Mô phỏng nước trong công nghệ thực tại ảo

Cấu trúc luận văn gồm Phần mở đầu, Phần kết luận và 3 Chương nội dung, cụ thể như sau: Trong chương này giới thiệu tổng quan về quá trình phát triển và các lĩnh vực ứng dụng chính hiện n

LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐỖ NĂNG TOÀN

HÀ NỘI – 2009

MỤC LỤC

Trang

PHẦN MỞ ĐẦU 6

Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG NƯỚC 8

1.1 KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO 8

1.1.1.Thực tại ảo là gì? 8

1.1.2 Sơ lược lịch sử phát triển của thực tại ảo 8

1.1.3 Một số lĩnh vực thực tế ứng dụng thực tại ảo 9

1.2 MÔ PHỎNG NƯỚC TRONG THỰC TẠI ẢO 15

1.2.1 Vai trò của mô phỏng nước 15

1.2.2 Một số hiệu ứng nước cơ bản 16

1.2.3 Cơ sở lý thuyết của mô phỏng nước 19

1.2.3.1 Tính đàn hồi của chất lỏng 20

1.2.3.2 Độ nhớt của chất lỏng 20

1.2.3.3 Lực mao dẫn của chất lỏng 21

1.2.3.4 Sự hút khí của chất lỏng 22

Chương 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT MÔ PHỎNG NƯỚC 23

2.1 KỸ THUẬT PHYSICALLY-BASE 23

2.1.1 Giớí thiệu 23

2.1.2 Cơ sở vật lý 23

2.1.3 Khái quát thuật toán 26

2.1.4 Phương pháp ngoại suy bề mặt ảo 26

2.2 KỸ THUẬT PARTICLE-BASE 29

2.2.1 Giới thiệu 29

2.2.2 Tiến trình mô phỏng 29

2.2.3 Mật độ kép 34

2.2.3.1 Mật độ và áp suất 34

2.2.3.2 Phục hồi tính không nén được 35

2.2.3.3 Near – Density and Near- Pressure 35

2.2.3.4 Sức căng bề mặt 40

2.2.4 Biểu diễn bề mặt 40

2.2.4.1 Tính đàn hồi 40

2.2.4.2 Tính dẻo 42

2.2.4.3 Tính nhớt 44

2.2.5 Sự va chạm đối tượng 44

2.2.5.1 Va chạm 44

3.2.5.2 Tính nhớt trong tương tác với đối tượng 47

Chương 3: ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG NƯỚC 48

3.1 MÔ PHỎNG NƯỚC TRONG CÁC HỆ THỰC TẠI ẢO 48

3.2 CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 52

3.2.1 Kỹ thuật Physically-Based 52

3.2.2 Kỹ thuật Particle-Based 55

PHẦN KẾT LUẬN 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

Bảng chữ cái viết tắt

2 VIVED Visual environment display

4 SPH Smoothed Particle Hydro Dynamics:

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1 Ứng dụng thực tại ảo trong thiết kế kiến trúc ……… 10

Hình 1.2 Ứng dụng thực tại ảo trong thiết kế thiết bị công nghệ ……… 11

Hình 1.3 Ứng dụng thực tại ảo trong lĩnh vực giải trí ……… 12

Hình 1.4 Mô hình huấn luyện bay sử dụng công nghệ thực tại ảo ……… 13

Hình 1.5 Một phần cơ thể ảo ……… 14

Hình 2.1 Mô tả góc tiếp xúc bề mặt ảo ……… 27

Hình 2.2 Mô tả góc tiếp xúc bề mặt ảo giữa chất lỏng và rắn ……… 28

Hình 3.1 Hệ thống tập tái tàu thuỷ ……… 48

Hình 3.2 Thể hiện hiệu ứng mặt nước đã được tạo ………49

Hình 3.3 Hiệu ứng chuyển động của vật rơi xuống nước ……… 50

Hình 3.4 Thể hiện mặt nước bằng lưới đa giác phương pháp Particle-Base… 50

Hình 3.5 Thể hiện dòng nước chảy bằng các phần tử lập thể particles ……… 51

Hình 3.6 Biểu đồ so sánh ……… 52

Hình 3.7 Mô phỏng mặt hồ bằng kỹ thuật Physically-Based ……… 52

Hình 3.8 Mô phỏng hiệu ứng sóng nước bằng kỹ thuật Particle-Based ……….56

PHẦN MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin đã được ứng dụng mạnh

mẽ trong hầu hết tất cả các lĩnh vực Các ứng dụng của nó vào 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; không lĩnh vực nào không có sự ứng dụng thiết thực và hiệu quả của công nghệ thông tin Sự phát triển không ngừng của sức mạnh máy tính

đã làm cho một số lĩnh vực khó phát triển trước kia, nay đã có khả năng phát triển và đã đạt được những thành tựu đáng kể; như là: Các hệ chuyên gia, các

hệ xử lý thời gian thực v.v và một lĩnh vực đang được phát triển mạnh trên thế giới, đó là công nghệ mô phỏng

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

“Thực tại ảo” là lĩnh vực nhằm mô phỏng thế giới thực của con người vào máy tính, mà trong đó con người có thể tương tác và cảm nhận như trong thế giới thực Để mô phỏng được thế giới thực trong máy tính, thì nhất thiết môi trường trong thế giới thực cần được mô phỏng; trong đó, nước là một chất liệu phổ biến và quan trọng

Trong các ngành liên quan nhiều đến nước như: Tàu thuỷ, du lịch, giải trí, cứu hoả… Đặc biệt đối với ngành thuỷ lợi, đê điều, việc mô phỏng nước

và các hiệu ứng của nó cực kỳ có ý nghĩa Nó giúp mô phỏng các hiện tượng thủy lực để đưa đến cái nhìn trực quan cho người học Nó có thể cho thấy chính xác các trường hợp xói lở bờ khi tính được các lực tác dụng tương ứng; các trạng thái chuyển động khác nhau của nước khi chịu tác dụng của những lực khác nhau Chúng ta cũng có thể dựng được những mô hình đập ảo, kênh

ảo, hệ thống thủy nông từ bản thiết kế và tính toán được chính xác các trạng thái của dòng chảy và các hiện tượng mà nó gây ra… Để từ đó các nhà thiết

kế, nhà quản lý dự án có thể đưa ra được những quyết định chính xác hơn trong việc xây dựng các công trình thủy lợi, tránh những trường hợp đáng tiếc xảy ra

Xuất phát từ thực tế đó, luận văn lựa chọn đề tài “Mô phỏng nước trong công nghệ thực tại ảo” Mục tiêu chính của luận văn là: Nghiên cứu một số kỹ thuật mô phỏng nước nhằm ứng dụng cho việc xây dựng mô hình 3 chiều trong Thực tại ảo Cấu trúc luận văn gồm Phần mở đầu, Phần kết luận và 3 Chương nội dung, cụ thể như sau:

Trong chương này 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 Chương này cũng đi sâu phân tích những tính chất vật lý, các hiệu ứng cơ bản của nước để làm cơ

sở cho sự trình bày những phương pháp mô phỏng nước trong chương 2

Chương này trình bày 2 kỹ thuật chính mà thế giới đã phát triển là kỹ thuật Physically-based và kỹ thuật Particle-base Mỗi kỹ thuật có những cách tính, ưu điểm và nhược điểm riêng Từ đó cho chúng ta sự hiểu biết về mô phỏng nước, và khi tiếp xúc với những bộ phần mềm công cụ hỗ trợ xây dựng

mô hình 3D thì ta cũng có thể dễ dàng biết được họ đã dùng kỹ thuật gì để tạo

ra những hiệu ứng nước ở trong nó

Trình bày một số ứng dụng mô phỏng nước trong Thực tại ảo và chương trình thử nghiệm cho các kỹ thuật mô phỏng nước được hệ thống trong chương 2

Chương 1

KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG NƯỚC

1.1 KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO

1.1.1.Thực tại ảo là gì?

Theo cách truyền thống, việc tương tác với máy tính được thực hiện thông qua các thiết bị như bàn phím, chuột hay joystick/trackball để cung cấp thông tin đầu vào và sử dụng khối hiển thị trực quan (VDU) để nhận thông tin đầu ra từ hệ thống Với sự ra đời của các hệ thống Thực tại ảo (Virtual Reality-VR), các phương thức giao tiếp mới được phát triển cho phép người

sử dụng tương tác một cách tích cực hơn với máy tính

Thực tại ảo là công nghệ sử dụng các kỹ thuật mô hình hoá các đối tượng trong không gian ba chiều với sự hỗ trợ của các thiết bị đa phương tiện hiện đại để xây dựng một thế giới mô phỏng bằng máy tính – môi trường ảo (virtual environment) 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 Một cách lý tưởng, người sử dụng có thể tự do chuyển động trong không gian ba chiều, tương tác với các vật thể ảo, quan sát và khảo cứu thế giới ảo ở những góc độ khác nhau về mặt không gian Ngược lại, môi trường

ảo lại có những phản ứng tương ứng với mỗi hành động của người sử dụng, tác động vào các giác quan như thị giác, thính giác, xúc giác của người sử dụng trong thời gian thực và tuân theo những quy tắc vật lý rất tự nhiên, làm anh ta có cảm giác như đang tồn tại trong một thế giới thực

1.1.2 Sơ lược lịch sử phát triển của thực tại ảo

Mặc dù Thực tại ảo được mô tả như một công nghệ mới mang tính cách mạng, nhưng ý tưởng về việc nhúng người sử dụng vào một môi trường nhân tạo không còn mới Thực tại ảo có thể được xem như một sự mở rộng của những ý tưởng đã ra đời khá lâu như hệ thống mô phỏng bay (flight simulation), rạp chiếu phim màn ảnh rộng (như Cinerama hay IMAX) Sử

dụng các hệ thống như vậy, người dùng được quan sát hình ảnh trong một màn hình có trường nhìn rộng lớn cho họ cảm giác như đang tồn tại trong trường không gian đó

Sự ra đời của các máy điện toán mini và bài báo khoa học của Ivan Sutherland có tên “Màn hình tối tân” (Ultimate Display) vào năm 1965 được xem là hai bước đột phá lớn vào những năm 1960 cho công nghệ Thực tại ảo Trong bài báo của mình, Sutherland đã tiên đoán sự phát triển của Thiết bị Hiển thị đội đầu (Head Mounted Display-HMD) đầu tiên, mà sau đó chính ông đã tạo ra một thiết bị như vậy, có tên là “Thanh kiếm của Damocles” (The Sword of Damocles) Sutherland cũng nhận ra tiềm năng của máy điện toán trong việc tạo lập hình ảnh cho hệ thống mô phỏng bay, trong khi những hình ảnh này trước đó được xây dựng bằng video camera

Những ý tưởng này được hai nhà khoa học Mỹ ở NASA là Fisher và McGreevy kết hợp lại trong một dự án có tên là “trạm làm việc ảo” (visual workstation) vào năm 1984 Cũng từ đó NASA phát triển thiết bị Hiển thị đội đầu có tính thương mại đầu tiên, được gọi là màn hình môi trường trực quan (visual environment display - VIVED), thiết kế dựa trên mẫu hình mặt nạ lặn với các màn hình quang học mà hình ảnh được cung cấp bởi hai thiết bị truyền hình cầm tay Sony Watchman Sự phát triển của thiết bị này đã thành công ngoài dự đoán, bởi NASA đã sản xuất được một thiết bị HMD có giá chấp nhận được trên thị trường, và như vậy ngành công nghiệp Thực tại ảo đã

ra đời

1.1.3 Một số lĩnh vực thực tế ứng dụng thực tại ảo

Mặc dù khái niệm về Thực tại ảo đã xuất hiện từ khá lâu, nhưng do nhiều lý do về mặt công nghệ (kéo theo chi phí cho nghiên cứu và phát triển), phải mất nhiều thời gian và nỗ lực để Thực tại ảo có được những thành tựu như ngày nay Hiện tại đây vẫn là lĩnh vực công nghệ mới mẻ và nhiều tiềm năng xét về khía cạnh ứng dụng Ở đây, báo cáo cố gắng đưa ra những lĩnh vực ứng dụng chính có khuynh hướng phát triển mạnh mẽ nhất trong thời gian gần đây

- Kiến trúc và thiết bị công nghiệp

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 dường như đáp ứng một cách tự nhiên mục tiêu của ngành thiết kế kiến trúc: đưa ra mô hình trực quan nhất có thể về hình ảnh công trình kiến trúc mong muốn trong tương lai

Hình 1.1: Ứng dụng thực tại ảo trong thiết kế kiến trúc

Việc xây dựng các mô hình không gian kiến trúc bằng hình ảnh lập thể với đầy đủ mô tả trực quan về các hình khối kiến trúc, cách bố trí nội thất bên trong, thậm chí hoa văn hay màu của từng vật, cùng với khả năng cho phép khách hàng tự do tham quan, khảo sát khuôn viên của họ trong tương lai theo nhiều góc độ và vị trí khác nhau thực sự đem lại hiệu quả trực quan mang tính cách mạng trong lĩnh vực mang nhiều đặc điểm nghệ thuật này

Tương tự như trong kiến trúc, với các ngành sản xuất thiết bị mà trong

đó công đoạn thiết kế đóng vai trò quan trọng như thiết kế động cơ, thiết kế ô

tô, tàu biển, hay thậm chí tàu vũ trụ, hình dạng và cách bố trí các chi tiết không chỉ đơn thuần mang tính thẩm mỹ, tính kỹ thuật mà đôi khi còn ảnh hưởng tới sức sống của thiết bị xét về khía cạnh thương mại Khả năng mô

hình hoá bằng hình ảnh lập thể của công nghệ Thực tại ảo cho phép người thiết kế thể hiện được một cách trực quan nhất ý tưởng thiết kế của mình, đánh giá cơ bản về hiệu năng của thiết bị dựa trên những thử nghiệm mô phỏng trên thiết bị ảo, từ đó có những hiệu chỉnh cần thiết trước khi thiết bị thực sự được sản xuất Điều này rõ ràng góp phần không nhỏ trong thành công của thiết bị công nghệ, giảm bớt những chi phí phát sinh

Hình 1.2: Ứng dụng công nghệ Thực tại ảo trong thiết kế thiết bị công nghệ

Giải trí

Thị trường giải trí cũng là một ứng dụng tiêu biểu khác của các môi trường Thực tại ảo Trên thực tế, đây là lĩnh vực ứng dụng lớn nhất xét theo khía cạnh lợi ích về tài chính Rất nhiều công ty đang sản xuất ra các trò chơi

có sử dụng các nguyên lý Thực tại ảo Số lượng người bị cuốn hút theo các trò chơi như vậy, đặc biệt là giới trẻ, tăng theo cấp số nhân đánh dấu tiềm năng thương mại to lớn của công nghệ Thực tại ảo trong lĩnh vực này

Hình 1.3: Ứng dụng thực tại ảo trong lĩnh vực giải trí

Hơn thế, ngành công nghiệp trò chơi điện tử có những ảnh hưởng to lớn tới lĩnh vực Thực tại ảo Nó tạo ra động lực cần thiết để thúc đẩy sự phát triển của rất nhiều phần cứng Thực tại ảo, chẳng hạn như card tăng tốc đồ hoạ (graphic accelerator cards) Nếu như chúng ta trở lại khoảng 10 năm về trước, thật khó có thể tìm thấy một card tăng tốc đồ hoạ có đủ năng lực tính toán cần thiết cho phép tạo ra các ứng dụng Thực tại ảo thời gian thực Tại thời điểm

đó, những chiếc card như vậy trị giá hàng ngàn đô-la và chỉ đủ khả năng sinh 100.000 đa giác/giây ở mức độ phân giải trung bình Những thiết bị phần cứng khác như Găng tay dữ liệu (DataGloves) và Thiết bị hiển thị đội đầu (Head Mounted Displays-HMD) cũng chịu ảnh hưởng phần nào của công nghiệp giải trí Tóm lại, chúng ta có thể nói rằng các ứng dụng Thực tại ảo trong giải trí đã và đang đóng một vai trò quan trọng trong việc định hướng đi cho công nghiệp Thực tại ảo

Giáo dục và đào tạo

Phát triển trên nền công nghệ và kỹ thuật cao, Thực tại ảo tích hợp những đặc tính làm cho bản thân nó có những tiềm năng vượt trội so với các công nghệ đa phương tiện truyền thống khác: cho người sử dụng cảm nhận sự hiện diện của mình trong môi trường do máy tính tạo ra bằng khả năng tương tác, tự trị (autonomy) của người dùng trong môi trường ảo, cũng như bằng những phản hồi tức thời, trực quan từ phía môi trường ảo tới các giác quan của người sử dụng Hơn thế nữa, công nghệ Thực tại ảo cho phép mô phỏng

những môi trường nguy hiểm hay tốn kém như buồng lái máy bay, phòng thí nghiệm hoá chất v.v

Hình 1.4: 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 nên rất phù hợp cho các ứng dụng có tính chất giáo dục hay đào tạo Trong đó, những mô hình trình diễn lập thể đóng vai trò quan trọng Các vật thể trong thế giới ảo được biểu diễn chính xác hơn nhiều so với các đối tượng phẳng (hình ảnh hai chiều) do được bổ sung thêm chiều sâu Kết quả là các trình diễn minh hoạ hay những thí nghiệm cũng được mô phỏng chính xác hơn do có thể quan sát

từ nhiều góc độ khác nhau về mặt không gian, điều mà thế giới phẳng hai chiều không làm được

Tính chất trực quan của bài giảng được nâng cao một bước làm tăng sự hứng thú trong học tập cũng như khả năng ghi nhớ các khái niệm quan trọng trong bài giảng Xét về mặt này, khả năng tương tác với môi trường ảo là một khía cạnh đáng lưu ý Nếu thiếu đi khả năng tương tác (hai chiều) giữa môi trường ảo và người tham dự, Thực tại ảo không gì khác hơn là một giao diện lập thể ấn tượng nhưng không có sự sống Trong các phòng thí nghiệm hay huấn luyện ảo, thực hiện các thao tác trên các đối tượng trong môi trường ảo, nhận được những phản hồi kịp thời và có nghĩa từ các vật thể và môi trường

là một trong những yếu tố tiên quyết khiến cho học viên có cảm nhận đang được trải nghiệm trong những tình huống thực Từ đó, học viên nắm bắt được nhanh chóng và có ý thức hơn với những tính huống được học

Y học

Y học là một trong những lĩnh vực ứng dụng tiềm năng trong công nghệ Thực tại ảo và là một trong số ít lĩnh vực ứng dụng thuộc ngành khoa học của 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)

Trên cơ sở các kỹ thuật đồ hoạ máy tính và Thực tại ảo, hệ thống đào tạo

y học này bao gồm hai bộ phận cơ bản: Khối tương tác ba chiều là mô hình sinh thể ảo cho phép người sử dụng thực hiện các thao tác giải phẫu thông qua các dụng cụ giải phẫu ảo; Khối giao diện người dùng hai chiều cung cấp những thông tin phản hồi trực quan từ mô hình trong quá trình giải phẫu cũng như những thông tin hướng dẫn trong phiên đào tạo

Phương pháp đào tạo có tính tương tác cao này mang nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống như thực hành trên mô hình plastic hay trên bệnh nhân thực Thứ nhất, khác với phương pháp dùng mô hình plastic, sinh thể giải phẫu ảo có khả năng cung cấp những thông tin phản hồi sinh học một cách tự nhiên như một sinh thể sống thực, dưới tác động giải phẫu của bác sỹ mổ, chẳng hạn như sự thay đổi về nhịp tim, huyết áp,… Điều này tạo cho học viên có cảm giác đang trải qua một ca mổ trong một tình huống thực Thứ hai, khác với thực hành trên bệnh nhân thật, rõ ràng sai lầm của học viên trong quá trình thực tập không phải trả giá bằng những thương tổn thực trên

cơ thể người 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

Hình 1.5: Một phần cơ thể ảo

Phương pháp này không chỉ cho phép các học viên y khoa thực hành các

ca phẫu thuật trong tình huống thực, đem lại cho họ những kinh nghiệm cần thiết trước khi thực hiện phẫu thuật trên cơ thể con người, đây còn là cơ hội

để các bác sỹ mổ nâng cao kỹ thuật giải phẫu và kỹ năng phối hợp làm việc theo nhóm trong phòng mổ Điều này đặc biệt quan trọng trong các tình huống phẫu thuật nguy hiểm và nhạy cảm

Các kỹ thuật Thực tại ảo cũng được sử dụng để hỗ trợ bác sỹ mổ trong giai đoạn lập kế hoạch tiền phẫu thuật (preoperative planning) Trước khi thực hiện quy trình giải phẫu trên bệnh nhân thực, người bác sỹ có thể thử nghiệm các phương pháp tiến hành phẫu thuật khác nhau trên mô hình ảo của người bệnh Mô hình này mô phỏng đầy đủ các đặc điểm bệnh lý của người bệnh thật Theo cách này, người bác sỹ sẽ lựa chọn ra được cách thức an toàn nhất, hiệu quả nhất và tốn ít thời gian nhất trong phòng phẫu thuật, hạn chế những biến cố trong quá trình giải phẫu

1.2 MÔ PHỎNG NƯỚC TRONG THỰC TẠI ẢO

1.2.1 Vai trò của mô phỏng nước

Có thể nói nước là thành phần không thể thiếu trong cuộc sống của mỗi chúng ta Nước phục vụ cho đời sống hàng ngày, phục vụ cho sản xuất, cuộc sống của con người gắn liền với nước… Nhưng để mô phỏng được nước không phải là điều đơn giản, việc tính toán, đo đạc các thông số của nước trong nhiều môi trường và điều kiện khác nhau tốn rất nhiều thời gian và công sức Sau đó, để có thể biểu diễn được những dữ liệu đó thành hình ảnh trên máy tính cần phải tìm ra những thuật toán, những phương pháp để xử lý kho

dữ liệu đó Tiếp theo, phải phân tích thiết kế một hệ thống các công cụ trợ giúp cho việc lập trình tạo hiệu ứng nước, rồi mới tới khâu thiết kế ra những bản vẽ nước được thể hiện trên màn hình Cuối cùng, là khâu kết xuất

(Rendering) tạo ra sản phẩm thực sự

Ngoài ra, còn một lý do nữa để xếp mô phỏng nước có vị trí quan trọng trong lĩnh vực mô phỏng chính là tầm quan trọng không thể thiếu của hiệu ứng nước trong các hệ mô phỏng Hiệu ứng nước tạo ra cảm giác thật, lôi cuốn cho hệ vốn không phải là những hình ảnh thật, nó tạo ra sự hài hoà, nhẹ nhàng cho những chuyển động của đối tượng Việc thể hiện thành công hiệu

ứng nước 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 người

1.2.2 Một số hiệu ứng nước cơ bản

Mô phỏng nước 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 nước là dạng mô phỏng động theo thời gian thực hoặc không theo thời gian thực Để mô phỏng nước mà chỉ yêu cầu dạng mô hình, không yêu cầu sự chính xác và không cần thể hiện đúng bản chất vật lý thì không quá khó Ví dụ: để mô phỏng mặt nước động không theo thời gian thực ta có thể thực hiện bằng cách sử dụng các mặt phẳng được áp vật liệu

nước trượt lên nhau (trong Flash), hay để mô phỏng vòi nước chảy theo thời

gian thực ta sử dụng thành phần Particle System trong 3DsMax Nhưng để mô phỏng được nước đúng với các tính chất vật lý của nó và hiệu ứng của nước theo thời gian thực thì quả là một công việc không dễ dàng mà cho đến nay kết quả nghiên cứu được vẫn còn hạn chế

Không giống với các loại vật chất khác, nước tồn tại ở rất nhiều trạng thái và có các tính chất rất phức tạp Do đó, muốn mô phỏng thành công chất lỏng nói chung và nước nói riêng thì phải dựa vào các tính chất vật lý của chúng, và xác định hình thái của chất lỏng mình muốn thể hiện

Có nhiều tiêu chí để phân loại nước, nhưng ở đây chúng ta giới hạn việc phân loại nước theo hình dạng

 Dòng nước:

- Dòng nước chảy gặp vật rắn cản

- Dòng nước (nước trong kênh, sông) va vào bờ

- Dòng nước chảy từ cao xuống thấp

 Giọt nước:

- Giọt nước rơi xuống mặt nước

- Giọt nước rơi nằm trên các bề mặt:

+ Giọt nước trên bề mặt lá

+ Giọt nước trên bề mặt các chất rắn

 Khối nước:

- Khối nước tan chảy

- Khối nước dưới tác dụng của chất rắn

ta thường gặp:

 Hiệu ứng phản chiếu ánh sáng

 Hiệu ứng in bóng nước

 Hiệu ứng sóng nước

 Hiệu ứng giao thoa sóng nước

 Hiệu ứng nước chảy

 Hiệu ứng giọt nước rơi

 Hiệu ứng nước sôi (sủi bọt nước)

Tìm hiểu các giải thuật để thể hiện được những hiệu ứng rất phức tạp trên người ta đã đưa ra nhiều giải pháp khác nhau :

- Khi muốn thể hiện sóng nước có mấy cách sau: cho những điểm ảnh là sóng nước chuyển động theo chiều thẳng đứng với các thông số như (tần số, biên độ, góc radian) => do đó sinh sóng => nhiều sóng như vậy tạo thành mặt sóng

- Cũng có thể tạo ra sóng bằng cách cho các lớp hình ảnh mặt nước xếp chồng lên nhau chuyển động trượt trên nhau => do đó có mặt sóng

- Cũng có thể tạo ra mặt sóng bằng cách cho các khối hình cơ bản (cấu tạo nên ảnh) chuyển động => sau đó dùng các kỹ thuật ghép ảnh, cắt xén ảnh, biến đổi ảnh để, làm trơn làm cho những hình cơ bản ghép với nhau mềm mại hơn, hợp khớp với nhau hơn Cách này có ưu điểm là dung lượng nhỏ, tốn ít

bộ nhớ

- Với các trò chơi 3D trực tuyến, do yêu cầu khắt khe về dung lượng và tốc độ đường truyền để đáp ứng nhanh chóng thao tác của người chơi Cho nên họ đã tạo hiệu ứng nước bằng cách đơn giản là chụp ảnh ngoại cảnh rồi

sử dụng các phép ghép ảnh, làm trơn để tạo hiệu ứng nước đơn giản Hoặc dùng các phương pháp Texture tạo bề mặt cho đối tượng, tạo các script từ các ảnh lẻ hoặc phương pháp flash động

- Để thể hiện hiệu ứng in bóng nước: người dùng phép chiếu ảnh và phép biến đổi ảnh

- Để thể hiện hiệu ứng phản chiếu ánh sáng gồm có phản xạ và khúc xạ, người ta sử dụng phép chiếu và quay vectơ + màu sắc (ánh sáng chiếu vào bề mặt chất lỏng thì có phản xạ và khúc xạ, ánh sáng chiếu vào bề mặt chất rắn thì có phản xạ và khuếch tán)

- Để thể hiện hiệu ứng giọt nước rơi người ta phải dựa vào một loạt các thông số như độ bám dính, sức căng bề mặt, mặt cong, quãng đường, thời gian, vận tốc, gia tốc, độ trong suốt của giọt nước… Giọt nước được thể hiện bằng hình học cơ bản rồi sau đó gắn thêm các thuộc tính như trên sau đó được đưa vào một hệ vật để thể hiện nó

- Kỹ thuật thể hiện hiệu ứng nước sôi tương tự như kỹ thuật thể hiện hiệu ứng giọt nước rơi, bởi vì giọt nước chuyển động trong không khí còn nước sôi thì bọt khí chuyển động trong nước Ta chỉ việc thay đổi các thông số cho phù hợp với môi trường thôi

- Kỹ thuật thể hiện hiệu ứng nước chảy mở rộng hơn một chút so với kỹ thuật thể hiện hiệu ứng sóng nước Ta chỉ thêm thông số vận tốc, hướng vector cho những điểm chuyển động (hay những hình cơ bản chuyển động)

Dựa vào mục đích sử dụng người ta đã chia ra hai kỹ thuật chính để thể hiện hiệu ứng nước Kỹ thuật tạo hiệu ứng giả mặt nước và kỹ thuật tạo hiệu ứng mặt nước thật Các kỹ thuật tạo hiệu ứng giả mặt nước như Texture, Sclip, ghép ảnh, biến đổi ảnh… chỉ áp dụng cho những đối tượng ít quan trọng trong một hệ mô phỏng để làm giảm dung lượng bộ nhớ và đáp ứng nhanh hoặc trong các trò chơi game Trong phạm vi đề tài, luận văn không đi sâu vào tìm hiểu những phương pháp đó mà trọng tâm là tìm hiểu những kỹ thuật tạo ra hiệu ứng thật cho mặt nước

1.2.3 Cơ sở lý thuyết của mô phỏng nước

Cơ sở lý thuyết của các phương pháp mô phỏng nước chính là các tính chất vật lý của nó Phần dưới đây xin giới thiệu một số tính chất vật lý của chất lỏng nói chung và nước nói riêng để tạo điều kiện cơ sở cho nhận thức các phương pháp mô phỏng nước

Chất lỏng chiếm một vị trí trung gian giữa chất khí và chất rắn Ở nhiệt

độ cao, chất lỏng giống trạng thái của thể khí và ở nhiệt độ thấp thì giống trạng thái của vật rắn Chất lỏng có sự biến đổi liên tục từ thể này sang thể khác tuỳ thuộc vào nhiệt độ, áp suất Biểu diễn chất lỏng biến đổi trạng thái từ rắn sang lỏng, từ lỏng sang khí là bài toán hiệu ứng tan chảy và mây mù của chất lỏng

Khi nhận một lực hay một áp suất tác động thì lực sẽ được phân tán đều trên toàn bộ khối chất lỏng theo mọi hướng khác nhau Khác với vật rắn, các hạt chất lỏng không có lưới tinh thể trong một thể tích giới hạn, nghĩa là các hạt có đặc tính phân bố không có qui tắc, nhưng cũng như ở tinh thể, các hạt

chất lỏng cũng giao động (10 13 giao động trong một giây) xung quanh một vị

trí cân bằng tức thời trong một thời gian vô cùng ngắn

Khác với vật rắn, các hạt chất lỏng thường luôn thay đổi vị trí cân bằng

đó một cách tự do, các hạt chuyển từ vị trí này sang vị trí khác Nếu tách thành phần chuyển động giao động ra thì hạt sẽ vẽ một quỹ đạo theo đường gãy khúc, giống như quỹ đạo của các hạt khí

Nhờ các đặc điểm trong tính chất chuyển động nhiệt ở một chừng mực nào đó, chất lỏng vừa có tính chất của chất khí vừa có tính chất của chất rắn

Ví dụ: chất lỏng cũng có tính chảy như chất khí, và cũng có tính đàn hồi chống trượt như vật rắn, tính chất này làm cho chất lỏng dính nhớt

Cần thiết phải nhấn mạnh rằng, khác hẳn với chất khí, chất lỏng hầu như không nén được và hoàn toàn chiếm một thể tích nhất định, nghĩa là nó có thể

có mặt thoáng Và khác với chất khí, độ nhớt của chất lỏng giảm đi khi nhiệt

Từ bảng trên ta thấy rằng độ chịu nén của nước rất không đáng kể, vì vậy hầu hết trong các trường hợp thực tế có thể bỏ qua

1.2.3.2 Độ nhớt của chất lỏng

Khả năng của chất lỏng khi chuyển động có thể gây ra các ứng suất tiếp tuyến bên trong là một tính chất được gọi là tính nhớt hay ma sát trong của chất lỏng Tính nhớt là một trong những tính chất căn bản của chất lỏng Tính chất

đó được tạo ra do chuyển động bên trong của phân tử chất lỏng và sẽ thể hiện

ra khi các lớp chất lỏng chuyển động tương đối so với các lớp bên cạnh làm cho thể tích bị biến hình, trong đó lực ma sát sẽ xuất hiện

Lực ma sát làm cho lớp chất lỏng chảy nhanh hơn sẽ lôi kéo lớp chất lỏng chảy chậm hơn và ngược lại Do lực ma sát biến cơ năng của chất lỏng đang chuyển động sẽ biến thành nhiệt năng Độ nhớt của chất lỏng được đặc trưng

bằng hệ số nhớt Hiện nay, chưa có một công thức thống nhất nào để tính độ

nhớt của chất lỏng, mà người ta chỉ mới tính được vài trị số độ nhớt của nước như sau:

Chúng ta đã biết rằng mặt thoáng của chất lỏng hay nói tổng quát hơn là

mặt phân giới của chất lỏng và chất khí ở trong trạng thái cân bằng của sức

căng mặt ngoài

Trị số của sức căng mặt ngoài σ qui về một đơn vị chiều dài của “đường tạo thành” chỉ phụ thuộc vào bản chất chất lỏng và nhiệt độ của nó Đối với nước tiếp xúc với không khí, trị số σ ở 200C bằng khoảng 0,0074kg/m2, và giảm đi khi nhiệt độ tăng

Trong một số lớn quá trình thủy lực, ảnh hưởng của sức căng mặt ngoài vì quá nhỏ nên bỏ qua, chỉ cần tính đến sức căng mặt ngoài nếu mặt thoáng của chất lỏng có một độ cong rõ rệt hoặc nếu các lực căng mặt ngoài tạo thành áp

lực phụ lên chất lỏng Tác dụng của áp lực phụ này giải thích được hiện tượng dâng mao quản của chất lỏng

1.2.3.4 Sự hút khí của chất lỏng

Chất lỏng có khả năng hút và hòa tan các chất khí khi tiếp xúc với nó Khi

đó, trọng lượng của chất khí bị hoà tan thay đổi tỷ lệ với áp lực của chất lỏng, còn về thể tích thì thực tế vẫn không thay đổi

Nước trong trạng thái thiên nhiên bao giờ cũng chứa một lượng không khí

bị hòa tan: ở nhiệt độ bình thường, lượng đó vào khoảng 2% thể tích nước Khi

áp lực giảm, một phần không khí hòa tan sẽ bốc lên khỏi chất lỏng Áp lực càng giảm thì không khí bốc hơi lên càng mạnh, khi đó sẽ sinh ra hơi chất lỏng

Sự bốc hơi tạo thành sương mù của chất lỏng có thể xảy ra ở các áp lực lớn hơn áp lực khí trời nếu nhiệt độ nước tăng hay nước chứa nhiều khí quá

Đó là nguyên nhân của việc sinh ra các “túi” không khí trong các ống dẫn nước dài; không khí bốc ra và hơi nước sẽ tích lũy lại trong các ống đó ở những nơi cao nhất và có thể gây khó khăn hay làm cho nước hoàn toàn không chuyển động được

Chương 2 MỘT SỐ KỸ THUẬT MÔ PHỎNG NƯỚC

2.1 KỸ THUẬT PHYSICALLY-BASE

2.1.1 Giớí thiệu

Kỹ thuật Physically-based được đưa ra để tìm ra góc tiếp xúc giữa mặt

thoáng của chất lưu (lỏng, khí) với các đối tượng rắn, cho phép mô phỏng các

trạng thái khác nhau của chất lỏng co giãn nhẹ bao gồm cả giọt nước trên bề

mặt Trọng tâm của kĩ thuật này là phương pháp bề mặt ảo (Virtual Surface),

tức là thay đổi cấp độ thiết lập trường khoảng cách đặc trưng cho bề mặt chất lỏng nhằm tìm ra góc tiếp xúc thích hợp Sức căng bề mặt được tính toán trên

cơ sở mối liên hệ giữa bề mặt chất rắn và bề mặt chất lỏng, khi đó sẽ suy ra được tất cả sức căng bề mặt chung bao gồm sức căng lỏng – đặc, lỏng – khí,

đặc – khí Chúng ta sử dụng mô hình góc tiếp xúc động để lựa chọn góc tiếp

xúc (Contact Angle) tùy theo tính chất của vật liệu rắn, tính chất của nước và

sự chuyển động của chất lưu

Thuật toán này xử lý đúng và chính xác những biến dạng khác nhau của giọt nước và nghiên cứu cả các bề mặt rắn cong, phẳng Kết quả mà thuật toán này đưa ra cho thấy rằng có khả năng mô phỏng vài hiện tượng chất lỏng

co giãn nhỏ Ví dụ, những giọt nước bị dẹt và xâu thành chuỗi, giọt nước bị kéo căng và chia nhỏ, những giọt nước lơ lửng trên bề mặt cong, và hiệu ứng

mao dẫn (Capillary Action)

2.1.2 Cơ sở vật lý

Sức căng bề mặt là yếu tố quan trọng trong mô phỏng chất lỏng co giãn nhẹ Nó được sinh ra do sự mất cân bằng của lực kết cấu phân tử trên miền mặt phân giới, nơi mà 2 đối tượng gặp nhau (lỏng-khí, lỏng-rắn, khí-rắn) Có

2 cách để phân tích ảnh hưởng của sức căng mặt ngoài đến sự chuyển động của chất lỏng

Ut: đạo hàm tính vận tốc theo thời gian

u = (u,v,w): vectơ vận tốc (Velocity)

v: hệ số dính nhớt (Viscosity coefficient)

P: áp suất (Pressure)

ρ: mật độ (Density)

w: vận tốc góc (Vorticity)

k: độ cong trung bình bề mặt (Surface mean curvature)

F: ngoại lực (Lực nổi hoặc lực hấp dẫn)

γ: hệ số sức căng mặt ngoài

N: véc tơ pháp tuyến của bề mặt chất lỏng

: biểu thị toán tử gradient (độ dốc)

Vectơ cuộn xoáy cục bộ đƣợc biểu diễn bằng công thức:







Đƣợc đặt bởi một lực: F .h(N.w)

Cách thứ hai:

Sức căng mặt ngoài có thể được miêu tả trong quan hệ với các áp lực khác Theo Laplace’s Law:

Γpsurf = γ.k (3)

Γpsurf : các áp lực khác ngang qua bề mặt chất lỏng

Cả hai cách biểu diễn sức căng bề mặt trên đều phụ thuộc tuyến tính vào k

θs : góc tiếp xúc ổn định (the stable contact angle)

γls, γsa, γla = γ : hệ số sức căng mặt phân cách của lỏng-rắn, rắn-khí, lỏng-khí

 Khi θs nhỏ thì bề mặt chất rắn được gọi là hydrophilic, và bề mặt của

chất lỏng có xu hướng xoay về mặt phẳng trải rộng ra

 Khi θs lớn thì bề mặt chất lỏng được gọi là hydrophobic và chất lỏng

Ví dụ: góc cân bằng có thể nhỏ hơn θs khi giọt nước nằm trên bàn, giống như sự uốn cong đường tiếp xúc theo chiều hướng tăng lên để giữ áp suất đúng với trọng lực

2.1.3 Khái quát thuật toán

Cũng giống như các chương trình mô phỏng chất lưu khác, chúng ta chia thủ tục mô phỏng thành một số bước chính Đầu tiên trường vận tốc được cập nhật, và ở bước sau trường vận tốc này được sử dụng để cập nhật sự thay đổi của bề mặt chất lỏng

Trong kỹ thuật này, người ta sử dụng một lưới 3D Vận tốc của chất lưu được biểu diễn bằng mặt của các ô lưới Bề mặt giữa chất lỏng – khí được biểu diễn bằng trường khoảng cách Trường khoảng cách là trung tâm của cách tiếp cận này vì nó là trường được thay đổi để tạo ra bề mặt ảo

Tóm lại, trong phương pháp này, chất lỏng được thể hiện dựa vào bề mặt của nó, và việc tìm bề mặt chất lỏng được giải quyết bằng phương pháp ngoại suy bề mặt ảo và việc theo dõi sự vận động của bề mặt thoáng của chất lỏng

được giải quyết bằng phương pháp Level-set

Ngoài ra, người ta còn có thể áp dụng các phương pháp cơ sở vào thuật toán này vẫn thực hiện được mục đích mô phỏng Đầu tiên sử dụng phương pháp Implicit Euler [1] để giải quyết khuyếch tán mômen nhớt, phương pháp semi-lagrangian [2] để tính toán bình lưu vận tốc và cuối cùng là giải phương trình Possion

2.1.4 Phương pháp ngoại suy bề mặt ảo

Phương pháp bề mặt ảo của chúng ta là sử dụng trường khoảng cách Φ

để biểu diễn mặt phân cách lỏng – khí nhằm mục đích mô phỏng có hiệu quả

External

Force

Diffusion Advection Projection

with surface tension

Re- distancing

góc tiếp xúc Bề mặt ảo được mở rộng với chất rắn khi góc tiếp xúc cân bằng phù hợp với lực sức căng bề mặt trên đường tiếp xúc như trong quan điểm của Young (phương trình (4)) Nếu bề mặt thực tế không yêu cầu góc tiếp xúc thì kết quả sẽ cho mặt không cong Phương pháp của chúng ta làm thay đổi bề mặt chất lỏng ban đầu Ωl xung quanh mỗi ô độc lập trên đường tiếp xúc, vì thế độ cong được tính toán từ việc thay đổi các bề mặt Ωnew một cách thích hợp có kể đến tất cả sức căng của các bề mặt Toàn bộ bề mặt chất lỏng (bề mặt chất lỏng đầy đủ) Ωl là hợp của bề mặt lỏng – khí Ωla và bề mặt lỏng – đặc Ωls Với bề mặt đầy đủ hoàn toàn có thể xác định được nhờ trường khoảng cách Φ Bằng cách thay đổi Φ chúng ta sẽ thay thế Ωls bằng mặt ảo

Ωv Khi đó chúng ta đánh giá độ cong trên bề mặt mới và sử dụng độ cong này như là áp lực sức căng bề mặt (phương trình (3))

Định nghĩa bề mặt ảo:

Hình 2.1: Mô tả góc tiếp xúc bề mặt ảo

L(t) : là đường tiếp xúc cong giữa bề mặt chất rắn Ωs và bề mặt chất lỏng Ωl

một góc cụ thể được xác định bởi mối quan hệ giữa chất lỏng – chất rắn Cụ thể mặt ảo V(s,t) được xác định bởi:

V(s, t) = L(t) + s.R(t) (với s > 0)

R(t) = −sinθs Ns(t) − cosθs (Ns(t)×L’(t))

Căn cứ vào t0, về phương diện hình học V(s,t0) là tia từ L(t0) ngả về R(t0),

và nó hợp với Ns(t) trong mặt phẳng trực giao với L(t) một góc (Π/2 + θs )

Trong ví dụ của chúng ta dưới đây, bề mặt ảo nằm trong mặt phẳng trực giao với L(t)

Nếu góc hiện tại θc bằng góc tiếp xúc θs thì đường thẳng tiếp xúc phải được ổn định trong mặt phẳng trực giao đó Điều này đã được chứng minh trong phương pháp bề mặt ảo bởi vì độ cong kn = 0 khi Ns và Nl đồng nhất với nhau

Khi θc  θs, sử dụng trung bình độ cong đã được tính bằng phương pháp

bề mặt ảo để ước lượng sức căng bề mặt trên đường tiếp xúc

Hình 2.2: Mô tả góc tiếp xúc bề mặt ảo giữa chất lỏng và rắn