Đầu vào là một bình đựng chất điện phân (ví dụ dung dịch CuSO4) và cắm vào đó hai điện cực dẫn điện (ví dụ bằng kim loại đồng) như hình 3.1, ta được một bình điện phân. Nối hai điện cực với một nguồn điện (ví dụ pin hoặc ắc quy) qua một ampe kế. Điện cực nối với cực dương của nguồn điện gọi là anôt, điện cực kia gọi là catôt, một khóa K đểđóng, mở mạch điện.
Hình 3.7. Sơ đồ thí nghiệm dòng điện trong chất điện phân
Đầu ra là hiện tượng xảy ra khi đóng, mở khóa K.
Khi khóa K mở, ampe kế chỉ số 0, không có dòng điện trong mạch.
Khi đóng khóa K, ampe kế chỉ một giá trị nhất định, dòng điện đã xuất hiện trong mạch và đó chính là Dòng điện trong chất điện phân.
Để xây dựng thí nghiệm mô phỏng có những hình ảnh trực quan “như thật” thì bài toán được phân tích như sau:
- Do dung môi không tham gia vào quá trình hình thành dòng điện nên để đơn giản hơn cho việc mô phỏng thí nghiệm trên, chương trình dùng ion dương và ion âm để mô tả dung dịch chất điện phân.
- Điện tích là một đối tượng không định hình, tức là nó chưa được định nghĩa một cách rõ ràng và phương pháp particle là phù hợp để mô phỏng cho những đối tượng đó. Thực hiện mô phỏng sự chuyển động của các ion dương và âm trong thí nghiệm Dòng điện trong chất điện phân, tác giả chỉ quan tâm đến một số mặt thể hiện của các ion khi chúng chuyển động, đó là chuyển động tịnh tiến theo phương vuông góc với các điện cực và hướng về phía các điện cực trái dấu.
3.2.2. Phân tích chương trình
Chương trình mô phỏng sẽ bao gồm hai công việc sau: - Xây dựng mô hình mô phỏng
- Điều khiển mô hình bằng ngôn ngữ lập trình
Các bước để tạo ra chương trình cho thí nghiệm mô phỏng:
+ O Dung d?ch ch?t di?n phân K A K Dung dịch chất điện phân
- Tạo một particle ion dương, một particle ion âm. - Khởi tạo giá trị ban đầu cho các particle đó, bao gồm:
+ Số lượng ion + Vị trí ban đầu + Hướng chuyển động + Tốc độ ban đầu
- Mô phỏng sự chuyển động của các particle khi có dòng điện chạy qua bình điện phân.
Hình 3.8. Biểu đồ phân tích chức năng của thí nghiệm mô phỏng dòng điện trong chất điện phân
Với thí nghiệm mô phỏng Dòng điện trong chất điện phân, đề tài sử dụng VRML (Virtual Reality Modeling Language) là ngôn ngữ mô hình thực tại ảo để xây dựng mô hình thí nghiệm, sau đó dùng ngôn ngữ Virtual C++ làm công cụ
THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG
Xây dựng mô hình mô phỏng
Điều khiển mô hình
mô phỏng
Tạo dụng cụ mô phỏng
Tạo các Particle Ion dương, Ion âm
Tạo giá trị ban đầu cho các điện tích
Điều khiển khi không có dòng điện chạy qua
Điều khiển khi có dòng điện chạy qua
điều khiển mô hình và sử dụng thư viện OpenSG (Open Scenegraph) là môi trường thực thi phát triển cho ứng dụng đồ hoạ 2D và 3D với một số phép biến đổi chủ yếu đểđiều khiển điện tích.
3.3. Một số kết quả chương trình
Sau đây là một số kết quả thu được khi mô phỏng sự chuyển động của các ion trong chất điện phân với số lượng mỗi loại là 100 ở điều kiện bình thường và ở điều kiện có dòng điện chạy qua. Số lượng và tốc độ của các ion có thể thay đổi theo ý muốn của người sử dụng. Chương trình dùng nút trái chuột để điều khiển đóng và ngắt nguồn điện, nút phải chuột để xoay và dừng xoay mô hình, cho phép chúng ta quan sát sự chuyển động của các ion từ các phía, phím cách dùng để trở về trạng thái quan sát thẳng góc với mô hình.
Hình 3.9. Chuyển động tự do của các ion
Hình 3.11. Các ion đang chuyển động về phía điện cực trái dấu
Hình 3.13. Hình ảnh các ion bám vào các điện cực trái dấu
KẾT LUẬN
Qua những kết quả nghiên cứu về “Mô phỏng dòng điện trong chất điện phân bằng công nghệ thực tại ảo”, bằng phương pháp phân tích và tổng hợp các tài liệu, luận văn đã đưa ra các cơ sở lý thuyết chung về bài toán mô phỏng điện tích, mô phỏng điện tích bằng kỹ thuật particle và chương trình thử nghiệm, đề tài đi đến một số kết luận sau:
1. Tầm quan trọng của mô phỏng điện tích
Thực tại ảo hiện diện ở mọi lĩnh vực trong đời sống, khoa học kỹ thuật. Với sức mạnh ngày càng lớn của phần cứng cũng như sự hoàn thiện ngày càng cao của các kỹ thuật mô hình hóa, các chương trình thực tại ảo và mô phỏng bằng phần mềm ngày càng được đánh giá cao vềđộ chính xác. Thực tại ảo cũng như mô phỏng điện tích đã được ứng dụng một cách hiệu quả trong nghiên cứu khoa học của các lĩnh vực như giải trí, xây dựng bài giảng điện tử và làm các thí nghiệm ảo trong nhà trường. Do đó việc tìm hiểu, đào sâu nghiên cứu về các kỹ thuật thực tại ảo, mô phỏng nói chung và mô phỏng điện tích nói riêng mang tầm ý nghĩa rất quan trọng và thiết thực trong sự phát triển mọi mặt của xã hội hiện tại cũng như trong tương lai.
2. Các vấn đề đã làm được
Trong phạm vi luận văn này, tác giảđã làm được những vấn đề sau:
• Khái quát về thực tại ảo và mô phỏng nói chung, mô phỏng vi tính nói riêng: Luận văn đã trình bày các khái niệm cơ bản của thực tại ảo và mô phỏng cũng như các ưu, nhược điểm của nó, qua đó nêu bật lên tầm quan trọng, những thành tựu đã đạt được của thực tại ảo và mô phỏng trong cuộc sống ngày nay.
• Mô hình mô phỏng bằng phương pháp Particle: Luận văn đã đưa ra mô hình, các khái niệm, tính chất của cơ bản của phương pháp Particle, chứng minh đây là phương pháp thích hợp để mô phỏng điện tích.
• Mô phỏng dòng điện trong chất điện phân bằng phương pháp
chung của Particle, Particle System để đưa ra được lý thuyết mô hình xây dựng một Particle System cho mô phỏng điện tích.
• Xây dựng chương trình cụ thể cho việc mô phỏng dòng điện trong
chất điện phân bằng phương pháp Particle: Dựa trên những kiến thức cơ bản của môn học đồ họa và xử lý ảnh, tìm hiểu rõ mô hình Patical system và tính chất vật lý học của dòng điện tôi đã chỉ ra được phương pháp xây dựng một chương trình mô phỏng điện tích bằng phương pháp Particle.
3. Hướng phát triển của luận văn
Với những việc đã làm được của luận văn dựa vào tính chất vật lý, hóa học của dòng điện đưa ra được mô hình xây dựng điện tích dựa trên các tính chất đặc biệt của Partical và Partical system từ đó đưa ra được công thức, giải thuật và dựa vào các công thức và giải thuật đó kết hợp với các kỹ thuật hỗ trợ 3D bình thường như là: VRML (Virtual Reality Modelling Language), Billboard để lập trình ra kết quả là điện tích áp dụng vào những ứng dụng khoa học, cuộc sống thực tế, và những ứng dụng tạo ra được thí nghiệm ảo hay xây dựng bài giảng điện tử trong nhà trường. Kết quả nghiên cứu chưa phát huy được lợi thế của hệ thống thực tại ảo.
Để đề tài được đưa vào thực tế tốt hơn, đảm bảo tính mỹ thuật và chuyên nghiệp của một chương trình đồ họa vi tính. Tiến tới có thể tạo và kết xuất ra những chương trình lớn hơn đáp ứng được sự tương tác với hệ thống thực tại ảo, sản phẩm mang tính thương mại hơn, để áp dụng nhiều hơn thì cần phải có sự nghiên cứu sâu hơn của mô hình mô phỏng điện tích bằng phương pháp Partical và Partical system, kết hợp với những kỹ thuật khác tạo ra dòng điện như thật. Người dùng sẽ nhìn thấy đối tượng dòng điện trong đồ họa 3D, điều khiển (xoay, di chuyển...) được đối tượng trên màn hình, nghe thấy âm thanh… Tuy nhiên hiện nay vấn đề này đang còn chờ câu trả lời ở phía trước.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Mai Tiến Dũng (2011), Nghiên cứu một số kỹ thuật biểu diễn trạng thái khuôn mặt, Luận văn Thạc sĩ, trường ĐH Công nghệ thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên.
2. Hoàng Văn Hải (2007), Mô phỏng lông mao trong xây dựng mô hình 3D, Luận văn Thạc sĩ, Khoa Công nghệ thông tin – ĐH Thái Nguyên.
3. 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.
4. NguyễnVăn Huân - Vũ Đức Thái (2005), 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.
5. Nguyễn Văn Huân - Đỗ Năng Toàn (2006), Chế tác quần áo cho các nhân vật 3D trong thực tại ảo, Hội thảo khoa học quốc gia ICT.RDA'06, Hà Nội.
6. Nguyễn Văn Huân - Vũ Đức Thái - Đỗ Năng Toàn (2006), Cải tiến kỹ thuật mô phỏng vải Semi - Intplicit trong thực tại ảo, Hội thảo quốc gia lần thứ 9, Đà Lạt.
7. Nguyễn Văn Huân - VũĐức Thái - Đỗ Năng Toàn (2006), Kỹ thuật gỡ rối vải cho các nhân vật 3D trong thực tại ảo,Kỷ yếu hội thảo khoa học quốc gia SGK'06, Huế.
8. Nguyễn Văn Huân - Vũ Đức Thái - Đỗ Năng Toàn (2006), Mô phỏng chất liệu cho các đối tượng trong thực tại ảo, Hội thảo khoa học Lần thứ 4-Khoa CNTT – ĐHTN.
9. Nguyễn Văn Huân - VũĐức Thái (2006), Tổng quan về mô phỏng nước trong thực tại ảo, Hội thảo khoa học - Khoa CNTT-ĐHTN.
10. Nguyễn Văn Huân, Vũ Đức Thái (2006), Kỹ thuật lập trình mô phỏng thế giới thực dựa trên Morfi, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
11. Lê Tấn Hùng, Huỳnh Quyết Thắng (2000), Kỹ thuật đồ họa, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội.
12. Vũ Đức Thông (2010), Nghiên cứu kỹ thuật mô phỏng lửa bằng phương pháp particle và ứng dụng, Luận văn Thạc sĩ, trường ĐH Công nghệ – ĐHQG Hà Nội.
13. Đỗ Năng Toàn, Phạm Viết Bình (2007), Xử lý ảnh, Nhà xuất bản Đại học Thái Nguyên.
14. Đỗ Thị Thanh Toàn (2008), Mô phỏng nước trong công nghệ thực tại ảo Luận văn Thạc sĩ, trường ĐH Công nghệ – ĐHQG Hà Nội.
15. Adrian Scott. Getting Started in VRML. http://www.vrmlsite.com
16.Alpha Channel Tutorial: http://www.axialis.com/tutorials/tutorial- misc001.html
17. Billboard Tutorial: http://www.lighthouse3d.com/opengl/billboarding/ 18. Dynamic Animation Systems Homepage: http://www.d-a-s.com
19. Fire Dynamics Simulator (FDS) website: http://fire.nist.gov/fds/index.html 20. The Computer Science and Engineering department of the University of Mauritius, VRML lecture.
PHỤ LỤC
NGÔN NGỮ MÔ HÌNH HÓA THỰC TẠI ẢO VRML
VRML được sử dụng trong chương trình để xây dựng các đối tượng như đèn cồn, ống nghiệm, giá đỡ.
VRML (Virtual Reality Modelling Language) là một ngôn ngữ được dùng để xây dựng các mô hình thực tại ảo trên máy vi tính. VRML cho phép mô tả những vật thể hay thế giới ảo 3D có tương tác. Ứng dụng VRML có thể được sử dụng thông qua mạng Internet, Intranet hay trên một máy tính cá nhân. Do tính chất đơn giản và khả năng hỗ trợ web 3D, VRML được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như giáo dục, kiến trúc, khoa học trực quan, trò chơi điện tử, phân tích tài chính, thị trường ảo…
Nếu HTML là định dạng văn bản thì VRML là một định dạng đối tượng 3D. Cũng như HTML, VRML mô tả chính xác cách các hình ảnh, văn bản và liên kết kết hợp với nhau để tạo nên một trang web. Khác với HTML, VRML có thể thể hiện được những tương tác, ảnh hưởng lẫn nhau của các đối tượng được mô tả trong không gian ảo nó tạo ra. Tuy cơ chế giống nhau và cùng hoạt động trên môi trường web, nhưng VRML không phải là mở rộng của HTML: HTML là ngôn ngữ định dạng siêu văn bản còn VRML được thiết kế riêng cho việc thể hiện các đối tượng và tương tác 3D.
VRML ra đời vào năm 1994 tại hội thảo quốc tế về World Wide Web được tổ chức ở Geneva, Thụy sĩ. Tại cuộc hội thảo đó, Tim Berners-Lee và Dave Raggett đã tổ chức ra phiên họp có tên là Birds-of-a-Feather (BOF) để mô tả giao diện thực tại ảo trên World Wide Web. Nhiều thành viên tham dự phiên họp BOF đã mô tả nhiều dự án thực hiện việc xây dựng các công cụ hiển thị đồ họa ba chiều cho phép có nhiều thao tác hữu ích trên Web. Những thành viên này đã nhất trí đồng ý sự cần thiết cho các công cụ này có một ngôn ngữ chung, phổ biến cho định dạng, xác định việc mô tả thế giới 3D và các siêu liên kết World Wide Web. Vì thế cụm từ “Virtual Reality Markup Language” ra đời, từ Markup sau đó đã được đổi thành Modelling để phản ánh bản chất tự nhiên của VRML. Sau phiên họp này, một nhóm các chuyên gia đã được thành lập để phát triển VRML phiên bản đầu tiên. Các yêu cầu cho việc thiết kế VRML phiên bản 1 được đưa ra như sau:
Khả năng kết hợp: Cho phép sử dụng và kết hợp các đối tượng 3D động từ nhiều nguồn trong một thế giới ảo VRML và do đó cho phép sử dụng lại dễ dàng.
Khả năng mở rộng: Có khả năng thêm vào các kiểu đối tượng không được định nghĩa rõ ràng trong VRML như âm thanh.
Hoạt động: Tập trung vào khả năng tương tác, mở rộng hoạt động trên nhiều nền khác nhau (độc lập với nền) qua môi trường mạng.
Một file VRML là một tập hợp các đối tượng gọi là nút (Node). VRML có 3 nhóm nút cơ bản :
Nút hình học (Shape nodes): Dùng để mô tả hình dạng hình học của đối tượng. VRML hỗ trợ 4 loại nút hình học cơ bản là Sphere (hình cầu), Cone (hình nón), Cube (hình hộp), Cylinder (hình trụ).
Nút thuộc tính (Property nodes): Qui định cách thể hiện của đối tượng lên màn hình. Nút thuộc tính quan trọng nhất là Material qui định màu sắc và thể hiện của đối tượng. Màu sắc trong VRML sử dụng hệ màu RGB với giá trị của từng màu nằm trong đoạn [0, 1].
Nút tổng (Grouping nodes): Nhóm nhiều đối tượng thành một đối tượng duy nhất.
Mỗi nút trong VRML có các trường (Field) chứa thông tin các thuộc tính của nút. Một nút được gọi là nút tổng (Group Node) nếu nút đó bao gồm nhiều nút con. Các nút được tổ chức theo cây cấu trúc được gọi là đồ thị màn hình (scene graph). Không đơn thuần chỉ là tập hợp các nút, đồ thị này còn qui định tổ chức, thứ tự của các nút để tạo thành hình ảnh của đối tượng. Trong đồ thị, các nút xuất hiện trước sẽảnh hưởng tới các nút xuất hiện sau.
Dưới đây là một ví dụ về một file VRML đơn giản.
Hình hộp đơn giản viết bằng VRML
# VRML V2.0 utf8
# example1.wrl - a yellow box Shape { geometry Box { } appearance Appearance { material Material { diffuseColor 1.0 1.0 0.0 } } }