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
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
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
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
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. 3
để chỉ một không gian ảo mà trong không gian này những người sử dụng có thể
tương tác với các đối tượng của không gian ảo, hoặc những người sử dụng có thể
tương tác với nhau trong không gian đó.
Nói chung, các hệ thống thực tại ảo phải xử lý một khối lượng lớn thông tin
đa phần là các thông tin của các đối tượng 3D do đó tốn bộ nhớ và đòi hỏi thời gian
xử lý là thời gian thực vì thế nó yêu cầu một lượng bộ nhớ RAM lớn và bộ xử lý
cùng các thiết bị vào ra có tốc độ cao. Vì vậy, mặc dù bắt đầu được nghiên cứu từ
khá lâu, nhưng trong một số năm gần đây thực tại ảo mới có được sự phát triển và
ứng dụng mở rộng đáng kể.
Các thiết bị ngoại vi sử dụng trong lĩnh vực thực tại ảo ngày càng hiện đại và
đa dạng. Một trong những thiết bị phải kể đến là hệ thống HMD (Head-Mounted
Display). Đây là một trong những hệ thống được phát triển đầu tiên để phục vụ
trong lĩnh vực này. Ngày nay, nó vẫn là một hệ thống không thể thiếu được trong
lĩnh vực thực tại ảo. Hệ thống này gồm có hai màn hình gắn trực tiếp vào hai mắt, 5
cho phép bạn nhìn, cảm nhận thế giới ảo như là không gian trong thế giới thực và
một thiết bị rất nhạy nhằm xác định vị trí góc quay của HMD như hình 1.1. Từ đó,
hệ thống sẽ tính toán góc nhìn và vị trí của bạn trong thế giới ảo.
Hình 1.1. Hệ thống HMD
Ngoài hệ thống HMD, thiết bị ngoại vi sử dụng trong lĩnh vực thực tại ảo còn
có BOOM và CAVE. BOOM (Binocular Omni-orientation Monitor) và CAVE
(Cave Automatic Virtual Environment) là hai hệ thống tương tự như HMD,
song chúng có một vài điểm khác, ví dụ như BOOM không dùng mũ gắn trên đầu
mà dùng một cái cần gắn màn hình vào một đầu có tay cầm ở màn hình. Khi bạn
nhìn vào màn hình dịch chuyển nó, lập tức thiết bị nháy cũng dịch chuyển và
theo góc nhìn, vị trí nhìn của bạn cũng thay đổi như hình 1.2.
(Virtual Reality Modeling Language).
1.1.2. Thực tại ảo và các đặc tính
Khả năng đắm chìm (Immersion): Một hiệu ứng hết sức mạnh mẽ của nó là
khả năng tập trung sự chú ý của người sử dụng. Sự đắm chìm có nghĩa là ngăn chặn
sự xao nhãng và tập trung một cách có chọn lọc vào chính thông tin với những gì
mà ta muốn làm. Khả năng tập trung vào công việc dường như là điều kiện
tiên quyết đối với sự thành công. Một thuộc tính then chốt khác của sự đắm chìm là
nó có thể tác động như một thấu kính mạnh để khai thác kiến thức từ dữ kiện bằng
cách biến đổi nó thành kinh nghiệm. Năng lực này chính là lý do khiến cho rất
nhiều ngành công nghiệp đang ráo riết khai phá cách sử dụng các môi trường ảo. 7Hình 1.3. Sử dụng tay điều khiển và mũ chụp ảo
Sự tương tác (Interactive): Có hai khía cạnh là sự điều hướng và động lực
học. Sự điều hướng (navigation) chỉ là khả năng của người dùng để di chuyển khắp
nơi một cách độc lập, người ta có thể thiết lập những áp đặt đối với việc truy cập
vào các khu vực ảo nhất định, cho phép có được nhiều mức độ tự do khác nhau hay
định vị điểm nhìn của người dùng, kiểm soát điểm nhìn, hoặc di chuyển trong khắp
thiết kế.
Hình 1.4. Mô phỏng nội thất 3D
Tính tưởng tượng (Imagination): Thực tại ảo không chỉ là một hệ thống
tương tác người - máy tính, mà các ứng dụng của nó còn liên quan tới việc
giải quyết các vấn đề thật trong kỹ thuật, y học, quân sự Các ứng dụng này do
các nhà phát triển thực tại ảo thiết kế, điều này phụ thuộc rất nhiều vào khả năng 8
giác quan cần thiết. Trong hệ thống mô phỏng cabin lái, thì mô hình cabin là
thành phần này.
Ứng dụng (Application)
Phần mềm luôn là linh hồn của VR cũng như đối với bất cứ một hệ thống
máy tính hiện đại nào. Về mặt nguyên tắc có thể dùng bất cứ ngôn ngữ lập trình hay
phần mềm đồ họa nào để mô hình hóa (Modelling) và mô phỏng (Simulation)
các đối tượng của VR. Ví dụ như các ngôn ngữ (có thể tìm miễn phí) Open GL,
Open Scene Graph?, Open SG?, C++, Java 3 D?, VRML, X 3 D? hay các
phần mềm thương mại như World Tool Kit?, People Shop?, Ve Ga?
Phần mềm của bất kỳ VR nào cũng phải bảo đảm 2 công dụng chính: Tạo hình
và Mô phỏng. Các đối tượng hình học (Geometry). Thành phần này bao gồm những
thông tin mô tả các thuộc tính vật lý (hình dạng, màu sắc, vị trí ) của các đối tượng
trong môi trường ảo. Thông thường, các đối tượng hình học được xây dựng bởi các
phần mềm CAD, sau đó dữ liệu có thể được chuyển qua một trong số các định dạng
file khác phù hợp với việc thể hiện trong ứng dụng. Sau đó phần mềm VR phải có
khả năng mô phỏng động học, động lực học, và mô phỏng ứng xử của đối tượng.
Không gian trong thế giới ảo (World Space)
Bản thân thế giới ảo cũng cần được định rõ trong một không gian gọi là
“world space”. Do bản chất tự nhiên của thế giới ảo là một mô phỏng máy tính,
nên thế giới ảo có hạn chế nhất định. Vị trí của mỗi điểm của mỗi đối tượng trong
thế giới đó đều phải được gán cho một giá trị số (toạ độ). Các toạ độ này thường
được mô tả trong hệ toạ độ Đê-các-tơ với các thứ nguyên X, Y và Z (biểu diễn
độ dài, độ cao, độ sâu). Cũng có thể sử dụng các hệ toạ độ khác như hệ toạ độ cầu,
nhưng hệ toạ độ Đê-các-tơ vẫn là chuẩn cho hầu hết các ứng dụng. Sự chuyển đổi
giữa các hệ toạ độ này cũng khá đơn giản.
Cơ sở dữ liệu cho thế giới ảo (World Database)
Lưu trữ thông tin về các đối tượng và thế giới ảo là một phần quan trọng
trong việc thiết kế hệ thống thực tại ảo VR. Những thông tin chính được lưu trữ
trong World Database (hoặc World Description Files) là các đối tượng ở trong
thế giới đó, các kịch bản (scripts) mô tả các hành động của các đối tượng hoặc
Hệ thống nâng cao (Advanced VR - AVR), trong hệ thống này, cùng với thiết
bị tăng tốc đồ hoạ, quá trình xử lý còn được nâng lên một bước với các bộ xử lý
song song.
Hệ thống thực tại ảo Immersion (Immersion VR - IVR), trong hệ thống này,
với các thiết bị như HMD, các màn hình cực lớn tạo cảm giác chìm đắm,
người sử dụng có thể cảm nhận các giác quan như xúc giác, thính giác, cơ chế
tương tác có phản hồi với thế giới ảo. 11
Các thiết bị mô phỏng cabin (Cockpit Simulators), đây là các hệ thống
khá thông dụng cho phép mô phỏng cabin lái máy bay, ô tô, tàu biển hay
các phương tiện giao thông nói chung. Một hệ thống như vậy có thể tạo ra một
môi trường ảo, trong đó người sử dụng điều khiển thiết bị giả lập và nhận được
cảm giác như khi thao tác ở môi trường thực tế. Ví dụ về một hệ thống loại này sẽ
được phân tích kỹ trong phần sau.
Các hệ thống mô phỏng quân sự qua mạng máy tính được phát triển
chưa nhiều do độ phức tạp và khả năng công nghệ. Chúng cho phép mô phỏng
các trận đánh trong đó thể hiện cả ý đồ chiến thuật, nghệ thuật quân sự. SIMNET là
một hệ thống điển hình của ủy ban quản lý các dự án nghiên cứu cao cấp Bộ
quốc phòng Mỹ (DARPA).
1.1.3. Một số ứng dụng chính của thực tại ảo
Thực tại ảo có rất nhiều ứng dụng trong hầu như tất cả các lĩnh vực:
- Giải trí: Với sự phát triển của kỹ thuật và công nghệ mô phỏng người ta đã
có thể xây dựng các bộ phim hoạt hình 3D, mô phỏng hình dạng cây cối, đồ vật,
cử động của con người kết nối với các nhân vật ảo trong máy tính, tạo dựng các
kỹ xảo điện ảnh, các cảnh quay sống động, chân thật mà giảm bớt được rất nhiều
thời gian và tiền bạc.
các mô hình thay thế, kèm theo âm thanh và tiếng động cũng có thể tạo ra được một
trận tập kích mà hiệu quả đạt được là như thật và chi phí thì rất ít. Bên cạnh đó,
để cho binh lính có thể tiếp xúc và hiểu biết về các máy móc và thiết bị đắt tiền
thì nên xây dựng các mô hình về thiết bị đó, máy móc đó như vậy sẽ đảm bảo được
tính phổ dụng rộng rãi. 13
- Trong tái tạo lịch sử: Chúng ta có thể mô phỏng, tái tạo lại các
cuộc chiến tranh, các triều đại lịch sử thông qua hệ thống VR một cách sinh động,
cũng có thể tái tạo các di tích lịch sử một cách chân thực.
Nhìn chung, với các ứng dụng đa dạng về nhu cầu thực tế công nghệ
mô phỏng đang ngày càng phát triển mạnh mẽ hơn thu hút sự quan tâm của
mọi người nhất là những ai quan tâm đến sự phát triển của công nghệ nói chung và
công nghệ tin học nói riêng. Hiện nay lĩnh vực này đã bắt đầu phát triển ở nước ta;
nên việc nghiên cứu và phát triển về vấn đề này sẽ đem lại nhiều kết quả hứa hẹn
trong tương lai.
1.2. Điện tích và mô phỏng điện tích
1.2.1. Điện tích, các loại điện tích
Cơ sở lý thuyết của phương pháp mô phỏng dòng điện chính là tính chất vật lý
của nó và dựa vào tính chất vật lý đó để tạo điều kiện cơ sở nhận thức các
phương pháp mô phỏng dòng điện.
Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện tích.
Điều kiện để có một dòng điện chạy trong một môi trường thì trong môi trường
đó phải chứa nhiều hạt mạng điện tích tự do và có một hiệu điện thế đặt vào
môi trường đó.
Tất cả các nguyên tố đều được cấu tạo từ các nguyên tử và mỗi nguyên tử của
một chất được cấu tạo bởi hai phần:
- Một hạt nhân mang điện tích dương nằm ở trung tâm. Hạt nhân có cấu tạo
gồm hai loại hạt là Proton mang điện dương và Nơtron không mang điện.
lỏng lẻo, các ion sẽ chuyển động tự do trong dung dịch (Hình 1.8).
Khi cho dòng điện một chiều chạy qua dung dịch chất điện phân, các ion trong
dung dịch sẽ chuyển động có hướng về các điện cực (Hình 1.9). Ion dương
chuyển động về cực âm và ion âm chuyển động về cực dương, chính sự dịch chuyển
này đã tạo thành dòng điện trong chất điện phân. Tuy nhiên trên đường đi, các ion
này sẽ gặp phải vô vàn cản trở như: hoặc là va chạm với những ion cùng dấu,
chúng sẽ đẩy nhau làm lệch hướng chuyển động, làm cho những ion này đang
chuyển động thẳng sẽ trở thành chuyển động cong theo đường parabol hoặc
chuyển động phức tạp hơn theo đường hình sin khi bị va chạm nhiều lần vào
khối ion cùng dấu, hoặc chúng sẽ kết hợp với những ion khác dấu để tạo thành
phân tử, sau đó phân tử này lại tan ra trong dung dịch và tiếp tục hành trình
của mình tới các điện cực trái dấu…
Hình 1.8. Sự chuyển động của các ion khi chưa có điện trường Ion âm
Ion dương 15
hóa học của chất làm điện cực mà quá trình trao đổi điện tích giữa ion và điện cực
sẽ kèm theo những phản ứng hóa học phụ làm cho hiện tượng điện phân trở nên
phức tạp thêm, chẳng hạn như hiện tượng dương cực tan xảy ra khi điện phân muối
của kim loại dùng làm điện cực.
Điện tích của một vật vĩ mô là tổng đại số của tất cả các điện tích tương ứng
của các hạt (phần tử) cấu thành nên vật đó. Thông thường, các vật quanh ta
đều trung hòa về điện, đó là do mỗi nguyên tử ở trạng thái tự nhiên đều có tổng số
proton bằng tổng số electron, nên các điện tích của chúng bù trừ lẫn nhau.
Tuy nhiên, ngay cả khi điện tích tổng cộng của một vật bằng không, vật ấy vẫn
có thể tham gia tương tác điện từ, đó là nhờ hiện tượng phân cực điện. Các điện tích
chịu sự ảnh hưởng của hiện tượng phân cực gọi là điện tích liên kết, các điện tích
E
A
-
+
K
+
-
E
A
-
+
K
+
Hình 1.11. Mô phỏng ống phóng Electron
Trong ứng dụng tạo ra ống phóng điện tích thường là ống phóng electron được
sử dụng nhiều song hiện tại nhiều nhà khoa học đang nghiên cứu ứng dụng tính toán
mô phỏng ống phóng hạt quang điện (nặng hơn và lớn hơn hạt electron). 17
Các nhà nghiên cứu đã và đang sử dụng phần mềm mô phỏng số để nghiên cứu và
phát triển thông qua việc phân tích vết hạt và các hiệu ứng khác. Phương pháp
mô phỏng số vẫn là phần tử hữu hạn với các lớp bài toán: nhiệt, cơ, điện, từ,
dòng chảy
Hình 1.12. Mô phỏng hiện tượng quang điện
Tại tập đoàn công nghệ GEMIO hiện tại đang nghiên cứu giải quyết
bài toán vết và các hiện tượng vật lý liên quan cho các thiết bị quang điện.
Họ sử dụng phần mềm ANSYS Emag để mô phỏng số, họ đã mô phỏng thành công
hiện tượng quang điện, trường điện tích, vết các hạt và các hiệu ứng khác. Họ đã
so sánh với thực nghiệm cho kết quả rất khả quan.
Copyright: Tài liệu đại học ©