Mô phỏng dòng điện trong chất điện phân bằng công nghệ thực tại ảo luận văn thạc sĩ

i LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, tác giả đã hoàn thành luận văn thạc sĩ chuyên ngành Công nghệ thông tin với đề tài: “Mô phỏng dòng điện trong chất điện phân bằng công nghệ thực tại ảo”. Chân thành cảm ơn PGS.TS. Đỗ Năng Toàn, đã dành thời gian quý báu tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn. Chân thành cảm ơn quý Thầy Cô khoa Sau đại học, khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Lạc Hồng và quý thầy cô đã tham gia giảng dạy, tận tình truyền đạt kiến thức vô cùng quý giá trong những ngày qua. Tác giả xin cảm ơn gia đình và các bạn hữu đã đóng góp những ý kiến quý báu./. Tác giả luận văn Lương Thị Ngọc Thúy ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng đề tài nghiên cứu này là do chính bản thân tôi nghiên cứu và thực hiện, với sự hỗ trợ rất tận tình của Thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS Đỗ Năng Toàn. Các dữ liệu được thu thập từ những nguồn hợp pháp; sử dụng mã nguồn mở; nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực. Tác giả luận văn Lương Thị Ngọc Thúy iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn gồm Phần mở đầu, Phần kết luận và 3 chương, nội dung cụ thể như sau:  Chương 1: Khái quát về thực tại ảo và mô phỏng điện tích Chương này trình bày khái quát về thực tại ảo và ứng dụng, những khái niệm cơ bản về điện thích và bài toán mô phỏng điện tích.  Chương 2: Mô phỏng điện tích bằng kỹ thuật particle Trong chương này luận văn trình bày các vấn đề cơ bản trong việc mô phỏng bằng kỹ thuật Particle và mô phỏng điện tích bằng kỹ thuật này trong thực tại ảo.  Chương 3: Chương trình thử nghiệm Chương này trình bày chương trình thử nghiệm cho bài toán mô phỏng dòng điện trong chất điện phân, kịch bản thí nghiệm và chương trình thử nghiệm mô phỏng điện tích. iv MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN . i LỜI CẢM ƠN . ii TÓM TẮT LUẬN VĂN .iii MỤC LỤC . iv DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC CÔNG THỨC . vii PHẦN MỞ ĐẦU 1i CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO & MÔ PHỎNG ĐIỆN TÍCH . 3 1.1. Khái quát về thực tại ảo 4 1.1.1. Thực tại ảo là gì 4 1.1.2. Thực tại ảo và các đặc tính 6 1.1.2. Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo 8 1.1.3. Một số ứng dụng chính của thực tại ảo 11 1.2. Điện tích và mô phỏng điện tích . 13 1.2.1. Điện tích, các loại điện tích . 13 1.2.2. Mô phỏng điện tích và ứng dụng 16 CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG ĐIỆN TÍCH BẰNG PHƯƠNG PHÁP PARTICLE . 18 2.1. Cơ sở lý thuyết để xây dựng kỹ thuật mô phỏng điện tích . 19 2.1.1. Định nghĩa Particle System . 19 2.1.2. Đặc tính của Particle System . 19 2.1.3 Mô hình mô phỏng bằng phương pháp Partical 20 2.1.3.1. Sự khởi tạo ra các particle 21 2.1.3.2. Các thuộc tính của particle . 23 2.1.3.3. Chuyển động của các particle . 25 2.1.3.4. Render particle . 25 2.1.3.5. Sự phân cấp của Particle System 26 2.1.3.6. Sự chết của particle 27 2.2. Mô phỏng điện tích bằng phương pháp Particle 27 2.2.1. Mô hình mô phỏng điện tích 27 v 2.2.2. Khởi tạo hình dạng và màu sắc cho Particle điện tích . 28 2.2.3. Tính chất của Particle điện tích và Particle System cho mô phỏng điện tích 30 2.2.4. Các phương thức của Particle System mô phỏng điện tích . 31 CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM . 35 3.1. Các kịch bản thí nghiệm . 36 3.1.1. Tạo ra dòng điện trong chất điện phân 36 3.1.2. Hiện tượng điện phân 39 3.2. Phân tích thiết kế thí nghiệm mô phỏng 40 3.2.1. Bài toán . 40 3.2.2. Phân tích chương trình 41 3.3. Một số kết quả chương trình . 43 KẾT LUẬN . 47 1. Tầm quan trọng của mô phỏng điện tích 47 2. Các vấn đề đã làm được . 47 3. Hướng phát triển của luận văn . 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO viii PHỤ LỤC . ix vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Hệ thống HMD . 5 Hình 1.2. Hệ thống BOOM 5 Hình 1.3. Sử dụng tay điều khiển và mũ chụp ảo 7 Hình 1.4. Mô phỏng nội thất 3D . 7 Hình 1.5. Tổng hợp ba yếu tố của thực tại ảo . 8 Hình 1.6 Các trang phục ảo, găng tay ảo, kính ảo . 11 Hình 1.7. Hệ thống tập lái xe ảo 3D . 12 Hình 1.8. Sự chuyển động của các ion khi chưa có điện trường 14 Hình 1.9. Sự chuyển động của các ion khi có điện trường 15 Hình 1.10. Hệ thống nạp quang điện 16 Hình 1.11. Mô phỏng ống phóng Electron 16 Hình 1.12. Mô phỏng hiện tượng quang điện . 17 Hình 2.1. Particle System với hình dạng thế hệ cầu 24 Hình 2.2. Kỹ thuật Anti-Aliased . 26 Hình 2.3. Cộng ảnh Alpha Channel vào ảnh để tạo mặt nạ . 29 Hình 3.1 Thí nghiệm dòng điện trong nước nguyên chất 36 Hình 3.2. Thí nghiệm dòng điện trong dung dịch NaCl 37 Hình 3.3 Ion dương và Ion âm trong dung dịch NaCl . 37 Hình 3.4 Sự dịch chuyển của các ion khi có điện trường 38 Hình 3.5. Thí nghiệm mô phỏng hiện tượng cực dương tan 39 Hình 3.6. Thí nghiệm mô phỏng hiện tượng cho nhận Electron 40 Hình 3.7. Sơ đồ thí nghiệm dòng điện trong chất điện phân . 41 Hình 3.8. Biểu đồ phân tích chức năng của thí nghiệm mô phỏng dòng điện trong chất điện phân . 42 Hình 3.9. Chuyển động tự do của các ion . 44 Hình 3.10. Chuyển động tự do của các ion ở một góc quan sát . 44 Hình 3.11. Các ion đang chuyển động về phía điện cực trái dấu . 45 vii Hình 3.12. Các ion chuyển động về các điện cực ở một góc quan sát . 45 Hình 3.13. Hình ảnh các ion bám vào các điện cực trái dấu 46 Hình 3.14. Hình ảnh các ion bám vào điện cực từ một góc quan sát . 46 viii DANH MỤC CÔNG THỨC Trang Công thức (1) 22 Công thức (2) 22 Công thức (3) 22 Công thức (4) 22 Công thức (5) 24 Công thức (6) 24 1 PHẦN MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây công nghệ thông tin đã đạt được những bước phát triển nhảy vọt cả về phần cứng lẫn phần mềm. Những ứng dụng của nó vào cuộc sống ngày càng phong phú, đa dạng và thiết thực hơn. Từ các lĩnh vực cơ bản như khoa học cơ bản, kinh tế kỹ thuật cho đến các lĩnh vực như: giải trí, du lịch, không lĩnh vực nào không có sự ứng dụng thiết thực và hiệu quả của công nghệ thông tin. Sự phát triển không ngừng của sức mạnh máy tính đã làm cho một số lĩnh vực khó phát triển trước kia nay đã có khả năng phát triển và đã đạt được những thành tựu đáng kể. Chúng ta có thể kể đến cả các lĩnh vực như: các hệ chuyên gia, các hệ xử lý thời gian thực, một lĩnh vực khác cũng cần phải nói là Thực tại ảo (Virtual reality) và một lĩnh vực đang được phát triển mạnh trên thế giới đó là công nghệ mô phỏng. Thực tại ảo là một môi trường ba chiều được phát sinh, tổng hợp và điều khiển thông qua máy vi tính nhằm mục đích mô phỏng lại thế giới thực hoặc một thế giới theo tưởng tượng của con người. Nó cho phép người dùng thông qua các thiết bị ngoại vi tương tác với các sự vật, hiện tượng của thế giới ảo giống như tương tác với các sự vật, hiện tượng của thế giới thực. Hiện nay, chúng ta chỉ thấy tin học trong các chương trình quản lý, kế toán, hay các trang web mà ít thấy tin học có sự phát triển theo chiều sâu, phục vụ các ngành công nghiệp sản xuất như: Tự động hoá điều khiển, khai thác, thăm dò, hàng không, quân sự . Đặc biệt là trong giáo dục người ta chỉ chú trọng vào việc phát triển các tư duy tin học thuần tuý, mà không thể đưa ra một mô hình để áp dụng tin học trong nhà trường, nhằm phát triển tư duy con người một cách toàn diện và có khả năng sáng tạo. Bên cạnh sự phát triển của công nghệ mô phỏng trên thế giới, việc xây dựng các bài giảng điện tử đã và đang được cổ vũ và phát triển mạnh mẽ trong điều kiện thực tế ở Việt Nam. Yêu cầu về đổi mới phương pháp giảng dạy đang được chú trọng nhằm nâng cao chất lượng dạy và học trong các trường học, nhất là các trường phổ thông hiện nay. Trong giáo dục phổ thông, điện tích là một khái niệm rất quan trọng liên quan đến nhiều khái niệm, hiện tượng trong tự nhiên và là cơ sở cho những nghiên cứu khoa học về điện, năng lượng hạt nhân,… Ứng dụng công nghệ thực tại ảo trong việc mô phỏng các quá trình sinh trưởng hay các 2 thí nghiệm ảo có khả năng tương tác sẽ giúp học sinh, sinh viên dễ hình dung và nắm bắt vấn đề mà lý thuyết đưa ra. Với những thí nghiệm đòi hỏi nhiều thiết bị, mẫu vật đắt tiền và những hóa chất độc hại thì việc mô phỏng thí nghiệm là một sự lựa chọn tốt. Việc nghiên cứu và ứng dụng vào việc mô phỏng điện tích cũng có rất nhiều phương thức nghiên cứu như: Phương thức khởi tạo một particle điện tích âm; Phương thức khởi tạo một particle điện tích dương; Phương thức khởi tạo cho particle system. Đề tài “Mô phỏng dòng điện trong chất điện phân bằng công nghệ thực tại ảo” được xây dựng nhằm mục đích đi sâu nghiên cứu về một phương thức đặc biệt sử dụng trong mô phỏng nói chung cũng như mô phỏng điện tích nói riêng, hiểu rõ kỹ thuật mô hình hóa 3D trong thực tại ảo và mô phỏng dòng điện trong chất điện phân bằng công nghệ thực tại ảo. Xây dựng một số thí nghiệm ảo có liên quan tới điện tích, phục vụ việc giảng dạy trong nhà trường phổ thông. Với mục đích đó đề tài gồm các chương cơ bản sau đây: Chương 1: Khái quát về thực tại ảo và mô phỏng điện tích. Chương này trình bày khái quát về thực tại ảo và ứng dụng, những khái niệm cơ bản về điện tích và bài toán mô phỏng điện tích. Chương 2: Mô phỏng điện tích bằng kỹ thuật particle. Trong chương này luận văn trình bày các vấn đề cơ bản trong việc mô phỏng bằng kỹ thuật Particle và mô phỏng điện tích bằng kỹ thuật này trong thực tại ảo. Chương 3: Chương trình thử nghiệm. Chương này trình bày chương trình thử nghiệm cho bài toán mô phỏng dòng điện trong chất điện phân, kịch bản thí nghiệm và chương trình thử nghiệm mô phỏng điện tích. Hy vọng đề tài này sẽ đem lại một số kiến thức và ứng dụng thực tế của mô phỏng điện tích vào những thí nghiệm giảng dạy trong nhà trường cũng như công nghệ giải trí, nghiên cứu khoa học. Vì thời gian và khả năng có hạn, nên trong nội dung nghiên cứu cũng như trong chương trình thử nghiệm không thể tránh được những sai sót. Rất mong nhận được sự quan tâm, giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các thầy cô, bạn bè để người nghiên cứu có thể áp dụng được đề tài vào nhiều lĩnh vực thiết thực trong cuộc sống.