Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu một số vấn đề về động lực học chất rắn trong xử lý va chạm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Vũ Quang Hƣng NGHIÊN CỨU MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT RẮN TRONG XỬ LÝ VA CHẠM LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Thái Nguyên – 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VŨ QUANG HƢNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT RẮN TRONG XỬ LÝ VA CHẠM Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Đỗ Năng Toàn Thái Nguyên – 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do tôi tự sưu tầm, tra cứu và sắp xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu của đề tài. Nội dung luận văn này chưa từng được công bố hay xuất bản dưới bất kỳ hình thức nào và cũng không được sao chép từ bất kỳ một công trình nghiên cứu nào. Tất cả phần mã nguồn của chương trình đều do tôi tự thiết kế và xây dựng, trong đó có sử dụng một số thư viện chuẩn và các thuật toán được các tác giả xuất bản công khai và miễn phí trên mạng Internet. Nếu sai tôi xin tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 11 năm 2009 Người cam đoan Vũ Quang Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm luận văn em đã gặp phải nhiều vấn đề phức tạp, khó xử lý do đề tài mà em nghiên cứu là khá mới mẻ và đặc biệt lại rất mới mẻ ở Việt nam nên lại càng gặp nhiều khó khăn hơn nhất là về vấn đề tài liệu. Sau một thời gian nghiên cứu và tìm hiểu, giờ thì luận văn của em cũng đã được hoàn thành lời đầu tiên em xin được trân thành cảm ơn sự giúp đỡ quí báu, sự hướng dẫn nhiệt tình và sự chỉ bảo tận tụy của thày giáo PGS.TS Đỗ Năng Toàn - Viện Công nghệ Thông tin thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam là người đã trực tiếp hướng dẫn em trong suốt thời gian làm luận văn này. Cảm ơn các thày giáo, cô giáo, các anh, chị công tác tại Phòng VRLAB – Viện Công nghệ thông tin, các thầy cô giáo công tác tại Khoa công nghệ thông tin – ĐHTN, cùng tập thể các bạn học viên lớp cao học Khóa 6 đã luôn giúp đỡ và nhiệt tình chia sẻ với em những kinh nghiệm học tập, nghiên cứu trong suốt khoá học. Xin được cảm ơn Ban lãnh đạo Trường CĐCN Việt đức, cùng toàn thể các bạn đồng nghiệp trong Khoa CNTT đã nhiệt tình tạo điều kiện giúp đỡ cả về thời gian, vật chất và tinh thần để tôi hoàn thành được khóa học của mình. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 11 năm 2009 Học viên Vũ Quang Hƣng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i MỤC LỤC Trang PHẦN MỞ ĐẦU 1 Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ ĐỘNG LƢỢNG HỌC CHẤT RẮN 4 1.1. Khái quát về thực tại ảo (VR - Virtual Reality) 4 1.1.1. Thế nào là thực tại ảo? 4 1.1.2. Thực tại ảo và các đặc tính 5 1.1.3. Các thành phần chính trong thực tại ảo: 6 1.1.4 Ứng dụng của thực tại ảo và công cụ phát triển: 8 1.1.5. Công cụ phát triển ứng dụng thực tại ảo: 11 1.2. Động lượng vật rắn trong thực tại ảo: 13 1.2.1. Va chạm là gì? 13 1.2.2. Động lượng là gì? 15 1.2.3. Mối liên quan giữa động lượng và va chạm 15 Chương 2: MỘT SÔ VẤN ĐỀ VỀ ĐỘNG LƢỢNG HỌC CHẤT RẮN 16 2.1. Tính toán va chạm 16 2.1.1. Kĩ thuật phát hiện va chạm dựa vào hộp bao AABB 17 2.1.1.1. Định nghĩa hộp bao AABB 17 2.1.1.2. Phát hiện va chạm giữa hai AABB 12 2.1.2. Kỹ thuật hộp bao theo hướng (Oriented Bounding Boxes) 18 2.1.2.1. Định nghĩa hộp bao theo hướng (OBB) 18 2.1.2.2. Kiểm tra nhanh va chạm giữa hai hộp bao OBBs 20 2.1.3. Tìm điểm va chạm 25 2.1.4. Phát hiện va chạm khi các đối tượng di chuyển 31 2.2. Xử lý va chạm 31 2.2.1. Động lực học vật rắn 32 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii 2.2.1.1. Mô ment quán tính ( Moment of Inertia) 32 2.2.1.2. Mô ment quay (Torque) 33 2.2.1.3. Mối liên hệ giữa mô ment quán tính và mô men quay 34 2.2.1.4. Vectơ trạng thái của đối tượng 34 2.2.1.5 Tính toán xung và lực ảnh hưởng 36 2.2.2. Xử lý các hiệu ứng về méo mó, biến dạng sau va chạm 38 2.2.2 1. Ý tưởng thuật toán 38 2.2.2.2. Hàm Open Uniform B-Splines 39 Chương 3: ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM 40 3.1. Bài toán 40 3.2 Xây dựng hệ thống mô phỏng tình huống giao thông 40 3.3. Thực nghiệm 42 KẾT LUẬN 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii DANH MỤC CÁC TỪ TIẾNG ANH VIẾT TẮT VR Virtual Reality AABB Axis-Aligned Bounding Boxes OBB Oriented Bounding Boxes 3D 3 Dimensions I Imagination, Interactive, Immersion PC Persional Computer CAD Computer Aided Design CAM Computer Aided Manufacturing Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv DANH MỤ C CÁ C BẢNG Bảng 2.1 Bảng các giá trị R, R0, R1 được tính toán trước. 25 Bảng 2.2 Tính toán sẵn toạ độ của tiếp điểm trong mọi trường hợp 30 Bảng 2.3 Bảng các kí hiệu sử dụng khi xử lý hậu va chạm. 37 DANH MỤ C CÁ C HÌ NH VẼ Hình 1.1 Sử dụng tay điều khiển và mũ chụp ảo 5 Hình 1.2 Mô phỏng nội thất 3D 6 Hình 1.3 Mắt kính dùng để xem phim 6 Hinh 1.4 Các trang phuc ảo, găng tay ảo, kính ảo 8 Hình 1.5 Các logo phim dùng 3D ảo 8 Hình 1.6 Hệ thống tập lái xe ảo 3D 9 Hình 1.7 Mô phỏng tim người 3D, 10 Hình 1.8. Sơ đồ động trình bày một hệ có va chạm đang xảy ra 13 Hình 1.9 Bóng va chạm với vợt, nắm đấm bị núm vào bao cát 14 Hình 2.1 Hộp bao AABB của đối tượng 17 Hình 2.2 Hộp bao OBB của đối tượng 19 Hình 2.3 Hình chiếu của P lên đường thẳng d 20 Hình 2.4 Chiếu 8 đỉnh của hình hộp lên trục cô lập d 21 Hình 2.5 Kết quả chiếu 2 hình hộp lên trục cô lập d 23 Hình 2.6 Tìm điểm va cham khi hai đối tượng tiếp xúc nhau 26 Hình 2.7 Mô ment quán tính của một số đối tượng có hình dạng cơ bản 33 Hình 2.8 Mô ment quay của đối tượng khi có lực tác dụng 34 Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống mô phỏng tình huống giao thông 40 Hình 3.2 Các thông tin về vụ va chạm 41 Hình 3.3. Quang cảnh tình huống giao thông 42 Hình 3.4. Chuyển động của các phương tiện qua ngã tư giao cắt 43 Hình 3.5. Va cạnh xảy ra giữa xe con 04 chỗ và xe tải đi ngược chiều 43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 PHẦN MỞ ĐẦU Công nghệ thông tin đã, đang và sẽ tiếp tục trên đà phát triển mạnh mẽ của mình, sự phát triển nhanh chóng ấy đã đem lại những thành tựu đáng kể cho nhiều lĩnh vực như y tế (với các phần mềm quản lý bệnh viện, mô phỏng tim người, cơ thể người, các mô cơ…), giao thông (các phần mềm trắc nghiệm thi lý thuyết lái xe, phần mềm mô phỏng lái xe ảo, …), giáo dục (hệ thống các phần mềm quản lý, giáo án, giáo trình điện tử, website đào tạo trực tuyến,….), quốc phòng… Đến nhứng năm gần đây, cũng trên đà phát triển ấy đã xuất hiện một mô hình phát triển mới, mà phạm vi ứng dụng của nó còn rộng lớn hơn rất nhiều so với trước. Nó dự báo một tương lai có nhiều tiềm năng, một cánh cửa rộng mở, đó chính là công nghệ mô phỏng. Các vấn đề trước đây vốn rất khó có thể được trình bày, được nói, hay diễn tả thì giờ đây nó đã trở nên dễ dàng hơn khi vấn đề đó được diễn tả dưới dạng hình ảnh, trực quan, sinh động, chi tiết, dễ hiểu, dễ nắm bắt và gần gũi, thân thiện với con người hơn, có tính thẩm mỹ cao. Hãy tưởng tưởng một ai đó đang cố gắng dùng hết khả năng và kiến thức của mình để diễn tả cho bạn về hình dạng, cấu tạo và hoạt động của quả tim. Cho dù anh ta có hết sức cố gắng thì tin chắc rằng bạn cũng không thể nào mà hiểu tường tận về vấn đề đó được. Nhưng chắc chắn với kỹ thuật mô phỏng một quả tim sẽ được tạo ra, hiện ngay trước mắt bạn, bạn nhìn thấy nó, với những đặc điểm màu sắc đăc trưng, các vòng cơ và từng nhịp đập theo đúng chu kỳ. Lúc này chắc chắn bạn sẽ hiểu ngay bản chất của quả tim là như thế nào. Quá trình “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 thực tại 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 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. Trên thế giới việc ứng dụng công nghệ mô phỏng (thực chất là công nghệ thực tại ảo) vào các lĩnh vực đã được triển khai rộng rãi và cũng đã đạt được nhiều thành quả. ở nước ta lĩnh vực này còn rất mới mẻ, nên những ứng dụng của nó còn hạn chế, không đáng kể, nó mới được một số đơn vị đầu ngành quan tâm, tìm hiểu và phát triển trong những năm gần đây và cũng đã đạt được những thành công nhất định. “Thực tại ảo” thực chất là 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. Một trong những vấn đề tương đối phức tạp của việc mô phỏng đó là mô phỏng vật rắn, trạng thái của chúng sau khi chịu sự tác động của ngoại lực, chúng sẽ biến đổi như thế nào, ra làm sao, đó chính là va chạm: Va chạm là một vấn đề khó và phức tạp để nghiên cứu, trên thực tế có rất nhiều những vụ va chạm có thể do cố ý (như những vụ thử xe, kiểm tra mức độ an toàn của các thiết bị…) hoặc không cố ý (như những vụ tai nan giao thông), nhưng tất cả đều tạo ra những biến dạng, méo mó không mong muốn… và nhìn chung chúng đều gây thiệt hại của cải vật chất hay để lại những hậu quả nghiêm trọng. Giả sử một vụ tai nạn giao thông xảy ra và công an cần dựng lai vụ tai nạn đó, như vậy họ cần phải có đầu vào là các phương tiện có tham gia trong vụ tai nạn, tiếp theo họ phải tiến hành thử bằng cách cho các phương tiện đó va chạm với nhau ở những cự ly, tốc độ, hướng,…. khác nhau và quá trình ấy có thể sẽ phải diễn ra nhiều lần. Như vậy sẽ rất mất thời gian và tốn kém. Chi bằng nên giải quyết vấn đề theo hướng khác, tức là thay thế các vụ thử thực tế đó bằng các phép thử trên phần mềm máy tính với dữ liệu đầu vào lấy từ hiện trường và dữ liệu đầu vào có thể thay đổi được (tương đương với dữ liệu cho các phép thử), ứng với những thay đổi của [...]... đã quyết định lựa chọn đề tài: Nghiên cứu một số vấn đề về động lượng học chất rắn trong xử lý va chạm để làm luận văn tốt nghiệp Luận văn Phần mở đầu, Phần kết luận và 3 chương nội dung, cụ thể: Chương 1: Khái quát về thực tại ảo và động lượng học chất rắn Chương 2: Một số vấn đề về động lượng học chất rắn Chương 3: Ứng dụng và thử nghiệm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn... với một tốc độ tăng thêm (cuộc chạm chán kiểu ná cao su) thì đây cũng là một va chạm Trạm thám sát và hành tinh không thực sự chạm vào nhau” nhưng, va chạm không đòi hỏi phải có tiếp xúc và một lực va chạm không cần phải là một lực tiếp xúc, nó có thể đơn thuần là một lực hấp dẫn Trong vật lý có nhiều kiểu va chạm: như va chạm đàn hồi một chiều, va chạm không đàn hồi một chiều (trong bài toán va chạm. .. và các vật trong một hệ vật Khi xảy ra va chạm thì độ biến thiên động lượng của vật hoặc hệ vật lại phụ thuộc vào xung lượng của lực tác dụng, ca hai vectơ này có cùng đơn vị và cùng thứ nguyên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 16 Chương 2: MỘT SÔ VẤN ĐỀ VỀ ĐỘNG LƯỢNG HỌC CHẤT RẮN 2.1 Tính toán va chạm Phát hiện va chạm là một trong những vấn đề trọng tâm... giữa các ô tô… Vậy, va chạm là một sự kiện riêng lẻ trong đó một lực tương đối mạnh tác dụng vào từng vật, trong hai hoặc hơn hai vật va chạm, trong một thời gian tương đối ngắn Ngoài ra, có thể nêu sự rõ ràng giữa các thời gian trước, trong và sau va chạm Biên giới của hệ Trước Đang Sau Hình 1.8 Sơ đồ động trình bày một hệ có va chạm đang xảy ra Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn... Các đối tượng trong các hệ thống thực tại ảo có những chuyển động riêng của nó Trong khi chuyển động đối tượng có thể va chạm với đối tượng khác, hoặc có thể va chạm với môi trường, chướng ngại vật, Do vậy, mỗi hệ thống thực tại ảo đều phải có khả năng phát hiện khi nào thì có va chạm xảy ra và có những đối tượng nào tham gia trong lần va chạm để có những xử lý hậu va chạm thích hợp Trong luận văn... trước 2.1.3 Tìm điểm va chạm Phát hiện va chạm trong mức thứ nhất chỉ trả lời được câu hỏi có hay không một va chạm xảy ra mà không đưa ra được chính xác điểm va chạm Trong trường Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 26 hợp kết quả mức thứ nhất cho ta biết là có va chạm xảy ra thì ta phải chuyển sang mức hai để tìm chính xác điểm va chạm [9] Trong các hệ thống... một chiều), va chạm hai chiều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 15 1.2.2 Động lượng là gì? Động lượng là một từ có nhiều nghĩa trong ngôn ngữ hàng ngày, nhưng chỉ có một nghĩa chính xác trong vật lý, động lượng (p) là một vectơ và được xác định bởi khối lượng (m) và vận tốc (v), thông thường người ta bỏ đi chữ tuyến tính và nó được dùng để phân biệt với động. .. chia làm hai mức [6] Mức một là kiểm tra “nhanh” xem có va chạm nào xảy ra không? Nếu không có va chạm nào xảy ra thì hệ thống vẫn làm việc bình thường, ngược lại nếu ở mức một phát hiện có ít nhất một va chạm xảy ra thì sẽ chuyển sang mức hai đó là tìm chính xác điểm va chạm Ở mức một, ta có thể kiểm tra nhanh xem có va chạm nào xảy ra không nhờ dựa vào định lý sau đây Định lý 2.3.1 Hai khối đa diện... ngôn ngữ lập trình Visual C.Net Để biết thêm về thư viện đồ hoạ OpenSG, bạn có thể tìm hiểu và download miễn phí OpenSG tại địa chỉ: http://www.opensg.org 1.2 Động lượng vật rắn trong thực tại ảo: 1.2.1 Va chạm là gì? Trong ngôn ngữ hàng ngày va chạm xảy ra khi một vật va vào một vật khác, các vật va chạm có thể là những quả bi a, một cái búa và cái đinh, một quả bóng chày và chày đập bóng, và quá trình... do m là một đại lượng vô hướng, dương nên p và v có cùng hướng 1.2.3 Mối liên quan giữa động lượng và va chạm Trên thực tế động lượng có ảnh hưởng trực tiếp tới chuyển động của vật, bởi lẽ khi một vật chuyển động thì nó liên quan tới hai yếu tố đó là khối lượng và vận tốc mà khối lượng và vận tốc lại chính là động lượng Một vật đang chuyển động, hay đứng yên khi xảy ra va chạm thì đều làm cho động lượng . TIN VŨ QUANG HƢNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT RẮN TRONG XỬ LÝ VA CHẠM Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN. Hƣng NGHIÊN CỨU MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT RẮN TRONG XỬ LÝ VA CHẠM LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Thái Nguyên – 2009 Số hóa