Sử dụng thực tại ảo mô phỏng điểm đèn giao thông trên địa bàn tỉnh thái nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Lê Hữu Nhân SỬ DỤNG THỰC TẠI ẢO MÔ PHỎNG ĐIỂM ĐEN GIAO THÔNG TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH THÁI NGUYÊN Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60 48 01 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Đỗ Năng Tồn Thái Ngun, năm 2012 Cơng trình hồn thành : Trường Đai học Cơng nghệ thông tin Truyền thông – Đại học Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đỗ Năng Toàn Phản biện 1: TS Phạm Việt Bình Phản biện 2: TS Nguyễn Thế Quế Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: Vào hồi 10 ngày 10 tháng 11 năm 2012 Có thể tìm hiểu luận văn trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên Và thư viện Trường/Khoa: Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông 1 Đặt vấn đề Thái Nguyên có 4.500 km đường giao thơng Hàng năm địa bàn tỉnh có khoảng 1000 vụ tai nạn va chạm giao thông xảy Nếu tính bình qn tháng Thái Ngun có 19 người chết 100 người bị thương tai nạn giao thơng (TNGT). Theo số liệu phân tích Ban An tồn giao thơng tỉnh Thái Ngun, ngun nhân xảy tai nạn va chạm giao thông nêu nhiều nguyên nhân khách quan, chủ quan khác nhau, có nhiều nguyên nhân tồn điểm đen giao thông (Trên địa bàn tỉnh có 64 điểm đen giao thơng) Việc đẩy mạnh tăng cường công tác quản lý, phát xử lý kịp thời điểm đen TNGT cần thiết quan trọng góp phần giảm thiểu tối đa tai nan giao thơng địa bàn, xuất phát từ tình hình thực tiễn nêu trên: luận văn tập trung vào việc tìm hiều cơng nghệ thực ảo, tìm hiểu va chạm đối tượng tai nạn giao thông thực tế để mơ vào máy tính Luận văn gồm chương: Chương 1: Khái quát mô điểm đen giao thông; Chương 2: Một số kỹ thuật phát hiện, xử lý va chạm mô điểm đen giao thông; Chương 3: Ứng dụng mô tai nạn va chạm điểm đen giao thông Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Tình hình tai nạn va chạm giao thông địa bàn tỉnh Thái Nguyên số tỉnh có tuyến quốc lộ qua Thái Nguyên; Các điểm đen giao thông địa bàn tỉnh Thái Nguyên; số tai nạn va chạm giao thông điểm đen giao thông nói trên; Một số cơng nghệ, kỹ thuật mơ máy tính an tồn giao thơng đối phương tiên tơ bốn bánh Kỹ thuật lập trình 3D thực ảo tảng công nghệ lập trình Java Mục tiêu nghiên cứu Tìm hiểu khái niệm vấn đề liên qua đến mô mô điểm đen giao thông địa bàn tỉnh Thái Nguyên; Tìm hiểu số kỹ thuật tính tốn xử lý va chạm mơ phỏng; Cài đặt thử nghiệm tình giao thơng nguy hiểm điểm đen giao thông địa bàn tỉnh Thái Nguyên Hướng nghiên cứu đề tài Mơ ứng dụng mơ an tồn giao thơng Nội dung nghiên cứu Tìm hiểu, khái qt thực ảo mơ phỏng; Tìm hiểu, trạng kết cấu sở hạ tầng giao thơng an tồn giao thơng địa bàn tỉnh Thái Ngun; Tìm hiểu số kỹ thuật mơ xử lý va chạm phương tiện tham gia giao thông đen giao thông địa bàn tỉnh; Cài đặt thử nghiệm tình va chạm giao thơng điểm đen giao thông địa bàn tỉnh Thái Nguyên Phương pháp nghiên cứu Tim hiểu, nghiên cứu lý thuyết; Thông kê khoa học, phân loại; Thực nghiệm; Thông qua hướng dẫn thầy, cô giáo, chuyên gia có nghiên cứu thuộc ngành lĩnh vực liên quan đến đề tài Ý nghĩa khoa học đề tài Kết nghiên cứu đề tài làm rõ số kỹ thuật mô ứng dụng an tồn giao thơng Đồng thời làm sở giúp việc tổ chức triển khai ứng dụng phần mềm, hệ thống thông tin phục vụ công tác đảm bảo an tồn giao thơng địa bàn tỉnh nói riêng nước nói riêng Bố cục luận văn Ngồi thơng tin bảng vẽ, thuật ngữ phần mở đầu, luận văn trình bày với bố cục nội dung gồm: Đặt vấn đề Chương 1: Khái quát mô điểm đen giao thông; Chương 2: Một số kỹ thuật phát hiện, xử lý va chạm mô điểm đen giao thông; Chương 3: Ứng dụng mô tai nạn va chạm điểm đen giao thông Kết luận Tài liệu tham khảo CHƯƠNG I KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG VÀ ĐIỂM ĐEN GIAO THÔNG Chương I, luận văn tập trung vào trình bày khái quát nội dung mơ mơ máy tính gồm vấn đề mơ phỏng, mơ máy tính, thực ảo máy tính ứng dụng 1.1 Khái qt mơ 1.1.1 Mơ gì? Luận trình bày kết tìm hiểu khái niệm mô mô ứng dụng sống Luận văn đưa khái niệm khác nước, tài liệu công bố Trên sở đánh giá đưa khai niệm chung tài liệu hay sử dụng dễ hiểu nhất: Đó là: Mơ q trình “bắng chước” hệ thống (mơ hình, trạng thái, đối tượng) có thực 1.1.2 Mơ máy tính Tương tự ý trên, mục luận văn trình bày khái niệm mơ máy tính, có sử dụng hình ảnh 3D kết quả, thành tực nghiên cứu mô máy máy tính Luận văn tập trung nghiên tính, để làm rõ thêm khái niệm mơ Hình 1.1 Mơ 3D điểu kiển đèn tín hiệu giao thơng cứu, tìm hiểu, trình bày ứng dụng mơ máy tính ngành lĩnh vực y học, giao thơng, qn sự, kinh tế, văn hóa, giải trí…Luận văn trình bày nêu phương pháp mơ máy tính, phân tích khái qt hai phương pháp mơ là: Mơ nhân quả; Mô phi nhân 1.1.3 Thực ảo máy tính Mục này, luận văn trình bày khái quát lịch sử hoàn cảnh đời thực ảo, tình hình phát triển cơng nghệ thực ảo nay…Trình bày khái niệm thực ảo, công cụ phát triển, công cụ lập trình xây dưng hệ thống thực ảo… 1.1.4 Ứng dụng thực ảo máy tính Mục luận văn trình bày ứng dụng hệ thống thực ảo máy tính ứng dụng triển khai với môi trường thực ảo như: Lớp tốn thiết kế, quy hoạch mạng lưới giao thơng; Lớp tốn quản lý tính tốn thiết kế luồng giao thơng; Lớp tốn phát hiện, cảnh báo ng uy hiệm, điểm đen tai nạn giao thông ; Lớp Hình 1.2 Mơ 3D va chạm Oto tốn giảng dạy lĩnh vực giao thơng…; 1.2 Điểm đen tai nạn va chạm giao thông 1.2.1 Điểm đen giao thơng Mục trình bày khái niệm điểm đen giao thông theo luận Việt Nam, sau: Điểm đen tai nạn giao thông tuyến đường vị trí nguy hiểm (có thể nút giao thơng mức đoạn đường có chiều dài 500m) thường xảy tai nạn giao thơng cao mức bình thường có tính chất tương đối giống khoảng thời gian định 1.2.2 Tai nạn, va chạm giao thông điểm đen Hình 1.3 Một điểm đen giao thơng địa bàn tỉnh TN, Ảnh theo ngồn VOV 3 Luật Giao thông đường Việt Nam quy định: Tai nạn giao thông (TNGT) việc bất ngờ xảy đối tượng tham gia giao thông hoạt động tuyến đường bộ, đường sắt, đường thuỷ, đường hàng không địa bàn giao thông công cộng khác vi phạm quy định an tồn giao thơng gặp phải tình huống, cố đột xuất khơng kịp phịng tránh gây thiệt hại đến tính mạng, sức khoẻ người, đến tài sản phương tiện Như tai nạn, va chạm giao thông điểm đen giao thông việc bất ngờ xảy đối tượng tham gia giao thông vị trị nguy Hình 1.4 Tai nạn, va chạm giao thơng núi điểm đen tầm nhìn bị che khuất, ảnh theo ngồn Internet hiểm 1.2.3 Mô giao thông Mô giao thông cách ‘bắt chước’ hoạt động hệ thống gồm đối tượng tham gia giao thơng máy tính Dạng mơ vi mơ (microscopic simulation) dùng thông số đầu vào hệ thống hệ thống phương trình quy định hành vi ứng xử loại phương tiện giao thông để diễn tả lại trạng thái hệ thống giao thơng Việc mơ Hình 1.5 mơ hình quy hoạch phân luồng oto 3D hệ thống Carsim lập trình xử lý máy tính Có số mơ hình mơ giao thơng thương mại hóa phần mềm, ví dụ PARAMICS, VISSIM Như vậy: việc mô tai nạn, va chạm giao thông điểm đen gia thông phần hệ thống mô giao thông, mà kỹ thuật phát xử lý va chạm tính tốn, mơ khơng thể thiếu quan trọng 1.2.4 Các hệ thống phần mềm quản lý an tồn giao thơng Mục này, luận văn tập trung vào trình bày ứng dụng ngành giao thông hãng sản xuất phần mềm máy tính giới cung cấp thương mại hóa, ngành giao thông khai thác sử dụng như: ARCADY, PICADY, OSCADY PRO, TRANSYT, MOVA, MAAP, VISSIM…  CHƯƠNG II MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN, XỬ LÝ VA CHẠM 2.1 Mô điểm giao thơng Mục này, trình bày khái niệm điểm đen giao thông; mô tả liệu vào tốn mơ điểm đen giao thơng, kiến trúc Bài tốn quản lý mô điểm đen giao thông 2.2 Phát va chạm Định nghĩa [collision detection] : Cho không gian U với tập đối tượng O, thuật toán phát va chạm cho biết va chạm cặp đối tượng đôi C p ⊂ O x O x R3 với đối tượng o1,o2 cho biết điểm va chạm chúng p1,2 ∈ R3 2.3 Kỹ thuật phát va chạm dùng hộp bao AABB 2.3.1 Khái niệm Hộp bao AABB (Axis Aligned Bounding Box) hộp bao có dạng hình hộp chữ nhật, cạnh (trục) song song với trục toạ độ tương ứng bao lấy vật thể Hộp bao AABB bao gồm tâm C, ba hệ số a 0, a1, a2 tương ứng độ dài theo ba trục toạ độ hình hộp Hộp bao dạng đơn giản, dễ tạo thao tác kiểm tra va chạm Hộp bao loại tạo nhiều khoảng trống vật thể hộp bao, vật thể không nằm song song với trục toạ độ có dạng dài khoảng trống Hình 2.1 Hộp bao AABB, 2D lớn 2.3.2 Kỹ thuật dựng hộp bao AABB Xây dựng hộp bao loại đơn giản, hộp bao tạo điểm có toạ độ nhỏ lớn vật thể hình vẽ 2.3.3 Kỹ thuật xử lý phát va chạm Cho hai hộp bao AABB xác định [C1, a0,a1, a2] [C2, b0, b1, b2] với giả sử ai>0, Hình 2.2 Hộp bao AABB bj>0, i,j = 0,1,2 Để kiểm tra va chạm, xác định toạ độ cao thấp hộp bao Kí hiệu (x min1, ymin1, zmin1), (xmax1, ymax1, zmax1) toạ độ thấp cao hộp bao có tâm C1, Tương tự, ta tính (xmin2, ymin2, zmin2), (xmax2, ymax2, zmax2) toạ độ thấp cao hộp bao xác định tâm C2 Hai hộp bao AABB va chạm xảy bốn điều kiện sau: Để tìm điểm va chạm, có chọn điểm va chạm đỉnh tương ứng với bốn trường hợp a) Thuật toán tổng quát: Để kiểm tra hộp bao có va chạm với hay không ta sử dụng định lý sau: đối tượng lồi không giao tồn mặt phẳng P cô lập chúng Hình 2.3 Chiếu đối tượng lên Trong không gian chiêu R 3, hộp bao giao hình chiếu trục toạ độ chúng trục toạ độ x, y z phải giao Thuật toán: - Chiếu hộp bao (AABB) lên trục toạ độ x, y z Kết thu đoạn thẳng - Hoặc chiếu hộp bao (AABB) lên mặt phẳng toạ độ xOy, yOz zOx Kết thu hình chữ nhật - Kiểm tra giao đoạn thẳng chiếu lên trục toạ độ Nếu hình chiếu hộp bao giao trục toạ độ hộp bao giao Ngược lại chúng khơng giao - Nếu chiếu lên mặt phẳng toạ độ hộp bao giao hình chiếu hộp bao lên mặt phẳng toạ độ giao 2.4 Kỹ thuật phát va chạm dụng hộp bao theo hướng – OBB 2.4.1 Khái niệm OBB hộp bao AABB trục có hướng bất kỳ, hình vẽ 14, OBB có ưu điểm AABB giảm khơng gian trống vật thể hộp bao Loại hộp bao bao vừa dạng vật thể, không tối ưu vật thể có nhiều đỉnh cao hình vẽ 13 Hình 2.4 Hộp bao Một hình hộp OBB bao gồm tâm C, ba vector ⃗ A 0, ⃗ A 1, ⃗ A hướng hình hộp hướng - OBB hệ số độ dài tương ứng với kích thước hình hộp a >0, a1>0, a2>0 Khi đó, đỉnh hình hộp xác định: 2.4.2 Kỹ thuật xử lý phát va chạm a) Kiểm tra nhanh va chạm hai hộp OBBs Cho hai hình bao OBBs xác định thông số [C 0,A0,A1,A2,a0,a1,a2] [C1,B0,B1,B2,b0,b1,b2] Tập ứng cử viên trục cô lập tối đa 15 trục sau: - trục hướng hộp bao thứ - trục hướng hộp bao thứ hai - trục tạo tích có hướng trục thuộc hộp bao thứ trục thuộc hộp bao thứ hai Gọi trục lập có vector phương V qua tâm C hộp bao thứ có phương trình sau: d=⃗ C + t*⃗ V Trong đó: t – tham số; ⃗ V ⃗ Bj ⃗ Bj i,j=0,1,2 A i, ⃗ A i,⨂ ⃗ Gọi P điểm bất kỳ, hình chiếu P lên đường thẳng d với gốc C đoạn thẳng C0H xác định sau (hình 15) Hình 2.5 Hình chiếu P lên đường thẳng d Như vậy, chiếu đỉnh hộp bao thứ lên trục cô lập d với gốc C thu cặp đoạn thẳng có độ dài nằm hai phía so với C0 (hình 16), độ dài đoạn thẳng xác định sau: (2.1) Hình 2.6 Chiếu đỉnh hình hộp lên trục d Như vậy, khoảng cách nhỏ chứa đoạng thẳng (2.1) có tâm C bán kính r0 xác định sau: ⃗|, ta có: Đặt R0 =r* |V Tương tự, ta xác định hình chiếu đỉnh hộp bao thứ hai lên d với gốc C0 sau Với ⃗ D =⃗ C 1- ⃗ C0 Chú ý rằng, đoạn thẳng nhóm thành cặp đối xứng qua C1 Do vậy, khoảng cách nhỏ chứa đoạng thẳng (2.2) có tâm C1 bán kính R1 xác định sau: ⃗|, tương tự ta suy Đặt R1= r* |V Hai khoảng cách không giao nếu: (2.3) ⃗| Trong đó: R= C0C1* |V Hình 2.7 Kết chiếu hai hình hộp lên trục lập d Giải cụ thể phương trình trên, với vector ⃗ Bi ta viết thành: ⃗ A + C1i⃗ A + C2i⃗ A 2, với i=0,1,2 Bi=C0i⃗ Đặt: A=(A0, A1, A2); B=(B0, B1,B2) 6 (2.4) (2.5) Từ (2.4) (2.5) => cij=⃗ Ai * ⃗ A i, ⃗ Bj, hay cij tích vô hướng vector ⃗ Bj Mặt khác: từ B=C*A => A=CT*B →⃗ B0 + ci1⃗ B1 + ci2⃗ B2, với i=0,1,2 Như ta biết, tập trục cô lập ứng cử viên ⃗ V i= {⃗ B j, ⃗ Bj A i=ci0⃗ A i, ⃗ A i,⨂ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ }, với i, j = 0,1,2 Để tính tốn hệ số R 0, R1 ta minh họa cho hai trường hợp V = A i V = A i,⨂ ⃗ B ,j trường hợp lại tương tự Xét trường hợp: ⃗ V= ⃗ A0 Xét trường hợp: ⃗ V= ⃗ A 0,⨂ ⃗ B0 Hình 2.8 Tìm điểm va chạm hai điểm tiếp xúc Mặt khác: Viết lại ⃗ V dạng: Tiếp tục làm cho trường hợp lại, ta xác định giá trị cho R, R 0, R1 b) Tìm va chạm hai hộp OBBs Phát va chạm mức thứ chưa đưa xác điểm va chạm Trường hợp kết mức thứ cho ta biết có va chạm xảy phải chuyển sang mức hai để tìm xác điểm va chạm [9] Ý tưởng để tìm thời điểm va chạm sau: Nếu khơng tìm trục lập có nghĩa hai hộp bao va chạm với nhau, nhãn thời gian gán cho trục cô lập lần kiểm tra liền trước thời điểm mà hai hộp bao va chạm nhau, gọi T nhãn thời gian Khi đó, ta coi R = R0+R1(thời điểm hai hình hộp tiếp xúc nhau) Gọi P điểm tiếp xúc hai hộp bao suy tồn vector x = {x 0, x1, x2} y = {y0, y1, y2} cho: (2.6) Việc tìm điểm va chạm phụ thuộc vào trục cô lập ⃗ V thời điểm T trục số 15 trục cô lập ứng cử viên Ta xét trường hợp sau: Trường hợp 1: ⃗ V véctor ⃗ Ai Nhân hai vế (6) với vector ⃗ A i ta được: Đặt σ = Sign (⃗ Ai * ⃗ D ) => xi = σ * (R0+R1) + Thay giá trị R0, R1 bảng ta được: Nhân hai vế với σ ta được: (7) Thấy: (ai – σ *xi) ≥ (bj + σ * Sign (cij) * yj) ≥ Nếu cij=0, ứng với trường hợp cạnh va chạm mặt, mặt va chạm mặt, nhân hai vế (2.6) với vector ⃗ Bj được: Mặt khác, |yj| ≤ bj, nên ta có: Do ta cần chọn giá trị yj thuộc đoạn Trường hợp 2: ⃗ V véctor ⃗ Bj Tương tự trường hợp 1, ta tính được: Nếu cij=0, nhân hai (6) với ⃗ A , ta có: Tương tự, ta có: Khi đó, chọn xj thuộc đoạn sau làm điểm tiếp xúc Trường hợp 3: ⃗ V véctor ⃗ Ai ⨂ ⃗ Bj , để thuận tiện dễ trình bày, ta minh họa cho trường hợp ⃗ V =⃗ A0 ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⨂⃗ ⨂ = c – c = c + c , trường hợp khác tính tương tự Nhân hai (6) với B0 10 A 20 A Ai 01 B 02 B ⃗ Bj, ta được: (8) Lưu ý: theo hàng bảng 1, thì: Đặt σ = Sign ((⃗ A0 ⨂ ⃗ B0) * ⃗ D ), ta có (8) tương đương với: ⟷ |c20| * (a1 + σ *Sign(c20)*x1)+|c10|*(a2-σ *Sign(c10)*x2)+|c01|*(b2-σ *Sign(c01)*y2)+|c02|*(b1+σ *Sign(c02)*y1)=0 Ta thấy: (9) Để tìm x0, y0, nhân hai vế (6) với ⃗ A 0, ⃗ B0 Giải hệ phương trình trên, với hệ số y1, y2, x1, x2, ta tìm x0, y0 Đối với trường hợp ⃗ V ={ ⃗ A0 ⨂ ⃗ B1, ⃗ A0 ⨂ ⃗ B2, ⃗ A1 ⨂ ⃗ B0, ⃗ A1 ⨂ ⃗ B1, ⃗ A2 ⨂ ⃗ B0 ⃗ A2 ⨂ ⃗ B1, ⃗ A2 ⨂ ⃗ B2} tính tốn tương tự để tìm điểm tiếp xúc Cứ ta tính tiểm tiếp xúc trường hợp 2.5 Kỹ thuật phát va chạm sử dụng phương pháp Elipsoid 2.5.1 Không gian vector tịnh tiến vật thể không gian Phương pháp Elipsoid, sử dụng không gian vector thuộc dạng chuẩn, để đơn giản hố việc tính tốn Các Luật không gian vector phải đáp ứng: - Thỏa mãn luật cộng nhân Có nghĩa cho vector X, Y thuộc khơng gian vector xét Z = X + Y thuộc khơng gian Cho số thực r, X nằm khơng gian r*X thuộc khơng gian (Luật 1) - Tồn vector không V0 cho với vector X khơng gian V 0+X=X Với vector X X*0 = V0 (Luật 2) - Nó phải thoả mãn phép toán học chuẩn : luật kết hợp luật giao hoán (Luật 3) Tổ hợp tuyến tính vector khơng gian vector: vector nhận ta tổ hợp vector không gian vector phép cộng phép nhân với số vô hướng 2.5.2 Phát va chạm Ý tưởng: mô đối tượng giới thực Ellipsoid (hình bao Ellipsoid) Ellipsoid định nghĩa tâm bán kính theo trục tọa độ, hình vẽ Ý tưởng thuật toán tổng quát thực theo bước sau: Bước 1: Tính mặt phẳng chứa tam giác Bước 2: Tính điểm giao hình cầu chúng va chạm với mặt phẳng Bước 3: Tính điểm giao mặt phẳng hình cầu va chạm với mặt phẳng Bước 4: Tính tốn, điểm va chạm mặt phẳng nằm tam giác Nếu khơng ta phải tính lại điểm va chạm thực Bước 5: Nếu xảy khả điểm giao không thực khoảng cách tới điểm giao nhỏ độ lớn khoảng cách mà muốn di chuyển đối tượng, kiểm tra điểm va chạm gần Lưu thơng tin va chạm Thuật tốn kết thúc, tồn điểm va chạm gần nhất, thực lưu giữ thơng tin va chạm, thơng tin cần thiết để xử lý phản hồi (response) sau va chạm Khi tồn q trình phát xử lý va chạm kết thúc, ta chuyển toàn kết vào không gian R chuẩn để kết cuối cùng, cập nhật vị trí đối tượng a) Triển khai thực thuật toán tổng quát trên: (1) Tính mặt phẳng chứa tam giác Giả sử ta có mặt phẳng chưa tam giác ABC Chọn A làm gốc ta có vector khơng song song tính cơng thức: v1 = B – A v2 = C – A Vector pháp tuyến tính tích có hướng vector v 1,v2 (2) Tính điểm va chạm giả định hình cầu (cầu đơn vị) Hình Tính mặt phẳng chứa tam giác Tính điểm giao hình cầu (trước di chuyển hình cầu) tịnh tính (giả định) mặt phẳng tới làm mặt phẳng tiếp diện với mặt cầu tiếp điểm giao điểm xảy va chạm.Thuật toán thực là: eIPoint = source – pNormal (3) Tính điểm va chạm giả định nằm mặt phẳng Hình Tìm điểm va chạm giả định Để tìm điểm này, ta kéo tia từ điểm nằm mặt cầu dọc theo vector vận tốc, tia cắt mặt phẳng đầu điểm giao Cịn điểm nằm mặt cầu điểm ta vẽ bán kính mặt cầu song song ngược chiều với vector pháp tuyến mặt phẳng, hình vẽ 21 Hình Tính điểm va chạm giả định nằm mặt phẳng Thấy điểm va chạm điểm mà tập điểm, phải chọn điểm nằm mặt phẳng điểm ta vẽ bán kính theo hướng vector pháp tuyến mặt phẳng, bán kính giao với mặt phẳng điểm điểm điểm cần tìm Việc thực mặt phẳng cắt mặt cầu Hình điểm va chạm tập điểm (4) Tính tốn điểm giao thực Nếu tồn điểm giao thực, điểm mà hình cầu va chạm với tam giác, có trường hợp xảy ra: điểm va chạm nằm tam giác xét nằm tam giác (thuộc mặt phẳng) - không xét trường hợp mặt cầu không va chạm với mặt phẳng Ý tưởng thuật toán kiểm tra điểm nằm tam giác: Giả sử ta có điểm P bất kì, nối điểm P với đỉnh tam giác ABC, đó: Nếu P nằm tam giác ABC : ^ APB ^ = 360o; Nếu P nằm tam giác ABC : + ^ BPC + CPA ^ ^ < 360o APB + ^ BPC + CPA Lưu ý: tích vô hướng vector đơn vị cosin góc chúng Hình Kiểm tra điểm nằm tam giác Như vậy, trường hợp điểm va chạm nằm ngồi tam giác, tính tốn điểm nằm cạnh tam giác gần với điểm va chạm giả định Ta thực hạ đường vng góc từ điểm va chạm giả định xuống cạnh tam giác, lấy đường vng góc có độ dài nhỏ nhất, chân đường vng góc nằm cạnh tam giác chân đường vng góc điểm cần tìm Ngược lại ta lấy đỉnh gần cạnh ứng với đường vng góc Hình Kiểm tra điểm va chạm xác nhận điểm va chạm (5) Va chạm xảy Ở bước ta thực được: Khoảng cách tới điểm va chạm (nếu có); Điểm va chạm mặt cầu; Điểm va chạm tam giác Trước hết, thấy va chạm xảy khoảng cách tới điểm va chạm phải nhỏ quãng đường di chuyển hình cầu (độ lớn vector vận tốc) Ta xét riêng với tam giác tại, lúc di chuyển va chạm với tam giác khác… 2.6 Phát va chạm đối tượng di chuyển 10 Giả sử hai đối tượng (mà ta coi hình hộp) C C1 chuyển động với gia tốc khác Ta xây dựng lớp hình hộp chứa thông tin cần thiết đối tượng như: toạ độ tâm hình hộp, vector hướng, độ dài chiều hình hộp, gia tốc chuyển động, vận tốc chuyển động, trọng lượng hình hộp,… Những thơng số cịn gọi thơng số trạng thái đối tượng Khi đối tượng chuyển động với thơng số riêng Giả sử thời điểm t0 ta có vector trạng thái đối tượng, sang thời điểm t1 > t0 vector trạng thái đối tượng tính tốn phương pháp lấy tích phân số gần [5] Có hai phương pháp tính tích phân số hay dùng phương pháp Euler Runge–Kutta Fourth Phương pháp Euler đơn giản, sai số lớn cho độ xác tốt ∆ t = t1 - t0 lớn, ngược lại ∆ t bé phương pháp Runge–Kutta Fourth4 lại cho độ xác cao 2.7 Xử lý hiệu ứng meo mó, biến dạng sau va chạm Như ta biết toàn va chạm vật nói chung hay tai nạn, va chạm nói riêng, bước phải xử lý sau va chạm Sau va chạm vật (oto với oto, oto với xe máy…) đối tượng (vật thể) xét hình dạng, có cịn ban đầu khơng? hay biết dạng? biết dạng nào?… Cơ sở để tạo nên tính thực động vật lý (Physics Engines), Engine vật lý xây dựng chi tiết làm tăng tính thực hệ thống tương tác 2.7.1 Tư tưởng thuật tốn Hình Hỉnh ảnh méo mó, biến Cách tiếp cận cho vấn đề sử dụng kĩ thuật bóp méo tự [10, 17] (Free Form Deformation) Với đối tượng, tìm hình bao AABB dạng sau va chạm bao quanh - Trên hình bao AABB này, lập lưới (lattice) điểm điều khiển Số lượng điểm điều khiển chiều tuỳ ý, giả sử chúng Nu,Nv,Nw Tổng số điểm điều khiển N = Nu*Nv*Nw; - Từ điểm điều khiển này, ta xây dựng mộ t đường bao B-Splines 3D, đều, tuần hoàn qua điểm điều khiển trên; - Với đối tượng, bổ sung thuộc tính độ cứng chúng (stiff); - Khi hai đối tượng A, B va chạm nhau, ta lấy thông tin điểm va chạm xung ảnh hưởng lên đối tượng Từ điểm va chạm, ta tìm điểm điều khiển gần điểm va chạm phạm vị bán kính R Sau xác định độ chuyển dịch cho điểm điều khiển tác dụng xung vừa tính Mối liên hệ xung độ cứng đối tượng tương tự mối quan hệ lực với độ cứng lò xo Vì vậy, ta áp dụng mối liên hệ để tính tốn độ chuyển dịch cho điểm điều khiển - Khi tính tốn độ chuyển dịch cho điểm điều khiển, tiếp tục tính toán ảnh hưởng điểm thuộc bề mặt đối tượng theo nguyên lý hàm B- Splines [1,18] 2.7.2 Đường cong B-Splines a) Tổng quan đường cong Giả sử điểm không gian biểu diễn dạng vector tham số p(t) Với đường cong 2D, C(t) = (x(t), y(t)) đường 3D, C(t) = (x(t), y(t), z(t)) Để xây dựng đường cong C(t), ta dựa dãy điểm cho trước tạo giá trị C(t) ứng với giá trị t Việc thay đổi điểm làm thay đổi dạng đường cong Phương pháp tạo đường cong dựa dãy bước nội suy tuyến tính hay nội suy khoảng (In-Betweening) Giả sử đường cong Bezier C tạo từ (n+1) điểm kiểm soát P0, P1, P2, …, Pn Kí hiệu tọa độ điểm kiểm sốt Pi(xi, yi, zi) 0≤ k ≤n Tập hợp điểm kiểm soát ta gọi đa giác kiểm sốt (control polygon) Khi điểm đường cong Bezier C tính theo cơng thức [10]: Trong (2.4.1) (2.4.1.) gọi cơng thức Bernstein bậc n, cịn gọi hàm trộn (blending function) tạo đường cong cách pha trộn điểm P0, P1, P2, …, Pn Dựa tính chất hàm Spline, ta dùng hàm trộn để tạo đường cong C(t) dựa điểm kiểm sốt P0, P1, ,Pn Khi đó: Tổng quát, ta xây dựng đường cong C(t) với n điểm kiểm soát cách với điểm kiểm soát Pi , ta có hàm trộn tương ứng Ri(t) tập nút gọi vector nút T = (t0, ti, , tz) với ti ∈ R, ti ≤ ti+1 Khi đó: 11 Các đoạn đường cong riêng phần gặp điểm nút làm cho đường cong liên tục Ta gọi đường cong đường cong Spline b) Đường cong B-Spline Hàm sở: Cho trước vector nút T = (t0, ti, ,tz) với ti ∈ R, ti ≤ ti+1, tồn họ hàm trộn cho chúng phát sinh đường cong Spline định nghĩa vector nút Một họ hàm gọi sở cho Spline Với vector có nhiều họ hàm vậy, đặc biệt có họ hàm trộn có đoạn mang giá trị khác nhỏ B-Spline Đối với hàm B-Spline, đa thức riêng phần tạo có bậc m Do đó, thay dùng ký hiệu Ri(t) cơng thức Cho hàm riêng phần ta ký hiệu hàm trộn Nk,m(t) Khi đó, đường cong B-Spline bậc m-1 xây dựng dựa vector nút T (n + l) điểm kiểm sốt Pi có dạng : Trong đó: Ni,m(t) gọi hàm Cox-de Boor hay hàm sở B-Spline có cấp m (order m) bậc (m-1) (degree m1) phương pháp chuẩn để định nghĩa hàm sở B-Spline Ni,m(t) cho cơng thức đệ quy: Hình Đường cong B-Spline, m=2 c) Mặt cong B-Spline Giả sử ta có mảng (N+1).(K+1) phần tử Các điểm kiểm soát P ij, với ≤ i ≤ n, ≤ j ≤ l tạo thành khối đa diện kiểm sốt Khi điểm mặt cong B-Spline S tính theo cơng thức: Khối đa diện kiểm sốt có (N+l).(K+l) đỉnh u v, biến thiên từ tới giá tri lớn nút vector nút tương ứng chúng Hình 2.6 sau đâu biểu diễn mặt cong B-Spline Thông thường để thiết kế, người ta dùng B-Spline cấp (tức cubic B-Spline) việc chọn số điểm kiểm sốt khơng hạn chế (số lượng điểm không ảnh hưởng đến bậc đa thức đường cong Bezier) nên tạo dạng mặt cong phức tạp Hình Mặt cong BSpline CHƯƠNG III ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG TAI NẠN VA CHẠM CỦA PHƯƠNG TIÊN Ô TÔ TẠI ĐIỂM ĐEN GIAO THÔNG TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH THÁI NGUYÊN 3.1 Tổng quan kết cấu sở hạ tầng an tồn giao thơng địa bàn tỉnh Thái Ngun Mục Luận văn, trình bày tóm tắt điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội tỉnh Thái Nguyên, đặc điểm địa hình…Luận văn trình bày trạng kết cấu hạ tầng giao thông tỉnh như: Mạng lưới giao thông đường bộ, đường thủy, đường sắt, tình hình tổ chức giao thơng; trạng phương tiên giao thơng 3.2 Hiện trạng an tồn giao thơng điểm đen giao thơng Diễn biến tình hình tai nạn giao thông từ năm 2006-2010 12 Vụ TNGT Năm Số So sánh với vụ kỳ +/- % Số người chết Người chết Số Người bị thương So sánh với người So sánh với bị kỳ kỳ +/- % thương +/- % 2006 231 - 29 - 11,1 181 +25 +16,0 189 -64 -25,3 2007 205 - 26 - 11,2 189 +08 +4,4 113 -76 -40,2 2008 199 - 06 -2,9 197 +08 +4,2 137 +24 +21,2 2009 204 +05 +2,5 217 +20 +10,2 139 +02 +1,4 2010 209 +05 +2,45 238 +21 +9,7 96 - 43 -30,9 Bảng Số liệu tai nạn giao thông địa bàn tỉnh từ năm 2006 đến 2010 – Ngồn số liệu: Ban an tồn giao thơng tỉnh Thái Ngun 3.3 3.3.1 Bài tốn ứng dụng mơ tình va chạm giao thơng Bài tốn: Bài tốn mơ tình hống giao thơng đường có đối tượng tham gia giao thông qua ngã tư coi điểm đen giao thông theo Luật đường Bộ Việt Nam địa bàn tỉnh Thái Nguyên, ứng dụng mô ta cần sử dụng mơ hình: Mơ hình hạ tầng giao thơng đường bộ; Mơ hình xe cảnh sát; Mơ hình xe tải; Mơ hình xe 04 chỗ ngồi 3.3.2 Xây dựng mơ hình mơ c đối tượng, gồm: Nhà cửa, đô thị, đường giao thông; công trình hành lang giao thơng; dẫn giao thơng; phương tiện tham gia giao Load đối tượng vào hệ thống Giai đoạn mơ (Online): Tính tốn vector trạng thái (Euler, RK4) Do tìm va chạm Có va chạ m Khơng có va chạm Render Xử lý va chạm Xây dựng trạng thái Hình 36 Sơ đồ xây dựng hệ thống mô 13 3.3.3 Kết thực nghiệm Hình 10 Mơ tình di chuyển phương tiện tham gia giao thông Ở hình mơ tình tham gia giao thông phương tiên tham gia giao thông xe ô tô sau: xe cảnh sát theo hướng ưu tiên thẳng, xe bốn chỗ, xe tải từ đường ngược chiều qua giao cắt với đường ưu tiên Xe tải rẽ phải vào đường ưu tiên; xem bốn chỗ thẳng qua giao cắt với đường ưu tiên Tình sảy va chạm xe tải xe bốn chỗ mơ sau: Hình 39 Mơ va chạm giao thông xe bốn chỗ xe tải tham gia giao thơng qua ngã tư có giao cắt đường không ưu tiên với đường ưu tiên 3.4 Một số kiến nghị, đề xuất giải pháp kìm chế tai nạn giao thông địa bàn tỉnh Thái Nguyên giai đoạn 2011-2015 Một là: Tăng cường lãnh đạo cấp ủy đảng, nâng cao trách nhiệm vủa quyền cấp cơng tác đảm bảo TTATGT ; Hai là: Tăng cường công tác tuyên truyền, giáo dục ATGT Ba là: Tăng cường kiểm tra xử lý vi phạm Bốn là: Xây dựng quản lý, khai thác kết cấu hạ tầng giao thông Năm là: Kiện tồn tổ chức thực cơng tác ATGT; tăng cường quản lý phương tiện người điều khiển phương tiện giao thông, công tác cứu hộ, cứu nạn cấp cứu y tế TNGT 3.5 Đề xuất Mô hình kiến trúc ứng dụng quản lý mơ điểm đen giao thông địa bàn tỉnh hiểm Dịchnguy vụ nhận dạng, web3D xử lý ngôn ngữ tự Dịch vụ quản lý nhiên Điểm Đối CSDL CSDL đen tượng Hồ sơ Hạ tầng Dịch vụ xác thực liệu GT LDAP Phương tiện Hạ tai Hạnạn tầng GT Các tầng kỹ thuật người dùng: Hạ tầng mạng PC/Laptop/ Chip LAN/TS máy PDA PTGT L chủ Quản lý nạn chuẩn kiến trúc chế tai giao thông vàlýhệ thống Quản lýan hệ thống Quản toàn, an ninh điểm báo điểm lý điểm CSDL đen/điểm điểm Dịch vụ cảnh báo đen đenứng dụng Lớp tiềm3D ẩn CSDL đen Dịch vụ Service Cơ chế sách quản lý , xử lý điểm đen, kìm Người dân| Doanh nghiệp| Tổ chức| quan nhà Quản Web ngữ nghĩa | nước| Quản QLnước|Người thẩm Mô lý Web3D lý hồ định, phê cảnh Lớp ứng dụng sơ duyệt xử 14 KẾT LUẬN Luận văn tìm hiểu trình bày số vấn đề mô phỏng, mô máy tính ứng dụng mơ giải tốn ứng dụng giao thơng như: Quy hoạch giao thơng; An tồn giao thơng; cơng tác tun truyền an tồn giao thơng Qua tìm hiểu nghiên cứu thực trạng cở sở, kết cấu hạ tầng giao thơng, tình hình tai nạn giao thông tỉnh Thái Nguyên từ năm 2006 đến 2010 tìm hiểu lý thuyết tính tốn xử lý va chạm vật (đối tượng) thực tế mô máy tính với khơng gian R3 (3D) Để từ xây dựng cài đặt mơ tình va chạm tơ điểm đen (vị trí giao thơng nguy hiểm) đề xuất số giải pháp nhằm đảm bảo an tồn giao thơng địa bàn tỉnh Thái Nguyên giai đoạn với kết cụ thể sau: Tìm hiểu mơ phỏng, mơ máy tính Tìm hiểu lý thuyết số kỹ thuật mô phát hiện, xử lý va chạm: Kỹ thuật phát va chạm sử dụng: Hộp bao AABB, OBB, Ellipsoid; Sử dụng đường cong B-Spline để xử lý hiệu ứng méo mó sau va chạm vật Ứng dụng kỹ thuật để mô va chạm phương tiên Ơ tơ điểm đen giao thơng; Tìm hiểu trạng sở hạ tầng an tồn giao thơng địa bàn tỉnh Thái Ngun giai đoạn 2006 đến năm 2010 đề xuất số giải pháp nhằm đảm bảo an tồn giao thơng địa bàn tỉnh Thái Nguyên Một số vấn đề luận văn chưa nghiên cứu kỹ thuật phát hiện, xử lý va chạm vật di chuyển địa hình khác lý thuyết động lực học để xử lý trước sau va chạm…Hướng phát triển luận văn phát triển kỹ thuật phát hiện, xử lý va chạm để phục vụ xây dựng toán như: - Trong an tồn, quy hoạch giao thơng; dựng lại trường tai nạn giao thông phục vụ công tác điều tra xử lý vụ tai nạn giao thông… - Trong tuyên truyền, giảng dạy giao thơng; - Phục vụ lĩnh vực giải trí Game, Phim hoạt hình, kỹ xảo phim trường… Trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp, thân cố gắng thời gian, cơng sức để tìm hiểu nghiên cứu đề tài, đồng thời nhận bảo, định hướng tận tình thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Đỗ Năng Toàn, anh, chị trước hạn chế mặt thời gian kiến thức thân cịn hạn chế nên kết tìm hiểu, nghiên cứu cài đặt ứng dụng luận văn chưa đạt kết mong muốn đòi hỏi thực tiễn Trân trọng!