Ngƣợc lại, Kỹ thuật Particles-based dựa trên những phần tử là các đa giác hay các khối hình Polygon để tạo thành bề mặt nƣớc, tuy không tốt khi dùng để thể hiện nƣớc có kích thƣớc nhỏ vì trông không thật và khó khăn trong việc tạo hiệu ứng bề mặt, nhƣng với một bề mặt rộng lớn thì kỹ thuật này tỏ ra ƣu điểm vƣợt trội. Nó thể hiện tốt mặt nƣớc với đầy đủ các hiệu ứng nhƣ sóng nƣớc, giao thoa sóng nƣớc, nƣớc chảy, hiệu ứng in bóng nƣớc và phản chiếu ánh sáng.v.v…
Hình 3.4: Thể hiện mặt nƣớc bằng lƣới đa giác trong phƣơng pháp Particle-Base
Xây dựng mô hình thế giới ba chiều là khâu quan trọng đầu tiên trong quy trình xây dựng một hệ thống Thực tại ảo.Từ các hệ thống để bàn đến dạng hệ hỗ trợ nhúng hoàn toàn, mức độ chính xác và tinh tế của các hình ảnh
lập thể trong không gian ảo ảnh hƣởng không nhỏ tới mức độ cảm nhận tính thực của ngƣời sử dụng đối với thế giới ảo. Trên thế giới có nhiều công cụ phần mềm hỗ trợ xây dựng các ứng dụng đồ hoạ nói chung và xây dựng mô hình nƣớc trong Thực tại ảo nói riêng. Do vậy, việc lựa chọn một công cụ phần mềm thích hợp cả về mặt tính năng và giá thành là một vấn đề đáng quan tâm khi đầu tƣ xây dựng hệ thống Thực tại ảo. Mỗi phần mềm đều có nhƣ̃ng ƣu điểm và nhƣợc điểm riêng . Bài luận văn này cũng đƣa ra một số đánh giá khách quan về các phần mềm phổ biến thông qua việc tập hợp các ý kiến của chuyên gia đã sử dụng các công cụ phần mềm này. Hiện tại, nói đến những phần mềm hỗ trợ xây dựng mô hình lập thể, ta phải đề cập đến các phần mềm phổ biến nhƣ Maya , 3D Studio Max , Softimage , Renderman, Houdini và LightWave ,....
Hình 3.5: Thể hiện dòng nƣớc chảy bằng các phần tử lập thể particles
Dƣới đây là biểu đồ thể hiện tƣơng quan về tính phổ biến của các phần mềm nói trên dựa trên cơ sở yêu cầu kinh nghiệm về sử dụng phần mềm mô hình hoá ba chiều của các công ty khi tuyển nhân viên chuyên về xây dựng thế giới đồ hoạ ba chiều. Thống kê đƣợc tiến hành bởi 3DRender.
Ở Việt Nam các kết quả nghiên cứu về thực tại ảo và mô phỏng nƣớc còn hạn chế nhƣng với một chiến lƣợc phát triển tốt và những bƣớc đi đúng hƣớng thì nhất định một ngày nào đó chúng ta sẽ tạo ra đƣợc những hệ thống mô phỏng lớn sánh ngang với các hệ mô phỏng của thế giới, không chỉ đủ cung cấp cho nhu cầu của Việt Nam.
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60%
Maya 3D Studio Max Softimage Renderman Houdini LightWave
Hình 3.6: Biểu đồ so sánh mức độ yêu cầu về kinh nghiệm đối với các phần mềm hỗ trợ xây dựng mô hình lập thể trong thiết kế đồ hoạ 3D chuyên nghiệp trợ xây dựng mô hình lập thể trong thiết kế đồ hoạ 3D chuyên nghiệp
3.2. CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM
Trong luận văn đã cài đặt thử nghiệm thuật toán mô phỏng nƣớc Physically-Based vaf Particle - Base... bằng ngôn ngữ lập trình C# trong bộ .NET phiên bản Microsoft .NET 2003.
3.2.1. Kỹ thuật Physically-Based
a) Yêu cầu:
Xây dựng một chƣơng trình Demo mô phỏng mặt hồ với hiệu ứng in bóng nƣớc, hiệu ứng sóng nƣớc và chƣơng trình có khả năng sẵn sàng tích hợp trong một hệ Thực tại ảo.
b) Phân tích bài toán, xác định vấn đề
Mô phỏng nƣớc là một bài toán mới và tƣơng đối khó. Nhƣng tính cấp thiết và tầm quan trọng của nó trong Thực tại ảo thì lại là một vấn đề cấp thiết cần làm ngay. Bài toán mô phỏng nƣớc có hai hƣớng tiếp cận :
Phƣơng pháp giả mô phỏng: là ta dùng các kỹ thuật xử lý ảnh để tạo ra những đối tƣợng và những hiệu ứng giả đánh lừa mắt nhìn của con ngƣời. Ví dụ, nhƣ biến đổi ảnh không gian 2D thành hình ảnh của vật nhƣ trong không gian 3D, hay các phƣơng pháp Texture.
Phƣơng pháp mô phỏng thật: là dùng các kỹ thuật tạo đối tƣợng và hiệu ứng dựa trên cơ sở khoa học là các thuật toán biểu diễn tính chất vật lý của đối tƣợng và các hàm biến đổi để thể hiện đối tƣợng một cách chính xác.
Với bài toán nêu trên luận văn chọn hƣớng tiếp cận thứ nhất: giả mô phỏng để thể hiện mặt nƣớc với các hiệu ứng sóng, in bóng ... Nƣớc có rất nhiều hiệu ứng khác nhau nhƣ đã đƣợc đề cập trong phần 1.2.2 và trong mục này luận văn lựa chọn một số hiệu ứng cơ bản của mặt nƣớc để giải quyết yêu cầu, đó là: tạo mặt nƣớc động có sóng, hiệu ứng phản chiếu ánh sáng, in bóng nƣớc, độ trong và màu sắc mặt nƣớc. Chƣơng trình mô phỏng mặt nƣớc phải thể hiện đƣợc những yêu cầu đó và phải có tính thẩm mỹ đủ làm hài lòng ngƣời quan sát.
Có thể mở rộng tạo ra một số tƣơng tác điều khiển lên đối tƣợng mặt nƣớc làm cho mặt nƣớc sinh động hơn và có khả năng sẵn sàng tích hợp trong một hệ mô phỏng Thực tại ảo.
Qua việc tìm hiểu quy trình mô phỏng hiệu ứng mặt nƣớc yêu cầu đặt ra cao hơn là phải nắm đƣợc quy trình xây dựng của một hệ Thực tại ảo.
c) Giải quyết vấn đề
Qua phân tích để xác định rõ yêu cầu của bài toán, luận văn đề cập đến giải bài toán bằng cách sử dụng kỹ thuật Physically-Based thể hiện những yêu cầu về hiệu ứng mặt nƣớc nhƣ đã đề ra.
Sử dụng ngôn ngữ Visual C # để xây dựng chƣơng trình demo.
Chia nhỏ bài toán mô phỏng mặt nƣớc thành hai phần nhỏ để giải quyết hai yêu cầu của bài toán. Cụ thể nhƣ sau:
- Hiệu ứng in bóng nƣớc: dùng phép chiếu ảnh để lấy ảnh đối ngẫu với ảnh gốc ban đầu (mọi thao tác sẽ diễn ra trên ảnh đối ngẫu này).
- Mặt nƣớc dao động: chia mặt nƣớc (ảnh đối ngẫu) thành dãy các đƣờng kẻ ngang bức ảnh với bề rộng là rất nhỏ và chiều dài là chiều dài của ảnh. Sử dụng một vòng lặp để điều khiển việc vẽ lại các đƣờng kẻ từ ảnh gốc, vòng lặp sẽ chịu trách nhiệm tạo ra hiệu ứng sóng. Nó tạo ra sự thay đổi từ ảnh nguồn tới ảnh đích với hiệu ứng sóng đƣợc xây dựng bằng việc sao chép các đƣờng kẻ. Thay vì sao chép từng đƣờng một từ ảnh nguồn, chúng ta xây dựng 1 hàm mà giá trị sẽ thay đổi dựa trên một hàm sine (tỷ lệ giữa chiều dài của cạnh đối diện với một góc nhọn và chiều dài của cạnh huyền). Đó là sự sao chép từ bên này sang bên kia và sinh ra hiệu ứng sóng nƣớc. Trong thực tế, một sự thay đổi đơn giản sẽ chỉ tạo ra một gợn sóng cho bức ảnh mà không tạo ra đƣợc cả hiệu ứng cho bề mặt hồ nƣớc. Do đó muốn có nhiều sóng thì phải tạo ra đƣợc nhiều sự thay đổi vị trí của nhiều dòng kẻ. Kích thƣớc của độ dịch chuyển biến đổi dựa theo vị trí của tọa độ y (dựa theo chiều dọc của ảnh) trên đƣờng kẻ. Các đƣờng gần với phần trên của bức ảnh sẽ thay đổi ít hơn các đƣờng ở phần dƣới của bức ảnh. Điều này giúp cho việc phối cảnh trở lên chân thực hơn.
d) Kết quả
Nhƣ vậy với việc sử dụng kỹ thuật Physically-Based luận văn đã mô phỏng đƣợc một mặt hồ với các hiệu ứng nhƣ hiệu ứng in bóng nƣớc, hiệu ứng sóng nƣớc… Với bài toán mô phỏng một bề mặt lớn nhƣ mặt hồ, kỹ thuật Physically-Based thực sự thích hợp để mô phỏng. Tuy nhiên, chúng ta sẽ gặp khó khăn hơn vì kỹ thuật Physically-Based chủ yếu dựa vào mô phỏng toàn
bộ bề mặt theo một lƣới các phần tử một cách đồng đều. Để mô phỏng mặt nƣớc có các điều kiện ngoại lực tác động, điểm chịu ngoại lực tác động sẽ là điểm phát sinh sóng luận văn đề cập đến việc sử dụng kỹ thuật Particle- Based. Kỹ thuật này sẽ trực tiếp theo dõi từng phần của quá trình các phần tử di chuyển qua những miền trống.
3.2.2. Kỹ thuật Particle-Based
a) Yêu cầu:
Xây dựng một chƣơng trình Demo mô phỏng mặt nƣớc với hiệu ứng sóng nƣớc xuất hiện khi chịu ngoại lực.
b) Phân tích bài toán, xác định vấn đề
Những vấn đề cần giải quyết trong bài toán này cũng khá giống với bài toán 1. Tuy nhiên chúng ta cần xét đến yếu tố khác biệt: bài toán 2 yêu cầu phát sinh hiệu ứng sóng khi có sự kiện ngoại lực tác động.
c) Giải quyết vấn đề
Để giải quyết bài toán này luận văn sử dụng hƣớng tiếp cận nhƣ bài toán 1 là giả mô phỏng. Kỹ thuật mô phỏng nƣớc đƣợc dùng là kỹ thuật Particle- Based.
Sử dụng ngôn ngữ Visual C# để xây dựng chƣơng trình demo.
Với việc mô tả hiệu ứng sóng khi chịu ngọai lực tác động, chúng ta cần giải quyết các việc sau:
-Ngoại lực tác dụng đƣợc thể hiện thông qua sự kiện di chuyển trái chuột. Một vòng tròn với bán kính radius và độ cao height sẽ đƣợc tạo ra bằng hàm PutDrop(x,y,height).
-Phát sinh sóng: sóng đƣợc sinh ra sẽ phát triền từ đƣờng tròn trung tâm, lan sang các điểm lân cận theo các vòng tròn với bán kính lớn dần. Sóng đƣợc xuất hiện nằm trong phạm vi ảnh.
-Thời gian sống của sóng phụ thuộc vào yếu tố: sóng càng lan xa, bƣớc sóng càng lớn thì độ mạnh của sóng lại càng giảm. Mỗi lần sóng đi lên đi
xuống, năng lƣợng của nó sẽ đƣợc phân bố theo khu vực tƣơng ứng. Có nghĩa là, cƣờng độ của sóng sẽ giảm theo đƣờng sóng. Sử dụng một yếu tố gọi là damping để điều khiển việc này. Yếu tố này là một lƣợng phần trăm(%) của cƣờng độ sóng và sẽ đƣợc trừ đi cho cƣờng độ hiện tại để khiến cƣờng độ cao sẽ biến mất nhanh trong khi cƣờng độ nhẹ sẽ mất đi từ từ.
d) Kết quả
Mô phỏng thành công mặt nƣớc với hiệu ứng sóng xuất hiện khi có ngoại lực tác động:
PHẦN KẾT LUẬN
Trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu, thực hiện và đi đến hoàn thành Luận văn tốt nghiệp này em đã bổ sung thêm cho mình nhiều kiến thức quí giá. Em đã tìm hiểu sâu hơn, đầy đủ hơn các tính chất vật lý của chất lỏng nói chung và nƣớc nói riêng. Em đã có thêm những kiến thức mới về công nghệ thực tại ảo và công nghệ mô phỏng, các ứng dụng của chúng. Em đã phân biệt đƣợc hai cách rõ ràng có thể thực hiện đƣợc việc mô phỏng nƣớc và các hiệu ứng của nƣớc. Mô phỏng nƣớc sử dụng các công cụ có sẵn và mô phỏng nƣớc thông qua các phƣơng pháp phức tạp, chi tiết, trong phần này em đã đi sâu vào nghiên cứu, tìm hiểu 2 kỹ thuật mô phỏng nƣớc và hiệu ứng của nƣớc đó là kỹ thuật Physically – based và kỹ thuật Particle – based . Đặc biệt, qua luận văn này với sự chỉ dẫn nhiệt tình của thầy giáo hƣớng dẫn em đã học đƣợc cách tìm hiểu, phân tích và nghiên cứu một vấn đề khoa học mới.
Trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp, mặc dầu bản thân đã rất nỗ lực, cố gắng, đầu tƣ rất nhiều thời gian, công sức cho việc tìm hiểu nghiên cứu đề tài và đã nhận đƣợc sự chỉ bảo, định hƣớng tận tình của thầy giáo hƣớng dẫn cùng các anh, chị đi trƣớc nhƣng do hạn chế về mặt thời gian và khó khăn trong việc tìm kiếm tài liệu nên chƣa có đƣợc kết quả thực sự hoàn hảo. Chƣa demo đƣợc cho kỹ thuật Physically - based. Đã demo đƣợc cho kỹ thuật Particle - based nhƣng chƣa tìm đƣợc giải pháp tối ƣu, chƣơng trình còn yêu cầu quá nhiều bộ nhớ ngoài đòi hỏi cấu hình máy mạnh ((tốc độ máy > = 3GH, bộ nhớ ngoài >= 1GB, card đồ họa >= 512 MB). Chƣa demo đƣợc hết tất cả các hiệu ứng của nƣớc.
Hƣớng phát triển:
Với kết quả nghiên cứu trên, cộng với sự đầu tƣ về thời gian và công nghệ trong tƣơng lai thì việc thực hiện các mô phỏng liên quan đến nƣớc sẽ không còn là một vấn đề quá khó khăn nữa. Chúng ta sẽ dễ dàng thực hiện đƣợc việc mô phỏng chính xác nƣớc và các hiện tƣợng của nƣớc, cũng nhƣ các hiệu ứng âm thanh của chúng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phạm Văn Vĩnh (2006), Cơ học chất lỏng ứng dụng, NXB Giáo dục. [2] Using Virtual Reality modelling to improve training techniques,
http://www.ifip.or.at/con2000/iceut2000/iceut12-09.pdf
[3] Virtual and Interative Environments for Workplaces of the future http://www.view.iao.fhg.de/IntrotoVR.htm
[4] The Virtual Reality Laboratory (VRL) at the University of Michigan, http://www-vrl.umich.edu
[5] P.J. Costello. Health and Safety Issues associated with Virtual Reality - A Review of Current Literature - July 23rd, 1997, Patrick Costello Advanced VR Research Centre, Dept. of Human Sciences, Loughborough University, Loughborough, Leicestershire, LE11 1NL. [6] R.S. Kalawsky. Exploiting Virtual Reality Techniques in Education and
Training: Technological Issues, A report prepared for AGOCG, Advanced VR Research Centre, Loughborough University of Technology.
[7] Nikos Avradinis, Spyros Vosinakis, Themis Panayiotopoulos. Using Virtual Reality Techniques for the Simulation of Physics Experiments, Dept. of Informatics, University of Piraeus, Knowledge Engineering Laboratory.
[8] MEDICAL APPLICATIONS of VIRTUAL REALITY - Richard M. Satava, MD FACS Professor of Surgery, Yale University School of Medicine and Program Manager, Advanced Biomedical Technologies, Defense Advanced Research, Projects Agency (DARPA); CDR Shaun B. Jones, MD, Associate Professor of Surgery, Uniformed Services University of Health Sciences (USUHS) and Program Manager, Pathogen Countermeasures, Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).
[9] Applications of Virtual Reality, Marc Bernatchez, July 13th, 2004, http://vresources.jump-gate.com/applications/applications.shtml
[10] Virtual Reality and Augmented Reality Research Areas, Center of Advanced Media Technology (CAMTech), University of Nanyang, Singapore, http://camtech.ntu.edu.sg/index.htm
[11] Josh RobinsonMax. VS. Maya A direct comparision and analysis for Usage of Workplace, October, 11 2004.
[12] Particle-based Viscoelastic Fluid Simulation. Simon Claves, Philippe Beaudoin, and Pierre Poulin, LIGUM, Dept.IRO University De Montreal. [13] Một số Website: - http://www.iro.umontreal.ca - http://www.inria.fr - http://www.cco.caltech.edu - http://math.berkeley.edu - http://www.ann.jussieu.fr - http://vi.wikipedia.org - http://www.library.cornell.edu - http://math.fullerton.edu - http://www10.informatik.uni-erlangen.de - http://w3.impa.br