Xây dựng chương trình mô phỏng 3d hướng dẫn các kỹ năng xử lý thoát hiểm gặp hỏa hoạn trong các trường học

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỀ TÀI XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG 3D HƯỚNG DẪN CÁC KỸ NĂNG XỬ LÝ THOÁT HIỂM KHI GẶP HỎA HOẠN TRONG CÁC TRƯỜNG HỌC Giáo viên hướng dẫn : PGS TS NGUYỄN VĂN HUÂN Học viên : Phùng Duy Linh Lớp : Cao học K17 Thái Nguyên - 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi - Phùng Duy Linh xin cam đoan nội dung trình bày luận văn kết tìm hiểu, nghiên cứu thân hướng dẫn PGS TS Nguyễn Văn Huân nhà nghiên cứu trước Nội dung tham khảo, kế thừa, phát triển từ cơng trình cơng bố trích dẫn, ghi rõ nguồn gốc Kết mơ phỏng, thí nghiệm lấy từ chương trình thân Nếu có sai phạm tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Người cam đoan Phùng Duy Linh ii LỜI CẢM ƠN Trong trình thực luận văn gặp nhiều khó khăn nhận quan tâm, giúp đỡ từ thầy cô, đồng nghiệp bạn bè người thân Đây nguồn động lực giúp tơi hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời chân thành cảm ơn tới PGS TS Nguyễn Văn Huân tận tình giúp đỡ, hướng dẫn bảo trình thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn tới quý thầy, cô trường Đại học Công nghệ thông tin truyền thơng - Đại học Thái Ngun tận tình bảo, truyền đạt kiến thức qúy báu giúp tơi hồn thành nhiệm vụ học tập suốt thời gian theo học trường Quý thầy cô giúp tơi có kiến thức quan trọng lĩnh vực Công nghệ thông tin, tảng vững cho nghiên cứu thân thời gian tới Tôi xin cảm ơn anh em, đông nghiệp giúp đỡ, ủng hộ tinh thần thời gian tham gia học tập Cuối cùng, xin cảm ơn tất người luôn quan tâm, sẻ chia động viên Thái Nguyên, ngày tháng Phùng Duy Linh năm 2020 iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH ẢNH .v LỜI NÓI ĐẦU .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MÔ PHỎNG 1.1 Khái quát mô 1.1.1.Khái niệm mô .2 1.1.2 Ưu điểm nhược điểm mô .3 1.1.3 Xu hướng thực mô ba chiều 1.2 Các ứng dụng công nghệ mô 1.2.1 Kiến trúc thiết bị công nghệ 1.2.2 Giải trí 1.2.3 Giáo dục Đào tạo .9 1.2.4 Y học 10 1.3 Bài tốn hiểm mơ khói, lửa 11 1.3.1 Bài toán thoát hiểm xảy hỏa hoạn 11 1.3.2 Tổng quan mơ khói 11 1.3.3 Tổng quan mô lửa .12 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐỒ HỌA ÁP DỤNG TRONG MÔ PHỎNG HỎA HOẠN 14 2.1 Kỹ thuật Particle mơ khói, lửa 14 2.1.1 Particle mơ khói 16 2.1.2 Particle mô lửa 18 2.2 Kỹ thuật phát xử lý va chạm mô 21 2.2.1 Các kỹ thuật va chạm 21 iv 2.2.2 Kỹ thuật phát va chạm dựa vào hộp bao AABB 22 2.2.3 Kỹ thuật phát va chạm dựa vào hộp bao OBB 23 2.2.4 Kỹ thuật phát va chạm dựa vào khối bao cầu 24 2.2.5 Kỹ thuật phát va chạm dựa vào hộp bao đa diện lồi 27 2.3 Kỹ thuật xây dựng mô hình 3D .28 2.3.1.Phương pháp thiết kế từ tổng thể đến chi tiết 28 2.3.2 Phương pháp thiết kế từ chi tiết đến tổng thể 31 2.3.3 Phương pháp thiết kế phối hợp 32 2.4 Kỹ thuật điều khiển nhân vật 34 2.4.1 Kỹ thuật điều khiển chuyển động theo đường Path 34 2.4.2 Kỹ thuật tạo chuyển động Set Driver Key 35 2.4.3 Kỹ thuật tạo chuyển động KeyFrame .36 2.4.4 Kỹ thuật FK IK điều khiển đối tượng có xương 38 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG 40 3.1 Yêu cầu thực nghiệm, ứng dụng 40 3.2 Phân tích, lựa chọn cơng cụ 41 3.3 Một số kết mô thực nghiệm 41 3.3.1 Hình ảnh kiến trúc thư viện Đại học Hùng Vương 41 3.3.2 Hình ảnh khói q trình mơ 42 3.3.3 Hình ảnh lửa q trình mơ .43 3.3.4 Mô di chuyển, tình sảy va chạm 45 3.3.5 Một số hình ảnh mơ tình chương trình .46 3.3.6 Kết chương trình, đánh giá hiệu 48 KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mô phẫu thuật .2 Hình 1.2 Mơ đối tượng tĩnh .6 Hình 1.3 Mơ đối tượng động .7 Hình 1.4 Ứng dụng mô kiến trúc .7 Hình 1.5.Mơ lái xe giải trí Hình 1.6 Buồng lái mơ máy bay ảo Học viện Phịng Khơng-Khơng qn Việt Nam Hình 1.7 Khói từ nhà máy điện hạt nhân Oi trước cố Fukushima 12 Hình 1.8 Lửa tốn mô cháy rừng .13 Hình 2.1.Star Trek II - 1982 15 Hình 2.2 Quy trình thực hệ Particle 16 Hình 2.3 Khói với tham số hệ Particle .16 Hình 2.4 Khói mơ phỏng: (a)Tham số khuếch tán (b) Tham số môi trường… 17 Hình 2.5 Khói sử dụng mặt nạ .17 Hình 2.6 Khói có vật cản va chạm 18 Hình 2.7 Cộng ảnh Alpha Channel vào ảnh để tạo mặt nạ 18 Hình 2.8 Ảnh lửa mô hệ Particle .20 Hình 2.9 Sự thay đổi hướng vecto vận tốc 20 Hình 2.10 Hộp bao AABB 22 Hình 2.11 Xây dựng hộp bao AABB 22 Hình 2.12 Hợp kiểm tra va chạm AABB OBB 23 Hình 2.13 Phát va chạm hộp bao AABB 23 Hình 2.14 Hợp kiểm tra va chạm khối bao cầu 25 Hình 2.15 Hai khối cầu xảy va chạm .26 Hình 2.16 Hộp bao dạng đa diện lồi 27 Hình 2.17 Minh họa số hộp bao K-Dop 27 Hình 2.18 Độ phức tạp tính tốn hộp bao 28 Hình 2.19 Một số hình khối 3D 29 Hình 2.20 Công cụ Select and Move thiết kế 30 vi Hình 2.21 Chế độ Editable Poly 31 Hình 2.22 Hai plane chiếu đứng cạnh (cách 1) 32 Hình 2.23 Hai plance chiếu đứng cạnh (cách 2) .32 Hình 2.24 Mơ hình trường ĐH Hùng Vương góc 33 Hình 2.25 Mơ hình trường ĐH Hùng Vương góc 33 Hình 2.26 Mơ hình trường ĐH Hùng vương góc 34 Hình 2.27 Mơ hình phòng học giảng đường trường ĐH Hùng vương .34 Hình 2.28 Đường Path điều khiển chuyển động đối tượng 35 Hình 2.29 Chuyển động nhận vật sử dụng keyframe 37 Hình 3.1.Cơng trình xây dựng mơ hình hóa ba chiều 40 Hình 3.2 Hình ảnh kiến trúc thư viện 42 Hình 3.3 Hình ảnh khói tự nhiên khói lấy từ chương trình mơ 42 Hình 3.4 Khói bay lên cao bao phủ bên thư viện 43 Hình 3.5 Hình ảnh lửa tự nhiên lửa lấy từ chương trình mơ .44 Hình 3.6 Hình ảnh khu vực thư viện trước, sau xảy hỏa hoạn .44 Hình 3.7 Hình ảnh khu vực thư viện xảy hỏa hoạn nhìn từ cao 45 Hình 3.8 Các điểm va chạm Trigger tương ứng câu hỏi hiểm 45 Hình 3.9 Hình ảnh đường Path điểm va chạm Trigger 46 Hình 3.10 Tình bên ngồi khu vực lan can bắt đầu xảy cháy .46 Hình 3.11 Tình phát đám cháy ngồi tầm kiểm sốt .47 Hình 3.12 Thơng báo lựa chọn sai tình hiểm 47 Hình 3.13 Tình lựa chọn thang máy cho q trình hiểm 48 Hình 3.14 Thành cơng hiểm 48 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, mô ngày chứng tỏ vai trò quan trọng đời sống khoa học, kỹ thuật Mô diện lĩnh vực văn hóa, kinh tế, trị, khoa học, đời sống v.v Sự phát triển nhanh chóng phần cứng giúp cho phần mềm mô ngày đáp ứng đòi hỏi khắt khe thực tiễn Điều làm cho người trước vốn lưỡng lự khả hạn chế mơ máy tính bị thuyết phục Bên cạnh đó, hậu hỏa hoạn vô to lớn, sau hỏa hoạn làm cho thiệt hại nặng tài sản, mơi trường kể tính mạng người Với mong muốn xây dựng chương trình mơ để dạy kỹ xử lý hỏa hoạn giảng đường cao tầng hay thư viện trường, luận văn đặt tìm hiểu kỹ thuật mơ từ xây dựng tình hướng dẫn thầy giáo, em học sinh xử lý cách tốt trường hợp hỏa hoạn sảy đột xuất Nội dung luận văn chia làm phần chính: Chương trình bày tổng quan công nghệ mô phỏng, đồng thời trình bày tốn mơ hỏa hoạn ý nghĩa thực tiễn toán mơ tình hiểm Chương nghiên cứu, phân tích kỹ thuật sử dụng mơ khói lửa từ áp dụng vào cài đặt mơ tình Chương trình bày thực nghiệm ứng dụng mơ khói, lửa áp dụng việc xây dựng tình hiểm gặp hỏa hoạn Phần cuối kết luận hướng phát triển luận văn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ MƠ PHỎNG 1.1 Khái qt mơ Mô [1,3] sử dụng để giảm thiểu rủi ro chi phí tạo hệ thống thay đổi hệ thống có Hơn nữa, nhiều hệ thống tồn lý thuyết, chưa triển khai giới thực thiếu điều kiện cần thiết kinh phí q lớn Việc mơ hệ thống giúp cho nhà khoa học hiểu rõ chất hệ thống trước đem vào áp dụng Cuộc sống đại yêu cầu độ xác việc mơ khắt khe Vì vậy, kĩ thuật mơ máy tính trở nên quan trọng cần phải nghiên cứu để hiểu rõ 1.1.1 Khái niệm mơ Mô phỏng theo hoạt động tiến trình giới thực hay hệ thống suốt thời gian tồn [3] Mơ dùng để mơ tả phân tích hoạt động hệ thống, với mục tiêu thể giống xảy giới thực Mơ máy tính mơ mà mơ hình tạo thơng qua việc lập trình Việc mơ máy tính bao gồm thiết kế mơ hình vật lý hệ thống, thực thi mơ hình máy tính phân tích kết đầu Từ đó, người ta phân mô thành ba lĩnh vực nhỏ: thiết kế mơ hình, thực thi mơ hình phân tích mơ hình Mơ hình định nghĩa biểu diễn hệ thống thực Một mơ hình khơng nên phức tạp, mà cần đủ để trả lời câu hỏi mà người ta đặt nghiên cứu Bởi hệ thống thực ln có nhiều ràng buộc ảnh hưởng qua lại với hệ thống khác, việc mơ tồn tất mối quan hệ khó khăn mà nhiều khơng giúp ích cho việc nghiên cứu hệ thống Hình 1.1 Mơ phẫu thuật 1.1.2 Ưu điểm nhược điểm mô Sự cạnh tranh cơng nghệ máy tính làm cho hãng sản xuất phần cứng liên tục tạo sản phẩm tốt Gần công ty đưa sản phẩm với nhiều tính năng, nhớ, khả đồ họa sức mạnh vi xử lý lớn thời gian ngắn Điều tạo hiệu ứng thúc đẩy phát triển ngành liên quan khác, đặc biệt kỹ nghệ mô phần mềm Sự phát triển phần cứng tỉ lệ thuận với phát triển phần mềm Số lượng ngành nghề sử dụng mô công cụ hỗ trợ cho công việc tăng lên cách nhanh chóng Các nhà quản lý nhận nhiều ưu điểm công nghệ mô việc tiết kiệm chi phí nâng cao hiệu sản xuất  Ưu điểm Sử dụng mô mang lại nhiều ưu điểm việc đưa định phương hướng sản xuất phát triển Trong đó, bật ưu điểm sau: Cho phép thử nghiệm mà không phá vỡ hệ thống tại: Với hệ thống tồn tại, ý tưởng có ý định áp dụng vào khó, chi phí bỏ nhiều chí bất khả thi Mơ cho phép tạo mơ hình so sánh để đảm bảo mơ hình phản ánh đắn hệ thống Bất thay đổi muốn áp dụng vào hệ thống thực tế tiến hành mơ hình kiểm tra tất ảnh hưởng lên mơ hình Sau q trình đánh giá thay đổi áp dụng vào thực tế đảm bảo sai sót xảy phá vỡ hệ thống sẵn có Kiểm tra lý thuyết trước cài đặt: Mô trên máy tính cho phép lý thuyết kiểm tra trước cài đặt, xây dựng hệ thống Phép kiểm tra cho phép nhận kẽ hở thiết kế khơng dự đốn trước Từ kết kiểm tra này, người thiết kế khắc phục cải tiến hệ thống trước cài đặt Cũng với sai lầm này, phát sau thiết lập xong hệ thống chi phí khắc phục tăng lên cao, chí khơng thể sử dụng Nhận biết vấn đề khơng dự đốn trước: Khi hệ thống mô trước cài đặt làm việc theo tính tốn mơ hình thường cải tiến để mô chi tiết lúc ban đầu Việc làm cho vấn đề thiết kế bị bộc lộ Khi lỗi thiết kế sửa chi phí cho việc sửa chữa hệ thống thực sau giảm thiểu Thêm vào đó, tính hệ thống cải tiến Tìm hiểu hệ thống: 37 Hình 2.29 Chuyển động nhận vật sử dụng keyframe Nhìn cách khác, kỹ thuật keyframe giống dạng kịch chuẩn bị trước, chuyển động thiết đặt sẵn trình diễn gọi tới Nó cho phép dàn dựng xây dựng hình ảnh động cách bố trí đối tượng vị trí khác lưu lại trạng thái thời điểm thành điểm đánh dấu Những thời điểm quan trọng trở thành điểm cố định thời gian qua đối tượng có khả diễn họa chuyển động theo thời gian Khi số lượng điểm đánh dấu ít, việc nội suy tính tốn điểm điều quan trọng cần phải thực Giả sử ta có hai trạng thái K1 K1; t1, t2 thời gian xác định K1 K2 (t1