việc vẽ lại đƣờng kẻ từ ảnh gốc, vòng lặp chịu trách nhiệm tạo hiệu ứng sóng Nó tạo thay đổi từ ảnh nguồn tới ảnh đích với hiệu ứng sóng đƣợc xây dựng việc chép đƣờng kẻ Thay chép đƣờng từ ảnh nguồn, xây dựng hàm mà giá trị thay đổi dựa hàm sine (tỷ lệ chiều dài cạnh đối diện với góc nhọn chiều dài cạnh huyền) Đó chép từ bên sang bên sinh hiệu ứng sóng nƣớc Trong thực tế, thay đổi đơn giản tạo gợn sóng cho ảnh mà khơng tạo đƣợc hiệu ứng cho bề mặt hồ nƣớc Do muốn có nhiều sóng phải tạo đƣợc nhiều thay đổi vị trí nhiều dịng kẻ Kích thƣớc độ dịch chuyển biến đổi dựa theo vị trí tọa độ y (dựa theo chiều dọc ảnh) đƣờng kẻ Các đƣờng gần với phần ảnh thay đổi đƣờng phần dƣới ảnh Điều giúp cho việc phối cảnh trở lên chân thực d) Kết Nhƣ với việc sử dụng kỹ thuật Physically-Based luận văn mô đƣợc mặt hồ với hiệu ứng nhƣ hiệu ứng in bóng nƣớc, hiệu ứng sóng nƣớc… Với tốn mơ bề mặt lớn nhƣ mặt hồ, kỹ thuật Physically-Based thực thích hợp để mơ Tuy nhiên, gặp khó khăn kỹ thuật Physically-Based chủ yếu dựa vào mơ tồn Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 60 bề mặt theo lƣới phần tử cách đồng Để mô mặt nƣớc có điều kiện ngoại lực tác động, điểm chịu ngoại lực tác động điểm phát sinh sóng luận văn đề cập đến việc sử dụng kỹ thuật ParticleBased Kỹ thuật trực dõi phần trình phần tử di chuyển qua miền trống 3.2.2 Kỹ thuật Particle-Based a) u cầu: Xây dựng chƣơng trình Demo mơ mặt nƣớc với hiệu ứng sóng nƣớc xuất chịu ngoại lực b) Phân tích tốn, xác định vấn đề Những vấn đề cần giải toán giống với toán Tuy nhiên cần xét đến yếu tố khác biệt: tốn u cầu phát sinh hiệu ứng sóng có kiện ngoại lực tác động c) Giải vấn đề Để giải toán luận văn sử dụng hƣớng tiếp cận nhƣ toán giả mô Kỹ thuật mô nƣớc đƣợc dùng kỹ thuật ParticleBased Sử dụng ngôn ngữ Visual C# để xây dựng chƣơng trình demo Với việc mơ tả hiệu ứng sóng chịu ngọai lực tác động, cần giải việc sau: - Ngoại lực tác dụng đƣợc thể thông qua kiện di chuyển trái chuột Một vịng trịn với bán kính radius độ cao height đƣợc tạo hàm PutDrop(x,y,height) - Phát sinh sóng: sóng đƣợc sinh phát triền từ đƣờng tròn trung tâm, lan sang điểm lân cận theo vòng tròn với bán kính lớn dần Sóng đƣợc xuất nằm phạm vi ảnh - Thời gian sống sóng phụ thuộc vào yếu tố: sóng lan xa, bƣớc sóng lớn độ mạnh sóng lại giảm Mỗi lần sóng lên Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 61 xuống, lƣợng đƣợc phân bố theo khu vực tƣơng ứng Có nghĩa là, cƣờng độ sóng giảm theo đƣờng sóng Sử dụng yếu tố gọi damping để điều khiển việc Yếu tố lƣợng phần trăm(%) cƣờng độ sóng đƣợc trừ cho cƣờng độ để khiến cƣờng độ cao biến nhanh cƣờng độ nhẹ từ từ d) Kết Mô thành cơng mặt nƣớc với hiệu ứng sóng xuất có ngoại lực tác động: Hình 3.8: Mơ hiệu ứng sóng nƣớc kỹ thuật Particle-Based Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 62 PHẦN KẾT LUẬN Trong trình tìm hiểu, nghiên cứu, thực đến hoàn thành Luận văn tốt nghiệp em bổ sung thêm cho nhiều kiến thức q giá Em tìm hiểu sâu hơn, đầy đủ tính chất vật lý chất lỏng nói chung nƣớc nói riêng Em có thêm kiến thức công nghệ thực ảo công nghệ mô phỏng, ứng dụng chúng Em phân biệt đƣợc hai cách rõ ràng thực đƣợc việc mô nƣớc hiệu ứng nƣớc Mơ nƣớc sử dụng cơng cụ có sẵn mô nƣớc thông qua phƣơng pháp phức tạp, chi tiết, phần em sâu vào nghiên cứu, tìm hiểu kỹ thuật mơ nƣớc hiệu ứng nƣớc kỹ thuật Physically – based kỹ thuật Particle – based Đặc biệt, qua luận văn với dẫn nhiệt tình thầy giáo hƣớng dẫn em học đƣợc cách tìm hiểu, phân tích nghiên cứu vấn đề khoa học Trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp, thân nỗ lực, cố gắng, đầu tƣ nhiều thời gian, cơng sức cho việc tìm hiểu nghiên cứu đề tài nhận đƣợc bảo, định hƣớng tận tình thầy giáo hƣớng dẫn anh, chị trƣớc nhƣng hạn chế mặt thời gian khó khăn việc tìm kiếm tài liệu nên chƣa có đƣợc kết thực hồn hảo Chƣa demo đƣợc cho kỹ thuật Physically - based Đã demo đƣợc cho kỹ thuật Particle - based nhƣng chƣa tìm đƣợc giải pháp tối ƣu, chƣơng trình cịn u cầu q nhiều nhớ ngồi địi hỏi cấu hình máy mạnh ((tốc độ máy > = 3GH, nhớ >= 1GB, card đồ họa >= 512 MB) Chƣa demo đƣợc hết tất hiệu ứng nƣớc Hƣớng phát triển: Với kết nghiên cứu trên, cộng với đầu tƣ thời gian công nghệ tƣơng lai việc thực mơ liên quan đến nƣớc khơng cịn vấn đề khó khăn Chúng ta dễ dàng thực đƣợc việc mơ xác nƣớc tƣợng nƣớc, nhƣ hiệu ứng âm chúng Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Văn Vĩnh (2006), Cơ học chất lỏng ứng dụng, NXB Giáo dục [2] Using Virtual Reality modelling to improve training techniques, http://www.ifip.or.at/con2000/iceut2000/iceut12-09.pdf [3] Virtual and Interative Environments for Workplaces of the future http://www.view.iao.fhg.de/IntrotoVR.htm [4] The Virtual Reality Laboratory (VRL) at the University of Michigan, http://www-vrl.umich.edu [5] P.J Costello Health and Safety Issues associated with Virtual Reality A Review of Current Literature - July 23rd, 1997, Patrick Costello Advanced VR Research Centre, Dept of Human Sciences, Loughborough University, Loughborough, Leicestershire, LE11 1NL [6] R.S Kalawsky Exploiting Virtual Reality Techniques in Education and Training: Technological Issues, A report prepared for AGOCG, Advanced VR Research Centre, Loughborough University of Technology [7] Nikos Avradinis, Spyros Vosinakis, Themis Panayiotopoulos Using Virtual Reality Techniques for the Simulation of Physics Experiments, Dept of Informatics, University of Piraeus, Knowledge Engineering Laboratory [8] MEDICAL APPLICATIONS of VIRTUAL REALITY - Richard M Satava, MD FACS Professor of Surgery, Yale University School of Medicine and Program Manager, Advanced Biomedical Technologies, Defense Advanced Research, Projects Agency (DARPA); CDR Shaun B Jones, MD, Associate Professor of Surgery, Uniformed Services University of Health Sciences (USUHS) and Program Manager, Pathogen Countermeasures, Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) [9] Applications of Virtual Reality, Marc Bernatchez, July 13th, 2004, http://vresources.jump-gate.com/applications/applications.shtml [10] Virtual Reality and Augmented Reality Research Areas, Center of Advanced Media Technology (CAMTech), University of Nanyang, Singapore, http://camtech.ntu.edu.sg/index.htm [11] Josh RobinsonMax VS Maya A direct comparision and analysis for Usage of Workplace, October, 11 2004 Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 64 [12] Particle-based Viscoelastic Fluid Simulation Simon Claves, Philippe Beaudoin, and Pierre Poulin, LIGUM, Dept.IRO University De Montreal [13] Một số Website: - http://www.iro.umontreal.ca - http://www.inria.fr - http://www.cco.caltech.edu - http://math.berkeley.edu - http://www.ann.jussieu.fr - http://vi.wikipedia.org - http://www.library.cornell.edu - http://math.fullerton.edu - http://www10.informatik.uni-erlangen.de - http://w3.impa.br Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỖ THỊ THANH TỒN MƠ PHỎNG NƯỚC TRONG CƠNG NGHỆ THỰC TẠI ẢO Chuyên ngành : Công nghệ phần mềm Mã số : 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Người hướng... từ thực tế đó, luận văn lựa chọn đề tài ? ?Mô nƣớc công nghệ thực ảo? ?? Mục tiêu luận văn là: Nghiên cứu số kỹ thuật mô nƣớc nhằm ứng dụng cho việc xây dựng mơ hình chiều Thực ảo Cấu trúc luận văn. .. VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG NƢỚC 1.1 KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO 1.1.1 .Thực ảo gì? 1.1.2 Sơ lƣợc lịch sử phát triển thực ảo 1.1.3 Một số lĩnh vực thực