Mô phỏng hiệu ứng lửa và ứng dụng trong giáo dục

i Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG QUẢN THỊ VUI MÔ PHỎNG HIỆU ỨNG LỬA VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIÁO DỤC Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn THÁI NGUYÊN - 2013 i Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do tôi tự sưu tầm, tra cứu và sắp xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu của đề tài. Nội dung luận văn này chưa từng được công bố hay xuất bản dưới bất kỳ hình thức nào và cũng không được sao chép từ bất kỳ một công trình nghiên cứu nào. Tất cả phần mã nguồn của chương trình đều do tôi tự thiết kế và xây dựng, trong đó có sử dụng một số thư viện chuẩn và các thuật toán được các tác giả xuất bản công khai và miễn phí trên mạng Internet. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày 15 tháng 9 năm 2013 Tác giả luận văn Quản Thị Vui ii Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại lớp Cao học khóa 10 chuyên ngành Khoa học máy tính Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông - Đại học Thái Nguyên, tôi đã nhận được rất nhiều sự chỉ bảo, dìu dắt, giảng dạy nhiệt tình của các thầy, cô giáo Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông - Đại học Thái Nguyên và Viện công nghệ thông tin Việt Nam. Các thầy cô giáo đã luôn giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình công tác cũng như học tập. Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy, cô giáo trong Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông - Đại học Thái Nguyên, các thầy cô giáo trong Viện công nghệ thông tin Việt Nam. Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Đỗ Năng Toàn đã cho tôi nhiều ý kiến đóng góp quý báu, đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp và người thân đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn. Quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi các thiếu sót, rất mong tiếp tục nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, các cô giáo, các bạn đồng nghiệp đối với đề tài nghiên cứu của tôi để đề tài được hoàn thiện hơn. Tôi xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 15 tháng 9 năm 2013 Tác giả luận văn Quản Thị Vui iii Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC BẢNG v DANH MỤC HÌNH ẢNH vi MỞ ĐẦU 1 Chƣơng 1. KHÁI QUÁT THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG LỬA 3 1.1. Khái quát thực tại ảo và ứng dụng 3 1.1.1. Khái niệm Thực tại ảo 3 1.1.2. Lịch sử phát triển 4 1.1.3. Các đặc tính chính của Thực tại ảo 7 1.1.4. Các thành phần của một hệ thống Thực tại ảo 8 1.1.5. Các thiết bị cơ bản của hệ thống Thực tại ảo 9 1.1.6. Ứng dụng của Thực tại ảo 12 1.2. Mô phỏng lửa và ý nghĩa 13 1.2.1. Mô phỏng lửa 13 1.2.4. Ý nghĩa của mô phỏng lửa 14 1.3. Mô phỏng lửa trong giáo dục 15 1.3.1. Sách giáo khoa phổ thông 16 1.3.2. Giáo trình trong các trường chuyên nghiệp, dạy nghề 18 Chƣơng 2. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG LỬA 19 2.1. Mô phỏng lửa bằng phương pháp Physically-based 19 2.1.1. Kỹ thuật mô phỏng Physically-based 19 2.1.2. Mô hình mô phỏng hiệu ứng lửa bằng phương pháp Physically-based 21 2.1.3. Cơ sở vật lý 23 2.1.4. Phương pháp mô phỏng 24 iv Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 2.1.5. Thực hiện 30 2.2. Phương pháp Particle-based 41 2.2.1. Kỹ thuật mô phỏng Particle-based 41 2.2.2. Mô hình mô phỏng hiệu ứng lửa bằng phương pháp Particle-based 43 2.2.3. Bối cảnh 46 2.2.4. Phương pháp mô phỏng 48 2.2.5. Phương pháp dựng hình 56 Chƣơng 3. CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 61 3.1. Bài toán 61 3.2. Phân tích thiết kế và lựa chọn công cụ 62 3.2.1. Xây dựng mô hình mô phỏng 62 3.2.2. Điều khiển mô hình bằng ngôn ngữ lập trình 63 3.3. Một số kết quả chương trình 63 KẾT LUẬN 66 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 v Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Một số thí nghiệm về lửa môn khoa học lớp 4 16 Bảng 1.2: Một số thí nghiệm về lửa môn vật lý lớp 6 17 Bảng 1.3: Một số thí nghiệm về lửa trong giáo trình lý thuyết cháy 18 Bảng 2.1: Thống kê mô phỏng 60 Bảng 2.2: Các thông số mô phỏng 60 vi Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 3D 3 Hình 1.2. Từ ảo đến thực 4 Hình 1.3. Morton L. Heilig và Thiết bị mô phỏng Sensorrama-1960 5 Hình 1.4. Ivan Sutherland và Thiết bị mô phỏng HMD-1970 5 Hình 1.5. Myron Kreuger và Thiết bị VIDEOPLACE-1970 6 Hình 1.6. Scott Fisher, McGreevy và Thiết bị HMD-1984 của NASA 6 Hình 1.7. Đặc tính cơ bản của một hệ thống thực tại ảo 8 Hình 1.8. Các thành phần một hệ thống VR 8 Hình 1.9. DataGloves 9 Hình 1.10. 3D Mouse và SpaceBall 10 Hình 1.11. Mouse 10 Hình 1.12. Shutter glasses 10 Hình 1.13. Head-Mounted Displays 10 Hình 1.14. Cave 11 Hình 1.15. CyberTouch 12 Hình 1.16. CyberGrasp 12 Hình 1.17. Ngọn lửa 14 Hình 1.18. Mô phỏng các loại đèn dùng đun nóng ở phòng thí nghiệm 15 Hình 2.1: Mô hình ngọn lửa khí hỗn loạn của súng phun lửa 22 Hình 2.2: Nhiệt độ ngọn lửa cho một chất rắn (hoặc khí) nhiên liệu 25 Hình 2.3: Hút thuốc cùng với ngọn lửa khí 25 Hình 2.4: Khu vực phản ứng lõi màu xanh ngọn lửa tốc độ S 26 Hình 2.5: Khu vực màu xanh ngọn lửa trộn so với ngọn lửa khuếch tán 27 Hình 2.6: Đường dẫn cong do sự mở rộng của các khí như phản ứng 27 Hình 2.7: So sánh hình dạng ngọn lửa của việc mở rộng khí 28 Hình 2.8: Hai bản ghi sử dụng để phát ra nhiên liệu. 30 vii Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Hình 2.9: Một quả bóng kim loại đi qua và tương tác với ngọn lửa khí 38 Hình 2.10: Một quả bóng dễ cháy đi qua ngọn lửa khí và bắt lửa 39 Hình 2.11: Vụ nổ bên cạnh bức tường 44 Hình 2.12: Sơ đồ vòng đời của hạt 51 Hình 2.13: Minh họa kết quả bơm chất lỏng 52 Hình 2.14: Một loạt các ảnh một vụ nổ duy nhất trên mặt phẳng vô hạn 55 Hình 2.15: So sánh side-by-side của kết quả mô phỏng 56 Hình 2.16: Một góc nhìn từ trên xuống của nổ mìn trong hình 2.15 56 Hình 2.17: Hai ví dụ súng phun lửa 57 Hình 2.18: Nhiều vụ nổ trên một mặt phẳng vô hạn. 58 Hình 2.19: Vụ nổ dưới một vòm cố định 58 Hình 2.20: Vụ nổ giữa một nhóm các trụ cột cố định 59 Hình 2.21. Mặt cắt vụ nổ trong hình 2.17 59 Hình 3.1: Mô hình toàn cảnh bên ngoài phòng thí nghiệm 64 Hình 3.2: Mô hình toàn cảnh bên trong phòng thí nghiệm 64 Hình 3.3: Trạng thái quan sát chính diện với mô hình 65 Hình 3.4: Trạng thái quan sát vuông góc với mô hình 65 1 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật trong những năm gần đây đã ít nhiều làm thay đổi cuộc sống con người. Có thể nói công nghệ thông tin đã tác động mạnh mẽ đến muôn mặt của đời sống xã hội và hệ thống giáo dục cũng không nằm ngoài tác động đó. 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 dạy học. Ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học góp phần nâng cao chất lượng dạy - học là công cụ, là phương tiện để làm cuộc “cách mạng” trong đổi mới phương pháp dạy học. Nhờ sự hỗ trợ của công nghệ thông tin giáo viên và học sinh có thể nâng cao chất lượng dạy học, tăng cường tính tích cực nhận thức cho học sinh. Công nghệ thông tin đã làm tích cực hóa quá trình dạy học, mang đến một luồng sinh khí mới cho hệ thống giáo dục hiện nay. Điển hình của ứng dụng công nghệ thông tin trong giáo dục 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. Nhờ đó, lửa vừa 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 2 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 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 phổ thông, trường công nghiệp, trường nghề đào tạo về chế tạo máy, cơ khí động lực, công nghệ nhiệt lạnh… các mô phỏng về lửa với các đối tượng khác hay các đối tượng lửa với nhau sẽ giúp cho học sinh có một cái nhìn trực quan hơn, tiếp thu bài dễ hơn. Vì vậy, tôi đã chọn đề tài: "Mô phỏng hiệu ứng lửa và ứng dụng trong giáo dục" để làm luận văn tốt nghiệp. Cấu trúc của luận văn gồm: Phần mở đầu, phần kết luận và 3 chương nội dung, cụ thể: Chƣơng 1: Khái quát thực tại ảo và mô phỏng lửa Trong chương này em 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. Chƣơng 2: Một số phƣơng pháp mô phỏng lửa Trong chương này em trình bày các kỹ thuật mô phỏng lửa, gồm 2 phương pháp cơ bản là phương pháp physically-based và phương pháp particle-based. Chƣơng 3: Chƣơng trình thử nghiệm Chương này thể hiện chương trình mô phỏng bài toán mô phỏng lửa trong thực tại ảo. [...]... 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. .. 1.17 Ngọn lửa Phân loại: Có nhiều tiêu chí để phân loại 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 1.2.3.2 Mô phỏng 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... trúc, quân sự, giải trí, và đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu - Giáo dục thương mại Y học là lĩnh vưc ứng dụng truyền thống của Thực tại ảo Bên cạnh đó Thực tại ảo cũng được ứng dụng trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí Trong lĩnh vực quân sự Thực tại ảo cũng được ứng dụng rất nhiều ở các nước phát triển Bên cạnh các ứng dụng truyền thống ở trên, cũng có một số ứng dụng mới nổi lên trong thời gian gần đây... phòng thí nghiệm Tóm lại, 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 1.3 Mô phỏng lửa trong giáo dục Như chúng ta đã biết chương trình học ở các cấp được thiết kế theo mô hình đồng tâm xoắn ốc Kiến thức vật lý về phần... 19 Chƣơng 2 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG LỬA 2.1 Mô phỏng lửa bằng phƣơng pháp Physically-based Mô phỏng lửa bằng phương pháp Physically-based phù hợp cho ngọn lửa mịn và hỗn loạn Nó có thể được sử dụng để tạo hiệu ứng đốt nhiên liệu rắn hoặc khí Sử dụng phương trình Navier-Stokes không nén được để mô hình độc lập nhiên liệu bay hơi và các sản phẩm khí nóng Phát triển mô hình Physically-based cho việc... 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 Nói tóm lại: Mọi lĩnh vực "có thật " trong cuộc sống đều có thể ứng dụng "Thực tại ảo" để nghiên cứu và phát triển hoàn thiện hơn [5] Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 13 1.2 Mô phỏng. .. tính Mô phỏng hành vi của chất lỏng cho các hiệu ứng đặc biệt như mô tả khói, nước, lửa và các hiện tượng thiên nhiên khác Hiệu ứng lửa do tính chất nguy hiểm của nó, mô phỏng lửa cũng quan tâm các hiệu ứng thực tế ảo Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 22 Quá trình đốt có thể được phân loại một cách lỏng lẻo thành hai loại riêng biệt chứ không phải hiện tượng: vụ nổ và bùng cháy Trong. .. thể áp dụng các phương pháp cơ sở vào thuật toán này vẫn thực hiện được mục đích mô phỏng Ví dụ đầu tiên sử dụng phương pháp Implicit Euler [11] để giải quyết khuyếch tán mômen, phương pháp semi-lagrangian [11] để tính toán bình lưu vận tốc và cuối cùng là giải phương trình Possion 2.1.2.2 Mô hình mô phỏng lửa Mô hình các hiện tượng tự nhiên như lửa và ngọn lửa vẫn còn là một vấn đề khó khăn trong đồ... 1.3.1 Sách giáo khoa phổ thông Ở môn khoa học lớp 4 có thể sử dụng phương pháp mô phỏng để mô phỏng một số thí nghiệm liên quan đến lửa (bảng 1.1.) Bảng 1.1: Một số thí nghiệm về lửa môn khoa học lớp 4 TT 1 2 3 Tên bài học Bài 32: Không khí gồm những thành phần nào? Bài 35: Không khí cần cho sự cháy Bài 37: Tại sao có gió? ND mô phỏng Đốt cháy 1 cây nến, gắn vào đĩa thủy tinh, rồi rót nước vào đĩa Lấy... phỏng lửa và ý nghĩa 1.2.1 Mô phỏng lửa 1.2.3.1 Tìm hiểu về lửa Lửa là nhiệt và ánh sáng phát sinh đồng thời từ vật đang cháy (Theo từ điển Tiếng Việt) Lửa (hay sự cháy) là quá trình biến đổi hóa học (thường là phản ứng ôxy hóa) nhanh của vật liệu, tỏa ra nhiệt, các sản phẩm phản ứng và phát ra ánh sáng Các quá trình ôxy hóa chậm khác như gỉ hay thủy phân không bao gồm trong định nghĩa này Ngọn lửa là . 9 1.1.6. Ứng dụng của Thực tại ảo 12 1.2. Mô phỏng lửa và ý nghĩa 13 1.2.1. Mô phỏng lửa 13 1.2.4. Ý nghĩa của mô phỏng lửa 14 1.3. Mô phỏng lửa trong giáo dục 15 1.3.1. Sách giáo khoa. Khái quát thực tại ảo và mô phỏng lửa Trong chương này em 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. Chƣơng. HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG QUẢN THỊ VUI MÔ PHỎNG HIỆU ỨNG LỬA VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIÁO DỤC Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01