Mô phỏng cháy nổ bằng kỹ thuật Particle System trong thực tại ảo

Do tầm quan trọng cũng như táchại to lớn của cháy nỗ, mô phỏng cháy né trở thành một nghiên cứu quan trọng trong ứngdụng thực tế đời sống và ngăn ngừa các thảm hoa mà cháy nỗ có thé gây

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin đã được ứng dụng mạnh mẽ tronghầu hết các lĩnh vực Các ứng dụng của nó trong cuộc sống ngày càng phong phú, đa dạng

và thiết thực hơn Từ các lĩnh vực như khoa học cơ bản đến các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật

cho đến các lĩnh vực như giải trí, du lịch; lĩnh vực nào cũng có sự ứng dụng thiết thực vàhiệu quả của công nghệ thông tin Sự phát triển không ngừng của sức mạnh máy tinh đã làmcho một số lĩnh vực khó phát triển trước kia nay đã có khả năng phát triển và đạt đượcnhững thành tựu đáng kê, như: các hệ chuyên gia, các hệ xử lý thời gian thực và trong đókhông thé không ké đến công nghệ mô phỏng, một lĩnh vực đang được phát triển mạnh mẽ

trên thế giới

Việc “tái tạo” các hiện tượng, sự vật trong thế giới thực trên máy tính có rất nhiều tácdụng Trong giải trí, nó sẽ giúp chúng ta xây dựng được những trò chơi sống động, gần gũivới con người tạo ra sức lôi cuốn mạnh mé Trong xây dựng, việc dựng được các mô hìnhhiện thực ảo cho phép chúng ta có cái nhìn trực quan, chính xác để có thé đưa ra nhữngquyết định, những sáng kiến thiết kế về các công trình xây dựng đúng đắn Trong giáo dục,những thí nghiệm, ví dụ được mô tả sát thực băng máy tính giúp cho người học hứng thúhơn, kiến thức được thể hiện rõ hơn, trực quan hơn, đầy đủ hơn

“Thực tại ảo” là lĩnh vực nhằm mô phỏng thé giới thực của con người vào máy tính

mà trong đó con người có thé tương tác và cảm nhận như trong thế giới thực Dé mô phỏngđược thé giới thực trong máy tinh thì nhất thiết môi trường trong thế giới thực cần được mô

phỏng.

Xuất phát từ nhu cầu thực tế, nhằm mục dich mô phỏng cháy nỗ để giảm thiêu thiệthai do nó gây ra, luận văn có tựa dé: "Mô phỏng cháy nỗ bằng kỹ thuật Particle System

trong thực tại ao".

Việc nghiên cứu các van đề về mô phỏng cháy nỗ trên thế giới hiện nay đã tiến đượcmột bước xa và thu được rất nhiều thành tựu khả quan Ở Việt Nam hiện nay vấn đề này cònrất mới mẻ nhưng dần dần đã được sự quan tâm, phát triển nhằm mở ra một hướng giải

quyết van đề mới cho xã hội Cháy n6 là một loại vật chất đặc biệt không thé thiếu trong

cuộc sống đời thường cũng như trong khoa học, kỹ thuật Do tầm quan trọng cũng như táchại to lớn của cháy nỗ, mô phỏng cháy né trở thành một nghiên cứu quan trọng trong ứngdụng thực tế đời sống và ngăn ngừa các thảm hoa mà cháy nỗ có thé gây ra cũng như tận

dụng được hiệu ứng cháy nỗ mang lại trong việc nghiên cứu các kỹ xảo đồ họa, điện ảnh

Đề tài "Mô phỏng cháy nỗ bằng kỹ thuật Particle System trong thực tại ảo" sẽ tìm hiểu

và trình bày tổng quan về mô phỏng, các van đề về cháy nỗ trong thực tế và mô phỏngchúng vào trong máy tính bằng kỹ thuật Particle System

Cấu trúc của luận văn gồm: phần mở đầu, phần kết luận và 3 chương với nội dung cụthể như sau:

Chương 1: Tổng quan về thực tại ảo và hiệu ứng cháy nỗ

Chương này luận văn tập trung đi vào những khái niệm tổng quát nhất về thực tại ảo

và hiệu ứng cháy nô

Chương 2: Mô phỏng cháy nỗ bằng Particle System

Chương này trình bày khái niệm, đặc tính của 3 kỹ thuật mô phỏng, từ đó làm nồi bật

lên ưu điểm của kỹ thuật Particle System Trình bày cụ thé về khái niệm, tính chất cơ bản

của kỹ thuật Particle System và ứng dụng cách xây dựng mô phỏng cháy nỗ bằng kỹ thuật

Particle System.

Chương 3: Chương trình thử nghiệm.

Dựa vào các cơ sở lý thuyết đã trình bày ở chương 2, chương 3 tiến hành viết chươngtrình thử nghiệm mô phỏng cháy nỗ bằng kỹ thuật Particle System

Thực tại ảo là một hệ thống giao diện cấp cao giữa người ding và máy tính Hệ thong

này mô phỏng các sự vật và hiện tượng theo thời gian thực và tương tác với người dùng qua

tổng hợp các kênh cảm giác: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác và vị giác

1.1.2 Lịch sử, quá trình phát triển của thực tại ảo

Cách đây khoảng 40 năm, một nhà làm phim có tên là Morton Heilig (1926 - 1997)

người Mỹ đã đưa ra một ý tưởng là tại sao con người không tận dụng nốt 72% góc nhìn của

khán giả? Anh ta nói "tôi bị kích động, bởi vì không hiểu tại sao con người chỉ thấy được28% góc nhìn của khán giả cùng với một ảnh 2D? Tại sao chúng ta không làm điều này với

cùng một ảnh 3D dé có thê được 100% góc nhìn của khán giả, kết hợp với âm thanh?" Do

không được hỗ trợ về tài chính, Heilig không thể hoàn thành ước mơ của mình song ôngcũng đã tạo ra được một thiết bị mô phỏng được gọi là "Sensorama Simulator"

Năm 1966, Ivan Sutherland - một sinh viên tốt nghiệp trường Utah tiếp tục nghiêncứu vấn đề Heilig đã bỏ đở Sutherland cho rằng những cảnh quay tương tự không đáp ứng

được yêu cầu thực tế Ông bắt đầu một ý tưởng của bộ tăng tốc đồ họa, một phần quan trọng

trong mô phỏng thực tại hiện đại và đã chế tạo được hệ thống thiết bị hiển thị đội đầu HMD(Head Mounted Display) có thể kết nối tới máy tính

Năm 1970, Sutherland tiếp tục phát triển hoàn thiện phần cứng của HMD tại trường

đại học Utah Thiết bị này nhẹ hơn, thay màn hình trắng đen bang man hình màu Cũng

trong khoảng thời gian này, Myron Kreuger (1942) đã phát triển một thiết bị có tên làVideoplace Videoplace là kết qua của dự an thực tại ảo Thiết bị này sử dụng một màn hìnhlớn đối diện với người dùng

Vào năm 1989, Jaron Lanier lần đầu tiên đã đưa ra thuật ngữ "Thực tế ảo" - Virtual

Reality Jaron Lanier là nhà nghiên cứu khoa học máy tính tại Microsoft Research, người

tiên phong trong lĩnh vực Virtual Reality Ông là người đồng sáng lập một số start - up, sau

đó được Oracle, Adobe, Google mua lại Ông cũng viết nhạc giao hưởng và chơi rất nhiều

loại nhạc cụ hiểm

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 duc và đào tao cũng như thương mại, giải tri, y tê

1.1.3 Đặc tính co bản của một hệ thống thực tại ảo

Một hệ thống VR có 3 đặc tính chính đó là: Tương tac (Interactive) — Dam chìm

(Immersion) — Tưởng tượng (Imagination).

e Tính tương tác: máy tính có khả năng nhận biết được tín hiệu vào của người dùng và

thay đổi ngay lập tức thế giới ảo Người dùng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hìnhngay theo ý muốn của họ và bị thu hút bởi sự mô phỏng này

e Tính đắm chìm: người dùng cảm thấy minh là một phan của thé giới ảo, hòa lẫn vào thé

giới đó VR còn đây cảm giác này "thật" hơn nữa nhờ tác động lên các kênh cảm giác

khác Người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D, điều khiển (xoay, di

chuyền ) được đối tượng ma còn sờ và cảm thấy chúng như có thật.

e Tính tưởng tượng: có hai khía cạnh của tính tưởng tượng trong một thế giới ảo: sự du

hành bên trong thế giới và động lực học của môi trường

1.1.4 Các thành phan của một hệ thống thực tại ảo

Một hệ thống thực tại ảo tổng quát bao gồm 5 thành phần: phần mềm (SW), phầncứng (HW), mạng liên kết và các ứng dụng

1.1.5 Phân loại các hệ thống thực tại ảo

Hệ thống thực tại ảo được phân ra 3 loại chính: hệ thong thực tai ảo không nhập vai(Non - Immersive); hệ thống thực tai ảo bán nhập vai (Semi - Immersive); hệ thống thực tai

ảo nhập vai (Immersive).

e Hệ thống thực tại ảo không nhập vai

Hệ thống thực tại ảo không nhập vai được xây dựng cho máy tinh dé bàn Hệ thống

này được biết với tên là Window 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 ban phím, chuột hoặc joystick.

e Hệ thống thực tại ảo bán nhập vai

Hệ thống thực tại ảo 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 dé tạo ra màn hìnhlớn Hệ thống màn hình này được đặt xung quanh người dùng dé tao cảm giác hòa mình vào

môi trường 3D ảo.

e Hệ thống thực tại ảo nhập vai

Hệ thống thực tại ảo nhập vai là hệ thống tạo cho người dùng trải nghiệm trong môitrường ảo giống với thực tế nhất Trong hệ thống này, người dùng đeo HMD hoặc sử dụngBOOM để nhìn vào môi trường ảo Tất nhiên so với 2 hệ thống trên, hệ thống này là phứctạp và đòi hỏi chi phí lớn dé tạo các ứng dụng

1.1.6 Cac ứng dung của thực tại do

Tai các nước phát triển, thực tại ảo được ứng dụng trong mọi lĩnh vực: khoa học kỹthuật, kiến trúc, quân sự, giải trí

e Giải trí

Với sự phát triển của kỹ thuật và công nghệ mô phỏng người ta đã có thé xây dựngcác bộ phim hoạt hình 3D, mô phỏng hình dạng cây cối, đồ vật, cử động của con người kếtnối với các nhân vật ảo trong máy tính, tạo dựng các kỹ xảo điện ảnh, các cảnh quay sôngđộng, chân thật mà giảm bớt được rất nhiều thời gian, tiền bạc

e Giáo dục

Mô phỏng các thí nghiệm, các phản ứng hóa học Xây dựng các phần mềm mô phỏngnhư phần mềm tập lái oto 3D, tạo cho người học có được những cảm giác như khi lái xe

thật, xử lý các tình huống thông thường, qua đó sẽ học hỏi được các kinh nghiệm, tránh

được các rủi ro không mong muốn khi đi xe thật Các lớp học ảo được xây dựng nhằm cungcấp lượng kiến thức từ các chuyên gia trong các chuyên ngành, giúp sinh viên giảm thiểu

được chi phí tham gia học.

e Y hoc

Việc tìm kiếm các mau, mô hình làm thí nghiệm (nhất là đối với cơ thé người) là van

đề khó khăn, do kinh phí đắt, hoặc do không có các bộ phận tương thích hoặc về vấn đề vănhóa dân tộc nên việc lập các chương trình, phần mềm để mô phỏng các bộ phận cơ thể

người, các qua trình giải phau, các bệnh là một nhu câu rat cân thiệt, nó không chỉ cung cap

thư viện thông tin đữ liệu cần thiết mà thông qua đó còn giúp cho không chỉ sinh viên, các y

bác sĩ mà ngay cả người bệnh nếu muốn cũng có thể tìm hiểu Vì một vẫn đề được trực quanhóa sẽ trở nên dé hiểu và dé nắm bat

e Xây dựng

Người ta cũng có thể thiết kế các tòa nhà, các cao ốc, các khu thê thao hay các khu

du lịch sinh thái, hay trang bị cho bạn một hệ thống tiện nghi, mời ban di thăm thú các nơi

trong tòa nhà tương lai của mình hay tính toán chỉ tiết một công trình xây dựng hoặc mô

phỏng các sự cố, hiện tượng có thể xảy Ta đối với nhà của bạn trên máy tính Đưa cho bạnnhững lựa chọn hay những lời khuyên về công trình của bạn

e_ Quốc phòng

Dé binh lính không bi xa lạ, bỡ ngỡ với chiến thuật thì cần phải thường xuyên cónhững lần tập trận, ma chi phí cho việc đó là rất cao Nếu sử dụng các mô hình thay thế,kèm theo âm thanh, tiếng động cũng có thể tạo ra được một trận tập kích mà hiệu quả đạtđược là như thật và chi phi thi rất ít Bên cạnh đó, dé cho binh lính có thể tiếp xúc và hiểubiết về các máy móc và thiết bị đắt tiền thì nên xây dựng các mô hình về thiết bị đó, máy

móc đó Như vậy sẽ dam bảo được tính phé dụng rộng rãi

e Trong tái tạo lịch sử

Chúng ta có thé mô phỏng, tái tạo lại các cuộc chiến tranh, các triều đại lịch sử thông

qua hệ thống thực tại ảo một cách sinh động, cũng có thể tái tạo các đi tích lịch sử một cách

chân thực.

Các mặt hạn chế của thực tại ảo hiện nay:

Các sản phẩm chưa hoàn thiện: các sản phẩm hiện tại còn quá cồng kénh cho người

1.2 Hiệu ứng cháy nỗ

1.2.1 Cháy nỗ là gì?

“Cháy là tổng hợp của các quá trình biến đổi lý hoá phức tạp có tỏa nhiệt và phát ra

ánh sáng”.

Sản phẩm cháy gồm: CO;, H;O, N> dang ion và một số chất khác.

1.2.2 Những yếu tô và điều kiện cần thiết cho sự cháy

Sự cháy muốn xảy ra và tồn tại cần phải có 3 yếu tố: chất cháy, chất oxy hóa và

— Tạo môi trường không cháy và khó cháy bằng cách thay thế các khâu sản xuất

kinh doanh, môi trường, thiết bị vật liệu từ dé cháy, có nguy hiểm cháy, trở

thành không cháy và khó cháy.

— Ngăn chặn triệt tiêu nguồn nhiệt gây cháy, quản lý chặt chẽ nguồn lửa, nguồn

nhiệt sử dụng trong sản xuất hoạt động kinh doanh, trong

sinh hoạt.

— Cách ly chất cháy với nguồn lửa, nguồn nhiệt với máy móc thiết bị với các khâu

hoạt động sản xuất có khả năng sinh nhiệt, gây cháy

— Hạn chế diện tích sản xuất, diện tích bảo quản chất cháy với máy móc thiết bị tới

mức cần thiết

— Ngăn chặn đường phát triển của lửa như xây tường ngăn cháy, cửa ngăn cháy để

bao vành đai trống, lắp đặt thiết bị chống cháy lan.

— Lắp đặt hệ thống báo cháy và chữa cháy tự động, bán tự động

1.2.3.2 Quy trình giải quyết sự cố cháy xảy ra

Khi có cháy xảy ra cần tiến hành một cách khẩn trương các công việc sau:

— Báo động cháy (tự động, kẻng, tri hô).

— Cat điện khu vực cháy.

— Tô chức cứu người bị nan, tô chức giải thoát cho người va di chuyên tài sản ra

khỏi khu vực cháy.

— Tổ chức lực lượng sử dụng phương tiện chữa cháy tại chỗ dé cứu chữa đám cháy

— Gọi điện báo cháy cho đội chữa cháy chuyên nghiệp gần nhất hoặc báo về trung

tâm chữa cháy của thành phố

— Bảo vệ ngăn chặn phan tử xấu lợi dụng chữa cháy dé lấy cắp tai sản, giữ gìn trật

tự phục vụ chữa cháy thuận lợi.

— Hướng dẫn đường nơi đỗ, xem nguồn nước chữa cháy cho lực lượng chữa cháy

chuyên nghiệp khi tới hỗ trợ.

— Phối hợp chặt chẽ với lực lượng chữa cháy chuyên nghiệp cứu chữa

đám cháy.

— Trién khai lực lượng bảo vệ hiện trường cháy sau khi dập tắt đám cháy

1.2.4 Tam quan trong của hiệu ứng cháy nỗ và mô phỏng cháy nỗ

Cháy nổ là một loại vật chất đặc biệt không thé thiếu trong cuộc sống đời thườngcũng như trong khoa học, kỹ thuật Hàng ngày, hàng giờ, những thảm họa do cháy nỗ gâynên vẫn diễn ra trên khắp thế giới với những thiệt hại vô cùng lớn Những tác hại của cháy

nổ đã gây ra cho con người nên việc mô phỏng cháy nô là một việc làm cần thiết Khi hiểu

rõ về bản chất và hoạt động của cháy nổ thì con người mới có kha năng sử dụng hiệu quanguồn năng lượng của nó cũng như ngăn ngừa các tai họa mà cháy nô có thé gây ra Ngoài

ra, việc mô phỏng cháy né cũng rat cần thiết trong công nghệ giải trí ví dụ như: trong điện

ảnh, trong game Vì người ta không thé tao ra những vụ cháy né thật sự chỉ dé cho một lần

quay một cảnh phim khi không quá cần thiết, gây tốn kém và nguy hiểm, trong khi đòi hỏicủa khá giả ngày càng cao, những hoạt cảnh cháy né phải diễn ra có tính chất nguy hiểm y

như ngoài đời thực.

Mô phỏng cháy nô có thé coi là một trong những công việc khó khăn nhất, phức tạpnhất trong lĩnh vực mô phỏng Mô phỏng cháy nỗ ở dạng mô phỏng động theo thời gianthực hoặc không theo thời gian thực Dé ô phỏng cháy nỗ 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 khôngquá khó Nhưng dé mô phỏng được cháy né đúng với các tính chat vật lý của nó và hiệu ứng

của cháy nô 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 ngữlập trình thì mới có thé thể hiện được yêu cau

Cũng như các đối tượng khác, mô phỏng cháy nỗ cũng có hai cách thức riêng biệt

Một là sử dụng các công cụ đã được xây dựng sẵn với độ chính xác không cao, hai là sử

dụng các ngôn ngữ lập trình thể hiện các phương pháp phức tạp dựa trên cơ sở lý thuyết

tiếp thu và nắm bắt bài đễ hơn

Tóm lại, việc xây dựng các mô hình mô phỏng cháy né và các hiệu ứng của nó đang

là nhu cầu cấp thiết đối với các ngành liên quan đến cháy nỗ mà mô phỏng cần được thựchiện Và đây cũng là một thách thức rất lớn của công nghệ mô phỏng

1.2.5 Một số tiếp cận trong mô phỏng cháy nỗ

Theo tính chat vật ly, hóa học và khí động học thì cháy nỗ có thé được xem từ nhiềukhía cạnh: một hỗn hợp khí hoạt động theo các quy luật của cơ chế khí động học hay một

vật chất trong suốt điều biến ánh sáng Tuy nhiên, khi mô phỏng cháy né ta chỉ tập trung

vào hình ảnh của cháy nổ, bởi mục đích chính là xây dựng một mô hình trực quan của cháy

no Các thuộc tính vật lý có thể được xác định bang phương pháp quang hoc dựa trên môhình đó Phần lớn các mô hình đặc tả cháy nỗ như vật chất phát ra ánh sáng và có tính trongsuốt cao Khi không có khói hay độ 4m thì giả thiết này là có thé chấp nhận được

Thẻ hiện cháy nổ trong mô phỏng cần tao ra một cảm giác trực quan đúng đắn vềtính động của nó Hiện tại có rất nhiều mô hình được sử dụng để mô phỏng cháy nổ Tiếntrình thé hiện hình ảnh cháy né là vấn dé then chốt của mô phỏng cháy né, trong một théhiện ba chiều của cháy né, các hình ảnh có thé được tạo ra rất nhanh bang các kỹ thuật tan

dụng sức mạnh phần cứng dé cho ta cảm giác thực sự về một đám cháy

Dé có kết quả tốt hơn, người ta có thé sử dụng các kỹ thuật như ánh xa photon, coi

cháy nỗ như một nguồn sáng hạt thật sự Các hiệu ứng tâm lý như sự điều chỉnh mắt ngườikhi thay đổi độ sáng của đám cháy cũng được sử dụng Dé thé hiện cháy né ta có thé sửdụng kỹ thuật đơn giản như phép chiếu thắng và phép chiếu theo vết tia sáng Chúng ta cũng

có thể sử dụng các mô hình thể hiện cháy nô dựa trên các hình ảnh có sẵn dé tận dụng các

thông tin ở các hình ảnh sử dụng Phương hướng trong tương lai là ứng dụng các phân tích

chuẩn về các tinh chất của cháy nỗ dé đề ra các phương thức mới, mở rộng các phương thức

mô phỏng dé có thé thê hiện được các thuộc tính vật lý khác của cháy nỗ và thiết kế phương

thức dé đánh giá một cách khách quan, đáng tin cậy cho các thuộc tính này

CHƯƠNG II: MO PHONG CHAY NO BANG PARTICLE SYSTEM

2.1 Cơ sở lý thuyết dé xây dựng kỹ thuật mô phỏng cháy nỗ

2.1.1 Dinh nghĩa Particle System

Particle System là một tập hợp các thành phan hay các hạt riêng biệt Particle Systemđiều khiến tập particle đó, cho phép chúng hoạt động một cách tự động nhưng với một sốthuộc tính chung nhất định

2.1.2 Đặc tính cua Particle System

So với các kỹ thuật dựng hình thông thường thi Particle System có ba đặc tính riêng

khác biệt han Đó là:

1 Đối tượng được mô phỏng không phải là một tập các thành phần bề mặt cơ bảnnhư các đa giác hay các miếng nhỏ bề mặt dé tạo ra bề mặt biên mà được cấu thành từ tậpcác hạt để tạo ra hình khối

2 Particle System không phải là thực thé tĩnh mà nó chuyền động và thay đổi hìnhdạng liên tục theo thời gian Các hạt sẽ liên tục "chết đi" và các hạt mới sẽ được "sinh ra"

3 Trong Particle System thì các đối tượng là không xác định, hình dạng và hình thứccủa nó hoàn toàn không quy định Thay vào đó, nó sẽ được xác định băng các tiễn trình

ngầu nhiên.

2.1.3 Mô hình mô phỏng bang kỹ thuật Particle System

Một Particle System là một tập hợp nhiều hạt nhỏ kết hợp cùng nhau tạo nên một vậtthể mờ ảo, không định hình Trong một khoảng thời gian, các hạt được tạo thành một hệ

thống, di chuyền và thay đổi từ bên trong hệ thống, sau đó chết đi Dé tính toán mỗi khung

hình trong một chuỗi chuyền động, trình tự các bước được thực hiện như sau:

1 Các hạt mới được tạo ra trong hệ thống

2 Mỗi hạt mới được gán cho các thuộc tính riêng biệt.

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

4 Các hạt vẫn còn sống trong hệ sẽ chuyền động va biến đổi dựa theo các thuộc tinh

động của nó.