MÔ PHỎNG HIỆU ỨNG SÓNG NƢỚC TRONG THỰC TẠI ẢO - Full 10 điểm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Trần Thị Thúy Mai MÔ PHỎNG HIỆU ỨNG SÓNG NƢỚC TRONG THỰC TẠI ẢO LUẬN VĂN THẠC SỸ Thái nguyên: 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Trần Thị Thúy Mai MÔ PHỎNG HIỆU ỨNG SÓNG NƢỚC TRONG THỰC TẠI ẢO Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS ĐỖ NĂNG TOÀN Thái nguyên: 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, toàn bộ nội dung liên quan tới đề tài đƣợc trình bày trong luận văn là bản thân tôi tự tìm hiểu và nghiên cứu, dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của Thầy giáo PGS. TS ĐỖ NĂNG TOÀN Các tài liệu, số liệu tham khảo đƣợc trích dẫn đầy đủ nguồn gốc. Tôi xin chịu trách nhiệm trƣớc pháp luật lời cam đoan của mình. Thái Nguyên, ngày…. Tháng…. năm 2014 Học viên thực hiện Trần Thị Thúy Mai Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn tới trƣờng Công nghệ thông tin và truyền thông - Đại học Thái Nguyên, nơi các thầy cô đã tận tình truyền đạt các kiến thức quý báu cho tôi trong suốt quá trình học tập. Xin cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa và các cán bộ đã tạo điều kiện tốt nhất cho chúng tôi học tập và hoàn thành đề tài tốt nghiệp của mình. Đặc biệt, tôi xin gửi tới PGS. TS Đỗ Năng Toàn, thầy đã tận tình chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài lời cảm ơn và biết ơn sâu sắc nhất. Bên cạnh những kiến thức khoa học, thầy đã giúp tôi nhận ra những bài học về phong cách học tập, làm việc và những kinh nghiệm sống quý báu. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và những ngƣời thân đã động viên khích lệ tinh thần và giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn này. i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC ......................................................................................................... i MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƢƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG NƢỚC VÀ BÀI TOÁN MÔ PHỎNG SÓNG NƢỚC ................................................................................... 4 1.1. Khái niệm về mô phỏng nƣớc ................................................................. 4 1.1.1. Tổng quan về thực tại ảo ................................................................. 4 1.1.2. Vai trò của mô phỏng nƣớc ........................................................... 10 1.1.3. Một số hiệu ứng nƣớc cơ bản ....................................................... 10 1.2. Bài toán mô phỏng sóng nƣớc ............................................................... 14 1.2.1. Tổng quan về mô phỏng ............................................................... 14 1.2.2. Bài toán mô phỏng sóng nƣớc ...................................................... 16 CHƢƠNG II: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG MÔ PHỎNG SÓNG NƢỚC21 2.1. Đặc Điểm Cơ Bản Của Sóng Nƣớc ....................................................... 21 2.1.1. Sóng cơ ............................................................................................... 21 2.1.2. Những đại lƣợng đặc trƣng của chuyển động sóng ...................... 23 2.1.3. Phƣơng trình sóng ......................................................................... 23 2.2. Mô phỏng bề mặt nƣớc ......................................................................... 25 2.2.1. Hiện tƣợng căng mặt ngoài ........................................................... 25 2.2.2. Sự dính ƣớt và không dính ƣớt ..................................................... 27 2.2.3. Cơ sở lý thuyết của mô phỏng nƣớc ............................................. 28 2.3. Phƣơng pháp Particle-based .................................................................. 31 2.3.1. Giới thiệu ...................................................................................... 31 2.3.2. Tiến trình mô phỏng...................................................................... 32 2.3.3. Giảm mật độ kép ........................................................................... 36 ii 2.3.4. Biểu diễn bề mặt (Viscoelasticity) ................................................ 43 2.3.5. Va chạm với đối tƣợng.................................................................. 46 CHƢƠNG III: CÀI ĐẶT CHƢƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG ..................... 50 3.1. Bài Toán ................................................................................................ 50 3.2. Chƣơng Trình ........................................................................................ 53 3.3. Kết quả thử nghiệm ............................................................................... 55 PHẦN KẾT LUẬN ........................................................................................ 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 58 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Những lĩnh vực nghệ thuật mà con ngƣời đã sáng tạo ra trong lịch sử phát tr

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Trần Thị Thúy Mai

MÔ PHỎNG HIỆU ỨNG SÓNG NƯỚC TRONG

THỰC TẠI ẢO

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Thái nguyên: 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Trần Thị Thúy Mai

MÔ PHỎNG HIỆU ỨNG SÓNG NƯỚC TRONG

THỰC TẠI ẢO

Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số: 60.48.01

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS ĐỖ NĂNG TOÀN

Thái nguyên: 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, toàn bộ nội dung liên quan tới đề tài được trình bày trong luận văn là bản thân tôi tự tìm hiểu và nghiên cứu, dưới sự hướng dẫn khoa học của Thầy giáo PGS TS ĐỖ NĂNG TOÀN

Các tài liệu, số liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ nguồn gốc Tôi xin chịu trách nhiệm trước pháp luật lời cam đoan của mình

Thái Nguyên, ngày… Tháng… năm 2014

Trần Thị Thúy Mai

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới trường Công nghệ thông tin và truyền thông

- Đại học Thái Nguyên, nơi các thầy cô đã tận tình truyền đạt các kiến thức quý báu cho tôi trong suốt quá trình học tập Xin cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa

và các cán bộ đã tạo điều kiện tốt nhất cho chúng tôi học tập và hoàn thành đề tài tốt nghiệp của mình

Đặc biệt, tôi xin gửi tới PGS TS Đỗ Năng Toàn, thầy đã tận tình chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài lời cảm ơn và biết ơn sâu sắc nhất Bên cạnh những kiến thức khoa học, thầy đã giúp tôi nhận ra những bài học

về phong cách học tập, làm việc và những kinh nghiệm sống quý báu

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và những người thân đã động viên khích lệ tinh thần và giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn này

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC i

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG NƯỚC VÀ BÀI TOÁN MÔ PHỎNG SÓNG NƯỚC 4

1.1 Khái niệm về mô phỏng nước 4

1.1.1 Tổng quan về thực tại ảo 4

1.1.2 Vai trò của mô phỏng nước 10

1.1.3 Một số hiệu ứng nước cơ bản 10

1.2 Bài toán mô phỏng sóng nước 14

1.2.1 Tổng quan về mô phỏng 14

1.2.2 Bài toán mô phỏng sóng nước 16

CHƯƠNG II: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG MÔ PHỎNG SÓNG NƯỚC21 2.1 Đặc Điểm Cơ Bản Của Sóng Nước 21

2.1.1 Sóng cơ 21

2.1.2 Những đại lượng đặc trưng của chuyển động sóng 23

2.1.3 Phương trình sóng 23

2.2 Mô phỏng bề mặt nước 25

2.2.1 Hiện tượng căng mặt ngoài 25

2.2.2 Sự dính ướt và không dính ướt 27

2.2.3 Cơ sở lý thuyết của mô phỏng nước 28

2.3 Phương pháp Particle-based 31

2.3.1 Giới thiệu 31

2.3.2 Tiến trình mô phỏng 32

2.3.3 Giảm mật độ kép 36

2.3.4 Biểu diễn bề mặt (Viscoelasticity) 43

2.3.5 Va chạm với đối tượng 46

CHƯƠNG III: CÀI ĐẶT CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG 50

3.1 Bài Toán 50

3.2 Chương Trình 53

3.3 Kết quả thử nghiệm 55

PHẦN KẾT LUẬN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Những lĩnh vực nghệ thuật mà con người đã sáng tạo ra trong lịch sử phát triển của mình đều cùng chung mục đích: mô tả thế giới vô cùng phong phú mà con người đang sống, cũng không hề có sự mâu thuẫn gì khi nói: tất

cả những gì con người sáng tạo ra cuối cùng đều chung một mục đích là phục vụ con người Công nghệ thực tại ảo (Virtual Reality-VR) cũng vậy, nó được ra đời với mục đích mô phỏng thế giới thực hay thế giới trong trí tưởng tượng của con người bằng máy tính, từ đó con người có thể cảm nhận và tương tác với thế giới đó như đang ở trong thế giới thật

Nếu trở lại vài thập niên về trước, chắc rằng bạn sẽ cho đó là những

điều viễn tưởng, nhưng sự phát triển vượt bậc của phần cứng nhất là các thiết

bị xử lý đồ hoạ và thiết bị ngoại vị tương tác đã cho phép chúng ta được sống

trong thế giới đó tại thời điểm này Ở Việt Nam, công nghệ Thực tại ảo đang được triển khai nghiên cứu Tại viện Công nghệ thông tin thuộc Viện khoa học & Công nghệ Việt Nam đã được trang bị phòng máy VR đầu tiên trong cả nước Bên cạnh trung tâm đầu não đó, kỹ thuật mô phỏng đã được nhiều trường Đại học, nhiều công ty phần mềm nghiên cứu và cho tới nay đã thu được những kết quả bước đầu đáng khích lệ Nhưng để làm chủ được công nghệ mới này thì rất cần phải đầu tư nghiên cứu tiếp Một điều đương nhiên là: muốn hiểu toàn bộ công nghệ thì phải nắm được phương pháp thể hiện

từng loại đối tượng, và nước là một phần không thể thiều trong các hệ Thực tại ảo Chính vì thế tôi đã chọn đề tài “ mô phỏng hiệu ứng sóng nước trong

thực tại ảo” để làm luận văn tốt nghiệp

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a Đối tượng của đề tài:

- Phương pháp mô phỏng sóng nước bề mặt, bề mặt sóng nước và ứng dụng của nó

b Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu phương pháp mô phỏng sóng nước trong thực tại ảo (chú trọng đến bề mặt nước phẳng có nhiều nhất là hai vùng sóng)

- Qua đó xây dựng hiệu ứng của nước

3 Hướng nghiên cứu của đề tài

Đề tài tập chung nghiên cứu phương pháp chính mà thế giới đã phát triển

là phương pháp Particle-base

4 Những nội dung nghiên cứu chính

Luận văn gồm phần Mở đầu, phần Kết luận và ba chương cụ thể nhu sau:

Chương 1: Khái quát về mô phỏng nước và bài toán mô phỏng sóng

nước

Trong chương này tôi xin giới thiệu tổng quan về quá trình phát triển và các lĩnh vực ứng dụng chính hiện nay của Thực tại ảo, đồng thời cung cấp một cái nhìn tổng quan về mô phỏng nước trong hệ Thực tại ảo Tại chương này tôi cũng đi sâu phân tích các hiệu ứng cơ bản của nước, giới thiệu những phương pháp mô phỏng mà người ta đã dùng để tạo ra các hiệu ứng nước Trình bày bài toán mô phỏng sóng nước để làm cơ sở cho sự trình bày phương pháp mô phỏng sóng nước trong chương 2

Chương 2: Một số vấn đề trong mô phỏng sóng nước

Trong chương này tôi xin giới thiệu đặc điểm cơ bản của sóng nước, những tính chất vật lý của nó và phương pháp mô phỏng chính là Particle – based

Chương 3: Cài đặt chương trình ứng dụng

Trong chương này tôi xin giới thiệu bài toán, chương trình và kết quả thử

nghiệm của mình

5 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập và phân tích các tài liệu, thông tin liên quan đến đề tài

- Tìm hiểu các quy trình mô phỏng và hiệu ứng của nước

- Tìm hiểu các kỹ thuật và thuật toán xử lý liên quan

- Tìm hiểu và phân tích một số phép toán mô phỏng sóng nước

- Kết hợp các nghiên cứu trước đây của các tác giả trong và ngoài nước cùng với sự chỉ bảo, góp ý của Thầy hướng dẫn để hoàn thành nội dung nghiên

cứu

6 Ý nghĩa khoa học của đề tài

- Nêu ra được tầm quan trọng của việc mô phỏng sóng nước trong thực tại ảo, chọn ra được các thuật toán quan trọng, ưu việt trong quá trình mô phỏng

- Nghiên cứu sẽ đưa ra được hiệu ứng của sóng nước và tầm quan trọng của

nó trong các lĩnh vực

CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG NƯỚC VÀ BÀI TOÁN MÔ PHỎNG SÓNG NƯỚC

1.1 Khái niệm về mô phỏng nước

1.1.1 Tổng quan về thực tại ảo

Công nghệ thực tại ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện khoảng đầu thập

kỷ 90, nhưng ở Mỹ và châu Âu thực tại ảo (Virtual Reality) đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực (nghiên cứu và công nghiệp, giáo dục và đào tạo, thương mại và giải trí, ) và tiềm năng kinh tế, cũng như trong dân dụng và quân sự

1.1.1.1 Thực tại ảo là gì?

Thực tại ảo là mô phỏng môi trường không gian ba chiều trên máy tính, trong môi trường mô phỏng đó con người có thể quan sát và thực hiện những thao tác mà mình mong muốn Với tất cả những gì có trong môi trường mô phỏng thông qua thiết bị đầu vào, kết quả trả lại là những sự thay đổi của môi trường đó mà con người có thể quan sát, hay cảm nhận được thông qua các thiết bị đầu ra

Theo như định nghĩa trên chúng ta có thể dễ dàng nhận ra các thành phần làm lòng cốt của thực tại ảo là: môi trường không gian ba chiều, sự tương tác, các thiết bị đầu vào, thiết bị đầu ra, và mô hình phải được tạo trên máy tính 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

Mục tiêu của phần tổng quan này là đưa ra một số nét tổng quát về công nghệ Thực tại ảo, trong đó bao gồm: một số nét chính trong lịch sử hình thành, các lĩnh vực ứng dụng, ý nghĩa của các mô hình thực tại ảo trong tương lai