Mô phỏng tính trong suốt của lửa theo nhiệt độ trong thực tại ảo

Các hệ thống này ra đời từ rất sớm, tuy nhiên chúng chỉ là các ứng dụng đồ hoạ máy tính nhỏ luôn gặp phải khó khăn là làm thế nào để hình ảnh, âm thanh và các đối tượng hoạt động như tro

: 60-48-01

:

- 2013

-

Tác giả luận văn

i

ii

ii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v

DANH MỤC CÔNG THỨC vii

1

3

3

3

3

1.1.3 Một số loại hệ thống thực tại ảo [6] 5

6

7

1.2 Các yếu tố trong mô phỏng lửa 8

8

9

1.2.3 Mô phỏng lửa 12

1.2.4 Ý nghĩa của việc mô phỏng lửa 14

16

16

2.1.1 Particle System là gì ? 16

2.1.2 Đặc tính của Particle System 16

2.1.3 Ưu điểm của phương pháp Particle System 17

2.1.4 Mô hình mô phỏng bằng Particle System 18

[10] 27

2.2.1 Mô phỏng lửa dựa trên phương pháp Particle 27

2.2.2 Chuyển động của hạt lửa 32

2.2.3 Khởi tạo hình dạng và màu sắc cho hạt lửa 36

2.2.4 Các phương thức của Particle System mô phỏng lửa 38

43

43

3.2 Phân tích các yêu cầu đối với chương trình cài đặt thử nghiệm kỹ thuật sinh ảnh trong không gian 3D theo phương pháp Particle 43

3.3 Chương trình mô phỏng ngọn lửa theo kỹ thuật Particle 44

KẾT LUẬN 48

1 Tầm quan trọng của mô phỏng lửa 48

48

3 Hướng phát triển 49

50

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 51

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hệ thống huấn luyện quân sự ảo 10

Hình 1.2 Hệ thống tập lái xe ảo 10

Hình 1.3 Hệ thống phẫu thuật ảo 11

Hình 1.4 Cháy rừng ở Tây Nguyên năm 2010 14

Hình 1.5 Cháy cây xăng Trần Hưng Đạo - Hà Nội năm 2013 15

Hình 2.1 Particle System phát ra các hạt dựa trên vùng diện tích và các thuộc tính như vị trí, góc phóng, và vận tốc khác nhau một cách ngẫu nhiên 20

Hình 2.2 Particle System với hình dạng cầu 22

Hình 2.3 Sự thay đổi về mầu sắc của lửa 23

Hình 2.4 Kỹ thuật Anti-Aliased (áp dụng trong hình bên phải) 25

Hình 2.5 Sự chết đi của hạt 26

Hình 2.6 Sơ đồ vòng đời của hạt trong Particle System 27

Hình 2.7 Các hạt được phát cùng số lượng và tốc độ 29

Hình 2.8 Các hạt được phát với số lượng và tốc độ một cách ngẫu nhiên 30

Hình 2.9 Các hạt được phát theo hướng thẳng đứng 30

Hình 2.10 Cấu trúc phân cấp của thành phần quản lý bộ phát 31

Hình 2.11 Ngọn lửa được mô phỏng mà không có sự kìm chế của các tác động thực tế 33

Hình 2.12 Hình ảnh mô phỏng lửa bằng các hàm lượng giác 34

Hình 2.13 Mô phỏng các hạt di chuyển sau mỗi lần lặp đến các điểm áp suất thấp gần nhất 35

Hình 2.14 Mô phỏng ngọn lửa theo phương pháp các hạt di chuyển về vùng áp thấp 35

Hình 2.15 Cộng ảnh Alpha Channel vào ảnh để tạo mặt nạ 36

Hình 2.16 Tạo Particle System mô phỏng ngọn lửa từ các hạt được cộng thêm Alpha Channel 38

Hình 2.17 Hình ảnh ngọn nến đang cháy 40

Hình 2.18 Sự thay đổi hướng của vecto vận tốc 41

Hình 3.1 Ngọn lửa cháy ở nhiệt độ 100C 44

Hình 3.2 Ngọn lửa cháy ở nhiệt độ 500C 45

Hình 3.3 Ngọn lửa cháy ở nhiệt độ 1000C 45

Hình 3.4 Ngọn lửa cháy ở nhiệt độ 3000C 46

Hình 3.5 Ngọn lửa cháy ở nhiệt độ 5000C 46

Hình 3.6 Ngọn lửa cháy ở nhiệt độ 10000C 47

Hình 3.7 Ngọn lửa cháy ở nhiệt độ 30000C 47

DANH MỤC CÔNG THỨC

Công thức (1) 19

Công thức (2) 19

Công thức (3) 20

Công thức (4) 20

Công thức (5) 22

Công thức (6) 23

Công thức (7) 32

Công thức (8) 32

Công thức (9) 32

g

Chương 1: TRONG

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 cũng như thương mại, giải trí, ) tiềm năng kinh tế, cũng như tính lưỡng dụng (trong dân dụng, quân sự) của nó Thuật ngữ "Virtual Reality" - thực tại ảo - được đưa ra bởi Jaron Lanier (người sáng lập công ty VPL Research, tại Redwood - California, một trong những công ty đầu tiên cung cấp các sản phẩm cho môi trường ảo, virtual environment) Hiện nay, có nhiều định nghĩa về thực tại ảo, một trong các định nghĩa được chấp nhận rộng rãi là của C Burdea và P

Coiffet thì có thể hiểu VR tương đối chính xác như sau “VR- Thực Tế Ảo là

một hệ thống giao diện cấp cao giữa Người sử dụng và Máy tính Hệ thống này mô phỏng các sự vật và hiện tượng theo thời gian thực có tương tác với người sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác Đó là ngũ giác gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác, vị giác”[6]

(Interactive): (VR) là một hệ thống mô phỏng trong đó đồ họa máy tính được sử dụng để tạo ra một thế giới "như thật" Hơn nữa, thế giới "nhân tạo" này không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn (tín hiệu vào) của người sử dụng (nhờ hành động, lời nói, ) Người sử dụng tư

,

đó là tương tác thời gian thực (real-time interactivity) Thời gian thực ở đây

có nghĩa là máy tính có khả năng nhận biết được tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức thế giới ảo Người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ và bị thu hút bởi sự mô phỏng này Điều này chúng ta có thể nhận thấy ngay khi quan sát trẻ nhỏ chơi video game

(Immersion):

phần lớn vào cảm giác đắm chìm, cảm giác trở thành một phần của hành động trên màn hình mà người sử dụng đang trải nghiệm Nhưng còn đẩy cảm giác này "thật" hơn nữa nhờ tác động lên tất cả các kênh cảm giác của con người Trong thực tế, người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D nổi, điều khiển (xoay, di chuyển, ) được đối tượng trên màn hình (như trong game), mà còn sờ và cảm thấy chúng như có thật Ngoài khả năng nhìn (thị giác), nghe (thính giác), sờ (xúc giác), nhiều nghiên cứu hiện nay đã nghiên cứu để tạo các cảm giác khác như

giác này cũng ít được sử dụng đến

của 3 yếu tố: Tương tác- Đắm chìm- Tưởng tượng, (3 “I” trong tiếng

Anh: Interactive- Immersion- Imagination)

1.1.3 Một số loại hệ thống thực tại ảo [6]

Hệ thống Window on a World còn gọi là Desktop VR, là các chương trình thực tại ảo chạy trên các máy tính cá nhân Các hệ thống này ra đời từ rất sớm, tuy nhiên chúng chỉ là các ứng dụng đồ hoạ máy tính nhỏ luôn gặp phải khó khăn là làm thế nào để hình ảnh, âm thanh và các đối tượng hoạt động như trong thực tế

Hệ thống kết hợp các hình ảnh video với các hình ảnh đồ hoạ 2D làm cho chúng ta có cảm giác người được quay video đang tương tác với các đối tượng Phương pháp này được áp dụng từ cuối những năm 1960 và được mô

tả chi tiết trong 2 cuốn sách "Artificial Reality" và "Artificial Reality II" của Myron Kruger Nó đã được áp dụng vào hệ thống thương mại Mandala của kênh truyền hình cáp Nickelodeon cho chương trình giải trí mà trong đó những người dự thi xuất hiện với những hình ảnh rất lớn và ngộ nghĩnh

Hệ thống immersive là các hệ thống mà người sử dụng dùng thiết bị đặc biệt như màn hình gắn trên đầu (head-mounted display HMD), kính đặc biệt, các bộ cảm ứng và đắm chìm vào bên trong thế giới ảo do các thiết bị này tạo ra Hệ thống quan sát từ xa (telepresence systems) kết nối các bộ cảm biến từ xa đặt trong thế gíới thực với các giác quan của người vận hành

Ví dụ, chúng ta gắn các bộ cảm biến vào các cơ quan trên cơ thể và đeo một chiếc kính thực tại ảo Chiếc kính này nhận các tín hiệu quan sát được từ

vị trí của một robot ở một khoảng cách xa và chúng ta sẽ thấy những gì mà robot thấy để rồi chúng ta có các phản ứng như chính ta đang nhìn thấy các hình ảnh đó Các phản ứng này, theo các bộ cảm biến được nối với máy tính

sẽ chuyển đến các bộ phận tương ứng của robot, kết quả là robot sẽ bắt chước các hoạt động của chúng ta Điều này thực sự ý nghĩa nếu robot được đặt trên một hành tinh xa xôi hay trong lòng núi lửa Hệ thống hỗn hợp (mixed realityseamless simulation systems), là sự kết hợp các hệ thống hiện thực ảo

đã trình bày ở trên

Hệ thống thực tại ảo bao gồm 3 thành phần chính sau: HW (phần cứng), bộ giả lập thực tại (reality simulator), ứng dụng (application)

 HW (phần cứng)

Phần cứng của một VR bao gồm:

Các thiết bị đầu vào (Input devices): Chúng bao gồm những thiết bị

đầu ra có khả năng kích thích các giác quan để tạo nên cảm giác về sự hiện hữu trong thế giới ảo Chẳng hạn như màn hình đội đầu HMD, chuột, các tai nghe âm thanh nổi - và những thiết bị đầu vào có khả năng ghi nhận nơi người

sử dụng đang nhìn vào hoặc hướng đang chỉ tới, như thiết bị theo dõi gắn trên đầu (head-trackers), găng tay hữu tuyến (wire-gloves)

Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (như màn

hình, HDM, ) để nhìn được đối tượng 3D Thiết bị âm thanh (loa) để nghe được âm thanh vòm (như Hi-Fi, Surround, ) Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback như găng tay, ) để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tượng Bộ phản hồi xung lực (Force Feedback) để tạo lực tác động như khi đạp xe, đi đường xóc,

 Bộ giả lập thực tại (reality simulator)

Là trái tim của hệ thống thực tại ảo, bao gồm hệ thống máy tính và phần cứng ngoại vi, thiết bị đồ hoạ và multimedia; cung cấp cho bộ tác động những thông tin giác quan cần thiết Trong hệ thống mô phỏng cabin lái, thì

mô hình cabin là thành phần này

 Ứng dụng (application)

Ví dụ như các ngôn ngữ (có thể tìm miễn phí) Open GL, Open Scene Graph, Open SG, C++, Java 3 D, VRML, X3D, hay các phần mềm thương mại như World Tool Kit, People Shop,Ve Ga

, động lực học, và mô phỏng ứng xử của đối tượng

dụng trong mọi lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, và đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu- Giáo dục- Thương mại

cũng được ứng dụng trong giáo dục, nghệ thuật, giải

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

trong hiển thị thông tin (thăm dò dầu mỏ, hiển thị thông tin khối, )

có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn Có thể nói tóm lại một điều: Mọi lĩnh vực "có thật " trong cuộc s

ảo" để nghiên cứu và phát triển hoàn thiện hơn

1.2 Các yếu tố trong mô phỏng lửa

Hình 1.1 Hệ thống huấn luyện quân sự ảo

,

Hình 1.2 Hệ thống tập lái xe ảo

- Y học: Đây là lĩnh vực nhiều triển vọng của công nghệ mô phỏng, đặc

biệt là thực tại ảo Hiện nay trên thế giới thì sự ứng dụng thực tại ảo vào y học

là rất phong phú, ta có thể kể đến một số ứng dụng sau: Trong phẫu thuật bác

sĩ đã có thể tiến hành các cuộc phẫu thuật trong môi trường ảo mà không cần bệnh nhân mà vẫn như đang phẫu thuật trên bệnh nhân thật, họ cũng có thể tiến hành các cuộc phẫu thuật từ xa thông qua các thiết bị của thực tại ảo

Hình 1.3 Hệ thống phẫu thuật ảo

- Thiết kế: Với sự trợ giúp của công nghệ mô phỏng, trong thiết kế hiện

nay không chỉ đơn thuần là những thiết kế nữa mà nó tiến gần tới sản phẩm thực Không những con người có thể xem được hình ảnh trực quan của thiết

bị cần thiết mà thậm chí còn có khả năng đi vào, thậm chí là sử dụng các thiết

bị đó Ví dụ với một cái ô tô người sử dụng không những được xem mọi ngóc ngách của nó mà còn có thể lái thử xe trong môi trường ảo Với một bản thiết

kế xây dựng không những khách hàng có thể nhìn thấy các hình ảnh của nó

mà còn có thể đi lại xem chi tiết từng phòng, từng khu vực của kiến trúc đó với mọi góc nhìn có thể

- Giải trí: Hiện nay ngành giải trí là ngành đạt được nhiều thành tựu và

thu được nhiều lợi nhuận nhất của công nghệ mô phỏng Trong giải trí có thể

kể đến hai lĩnh vực chính đó là điện ảnh và game Trong điện ảnh ngày nay thì con người có thể dựng được những thước phim tưởng chừng như không thể dựng được với các kỹ xảo điện ảnh thông thường, ví dụ trong một số cảnh của phim Tân Tây Du Ký, Vua Bọ Cạp, … Cùng với nó các phim thực tại ảo

ba chiều cũng được sản xuất và trình chiếu tại các rạp chiếu phim 3D, 4D Khi xem các phim này bạn có cảm giác như đang được sống trong chính bộ phim, như thể mình là một nhân vật của bộ phim chứ không phải là khán giả đang xem Bên cạnh đó Game 3D hiện nay cũng trở thành một ngành công nghiệp thu được nhiều lợi nhuận Ở nước ta hiện nay thì game thực tại ảo chưa được biết đến nhiều, song ở các nước tiên tiến thì đây là một ngành giải trí mang lại lợi nhuận khổng lồ, ví dụ như ở Anh, Mỹ, Nhật …Các trò chơi với sự hỗ trợ của thực tại ảo sẽ mang đến một cảm giác thực sự như ta đang đảm nhiệm một nhiệm vụ trong trò chơi

Tóm lại, với các ứng dụng đa dạng và nhu cầu thực tế thì công nghệ mô phỏng đang ngày càng phát triển mạnh mẽ hơn, thu hút sự quan tâm của mọi người nhất là những người quan tâm đến sự phát triển của công nghệ nói chung và công nghệ thông tin nói riêng Ở nước ta hiện nay, lĩnh vực này mới thực sự bắt đầu phát triển vì vậy nghiên cứu vấn đề này sẽ đem lại nhiều kết quả hứa hẹn trong tương lai

1.2.3 Mô phỏng lửa

Theo tính chất vật lý, hóa học và khí động học thì lửa có thể được xem

từ nhiều khí cạnh: Nó là một nguồn bức xạ; một hỗn hợp khí hoạt động theo các qui luật của cơ chế khí động học, hay một vật chất trong suốt điều biến ánh sáng Tuy nhiên, khi mô phỏng về lửa ta chỉ tập trung vào hình ảnh của ngọn lửa, bởi mục đích chính là xây dựng một mô hình trực quan của lửa Các

thuộc tính vật lý có thể được xác định bằng phương thức quang học dựa trên

mô hình đó Phần lớn các mô hình đặc tả ngọn lửa như một vật chất phát ra ánh sáng và có tính trong suốt cao (mặc định nó là môi trường không tán xạ) Khi không có khói hay độ ẩm thì giả thiết này là có thể chấp nhận được

Thể hiện ngọn lửa trong mô phỏng cần tạo ra một cảm giác trực quan đúng đắn về tính động của nó Hiện tại có rất nhiều mô hình được sử dụng để

mô phỏng lửa Trong các mô hình cháy các tia lửa được mô phỏng khá thuyết phục bằng cách sử dụng mô hình đơn giản của cơ chế đốt cháy hỗn hợp khí - nhiên liệu cũng như bằng các mô hình thủ tục phức tạp hơn Những mô hình nắm bắt các chuyển động của ngọn lửa như các thuộc tính khuyếch tán, sự đối lưu, sự nổ hay nhiễu loạn…

Tiến trình thể hiện hình ảnh ngọn lửa là vấn đề then chốt của mô phỏng lửa, trong một thể thiện ba chiều của ngọn lửa các hình ảnh có thể được tạo rất nhanh bằng các kỹ thuật tận dụng sức mạnh phần cứng để cho ta cảm giác thực sự về một ngọn lửa

Để có kết quả tốt hơn, người ta có thể sử dụng các kỹ thuật như ánh xạ photon coi ngọn lửa như một nguồn sáng hạt thật sự Các hiệu ứng tâm lý như

sự điều chỉnh mắt người khi thay đổi độ sáng của ngọn lửa cũng được sử dụng Để thể hiện ngọn lửa ta có thể sử dụng kỹ thuật đơn giản như phép chiếu thẳng và phép theo vết tia sáng Chúng ta cũng có thể sử dụng các mô hình thể hiện ngọn lửa dựa trên các hình ảnh có sẵn để 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 tính chất của lửa như tính trong suốt để đề ra các phương thức mới, mở rộng các phương thức mô phỏng để có thể thể hiện được các thuộc tính vật lý khác của ngọn lửa và thiết kế phương thức để đánh giá một cách khách quan và đáng tin cậy các thuộc tính này [11]

1.2.4 Ý nghĩa của việc mô phỏng lửa

Có thể nói lửa có vai trò to lớn trong cuộc sống của loài người, ngoài việc duy trì sự sống, lửa còn có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực sản xuất, nghiên cứu, vui chơi giải trí… Để đảm bảo cho việc tính toán, thiết

kế các ứng dụng của lửa được chính xác và sử dụng có hiệu quả những ứng dụng của lửa vào cuộc sống, nhất là trong điều kiện công nghệ thông tin phát triển đòi hỏi phải có sự mô phỏng những ứng dụng của lửa trước khi đưa ứng dụng vào thực tế Người ta có thể kiểm duyệt các thiết kế, các dự án liên quan đến lửa trước khi đi vào thực tế để giảm thiểu các rủi ro có thể xảy ra, bởi chúng ta đều biết sức tàn phá của lửa là vô cùng to lớn Đó chính là nhiệm vụ của công nghệ mô phỏng Khi đã nghiên cứu được phương pháp mô phỏng lửa và đầy đủ các hiệu ứng của lửa, chúng ta sẽ dễ dàng thấy được trên máy tính quá trình chuyển động của lửa, quá trình bốc cháy của lửa với các đối tượng khác nhau trong công trình nghiên cứu Kết quả của các quá trình sẽ là

cơ sở để đánh giá công trình nghiên cứu có đạt tiêu chuẩn hay không

Dưới đây là một số hình ảnh minh chứng cho sức tàn phá khủng khiếp của lửa đã gây ra

Hình 1.4 Cháy rừng ở Tây Nguyên năm 2010

Hình 1.5 Cháy cây xăng Trần Hưng Đạo - Hà Nội năm 2013

Ngoài ra, còn một lý do để xếp mô phỏng lửa vào một trong những vị trí quan trọng nhất trong lĩnh vực mô phỏng chính là việc ứng dụng nó trong giáo dục, đào tạo đặc biệt là trong các trường, các ngành đặc thù như phòng cháy chữa cháy, kỹ xảo điện ảnh, cảnh báo thiên tai hỏa hoạn…

Các mô hình mô phỏng về lửa, các tương tác của lửa đối với các đối tượng khác hay các đối tượng lửa với nhau sẽ cho người học một cái nhìn trực quan hơn, tiếp thu và nắm bài dễ hơn

Tóm lại, việc xây dựng các mô hình mô phỏng lửa và các hiệu ứng của

nó đang là nhu cầu cấp thiết đối với các ngành liên quan đến lửa, mà mô phỏng cần được thực hiện Tuy nhiên, đây vẫn là một thách thức không hề nhỏ của công nghệ mô phỏng

2.1.1 Particle System là gì ?

Particle System là một kỹ thuật đồ họa máy tính dùng để mô phỏng một

số hiện tượng mờ, những cái mà rất khó có thể tái tạo lại bằng các kỹ thuật dựng hình thông thường

Ví dụ: Các vụ cháy, nổ, khói, nước chảy, tia lửa, những chiếc lá rơi, mây, sương mù, tuyết, bụi, đuôi sao băng hoặc các hiệu ứng hình ảnh trừu tượng như những đường ánh sáng …

Theo William T Reeves, Particle System được định nghĩa như sau:

Particle System là một tập hợp các thành phần hay các hạt riêng biệt Particle System điều khiển tập particle đó, cho phép chúng hoạt động một cách tự động nhưng với một số thuộc tính chung nhất định [7]

2.1.2 Đặc tính của Particle System

So với các kỹ thuật dựng hình thông thường thì Particle System có ba đặc tính riêng khác biệt hẳn Đó là:

1 Đối tượng được biểu diễn không phải là một tập các thành phần bề mặt

cơ bản như các đa giác hay các miếng nhỏ bề mặt để tạo ra bề mặt biên,

mà được cấu thành từ tập các hạt để tạo ra hình khối

2 Particle System không phải là thực thể tĩnh mà nó chuyển động và thay đổi hình dạng 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 thức của nó hoàn toàn không quy định Thay vào đó, nó sẽ được xác định bằng các tiến trình ngẫu nhiên

2.1.3 Ưu điểm của phương pháp Particle System

Trong mô hình hóa các đối tượng không định hình, phương pháp Particle System có một số các ưu điểm so với các kỹ thuật hướng bề mặt cổ điển như sau:

1 Particle là một thành phần nguyên tố đơn giản hơn cả đa giác - thành phần đơn giản nhất của kỹ thuật mô hình dựa trên bề mặt Do đó, trong cùng một khoảng thời gian xử lý trên máy tính, ta có thể tạo ra nhiều quá trình xử lý hơn, xây dựng được hình ảnh phức tạp hơn Cũng do đơn giản nên việc tạo hiệu ứng nhòe khi chuyển động cho particle sẽ dễ dàng hơn Việc tạo hiệu ứng nhòe cho đối tượng khi di chuyển nhanh phần lớn đã bị bỏ qua trong kỹ thuật tổng hợp hình ảnh

2 Định nghĩa mô hình được xác định theo thủ tục, và được điều khiển bằng các số ngẫu nhiên Do đó, việc nhận một mô hình với độ chi tiết cao không yêu cầu thời gian thiết kế lớn như trong các hệ thống mô hình hướng bề mặt Vì là thủ tục nên Particle System có thể tự điều chỉnh mức độ chi tiết của nó để phù hợp với tập tham số đã được xác định cho việc quan sát Cũng như với các bề mặt Fractal, càng phóng đại một Particle System càng cho ta những hình ảnh chi tiết hơn,

3 Một đối tượng được mô phỏng bằng Particle System là một đối tượng

“sống”, có nghĩa là chúng thay đổi theo thời gian

Rất khó để có thể mô hình sự chuyển động phức tạp này bằng các kỹ thuật

mô hình dựa vào bề mặt đối tượng

2.1.4 Mô hình mô phỏng bằng Particle System

Một Particle System là một tập hợp nhiều hạt nhỏ kết hợp cùng nhau tạo nên một vật thể mờ ảo, không định hình Trong một khoảng thời gian, các hạt được tạo thành một hệ thống, di chuyển và thay đổi từ bên trong hệ thống, sau đó chết đi Để tính toán mỗi khung hình trong một chuỗi chuyển động, trình tự các bước sau đây được thực hiện:

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 chuyển động và biến đổi dựa theo các thuộc tính động của nó

5 Một hình ảnh của các hạt đang sống được kiết xuất trong bộ đệm

khung hình

Particle System có thể được lập trình để thực hiện bất kỳ tập lệnh nào tại mỗi bước Bởi vì nó là thủ tục, phương pháp này có thể kết hợp bất kỳ mô hình tính toán nào dùng để mô tả bề ngoài hay tính chuyển động của đối tượng Ví dụ, sự chuyển động và biến đổi của các hạt có thể được gắn với các giải pháp của một hệ thống phương trình vi phân từng phần, hoặc các thuộc tính hạt có thể được chỉ định trên cơ sở của cơ học thống kê Chúng ta có thể, tận dụng lợi thế của các mô hình đã được phát triển trong lĩnh vực khoa học hoặc kỹ thuật khác

Trong phạm vi nghiên cứu, chúng ta sử dụng quy trình ngẫu nhiên đơn giản như các yếu tố thủ tục của mỗi bước trong việc tạo ra một khung hình

Để kiểm soát hình dạng, bề mặt và động thái của các hạt trong một Particle System, chúng ta thiết kế mô hình có quyền truy cập vào một tập hợp các

tham số Chuyển động và biến đổi của các hạt sẽ bị rằng buộc bởi các tham số ngẫu nhiên này Nói chung, mỗi tham số quy định cụ thể một dải giá trị mà mỗi hạt sẽ nhận được một giá trị trong khoảng đó Các phần dưới đây mô tả chi tiết hơn về mô hình mô phỏng bằng phương pháp Particle System

1 Xác định số lượng hạt trung bình được sinh ra trong một khung hình và khoảng biến đổi của nó Khi đó, số lượng hạt thực sự trong một khung hình f là:

Nparts f = MeanParts f + Rand() x VarianceParts f (1)

Trong đó:

Rand(): là một hàm trả về một giá trị ngẫu nhiên nằm trong đoạn [-1,1] MeanParts f : là số lượng trung bình các hạt

VarianceParts f: là khoảng biến đổi của hạt

2 Số lượng hạt phụ thuộc vào kích thước mà đối tượng thể hiện trên màn hình Trong phương pháp này, ta cần xác định các tham số của điểm quan sát so với một khung hình cụ thể của đối tượng, tính toán vùng màn hình mà nó bao phủ và đưa ra số lượng hạt mới phù hợp Không cần thiết tạo ra hàng ngàn hạt để bao phủ chỉ một vài điểm ảnh

Phương trình cụ thể như sau:

Nparts f = (MeanParts SAf + Rand() x VarianceParts SAf ) x ScreenArea (2)

Hình 2.1 Particle System phát ra các hạt dựa trên vùng diện tích và các thuộc tính như vị trí, góc phóng, và vận tốc khác nhau một cách ngẫu nhiên

Trong đó:

MeanParts SAf: là số lượng hạt trung bình trên mỗi đơn vị diện tích màn hình

VarianceParts SAf: là khoảng biến đổi của hạt

ScreenArea: là diện tích phần màn hình mà Particle System bao phủ

Để điều khiển cường độ của Particle System, người thiết kế phải điều khiển số lượng hạt trung bình được sinh ra cho mỗi khung hình Tiến trình này có thể sử dụng một hàm tuyến tính đơn giản như sau:

MeanParts f = InitialMean + DeltaMean x (f - f 0 ) (3) Hay

MeanParts SAf = InitialMean SA + DeltaMean SA x (f - f 0 ) (4)

Trong đó:

f : là khung hình hiện tại

f 0 : là khung hình đầu tiên

InitialMean, InitialMean SA: là số lượng hạt trung bình tại khung hình đầu tiên

DeltaMean, DeltaMean SA: là tốc độ biến đổi và với phương trình biến đổi tuyến tính thì nó là hằng số Tất nhiên, trong trường hợp sự biến đổi về mật độ đối tượng phức tạp hơn thì các phương trình phức tạp hơn sẽ được sử dụng Ở đây, chúng ta cố gắng xây dựng mô hình mô phỏng đơn giản nhất của Particle System

Để điều khiển việc sinh ra các hạt của Particle System, ta cần phải xác

định rõ f 0 và các tham số trong phương trình (3) hay (4)

2.1.4.2 Các thuộc tính của hạt

Với mỗi hạt mới được sinh ra, Particle System phải gắn sẵn giá trị cho các thuộc tính sau của nó:

1 Vị trí ban đầu

2 Vận tốc ban đầu (trong đó gồm cả tốc độ và hướng)

3 Kích thước ban đầu

5 Độ trong suốt ban đầu

7 Tuổi thọ của hạt

Một vài tham số của Particle System điều khiển vị trí ban đầu của các hạt của nó Một Particle System có một vị trí trong không gian ba chiều làm gốc Hình dạng được tạo thành của Particle System(vùng sinh) là một không gian được xác định xung quanh điểm gốc này

Các hạt mới của Particle System luôn được tạo ra ở vùng sinh Một

vùng sinh có thể là một hình cầu bán kính r với tâm là điểm gốc, một hình tròn bán kính r tâm là điểm gốc và song song với mặt phẳng Oxy, hoặc một hình chữ nhật chiều dài l và chiều rộng w tâm là điểm gốc và nằm song song

với mặt phẳng Oyz