Tìm hiểu kĩ thuật mô phỏng nước bằng phương pháp PARTICLE và ứng dụng minh họa

LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới cô giáo, Th.s Nguyễn Minh Hiền - người tận tình hướng dẫn, truyền đạt cho em kiến thức kinh nghiệm quý báu suốt trình em làm khóa luận Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo khoa Công nghệ thông tin tận tình giảng dạy, trang bị cho em kiến thức cần thiết suốt trình học tập nghiên cứu khoa Mặc dù nỗ lực hết mình, xong thời gian trình độ chuyên môn hạn chế nên tránh khỏi thiếu sót Vì em mong nhận góp ý thầy giáo, cô giáo bạn để khóa luận hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Xuân Hoà, tháng 05 năm 2013 Sinh viên Phạm Thanh Nhã LỜI CAM ĐOAN Tên là: Phạm Thanh Nhã Sinh viên lớp: K35 – CNTT, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Tôi xin cam đoan: Đề tài “Tìm hiểu kỹ thuật mô nước phương pháp Particle ứng dụng minh họa” kết nghiên cứu riêng hướng dẫn cô giáo, Th.s Nguyễn Minh Hiền tham khảo số nguồn tài liệu nước Internet Khóa luận hoàn toàn không chép từ tài liệu có sẵn Kết nghiên cứu không trùng với tác giả khác Nếu sai, xin hoàn toàn chịu trách nhiệm! Xuân hoà, tháng 05 năm 2013 Người cam đoan Phạm Thanh Nhã MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG NƯỚC 1.1 Khái quát thực ảo (VR-Virtual Reality) 1.1.1 Định nghĩa 1.1.2 Đặc điểm hệ thống thực ảo 1.1.3 Một số loại hệ thống thực ảo 1.1.4 Các thành phần hệ thống thực ảo 1.1.5 Một số lĩnh vực ứng dụng thực ảo 10 1.2 Mô nước 15 1.2.1 Khái quát mô 15 1.2.2 Mô chất lỏng 17 1.2.3 Một số tính chất chất lỏng 19 1.2.4 Một số tính chất vật lý hóa nước 21 1.2.5 Tầm quan trọng nước mô nước 25 Chương 2: MÔ PHỎNG NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP PARTICLE 26 2.1 Kỹ thuật mô hiệu ứng nước thông thường 26 2.2 Một số phương pháp mô nước 27 2.2.1 Phương pháp Physically - based 27 2.2.2 Phương pháp Particle-based 28 2.3 Mô nước phương pháp Particle 28 2.3.1 Tiến trình mô 28 2.3.2 Giảm mật độ kép 34 2.3.3 Biểu diễn bề mặt 41 Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 45 3.1 Ứng dụng mô nước thực ảo 45 3.2 Chương trình thử nghiệm mô nước 46 3.2.1 Giới thiệu chung 46 3.2.2 Mô mặt nước 47 3.2.3 Chương trình mô mặt nước 51 3.2.4 Các kỹ thuật liên quan 54 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt VR HMD Giải thích Virtual Reality - Thực ảo Head mounted display - Màn hình gắn đầu 3D Dimension - Không gian chiều 2D Dimension – Không gian chiều VRML HTML Virtual Reality Modelling Language - Ngôn ngữ định dạng đối tượng 3D Hyper Text Markup Language - Ngôn ngữ định dạng siêu văn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Một hệ thống VR Viện Fraunhofer (CHLB Đức) Hình 1.2 Sử dụng tay điều khiển mũ chụp ảo Hình 1.3 Tái tạo không gian phố cổ Hà Nội mô thực ảo Hình 1.4 Các đặc tính Thực ảo Hình 1.5 Các thành phần hệ thống VR Hình 1.6 Cảnh sinh hoạt lớp học ảo 11 Hình 1.7 Mô trình đào tạo phẩu thuật ảo 11 Hình 1.8 Hệ thống lĩnh vực giải trí 3D 12 Hình 1.9 Các kỹ sư thay đổi chi tiết cho xe ảo 13 Hình 1.10 Mô thiết kế kiến trúc cầu 3D 13 Hình 1.11 Một góc Văn Miếu Quốc Tử Giám mô hình 3D 14 Hình 1.12 Ứng dụng VR quân 14 Hình 1.13 Mô tĩnh vật 15 Hình 1.14 Mô đối tượng động 16 Hình 1.15 Mô hình phân tử nước 22 Hình 1.16 Hình học Phân tử nước 22 Hình 1.17 Liên kết hiđrô 23 Hình 1.18 Khi đông lạnh 40C, phân tử nước phải dời xa để tạo… liên kết tinh thể lục giác mờ 24 Hình 2.1 Mô tả số hạt particle chuyển động không gian 32 Hình 2.2 Các hạt particle chuyển động với vận tốc thay đổi có trọng lực32 Hình 2.3 Các hạt particle chuyển động có thêm độ nhớt 33 Hình 2.4 Các particle chuyển động mật độ hạt tăng 33 Hình 2.5 Dạng khác bề mặt chất dẻo 42 Hình 3.1 Hệ thống tập lái tàu thuỷ trường ĐH GTVT HCM 45 Hình 3.2 Thể hiệu ứng mặt nước tạo 46 Hình 3.3 Thể mặt nước lưới đa giác phương pháp Particle – based 46 Hình 3.4 Mặt nước đứng yên 53 Hình 3.5 Mặt nước chuyển động mạnh 53 Hình 3.6 Mô hình tổ chức file VRML 56 Hình 3.7 Hình hộp đơn giản viết VRML 56 Hình 3.8 Billboad với mô hình hóa 58 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Công nghệ thông tin đã, tiếp tục đà phát triển mạnh mẽ, phát triển nhanh chóng đem lại thành tựu đáng kể nhiều lĩnh vực y tế (với phần mềm quản lý bệnh viện, mô tim người, thể người, mô cơ, ), giao thông (các phần mềm trắc nghiệm thi lý thuyết lái xe, phần mềm mô lái xe ảo,…), giáo dục (hệ thống phần mềm quản lý, giáo án, giáo trình điện tử, website đào tạo trực tuyến,…), an ninh, quốc phòng, Những năm gần đây, đà phát triển xuất mô hình phát triển mà phạm vi ứng dụng rộng lớn nhiều Nó dự báo tương lai có nhiều tiềm năng, cánh cửa rộng mở, công nghệ thực ảo Trên giới, công nghệ thực ảo trở thành ngành công nghệ mũi nhọn nhờ khả ứng dụng rộng rãi lĩnh vực như: nghiên cứu công nghệ, giáo dục đào tạo, du lịch, dịch vụ bất động sản, thương mại giải trí,… tiềm kinh tế tính hữu dụng Đối với Việt Nam, công nghệ thực ảo dần phát triển mạnh hầu hết lĩnh vực Tại viện công nghệ thông tin thuộc viện khoa học công nghệ Việt Nam trang bị phòng máy thực ảo nước Bên cạnh trung tâm đầu não đó, kỹ thuật mô nhiều trường Đại học, nhiều công ty phần mềm nghiên cứu thu kết bước đầu đáng khích lệ, để làm chủ công nghệ cần phải đầu tư nghiên cứu tiếp Một điều thực tế muốn hiểu toàn công nghệ phải nắm phương pháp thể hay mô đối tượng môi trường thực ảo, chẳng hạn để mô nước cần phải nắm kỹ thuật mô nước Ở nước ta, việc ứng dụng thực ảo vào mô nước chưa quan tâm nhiều, mà nước thành phần thiếu đời sống người Chính vậy, em chọn đề tài khoá luận tốt nghiệp “Tìm hiểu kỹ thuật mô nước phương pháp Particle ứng dụng minh họa” Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu Mục tiêu khóa luận nghiên cứu phương pháp đặc biệt phương pháp Particle sử dụng mô nói chung mô nước nói riêng xây dựng chương trình ứng dụng minh họa Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu khóa luận mô nước phương pháp Particle Nước thành phần thiếu sống Nước phục vụ cho sống hàng ngày, phục vụ cho sản xuất, sống người gắn liền với nước,… Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý luận Nghiên cứu qua việc đọc sách, báo tài liệu liên quan nhằm xây dựng sở lý thuyết đề tài biện pháp cần thiết để giải vấn đề đề tài - Phương pháp chuyên gia Tham khảo ý kiến chuyên gia để thiết kế chương trình phù hợp với yêu cầu thực tiễn Nội dung xử lý nhanh đáp ứng yêu cầu ngày cao người sử dụng - Phương pháp thực nghiệm Thông qua quan sát thực tế, yêu cầu sở, lý luận nghiên cứu kết đạt qua phương pháp trên, dùng 3DS Max để xây dựng mô hình, sau dùng ngôn ngữ C# để điều kiển mô hình mô nước Ý nghĩa khoa học thực tiễn khóa luận Đề tài đem lại số kiến thức thực tế ứng dụng mô nước vào công nghệ giải trí, nghiên cứu khoa học mô thí nghiệm có liên quan đến nước trình giảng dạy trường học Cấu trúc khóa luận Luận văn gồm chương với nội dung sau: Chương 1: Khái quát thực ảo mô nước Trong chương giới thiệu tổng quan trình phát triển lĩnh vực ứng dụng Thực ảo, đồng thời cung cấp nhìn tổng quan mô nước hệ thực ảo Tại chương sâu phân tích tính chất vật lý, hiệu ứng nước để làm sở cho trình bày phương pháp mô nước chương Chương 2: Mô nước phương pháp Particle Chương đưa kỹ thuật mô hiệu ứng nước thông thường giới thiệu phương pháp mô mà người ta dùng để tạo hiệu ứng nước Đặc biệt trình bày sở lý thuyết phương pháp Particle phương pháp sử dụng hiệu mô nước Chương 3: Chương trình thử nghiệm Chương dựa vào sở lý thuyết trình bày chương trước để viết chương trình thử nghiệm mô nước phương pháp Particle Phần cuối chương trình bày số kỹ thuật liên quan khác sử dụng xây dựng chương trình thử nghiệm VRML, Billboard Xây dựng mô hình giới ba chiều khâu quan trọng quy trình xây dựng hệ thống Thực ảo Từ hệ thống để bàn đến dạng hệ hỗ trợ nhúng hoàn toàn, mức độ xác tinh tế hình ảnh lập thể không gian ảo ảnh hưởng không nhỏ tới mức độ cảm nhận tính thực người sử dụng giới ảo Trên giới có nhiều công cụ phần mềm hỗ trợ xây dựng ứng dụng đồ hoạ chung xây dựng mô hình nước Thực ảo nói riêng Do vậy, việc lựa chọn công cụ phần mềm thích hợp mặt tính giá thành vấn đề đáng quan tâm đầu tư xây dựng hệ thống Thực ảo Mỗi phần mềm có ưu điểm nhược điểm riêng Bài khoá luận đưa số đánh giá khách quan phần mềm phổ biến thông qua việc tập hợp ý kiến chuyên gia sử dụng công cụ phần mềm Hiện nay, nói đến phần mềm hỗ trợ xây dựng mô hình lập thể, ta phải đề cập đến phần mềm phổ biến như: Maya, 3D Studio Max, Softimage, Renderman, Houdini LightWare,… 3.2.2 Mô mặt nước Các chất lưu tuân theo mô chất lỏng chất khí sử dụng hệ thống particle Một hệ thống particle hỗn hợp hay nhiều particle riêng lẻ Trong khoảng thời gian, particle hệ sinh ra, chuyển động thay đổi hệ, sau chết Đặc tính chung khác hệ thống tất particle yếu tố hỗn loạn Yếu tố hỗn loạn sử dụng để điều chỉnh thuộc tính particle vị trí, vận tốc Để tính toán bước chu trình chuyển động, chu trình bước xác định đặc tính hệ thống particle:  Các particle sinh hệ  Mỗi particle gán cho thuộc tính riêng biệt  Bất particle tồn hệ thời gian bị làm mờ dần 47  Các particle sống hệ chuyển động biến đổi dựa theo thuộc tính động  Một hình ảnh particle sống kết xuất đệm khung hình (frame buffer) a Tạo chất lỏng Chất lỏng tạo particle khoảng thời gian Quá trình điều khiển tính toán để đưa vào đệm khung hình (frame buffer) Số lượng particle quan trọng có ảnh hưởng lớn đến mật độ chất lỏng Các particle đưa vào hệ thống với dạng nguồn phát xác định nơi sinh hạt có định vị hỗn loạn Nguồn phát chất lỏng cung cấp particle theo hướng định Một với áp suất không đổi, tỷ lệ nước đưa vào không đổi.Trong trường hợp một, nước chảy với áp suất không đổi (tốc độ tăng khoảng thời gian), trường hợp hai số lượng particle phát khoảng thời gian Mỗi particle khỏi đầu phát này, có loạt đặc tính mà ảnh hưởng tới hoạt động riêng Đối với hạt đặc tính giữ nguyên  Position – xác định vị trí ba chiều particle  Velocity – vận tốc xác định hạt theo hướng trường vector lực hỗn hợp  Accumlated Body Forces – kết tổng hợp lực mà tác động vào particle particle khác  Density – xác định mật độ chất lỏng chứa particle  Viscosity – xác định độ nhớt chất lỏng  Life Time – thời gian sống hạt tính theo giây, xác định giây hạt tách 48 b Chuyển động hạt particle Trong toán này, mô mặt nước, lực tác động vào particle xem xét đến Khá khó khăn để xác định số lượng trường lực tác động particle Ảnh hưởng lực tác động particle chất lỏng chuyển động không gian ba chiều Để di chuyển particle từ khoảng thời gian đến khoảng thời gian   cần phải biết vector vận tốc ( v ) vector lực tổng hợp ( F acc ),  vector vị trí ( x ) xác định phương trình sau :    xnew  xold + x +  Facc (3.1) Đối với particle lực tổng hợp tính việc cộng thêm   lực bên ( Fexternal ) lực mà particle lân cận ( Fneighbors ) gây mặt cầu :    Facc = Fexternal  Fneighbors (3.2) Mật độ xác định xem có ảnh hưởng particle lân cận tác động vào particle riêng lẻ, để xác định lực hút theo hướng tâm particle Cộng thêm mật độ, công thêm lực hút, cộng thêm lực particle lân cận tác động vào mật độ particle Vận tốc particle ảnh hưởng đến viscosity (độ nhớt – γ) xác định cho particle xác định tổng cản trở dòng nước Nếu độ nhớt mà lớn vận tốc nhỏ Do vận tốc chia cho độ nhớt particle :    v  xnew  xold   Facc  (3.3) Khi particle xác định thời gian sống Cũng frame tính toán thời gian sống giảm Một particle chết thời gian sống Trong mô nước ta mặc định thời gian sống particle tồn mãi 49 c Render particle Một tham số vị trí hình dạng tất particle tính toán cho frame, thuật toán render sử dụng để tạo nên tranh Các particle nước toán render kỹ thuật Billboards để mô tả kết cấu Billboards kỹ thuật cho phép đối tượng luôn đối mặt với mục tiêu cụ thể, thường camera Đầu tiên trình kết nối Billboards vào máy tính số lượng, kích thước particle định nghĩa vào vị trí quan sát (camera) Vấn đề chung việc render particle phức tạp tương tự việc render đối tượng hợp thành từ nhiều thành phần đồ họa (như đa giác hay bề mặt cong) Particle che khuất particle khác nằm đằng sau (có độ sâu hình thấp hơn) Chúng suốt đổ bóng lên particle khác Hơn nữa, particle sống chung với đối tượng tạo nên thành phần đồ họa nguyên tố phương pháp hướng bề mặt đối tượng giao với particle Có hai giả định cho phép đơn giản hóa thuật toán render Đầu tiên, ta thừa nhận Particle System không giao với thành phần nguyên tố sử dụng mô hình hóa hướng bề mặt, thuật toán render quan tâm đến particle Các đối tượng sử dụng kĩ thuật khác kết hợp với đối tượng Particle System bước chuẩn bị trước Nhằm cho Particle System giao nằm sau đối tượng khác, hệ thống render chia nhỏ hình ảnh Particle System thành hình ảnh dựa vào việc chia cắt mặt định nghĩa không gian tọa độ mô hình Những hình ảnh kết hợp với ảnh khác bước phối hợp Giả định thứ hai particle coi nguồn sáng điểm Với giả định này, việc xác định bề mặt bị che không vấn đề Mỗi particle cộng thêm lượng ánh sáng cho pixel bao phủ Một particle đằng 50 sau không bị che particle trước mà làm sáng thêm pixel bao phủ Độ sáng pixel cộng vào màu sắc phụ thuộc vào màu sắc độ suốt particle Độ sáng cộng thêm vào pixel không phụ thuộc vào khoảng cách particle tới điểm nhìn Vị trí điểm nhìn, kích thước particle hình dạng xác định pixel bị che phủ Tất hình dạng particle vẽ kĩ thuật khử cưa (antialiased) để tránh tượng cưa nhấp nháy tạm thời Ánh sáng pixel cộng vào từ nhiều particle, thuật toán render cộng dần cường độ R, G, B riêng biệt đạt giá trị cực đại không để particle trước che phủ particle sau Với thuật toán giả định này, ta không cần phải xếp particle Chúng render vào đệm frame thứ tự chúng sinh Đổ bóng không vấn đề particle không phản xạ mà trực tiếp phát ánh sáng [2], [5], [8], [10] 3.2.3 Chương trình mô mặt nước a Yêu cầu cấu hình cho chạy chương trình Chương trình Demo viết ngôn ngữ C# NET phiên Microsoft NET 2005 Để xem thể chương trình ta vào thư mục Bin/Debug chạy file WaterEffectDemo.exe Đối với máy chưa cài NET ta cần cài FrameWork SDK v 2.1 chạy Demo Chương trình thích hợp hệ điều hành Windows 2000 trở lên có hỗ trợ FrameWork SDK, thích hợp hệ điều hành Windows 2003 Server, Windows XP, Để biên dịch code chương trình phải cài đặt NET máy 51 b Mô tả phương pháp  Quy trình chung mô gồm:  Tạo mô hình Để tạo mô hình , sử dụng công cụ có sẵn: 3DS Max, Flash, Maya,…  Điều khiển mô hình (mô phỏng) Có thể sử dụng ngôn ngữ lập trình: C#, Java, VC++,… để lập trình điều khiển  Mô hiệu ứng nước phương pháp Particle:  Mỗi đối tượng nước cần mô particle  Các particle nằm particle – based, chịu điều khiển particle – based  Trong khoảng thời gian, particle hệ “sinh ra”, chuyển động thay đổi, sau “chết đi” Bước 1: Tạo particle Bước 2: Điều khiển (mô phỏng) particle  Đọc mô hình vào chương trình  Khởi tạo thông số ban đầu cho particle  Số lượng  Vị trí  Hướng  Tốc độ  Thời gian sống …  Tính toán thay đổi thông số theo thời gian  Cập nhật lại trạng thái hiển thị 52 Chương trình dùng 3DS Max để tạo mô hình mặt nước đứng yên, sau dùng ngôn ngữ C# để lập trình điều khiển, dùng nút trái chuột để điều khiển mặt nước chuyển động c Một số giao diện Hình 3.4 Mặt nước đứng yên Hình 3.5 Mặt nước chuyển động mạnh 53 3.2.4 Các kỹ thuật liên quan a Kỹ thuật VRML VRML sử dụng chương trình để xây dựng đối tượng đèn cồn, ống nghiệm, giá đỡ VRML (Virtual Reality Modelling Language) ngôn ngữ dùng để xây dựng mô hình thực ảo máy vi tính VRML cho phép mô tả vật thể hay giới ảo 3D có tương tác Ứng dụng VRML sử dụng thông qua mạng Internet, Intranet hay máy tính cá nhân Do tính chất đơn giản khả hỗ trợ web 3D, VRML ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác giáo dục, kiến trúc, khoa học trực quan, trò chơi điện tử, phân tích tài chính, thị trường ảo… Nếu HTML định dạng văn VRML định dạng đối tượng 3D Cũng HTML, VRML mô tả xác cách hình ảnh, văn liên kết kết hợp với để tạo nên trang web Khác với HTML, VRML thể tương tác, ảnh hưởng lẫn đối tượng mô tả không gian ảo tạo Tuy chế giống hoạt động môi trường web, VRML mở rộng HTML: HTML ngôn ngữ định dạng siêu văn VRML thiết kế riêng cho việc thể đối tượng tương tác 3D VRML đời vào năm 1994 hội thảo quốc tế World Wide Web tổ chức Geneva, Thụy sĩ Tại hội thảo đó, Tim Berners - Lee Dave Raggett tổ chức phiên họp có tên Birds - of - a - Feather (BOF) để mô tả giao diện thực ảo World Wide Web Nhiều thành viên tham dự phiên họp BOF mô tả nhiều dự án thực việc xây dựng công cụ hiển thị đồ họa ba chiều cho phép có nhiều thao tác hữu ích Web Những thành viên trí đồng ý cần thiết cho công cụ có ngôn ngữ chung, phổ biến cho định dạng, xác định việc mô tả giới 3D siêu liên kết World Wide Web Vì cụm từ “Virtual Reality Markup 54 Language” đời, từ Markup sau đổi thành Modelling để phản ánh chất tự nhiên VRML Sau phiên họp này, nhóm chuyên gia thành lập để phát triển VRML phiên Các yêu cầu cho việc thiết kế VRML phiên đưa sau:  Khả kết hợp: Cho phép sử dụng kết hợp đối tượng 3D động từ nhiều nguồn giới ảo VRML cho phép sử dụng lại dễ dàng  Khả mở rộng: Có khả thêm vào kiểu đối tượng không định nghĩa rõ ràng VRML âm  Hoạt động: Tập trung vào khả tương tác, mở rộng hoạt động nhiều khác (độc lập với nền) qua môi trường mạng Một file VRML tập hợp đối tượng gọi nút (Node) VRML có nhóm nút : Nút hình học (Shape nodes): Dùng để mô tả hình dạng hình học đối tượng VRML hỗ trợ loại nút hình học Sphere (hình cầu), Cone (hình nón), Cube (hình hộp), Cylinder (hình trụ) Nút thuộc tính (Property nodes): Qui định cách thể đối tượng lên hình Nút thuộc tính quan trọng Material qui định màu sắc thể đối tượng Màu sắc VRML sử dụng hệ màu RGB với giá trị màu nằm đoạn [0, 1] Nút tổng (Grouping nodes): Nhóm nhiều đối tượng thành đối tượng Mỗi nút VRML có trường (Field) chứa thông tin thuộc tính nút Một nút gọi nút tổng (Group Node) nút bao gồm nhiều nút Các nút tổ chức theo cấu trúc gọi đồ thị hình (scene graph) Không đơn tập hợp nút, đồ thị qui định tổ chức, thứ tự nút để tạo thành hình ảnh đối tượng Trong đồ thị, nút xuất trước ảnh hưởng tới nút xuất sau 55 Hình 3.6 Mô hình tổ chức file VRML Dưới ví dụ file VRML đơn giản # VRML V2.0 utf8 # example1.wrl - a yellow box Shape { geometry Box { } appearance Appearance { material Material { diffuseColor 1.0 1.0 # red, green, blue 0.0 } Hình 3.7 Hình hộp đơn giản viết VRML b Billboard Particle sử dụng ảnh 2D để thể hình ảnh Khi nhìn diện, hình ảnh 2D thể đắn Tuy nhiên, góc nhìn khác, hình ảnh particle khác mong muốn người thiết kế Billboard kĩ thuật cho phép đối tượng 56 luôn đối mặt với mục tiêu cụ thể, thường camera Khi áp dụng kĩ thuật vào thể particle system, hình ảnh luôn thống cho dù người dùng nhìn từ hướng Kỹ thuật phổ biến trò chơi vi tính ứng dụng khác sử dụng nhiều đối tượng hình học (đa giác) để tạo nên đối tượng (các ứng dụng particle system nằm kiểu ứng dụng này) Nó dùng để giảm bớt số lượng đa giác để mô hình hóa mô hình việc sử dụng kết cấu giả mạo (impostor texture).Ví dụ cho trường hợp việc thể Để mô đa giác cách hoàn chỉnh, đặc biệt vào mùa xuân, cần nhiều đa giác Billboard cho phép ta thay mô hình hình học phức tạp với kết cấu bề mặt áp dụng lên hình vuông! Billboard bảo đảm kết cấu luôn đối diện với camera, người dùng không nhận thực chất hình vuông phẳng với hoa văn đó, trừ họ vượt qua giới hạn mà ảo giác bị phá vỡ Chú ý tượng đổ bóng ta sử dụng kết cấu cho hướng nhìn camera Một 3D nhìn từ nhiều vị trí khác cho hình ảnh khác nguồn sáng cố định hay chuyển động không quan hệ với camera Một giải pháp cho trường hợp chuẩn bị nhiều kết cấu để sử dụng cho nhiều hướng nhìn khác Billboard sử dụng cảm giác hình ảnh 3D mà không cần sử dụng nhiều đa giác để xây dựng Tất nhiên, kỹ thuật không sử dụng cần tiết kiệm đa giác Trong trường hợp tổng quát, kĩ thuật billboad dùng để làm cho đối tượng đối diện với mục tiêu trường hợp ứng dụng vào particle based mô nước xây dựng [5], [10] 57 Hình 3.8 Billboad với mô hình hóa 58 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Khoá luận bám sát yêu cầu đề tài đặt ra:  Tìm hiểu tổng quan Thực ảo vấn đề mô nước thực ảo  Tìm hiểu nước bao gồm tính chất hiệu ứng nước  Tìm hiểu số kỹ thuật mô hiệu ứng nước  Tạo chương trình Demo thể kiến thức thu nhận Chương trình Demo thể rõ yêu cầu khóa luận đặt ra, thể mô nước phương pháp Particle: - Mô mặt nước đứng yên - Mô mặt nước chuyển động mạnh Tuy nhiên, chương trình số hạn chế: - Có tính chuyên nghiệp chưa cao, chưa giải hết vấn đề nảy sinh trình thực chương trình Demo như: Các hiệu ứng nước chưa thật hút, tính thẩm mỹ chưa cao xây dựng hình thiếu tính chuyên nghiệp - Cũng điều kiện thiếu thốn, chưa có hệ thống máy tính mạnh để kết xuất chương trình có độ phân giải cao có nhiều đối tượng, chưa có thiết bị trình chiếu đồng tốt để thực mô 3D Stereo cách hoàn chỉnh Hướng phát triển Hiện chương trình trình chiếu thiết bị bình thường nên chưa phát huy lợi công nghệ Thực ảo trình chiếu công nghệ Stereo Hướng phát triển tới tạo chương trình thể lợi Thực ảo xử lý thời gian thực, tương tác, âm 3D,… 59 Phải nâng cao kỹ phân tích thiết kế mô hình nước, đảm bảo tính thẩm mĩ chuyên nghiệp chương trình đồ hoạ vi tính Tiến tới tạo kết xuất chương trình lớn đáp ứng yêu cầu tích hợp vào hệ mô thương mại Có thể tạo hiệu ứng nước thật nữa, phong phú cách đưa hiệu ứng nước vào môi trường mà hiệu ứng nước phải thật với môi trường Kết hợp nhuần nhuyễn phương pháp mô nước hiệu ứng Tìm hiểu sâu thêm tính công cụ phát triển từ có kiến thức tổng quát, chuyên sâu, sẵn sang cho việc phân tích thiết kế hệ Thực ảo có gắn bó với mô nước… Để thực mong muốn nhiều nữa, thân em nhận thức phải nỗ lực phấn đấu học tập nhiều niềm đam mê công nghệ Thực ảo – môn nghệ thuật tương lai, lĩnh vực phát triển đầy hứa hẹn công nghệ Việt Nam, em mong muốn chia sẻ với tất người bạn trẻ Mong muốn tương lai không xa có nhiều người yêu thích tham gia vào dự án Thực ảo, mong muốn nhà nước có quan tâm nhiều cho công tác định hướng, đào tạo đầu tư cho lĩnh vực mẻ này, mong muốn sớm có diễn đàn cho chuyên gia hàng đầu mang thương hiệu Việt công tác nơi giới đóng góp thông tin, công sức nghiên cứu, tâm huyết động viên cho hệ trẻ sớm theo kịp với công nghệ Thế giới… Qua khoá luận tốt nghiệp em cố gắng cung cấp nhìn tổng quan Thực ảo chuyên sâu lĩnh vực mô hấp dẫ trông công nghệ đó, hy vọng năm có nhiều bạn trẻ tiếp tục đề tài chuyên sâu Thực ảo 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt Phạm Viết Bình, Đỗ Năng Toàn (2007), Xử lý ảnh, NXB Đại học Thái Nguyên Nguyễn Văn Huân, Vũ Đức Thái (2006), Kỹ thuật lập trình mô giới thực dựa Morfi, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội Phạm Văn Vĩnh (2006), Cơ học chất lỏng ứng dụng, NXB Giáo dục Tiếng anh Waterfall simulation using particles, Ahmed Tausif Aijazi – ahmai719 Mathias Muller, David Charypar and Markus Gross, Eurographics/SIGGRAPH Symposium on computer Animation (2003), Particle – Based Fluid Siumlation for interactive Applications W.T.Reeves (2003), Particle sytems – a technique for modeling a class of fuzzy objects Simon Claves, Philippe Beaudoin, and Pierre Poulin, LIGUM, Dept.IRO University De Montreal, Particle-based Viscoelastic Fluid Simulation Trang web tham khảo Billboard Tutorial: http://www.lighthouse3d.com/opengl/billboarding/ Tổng quan mô thực ảo: http://share3dvn.blogspot.com http://www.codecolony.de/opengl.htm#FountainWater 10 Một số kỹ thuật mô nước ứng dụng http://elib.ictu.edu.vn/Public/index.aspx?mid=tailieuso&tdig=71&did= 273 11 http://timtailieu.vn/tai-lieu/de-tai-xay-dung-he-thong-mo-phong-vathuc-tai-ao-su-dung-ngon-ngu-wave-5816/ 61 [...]... sống con người 25 Chương 2: MÔ PHỎNG NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP PARTICLE 2.1 Kỹ thuật mô phỏng hiệu ứng của nước thông thường Tìm hiểu các giải thuật để thể hiện được những hiệu ứng rất phức tạp nên nguời ta đã đưa ra nhiều giải pháp khác nhau, một số nhà khoa học đã tìm ra các phương pháp để thể hiện chính xác các hiệu ứng của nước nhưng chưa thực sự được sử dụng Nhìn chung các kĩ thuật chung thường được dùng... sâu vào tìm hiểu phương pháp đó mà trọng tâm là tìm hiểu phương pháp tạo ra hiệu ứng thật cho mặt nước [10] 2.2 Một số phương pháp mô phỏng nước 2.2.1 Phương pháp Physically - based Phương pháp 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. .. nước khác nhau, dưới tác dụng khác nhau thì sẽ dẫn đến các hiệu ứng khác nhau Sau đây là một số hiệu ứng nước cơ bản mà ta thường gặp:  Hiệu ứng phản chiếu ánh sáng  Hiệu ứng in bóng  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) 1.2.3 Một số tính chất của chất lỏng Cơ sở lý thuyết của các phương pháp mô phỏng nước. .. tĩnh, trong kết quả mô phỏng không có sự chuyển động, không có sự biến đổi Đây là dạng mô phỏng thường chỉ áp dụng cho các vật tĩnh, nó là dạng mô phỏng đơn giản nhất Hình 1.13 Mô phỏng tĩnh vật 15  Mô phỏng động: Mô phỏng động được tách thành 2 loại, đó là mô phỏng động theo thời gian thực và mô phỏng động không theo thời gian thực:  Mô phỏng động theo thời gian thực: Là dạng mô phỏng đối tượng có... Gingold và Monaghan Với cách tiếp cận này những phần tử trong khối chất lỏng duy trì các thuộc tính khác nhau ví dụ như mật độ, khối lượng, vận tốc,v.v… Và được theo dõi trong suốt quá trình mô phỏng Phương pháp Particle - based ổn định hơn phương pháp Physicall based nhưng vẫn yêu cầu bộ nhớ tương đối lớn [10] 2.3 Mô phỏng nước bằng phương pháp Particle 2.3.1 Tiến trình mô phỏng Nước, nước đá và hơi nước. .. nghiệm trên mô hình đó nhằm mục đích hiểu được hoạt động của nó Công nghệ mô phỏng đã xuất hiện từ rất lâu và đã phát triển mạnh ở các nước châu Âu và một số nước châu Á, nhưng ở Việt Nam mấy năm gần đây công nghệ này mới thực sự được quan tâm và đầu tư thích đáng b Phân loại 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 được mô hình tĩnh,... 2.2.2 Phương pháp Particle - based Phương pháp Particle - based mô tả chất lỏng sử dụng các phần tử Particles, bằng cách trực tiếp theo dõi từng phần của quá trình các phần tử di chuyển qua những miến trống Phương pháp này không chú trọng việc bảo toàn khối lượng và cung cấp khái niệm mô phỏng khung linh hoạt, đơn giản Mô phỏng Particle - based sử dụng cách tiếp cận luân phiên – SPH (Smoothed Particle. .. 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... lỏng Mô phỏng chất lỏng có thể coi là một trong những công việc khó khăn nhất, phức tạp nhất của công nghệ mô phỏng Ví dụ như mô phỏng nước, nước có thể nói là thành phần không thể thiếu trong cuộc sống của mỗi chúng ta Nước phục vụ đời sống hàng ngày, phục vụ sản xuất nông nghiệp, Mô phỏng nước ở dạng mô phỏng động theo thời gian thực hoặc không theo thời gian thực Để mô phỏng nước mà chỉ cần dạng mô. .. xuống thấp Ví dụ: nước chảy ở đỉnh đập xuống, nước ở các thác  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  Mặt nước:  Mặt nước dao động bình thường  Mặt nước khi có vật rắn rơi xuống  Mặt nước khi có mưa  Mặt nước khi có gió ... quan trọng nước mô nước 25 Chương 2: MÔ PHỎNG NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP PARTICLE 26 2.1 Kỹ thuật mô hiệu ứng nước thông thường 26 2.2 Một số phương pháp mô nước 27 2.2.1 Phương pháp Physically... cứu phương pháp đặc biệt phương pháp Particle sử dụng mô nói chung mô nước nói riêng xây dựng chương trình ứng dụng minh họa Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu khóa luận mô nước phương pháp. .. lý, hiệu ứng nước để làm sở cho trình bày phương pháp mô nước chương Chương 2: Mô nước phương pháp Particle Chương đưa kỹ thuật mô hiệu ứng nước thông thường giới thiệu phương pháp mô mà người