Kỹ thuật mô phỏng nước Particle-based và ứng dụng trong thực tại ảo

Kỹ thuật mô phỏng nước Particle-based và ứng dụng trong thực tại ảo

Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 1(45) Tp 2/Năm 2008 128 K thut mụ phng nc Particle-based v ng dng trong thc ti o Nguyn Vn Huõn - Phm Vit Bỡnh - Th Bc- Ngụ Th Lan Phng - Phm Bỏ My (Khoa Cụng ngh thụng tin - H Thỏi Nguyờn) 1. t vn Nc l thnh phn khụng th thiu trong cuc sng. nú phc v cho i sng hng ngy, sn xut, cuc sng ca con ngi. Vic nghiờn cu v mụ phng nc l mt cụng vic khụng th thiu i vi mi con ngi chỳng ta. Nú giỳp chỳng ta trong vic mụ phng, ỏnh giỏ c cht lng thc ca cỏc ngun nc t ú cú cỏc bin phỏp thớch hp trong vic x lý ngun nc phc v cho nhu cu sng ca con ngi. Bỏo cỏo a ra phng phỏp Particle-based (hay cũn gi l phng phỏp Lagrangian), cho phộp mụ t cht lng s dng cỏc phn t (particles). Bng cỏch trc tip theo dừi tng phn ca quỏ trỡnh cỏc phn t di chuyn qua nhng min trng. Phng phỏp particle khụng chỳ trng vic bo ton khi lng v cung cp khỏi nim mụ phng khung n gin, linh hot. Mụ phng Particle-based s dng cỏch tip cn luõn phiờn SPH, c phỏt trin u tiờn bi Lucy, Gingold v Monaghan. Vi cỏch tip cn ny nhng phn t trong khi cht lng duy trỡ cỏc thuc tớnh khỏc nhau nh mt , khi lng, vn tc.v.vv cỏc thuc tớnh ny c theo dừi trong sut quỏ trỡnh mụ phng T khúa: Particle, Lagrangian, SPH_Smoothed Particle Hydro Dynamics. 2. K thut mụ phng Cht lng c biu din bng cỏch phỏt trin cỏc phn t trong sut khụng gian v thi gian. Mụ phng particle thng c thc hin theo cỏc bc sau: u tiờn cỏc lc khỏc nhau c tớnh v c tớch ly cho mi particle. Sau ú nhng lc ny c s dng thay i vn tc v cui cựng chỳng c s dng cp nht v trớ ca particle. bc cui cựng, vn tc c tớnh li bng cỏch ly v trớ ó gión ra tr i v trớ trc ú. Lý do phi tớnh li vn tc l gión (the relaxation displacements) tng ng vi xung lc c ỏp dng vi vn tc lỳc bt u bc tip theo. Nhng xung lc ny c tớnh v trớ gn v trớ cui cựng ( ch gia v trớ ó d oỏn v v trớ cui cựng). Bng trc giỏc, s dng nhng lc tn ti xa hn ngn chn tớnh khụng n nh bng cỏch d oỏn cỏc trng thỏi khú hn v phn ỏnh li trc khi chỳng thc s xy ra. Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 1(45) Tp 2/Năm 2008 129Nh vy, tớnh khụng nộn c v khụng nhúm c c th hin bng cỏch thc hin th tc ni lng (lm gim - relaxation) mt kộp, hiu ng ca cht do n hi v khụng tuyn tớnh thu c bng cỏch thờm lc co dón vo khong trng gia cỏc phn t. Cỏc bc mụ phng ca chỳng ta c mụ t chi tit trong thut toỏn sau: Mụ t cỏc bc thc hin: u tiờn, chỳng ta cp nht vn tc ca particle tựy theo trng lc v vn tc (dũng 1 n 5). Ghi li v trớ trc ú v di chuyn particle tựy theo vn tc ca chỳng. Dũng 12 n 15: thay i spring (lc co dón) da vo di v s dng lc spring thay th particle. m bo tớnh bo ton khi lng v tớnh khụng nhúm c (dũng 16). Cui cựng, s va chm gia cỏc particle v cỏc vt th tnh/ng c gii quyt v vn tc particle c tớnh li. Minh ha bng hỡnh nh: (1) p t trng lc cho particles (2) p t trng lc v tớnh nht cho particles Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 1(45) Tp 2/Năm 2008 130 (3) p t trng lc v tớnh nht cho particles (4) p t trng lc v tớnh nht cho particles D oỏn v trớ (5) t li v trớ mi cho mi particles D oỏn v trớ Lm gim mt v lc co dón (6) p t trng lc v tớnh nht cho particles D oỏn v trớ Lm gim mt v lc co dón t li v trớ v thu c vn tc mi (7) Tng quan quỏ trỡnh dch chuyn ca cỏc Particles Lu ý: thc hin c thut toỏn trờn, chỳng ta cn gii quyt ba vn ln sau: Th nht, Lm gim mt kộp (dũng 16) lm gim mt kộp, chỳng ta tin hnh gim mt v ỏp sut nhm ti thiu húa h s nộn, chuyn thnh rng buc cc b duy trỡ mt khụng thay i. Chỳng ta cú th tớnh mt particle i theo cụng thc sau: Rij = | rij | ; rij = xj - xi N(i) : Tp hp cỏc particle lỏng ging nm trong phm vi ca bỏn kớnh tng tỏc h. j: Cỏc lỏng ging ca particle i. Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 1(45) Tp 2/Năm 2008 131Sau ú, thc hin phc hi tớnh khụng nộn c. Phc hi tớnh khụng nộn c c thc thi nh l vũng lp ton cc trờn mi particle i. Phộp lp ca vũng lp ny bao gm 2 bc trờn mi hng xúm j ca particle i. Bc u tiờn, c lng mt cc b particle i bng cỏch tớnh tng trng lng ca cỏc hng xúm ca chỳng. Nu mt ny cao hn 0, nhng hng xúm ny s b Ny ra xa, nu thp hn chỳng s c kộo vo gn hn. Th hai, Biu din c mt phõn cỏch (dũng 5,12,15) Biu din mt phõn cỏch c gii thiu trong mụ hỡnh ca chỳng ta gm 3 tin trỡnh con: Tớnh co gión hay tớnh n hi, tớnh do v tớnh nht. Tớnh n hi c th hin bng cỏch thờm tớnh co gión vo gia cỏc particles. Tớnh do t c khi chiu di co gión t ti ngh. Tớnh nht c th hin bng cỏch trao i bỏn kớnh tng tỏc ó c xỏc nh bi vn tc cỏc particles khỏc. Th ba, Gii quyt vn va chm vi i tng (dũng 17) Nhm phỏt hin ra va chm gia cỏc i tng v tớnh nht trong tng tỏc i tng t ú cú s iu chnh thớch hp vn va chm v m bo tớnh nht trong cỏc i tng. 3. Kt qu Phng phỏp Particles-based da trờn nhng phn t l cỏc a giỏc hay cỏc khi hỡnh Polygon to thnh b mt nc, tuy khụng tt khi dựng th hin nc cú kớch thc nh vỡ trụng khụng tht v khú khn trong vic to hiu ng b mt, nhng vi mt b mt rng ln thỡ phng phỏp ny t ra u im vt tri. Nú th hin tt mt nc vi y cỏc hiu ng nh súng nc, giao thoa súng nc, nc chy, hiu ng in búng nc v phn chiu ỏnh sỏng.v.v Th hin mt nc bng li a giỏc Túm tt Bỏo cỏo ny trỡnh by k thut particle based, cho phộp thc hin mụ phng nc da vo vic mụ t cht lng s dng cỏc phn t trong sut khụng gian v thi gian. K thut ny to ra cỏc hiu ng nc cú cm giỏc tht, lụi cun cho h vn khụng phi l nhng hỡnh nh tht, nú to ra s hi ho, nh nhng cho nhng chuyn ng ca i tng. Vi cỏch tip cn ny nhng phn t trong khi cht lng duy trỡ cỏc thuc tớnh khỏc nhau vớ d nh mt , khi lng, vn tc.v.v V c theo dừi trong sut quỏ trỡnh mụ phng. T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 1(45) Tập 2/N¨m 2008 132 Summary The paper presents particle –based technique which allows water modelling on describing liquid use particles during space and time. It creates water effects with real feeling, harmonious and light for object movements. With the approach, particles in liquid block maintaining diverse attributes, for examples: density, mass, velocity, and monitored during modelling process. Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Văn Huân (Chủ biên) – Vũ Đức Thái (2006), Kỹ thuật lập trình mô phỏng thế giới thực dựa trên Morfit, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [2] Nguyễn Văn Huân - Phạm Việt Bình (2006), Xử lý hiệu ứng màu và khí quyển trong thực tại ảo, Kỷ yếu hội thảo quốc gia lần thứ 8, Hải Phòng. [3] Nguyễn Văn Huân – Vũ Đức Thái, Một số kỹ thuật cải tiến xử lý hiệu ứng màu và khí quyển trong thực tại ảo, Hội nghị khoa học Khoa Công nghệ Thông tin - Đại học Thái Nguyên, 14/12/2005. [4] Nguyễn Văn Huân, Tổng quan về mô phỏng nước trong thực tại ảo, Hội nghị khoa học Khoa Công nghệ Thông tin - Đại học Thái Nguyên, 10/12/2006. [5] ASCHER, U., AND BOXERMAN, E. 2002. On the modied conjugate gradient method in cloth simulation. (submitted to) The Visual Computer. [6] Josh RobinsonMax. VS. Maya A direct comparision and analysis for Usage of Workplace, October, 11 2004. [7] Particle-based Viscoelastic Fluid Simulation. Simon Claves, Philippe Beaudoin, and Pierre Poulin, LIGUM, Dept.IRO University De Montreal. [8] Discontinuous Fluid. Jeong-Mo Hong and Chang Hun-Kim Korea University. . liệu tham khảo [1] Nguyễn Văn Huân (Chủ biên) – Vũ Đức Thái (2006), Kỹ thuật lập trình mô phỏng thế giới thực dựa trên Morfit, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà. Xử lý hiệu ứng màu và khí quyển trong thực tại ảo, Kỷ yếu hội thảo quốc gia lần thứ 8, Hải Phòng. [3] Nguyễn Văn Huân – Vũ Đức Thái, Một số kỹ thuật cải