Bài viết tìm hiểu về thực tại ảo, particle system, mô phỏng điện tích sau đó tập trung nghiên cứu kỹ thuật mô phỏng bằng phương pháp particle. Mời các bạn cùng tham khảo bài viết để nắm chi tiết nội dung nghiên cứu.
Trường Đại học Vinh Tạp chí khoa học, Tập 48 - Số 3A/2019, tr 29-39 NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT PARTICLE MƠ PHỎNG DỊNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN BẰNG CƠNG NGHỆ THỰC TẠI ẢO Nguyễn Thị Quyên Viện Công nghệ thông tin, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Ngày nhận 26/7/2019, ngày nhận đăng 15/9/2019 Tóm tắt: Công nghệ thực ảo ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực giáo dục, quân sự, y học Áp dụng công nghệ thực ảo mơ q trình sinh trưởng hay thí nghiệm ảo có khả tương tác tạo hứng thú cho học sinh học tập, giúp học sinh dễ hình dung nắm bắt nhanh vấn đề mà lý thuyết đưa Bài báo trình bày việc mơ điện tích phương pháp particle Kỹ thuật phù hợp với việc mô đối tượng khơng định điện tích, nước, lửa Phần cuối báo đưa số kết thực nghiệm với tốn mơ chuyển động ion dương ion âm dung dịch chất điện phân Từ khóa: Thực ảo; chất điện phân; particle Mở đầu Trong nghiên cứu khoa học tự nhiên có hai hướng nghiên cứu truyền thống, lý thuyết thực nghiệm Tuy nhiên, nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm sáng tỏ, thí nghiệm đòi hỏi nhiều thiết bị, mẫu vật đắt tiền hóa chất độc hại Sự đời hệ máy tính với tốc độ tính toán cực nhanh hỗ trợ hướng nghiên cứu khoa học tính tốn Một hướng nghiên cứu mơ máy tính, giữ vai trò cầu nối giới vi mô vĩ mô, lý thuyết thực nghiệm Bên cạnh phát triển công nghệ mô giới, việc xây dựng phần mềm mô cổ vũ phát triển mạnh mẽ điều kiện thực tế Việt Nam Yêu cầu đổi phương pháp giảng dạy trọng nhằm nâng cao chất lượng dạy học trường học, trường phổ thông Trong chương trình giáo dục phổ thơng mơn Vật lí, điện tích khái niệm quan trọng Sự cư trú di chuyển electron tạo nên tượng điện tính chất điện mn màu muôn vẻ giới tự nhiên mây, mưa, sấm, chớp Một vật tích điện tạo nên xung quanh điện trường điện trường tác dụng lực lên điện tích khác nằm nó, gây nên chuyển động điện tích tạo nhiều tượng điện tự nhiên, vật lý, hóa học, sinh học Ứng dụng công nghệ thực ảo mơ q trình sinh trưởng hay thí nghiệm ảo có khả tương tác tạo hứng thú cho học sinh học tập, giúp học sinh dễ hình dung nắm bắt nhanh vấn đề mà lý thuyết đưa Với thí nghiệm đòi hỏi nhiều thiết bị, mẫu vật đắt tiền hóa chất độc hại việc mơ thí nghiệm lựa chọn tốt Email: nguyenthiquyen@hpu2.edu.vn 29 N T Quyên / Nghiên cứu kỹ thuật particle mô dòng điện chất điện phân cơng nghệ… Trong báo cáo này, trước hết, tác giả tìm hiểu thực ảo, particle system, mơ điện tích sau tập trung nghiên cứu kỹ thuật mơ phương pháp particle Từ đó, tác giả đưa phương thức particle mô tả chuyển động dòng điện chất điện phân cách trực dõi chuyển động ion dương chạy phía catot, ion âm chạy phía anot Phương pháp particle khơng trọng đến việc đường ion gặp phải cản trở va chạm với ion dấu, chúng đẩy làm lệch hướng chuyển động, làm cho ion chuyển động thẳng trở thành chuyển động cong theo đường parabol Cuối kết luận hướng nghiên cứu Nội dung nghiên cứu 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Khái niệm thực ảo Thực ảo (Virtual Reality - VR) hệ thống giao diện cấp cao người sử dụng máy tính Hệ thống mô vật tượng theo thời gian thực có tương tác với người sử dụng qua tổng hợp kênh cảm giác Đó ngũ giác gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác, vị giác [3] Nói cách cụ thể, VR công nghệ sử dụng kỹ thuật mơ hình hố khơng gian ba chiều với hỗ trợ thiết bị đa phương tiện xây dựng giới mô máy tính - Mơi trường ảo (Virtual Environment) để đưa người ta vào giới nhân tạo với không gian thật Trong giới ảo này, người sử dụng khơng xem người quan sát bên ngồi, mà thực trở thành phần hệ thống Thế giới “nhân tạo” không tĩnh mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn người sử dụng nhờ cử chỉ, hành động tức người sử dụng nhìn thấy vật thay đổi hình theo ý muốn họ 2.1.2 Particle system đặc tính - Định nghĩa particle system: Một particle system tập hợp thành phần hay hạt (particle) riêng biệt Particle system điều khiển tập particle đó, cho phép chúng hoạt động cách tự động với số thuộc tính chung định [8] - Đặc tính particle system: Particle system có ba đặc tính riêng khác hẳn với kĩ thuật tổng hợp hình ảnh thơng thường khác, là: + Một đối tượng biểu diễn tập thành phần bề mặt đa giác hay miếng nhỏ bề mặt để tạo bề mặt biên, mà cấu thành từ tập particle để tạo hình khối + Particle system thực thể tĩnh mà chuyển động thay đổi hình dạng theo thời gian Các particle liên tục “chết đi” particle “sinh ra” + Một đối tượng biểu diễn particle system khơng xác định hồn tồn đường nét lẫn hình dạng Thay vào đó, xác định tiến trình ngẫu nhiên 2.1.3 Mơ điện tích - Khái niệm mơ 30 Trường Đại học Vinh Tạp chí khoa học, Tập 48 - Số 3A/2019, tr 29-39 Mơ q trình “bắt chước” vật, tượng có thực thiên nhiên, sống người Công nghệ mô xuất từ lâu phát triển mạnh nước châu Âu số nước châu Á Ở Việt Nam, công nghệ thực quan tâm đầu tư năm gần Có hai loại mơ phỏng: 1) Mơ tĩnh dạng mơ thể mơ hình tĩnh Đây dạng mô thường áp dụng cho vật dạng mô đơn giản 2) Mô động dạng mô mà kết có chuyển động Mơ động chia thành hai loại, mô động theo thời gian thực mô động không theo thời gian thực - Mô điện tích Điện tích khái niệm quan trọng Sự cư trú di chuyển electron tạo nên tượng điện tính chất điện muôn màu muôn vẻ giới tự nhiên Một vật tích điện gây xung quanh điện trường điện trường tác dụng lực lên điện tích khác nằm gây nên chuyển động điện tích tạo nhiều tượng điện Mơ điện tích khơng cho thấy hình ảnh trực quan tượng điện xảy tự nhiên mà giúp ta hiểu cách sâu sắc chất chế xuất dòng điện mơi trường rắn, lỏng, khí… thể sống 2.2 Nội dung nghiên cứu mơ điện tích 2.2.1 Giới thiệu mơ hình mơ điện tích Điện tích đối tượng khơng định hình, tức chưa định nghĩa cách rõ ràng điện trường không đổi ln ln biến đổi theo thời gian Việc sử dụng phương pháp tổng hợp hình ảnh thơng thường để mơ điện tích phức tạp Do vậy, để mơ điện tích tác giả lựa chọn phương pháp particle Một particle thành phần nguyên tố đơn giản đa giác, thành phần đơn giản kĩ thuật mơ hình dựa bề mặt Một particle system tập hợp nhiều particle nhỏ kết hợp tạo nên đối tượng khơng định hình Trong khoảng thời gian, particle hệ sinh ra, chuyển động thay đổi hệ, sau chết Để tính tốn khung hình chuỗi chuyển động, cần tiến hành bước sau đây: + Các particle sinh hệ + Mỗi particle gán cho thuộc tính riêng biệt + Bất particle tồn hệ thời gian bị làm mờ dần + 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) Particle system lập trình để thực thi tập lệnh bước Do có tính thủ tục, phương pháp phối hợp mơ hình tính tốn dùng để mơ tả bề ngồi chuyển động đối tượng Ví dụ, chuyển động biến đổi particle gắn vào phương trình vi phân cục bộ, hay thuộc tính particle gán vào chế thống kê xác suất Trong phạm vi 31 N T Quyên / Nghiên cứu kỹ thuật particle mơ dòng điện chất điện phân công nghệ… báo này, tác giả sử dụng tiến trình ngẫu nhiên đơn giản làm thủ tục nguyên tố cho bước trình tạo khung hình cho particle system Để điều khiển hình dáng, bề mặt chuyển động particle particle system, sử dụng tập tham số ngẫu nhiên Chuyển động biến đổi particle ràng buộc vào tham số Nói cách tổng quát, tham số xác định dải giá trị, particle nhận giá trị khoảng 2.2.2 Khởi tạo hình dạng màu sắc cho particle điện tích Để xây dựng hình ảnh cho particle điện tích âm hay dương, báo sử dụng kĩ thuật alpha channel Đây kĩ thuật tạo mặt nạ cho ảnh bitmap đồ họa vi tính Đầu vào trình ảnh bitmap gốc ban đầu ảnh bitmap đen trắng dùng để làm alpha channel Thực chất trình thêm vào pixel ảnh gốc số A cho độ suốt pixel ngồi giá trị R, G, B màu sắc A = tương ứng với điểm màu đen alpha channel, pixel ảnh gốc bị mờ hoàn toàn A = tương ứng với điểm màu trắng alpha channel, pixel ảnh gốc hồn tồn không bị mờ Sở dĩ ảnh đen trắng chọn làm alpha channel với loại ảnh này, pixel có giá trị R, G, B nhau, ta cần lựa chọn số để làm số A ảnh cần xử lý Sử dụng kênh alpha để tạo hình ảnh suốt Hình ảnh suốt RGBA - 32 bpp Hình 1: Cộng ảnh alpha channel vào ảnh để tạo mặt nạ Ảnh gốc RGB 24 - bpp Kênh alpha A - bpp Hình ảnh particle điện tích âm dương ban đầu xây dựng theo cách này, màu sắc hình dạng particle điện tích phụ thuộc vào hai ảnh chọn làm ảnh gốc alpha channel Hình ảnh tổng hợp tham gia vào chuyển động biến đổi riêng particle, cho ta cảm giác màu sắc độ suốt điện tích 2.2.3 Các phương thức particle system mơ điện tích Một particle system ln có phương thức để khởi tạo cho particle cho particle system Nhìn chung phương thức khởi tạo cho particle system mơ điện tích âm hay dương tương tự particle system khác Nhiệm vụ truyền thông số cần thiết cho particle system hoạt động Các tham số phải tính tốn lựa chọn để mang lại hiệu mơ tốt Các thông số truyền vào cho particle gán ngẫu nhiên quanh giá trị trung bình khoảng biến thiên cố định 32 Trường Đại học Vinh Tạp chí khoa học, Tập 48 - Số 3A/2019, tr 29-39 - Phương thức khởi tạo particle điện tích: InitialParticle(particle) { _position = MeanInitialPosition + varPosition*Random(MinP,MaxP); _velocity = MeanInitialVelocity + varVelocity*Random(MinV,MaxV); _size = MeanInitialSize + varSize*Random(MinS,MaxS); _lifeTime = MeanInitialLifeTime + varTime*Random(MinT,MaxT); _alpha = MeanInitialAlpha + varAlpha*Random(MinA,MaxA); } Trong đó: MeanInitialPosition: Vị trí khởi tạo trung bình varPosition: Khoảng biến thiên vị trí khởi tạo MeanInitialVelocity: Vận tốc khởi tạo trung bình varVelocity: Khoảng biến thiên vận tốc khởi tạo MeanInitialSize: Kích thước khởi tạo trung bình varSize: Khoảng biến thiên kích thước khởi tạo MeanInitialLifeTime: Thời gian sống khởi tạo trung bình varTime: Khoảng biến thiên thời gian sống khởi tạo MeanInitialAlpha: Độ suốt khởi tạo particle trung bình varAlpha: Khoảng biến thiên độ suốt khởi tạo Random(): Hàm chọn ngẫu nhiên giá trị khoảng MinX: Giá trị nhỏ khoảng MaxX: Giá trị lớn khoảng - Phương thức khởi tạo cho particle system: InitialParticleSystem() { For each particle in fireParticle InitialParticle(particle) camera = cameraPosition; viewport = viewportPosition; } Trong phương thức này, ta khởi tạo tham số cho khung nhìn khởi tạo cho tập particle particle system Số lượng particle khởi tạo định mật độ particle điện tích Cốt lõi particle system phương thức điều khiển hoạt động particle Trong mơ điện tích, phương thức định hình dáng, màu sắc chuyển động chung điện tích 33 N T Quyên / Nghiên cứu kỹ thuật particle mơ dòng điện chất điện phân cơng nghệ… Để mơ hình dạng điện tích, véc-tơ vận tốc particle điện tích thay đổi hướng liên tục để quỹ đạo particle điện tích tạo có hình dạng vòng cung Do điện tích âm điện tích dương chuyển động ngược hướng nên báo khơng sử dụng đến trục Oy Phương trình sau cho phép thay đổi hướng vận tốc cho particle điện tích dạng đơn giản: _velocity.x() -= deltaX; _velocity.z() -= deltaZ; Sau khoảng thời gian định, thành phần theo trục Ox Oz bị trừ lượng deltaX deltaZ tương ứng Lượng trừ tính tốn cho hết thời gian sống, véc-tơ chiếu véc-tơ vận tốc lên mặt phẳng Oxz phương khác hướng với hình chiếu lên mặt Oxz véc-tơ vận tốc khởi tạo Phương thức cập nhật trạng thái cho particle thủ tục gọi gọi lại suốt trình hoạt động particle system Một particle hết thời gian sống, khởi tạo lại để trở thành particle mới, trì liên tục dòng điện tích - Phương thức cập nhật trạng thái cho particle cụ thể sau: Update() { foreach particle in fireParticle _position += _velocity* deltaTime; _size *= sizeChangeRate; _alpha *= alphaChangeRate; _velocity.x() -= deltaX; _velocity.z() -= deltaZ; _lifeTime -= deltaTime; if(_lifeTime