mô phỏng hiệu ứng sóng nước trong thực tại ảo

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 triển của mình đều cùng chung mục đích: mô tả thế giới vô cùng phong phú mà con ngƣời đang sống, cũng không hề có sự mâu thuẫn gì khi nói: tất cả những gì con ngƣời sáng tạo ra cuối cùng đều chung một mục đích là phục vụ con ngƣời. Công nghệ thực tại ảo (Virtual Reality-VR) cũng vậy, nó đƣợc ra đời với mục đích mô phỏng thế giới thực hay thế giới trong trí tƣởng tƣợng của con ngƣời bằng máy tính, từ đó con ngƣời có thể cảm nhận và tƣơng tác với thế giới đó nhƣ đang ở trong thế giới thật. Nếu trở lại vài thập niên về trƣớc, chắc rằng bạn sẽ cho đó là những điều viễn tƣởng, nhƣng sự phát triển vƣợt 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 đƣợc sống trong thế giới đó tại thời điểm này. Ở Việt Nam, công nghệ Thực tại ảo đang đƣợc triển khai nghiên cứu. Tại viện Công nghệ thông tin thuộc Viện khoa học & Công nghệ Việt Nam đã đƣợc trang bị phòng máy VR đầu tiên trong cả nƣớc. Bên cạnh trung tâm đầu não đó, kỹ thuật mô phỏng đã đƣợc nhiều trƣờng Đại học, nhiều công ty phần mềm nghiên cứu và cho tới nay đã thu đƣợc những kết quả bƣớc đầu đáng khích lệ. Nhƣng để làm chủ đƣợc công nghệ mới này thì rất cần phải đầu tƣ nghiên cứu tiếp. Một điều đƣơng nhiên là: muốn hiểu toàn bộ công nghệ thì phải nắm đƣợc phƣơng pháp thể hiện từng loại đối tƣợng, 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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu a. Đối tượng của đề tài: 2 - Phƣơng pháp mô phỏng sóng nƣớc bề mặt, bề mặt sóng nƣớc và ứng dụng của nó. b. Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu phƣơng pháp mô phỏng sóng nƣớc trong thực tại ảo (chú trọng đến bề mặt nƣớc phẳng có nhiều nhất là hai vùng sóng). - Qua đó xây dựng hiệu ứng của nƣớc . 3. Hƣớng nghiên cứu của đề tài Đề tài tập chung nghiên cứu phƣơng pháp chính mà thế giới đã phát triển là phƣơng pháp Particle-base 4. Những nội dung nghiên cứu chính Luận văn gồm phần Mở đầu, phần Kết luận và ba chƣơng cụ thể nhu sau: Chƣơng 1: Khái quát về mô phỏng nƣớc và bài toán mô phỏng sóng nƣớc Trong chƣơng 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 nƣớc trong hệ Thực tại ảo. Tại chƣơng này tôi cũng đi sâu phân tích các hiệu ứng cơ bản của nƣớc, giới thiệu những phƣơng pháp mô phỏng mà ngƣời ta đã dùng để tạo ra các hiệu ứng nƣớc. Trình bày bài toán mô phỏng sóng nƣớc để làm cơ sở cho sự trình bày phƣơng pháp mô phỏng sóng nƣớc trong chƣơng 2. Chƣơng 2: Một số vấn đề trong mô phỏng sóng nƣớc Trong chƣơng này tôi xin giới thiệu đặc điểm cơ bản của sóng nƣớc, những tính chất vật lý của nó và phƣơng pháp mô phỏng chính là Particle – based. Chƣơng 3: Cài đặt chƣơng trình ứng dụng Trong chƣơng này tôi xin giới thiệu bài toán, chƣơng trình và kết quả thử nghiệm của mình. 3 5. Phƣơng 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 nƣớc - Tìm hiểu các kỹ thuật và thuật toán xử lý liên quan - Tìm hiểu và phân tích một số phép toán mô phỏng sóng nƣớc - Kết hợp các nghiên cứu trƣớc đây của các tác giả trong và ngoài nƣớc cùng với sự chỉ bảo, góp ý của Thầy hƣớng dẫn để hoàn thành nội dung nghiên cứu. 6. Ý nghĩa khoa học của đề tài - Nêu ra đƣợc tầm quan trọng của việc mô phỏng sóng nƣớc trong thực tại ảo, chọn ra đƣợc các thuật toán quan trọng, ƣu việt trong quá trình mô phỏng - Nghiên cứu sẽ đƣa ra đƣợc hiệu ứng của sóng nƣớc và tầm quan trọng của nó trong các lĩnh vực. 4 CHƢƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG NƢỚC VÀ BÀI TOÁN MÔ PHỎNG SÓNG NƢỚC 1.1. Khái niệm về mô phỏng nƣớc 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, nhƣng 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, thƣơng mại và giải trí, ) và tiềm năng kinh tế, cũng nhƣ trong dân dụng và quân sự. 1.1.1.1. Thực tại ảo là gì? Thực tại ảo là mô phỏng môi trƣờng không gian ba chiều trên máy tính, trong môi trƣờng mô phỏng đó con ngƣời có thể quan sát và thực hiện những thao tác mà mình mong muốn. Với tất cả những gì có trong môi trƣờng mô phỏng thông qua thiết bị đầu vào, kết quả trả lại là những sự thay đổi của môi trƣờng đó mà con ngƣời có thể quan sát, hay cảm nhận đƣợc thông qua các thiết bị đầu ra. Theo nhƣ định nghĩa trên chúng ta có thể dễ dàng nhận ra các thành phần làm lòng cốt của thực tại ảo là: môi trƣờng không gian ba chiều, sự tƣơng tác, các thiết bị đầu vào, thiết bị đầu ra, và mô hình phải đƣợc tạo trên máy tính. Trong thế giới ảo này, ngƣời sử dụng không còn đƣợc xem nhƣ ngƣời quan sát bên ngoài, mà đã thực sự trở thành một phần của hệ thống. Mục tiêu của phần tổng quan này là đƣa 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 tƣơng lai [...]... công hiệu ứng nƣớc trong Thực tại ảo sẽ cho phép ta đi sâu vào thế giới ảo để tạo ra những giá trị thật cho cuộc sống con ngƣời 1.1.3 Một số hiệu ứng nƣớc cơ bản Mô phỏng nƣớc có thể coi là một trong những công việc khó khăn nhất, phức tạp nhất của Thực tại ảo, đã và đang là một thách thức lớn đối với công nghệ mô phỏng Mô phỏng nƣớc là dạng mô phỏng động theo thời gian thực hoặc không theo thời gian thực. .. đến các hiệu ứng khác nhau Sau đây là một số hiệu ứng nƣớc cơ bản mà ta thƣờng gặp: Hiệu ứng phản chiếu ánh sáng Hiệu ứng in bóng nƣớc Hiệu ứng sóng nƣớc Hiệu ứng giao thoa sóng nƣớc Hiệu ứng nƣớc chảy Hiệu ứng giọt nƣớc rơi Hiệu ứng nƣớc sôi (sủi bọt nƣớc) Tìm hiểu các giải thuật để thể hiện đƣợc những hiệu ứng rất phức tạp trên ngƣời ta đã đƣa ra nhiều giải pháp khác nhau : - Khi muốn thể hiện sóng. .. các sự vật Đây là dạng mô phỏng đơn giản nhất Mô phỏng động: mô phỏng động đƣợc tách thành 2 loại, đó là mô phỏng động theo thời gian thực và mô phỏng động không theo thời gian thực 15  Mô phỏng động theo thời gian thực: là dạng mô phỏng mà trong kết quả của nó có sự chuyển động và chuyển động đó thay đổi theo thời gian Đây là dạng mô phỏng phức tạp nhất, khó nhất Trong dạng mô phỏng này, hiện nay đang... 1.1.1.4 Ý nghĩa của thực tại ảo trong tƣơng lai Nhƣ vậy chúng ta thấy đƣợc ý nghĩa to lớn của việc ứng dụng thực tại ảo, bởi những vấn đề khó khăn mà nếu không có thực tại ảo thì có thể nói là khó lòng mà giải quyết, hay nếu có thể giải quyết đƣợc thì hiệu quả không cao và chi phí sẽ rất tốn kém Tuy nhiên trong tất cả các ứng dụng thực tại ảo đều liên quan đến việc xây dựng các mô hình mô phỏng thế giới... Công nghệ mô phỏng đã xuất hiện từ rất lâu và đã phát triển mạnh ở các nƣớc châu Âu và một số nƣớc châu Á, nhƣng ở Việt Nam mấy năm gần đây công nghệ này mới thực sự đƣợc quan tâm và đầu tƣ thích đáng Mô phỏng nói chung có 2 dạng chính: mô phỏng tĩnh và mô phỏng động Mô phỏng tĩnh: là dạng mô phỏng chỉ thể hiện đƣợc mô hình tĩnh, trong kết quả mô phỏng không có sự chuyển động Đây là dạng mô phỏng thƣờng... ngƣời dùng trong môi trƣờng ảo, cũng nhƣ bằng những phản hồi tức thời, trực quan từ phía môi trƣờng ảo tới các giác quan của ngƣời sử dụng Hơn thế nữa, công nghệ Thực tại ảo cho phép mô phỏng những môi trƣờng nguy hiểm hay tốn kém nhƣ buồng lái máy bay, phòng thí nghiệm hoá chất.v.v… Hình 1.1 Mô hình huấn luyện bay sử dụng công nghệ Thực tại ảo Tất cả những đặc tính này khiến công nghệ Thực tại ảo trở... trọng trong một hệ mô phỏng để làm giảm dung lƣợng bộ nhớ và đáp ứng nhanh hoặc trong các trò chơi game Trong phạm vi bài khoá luận này tôi không đi sâu vào tìm hiểu những phƣơng pháp đó mà trọng tâm là tìm hiểu phƣơng pháp tạo ra hiệu ứng thật cho mặt nƣớc 1.2 Bài toán mô phỏng sóng nƣớc 1.2.1 Tổng quan về mô phỏng Mô phỏng là quá trình “bắt chƣớc” các sự vật, hiện tƣợng có thực trong thiên nhiên, trong. .. số sóng Biên độ sóng: Biên độ sóng tại mỗi điểm trong không gian chính là biên độ dao động của phần tử môi trƣờng tại điểm đó Bƣớc sóng: Quãng đƣờng mà sóng truyền đi đƣợc trong thời gian một chu kì dao động gọi là một bƣớc sóng, bƣớc sóng đƣợc kí hiệu là λ Bƣớc sóng cũng là khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất trên phƣơng truyền sóng mà dao động tại hai điểm đó là cùng pha Tốc độ truyền sóng: Trong. .. học viên trong quá trình thực tập không phải trả giá bằng những thƣơng tổn thực trên cơ thể ngƣời bệnh Điều này cũng làm giảm áp lực lên học viên khi thực hiện phẫu thuật ảo Từ đó, giúp họ tự tin và chủ động hơn trong học tập Kiến trúc Một trong những lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu nhất của Thực tại ảo là thiết kế kiến trúc Khả năng mô hình hoá thế giới thực của công nghệ Thực tại ảo dƣờng nhƣ đáp ứng một... tăng sự hứng thú trong học tập cũng nhƣ khả năng ghi nhớ các khái niệm quan trọng trong bài giảng Y học Y học là một trong những lĩnh vực ứng dụng tiềm năng trong công nghệ Thực tại ảo Cho đến nay, lĩnh vực nổi bật trong y học áp dụng thành công công nghệ Thực tại ảo là giả lập giải phẫu (Surgical Simulation) Hình 1.2 Phẫu thuật ảo - Phương pháp đào tạo phẫu thuật mới dùng công nghệ Thực tại ảo Trên . hiện từng loại đối tƣợng, 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 nhƣ trong dân dụng và quân sự. 1.1.1.1. Thực tại ảo là gì? Thực tại ảo là mô phỏng môi trƣờng không gian ba chiều trên máy tính, trong môi trƣờng mô phỏng đó con ngƣời có thể quan sát và thực. về mô phỏng nƣớc trong hệ Thực tại ảo. Tại chƣơng này tôi cũng đi sâu phân tích các hiệu ứng cơ bản của nƣớc, giới thiệu những phƣơng pháp mô phỏng mà ngƣời ta đã dùng để tạo ra các hiệu ứng