ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
ĐỖ THỊ THANH TOÀN MÔ PHỎNG NƯỚC TRONG CÔNG NGHỆ
THỰC TẠI ẢO
LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
MÔ PHỎNG NƯỚC TRONG CÔNG NGHỆ
THỰC TẠI ẢO Chuyên ngành : Công nghệ phần mềm
Mã số : 60.48.01
LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐỖ NĂNG TOÀN
HÀ NỘI – 2009
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
6
MỤC LỤC
2.2.3.4. Sức căng bề mặt 40
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
7
2.2.4. Biểu diễn bề mặt 40
2.2.4.1. Tính đàn hồi 40
2.2.4.2. Tính dẻo 42
2.2.4.3. Tính nhớt 44
2.2.5. Sự va chạm đối tƣợng 44
2.2.5.1. Va chạm 44
3.2.5.2. Tính nhớt trong tƣơng tác với đối tƣợng 47
Chƣơng 3: ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG NƢỚC 48
3.1. MÔ PHỎNG NƢỚC TRONG CÁC HỆ THỰC TẠI ẢO 48
3.2. CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 52
3.2.1. Kỹ thuật Physically-Based 52
3.2.2. Kỹ thuật Particle-Based 55
PHẦN KẾT LUẬN 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO 58
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
9
Danh mục hình vẽ
Hình 1.1. Ứng dụng thực tại ảo trong thiết kế kiến trúc ………………………. 10
Hình 1.2. Ứng dụng thực tại ảo trong thiết kế thiết bị công nghệ …………… 11
Hình 1.3. Ứng dụng thực tại ảo trong lĩnh vực giải trí ……………………… 12
Hình 1.4. Mô hình huấn luyện bay sử dụng công nghệ thực tại ảo …………… 13
Hình 1.5. Một phần cơ thể ảo …………………………………………………. 14
Hình 2.1. Mô tả góc tiếp xúc bề mặt ảo ……………………………………… 27
Hình 2.2. Mô tả góc tiếp xúc bề mặt ảo giữa chất lỏng và rắn ……………… 28
Hình 3.1. Hệ thống tập tái tàu thuỷ ……………………………………………. 48
Hình 3.2. Thể hiện hiệu ứng mặt nƣớc đã đƣợc tạo ……………………………49
Hình 3.3. Hiệu ứng chuyển động của vật rơi xuống nƣớc …………………… 50
Hình 3.4. Thể hiện mặt nƣớc bằng lƣới đa giác phƣơng pháp Particle-Base… 50
Hình 3.5. Thể hiện dòng nƣớc chảy bằng các phần tử lập thể particles ………. 51
Hình 3.6. Biểu đồ so sánh ………………………………………………… 52
Hình 3.7. Mô phỏng mặt hồ bằng kỹ thuật Physically-Based ………………… 52
Hình 3.8. Mô phỏng hiệu ứng sóng nƣớc bằng kỹ thuật Particle-Based ……….56 Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
11
Trong các ngành liên quan nhiều đến nƣớc nhƣ: Tàu thuỷ, du lịch, giải
trí, cứu hoả… Đặc biệt đối với ngành thuỷ lợi, đê điều, việc mô phỏng nƣớc
và các hiệu ứng của nó cực kỳ có ý nghĩa. Nó giúp mô phỏng các hiện tƣợng
thủy lực để đƣa đến cái nhìn trực quan cho ngƣời học. Nó có thể cho thấy
chính xác các trƣờng hợp xói lở bờ khi tính đƣợc các lực tác dụng tƣơng ứng;
các trạng thái chuyển động khác nhau của nƣớc khi chịu tác dụng của những
lực khác nhau. Chúng ta cũng có thể dựng đƣợc những mô hình đập ảo, kênh
ảo, hệ thống thủy nông từ bản thiết kế và tính toán đƣợc chính xác các trạng
thái của dòng chảy và các hiện tƣợng mà nó gây ra…. Để từ đó các nhà thiết
kế, nhà quản lý dự án có thể đƣa ra đƣợc những quyết định chính xác hơn
trong việc xây dựng các công trình thủy lợi, tránh những trƣờng hợp đáng tiếc
xảy ra.
Xuất phát từ thực tế đó, luận văn lựa chọn đề tài “Mô phỏng nƣớc trong
công nghệ thực tại ảo”. Mục tiêu chính của luận văn là: Nghiên cứu một số kỹ
thuật mô phỏng nƣớc nhằm ứng dụng cho việc xây dựng mô hình 3 chiều
trong Thực tại ảo. Cấu trúc luận văn gồm Phần mở đầu, Phần kết luận và 3
Chƣơng nội dung, cụ thể nhƣ sau:
Chƣơng 1: Khái quát về thực tại ảo và mô phỏng nƣớc
Trong chƣơng này giới thiệu tổng quan về quá trình phát triển và các
lĩnh vực ứng dụng chính hiện nay của Thực tại ảo, đồng thời cung cấp một cái
nhìn tổng quan về mô phỏng nƣớc trong hệ Thực tại ảo. Chƣơng này cũng đi
sâu phân tích những tính chất vật lý, các hiệu ứng cơ bản của nƣớc để làm cơ
sở cho sự trình bày những phƣơng pháp mô phỏng nƣớc trong chƣơng 2.
Chƣơng 2: Một số kỹ thuật mô phỏng nƣớc
Chƣơng này trình bày 2 kỹ thuật chính mà thế giới đã phát triển là kỹ
thuật Physically-based và kỹ thuật Particle-base. Mỗi kỹ thuật có những cách
tính, ƣu điểm và nhƣợc điểm riêng. Từ đó cho chúng ta sự hiểu biết về mô
phỏng nƣớc, và khi tiếp xúc với những bộ phần mềm công cụ hỗ trợ xây dựng
giới ảo ở những góc độ khác nhau về mặt không gian. Ngƣợc lại, môi trƣờng
ảo lại có những phản ứng tƣơng ứng với mỗi hành động của ngƣời sử dụng,
tác động vào các giác quan nhƣ thị giác, thính giác, xúc giác của ngƣời sử
dụng trong thời gian thực và tuân theo những quy tắc vật lý rất tự nhiên, làm
anh ta có cảm giác nhƣ đang tồn tại trong một thế giới thực.
1.1.2. Sơ lƣợc lịch sử phát triển của thực tại ảo
Mặc dù Thực tại ảo đƣợc mô tả nhƣ một công nghệ mới mang tính cách
mạng, nhƣng ý tƣởng về việc nhúng ngƣời sử dụng vào một môi trƣờng nhân
tạo không còn mới. Thực tại ảo có thể đƣợc xem nhƣ một sự mở rộng của
những ý tƣởng đã ra đời khá lâu nhƣ hệ thống mô phỏng bay (flight
simulation), rạp chiếu phim màn ảnh rộng (nhƣ Cinerama hay IMAX). Sử
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
14
dụng các hệ thống nhƣ vậy, ngƣời dùng đƣợc quan sát hình ảnh trong một
màn hình có trƣờng nhìn rộng lớn cho họ cảm giác nhƣ đang tồn tại trong
trƣờng không gian đó.
Sự ra đời của các máy điện toán mini và bài báo khoa học của Ivan
Sutherland có tên “Màn hình tối tân” (Ultimate Display) vào năm 1965 đƣợc
xem là hai bƣớc đột phá lớn vào những năm 1960 cho công nghệ Thực tại ảo.
Trong bài báo của mình, Sutherland đã tiên đoán sự phát triển của Thiết bị
Hiển thị đội đầu (Head Mounted Display-HMD) đầu tiên, mà sau đó chính
ông đã tạo ra một thiết bị nhƣ vậy, có tên là “Thanh kiếm của Damocles”
(The Sword of Damocles). Sutherland cũng nhận ra tiềm năng của máy điện
toán trong việc tạo lập hình ảnh cho hệ thống mô phỏng bay, trong khi những
hình ảnh này trƣớc đó đƣợc xây dựng bằng video camera.
Những ý tƣởng này đƣợc hai nhà khoa học Mỹ ở NASA là Fisher và
McGreevy kết hợp lại trong một dự án có tên là “trạm làm việc ảo” (visual
workstation) vào năm 1984. Cũng từ đó NASA phát triển thiết bị Hiển thị đội
đầu có tính thƣơng mại đầu tiên, đƣợc gọi là màn hình môi trƣờng trực quan
nhiều góc độ và vị trí khác nhau thực sự đem lại hiệu quả trực quan mang tính
cách mạng trong lĩnh vực mang nhiều đặc điểm nghệ thuật này.
Tƣơng tự nhƣ trong kiến trúc, với các ngành sản xuất thiết bị mà trong
đó công đoạn thiết kế đóng vai trò quan trọng nhƣ thiết kế động cơ, thiết kế ô
tô, tàu biển, hay thậm chí tàu vũ trụ, hình dạng và cách bố trí các chi tiết
không chỉ đơn thuần mang tính thẩm mỹ, tính kỹ thuật mà đôi khi còn ảnh
hƣởng tới sức sống của thiết bị xét về khía cạnh thƣơng mại. Khả năng mô
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
16
hình hoá bằng hình ảnh lập thể của công nghệ Thực tại ảo cho phép ngƣời
thiết kế thể hiện đƣợc một cách trực quan nhất ý tƣởng thiết kế của mình,
đánh giá cơ bản về hiệu năng của thiết bị dựa trên những thử nghiệm mô
phỏng trên thiết bị ảo, từ đó có những hiệu chỉnh cần thiết trƣớc khi thiết bị
thực sự đƣợc sản xuất. Điều này rõ ràng góp phần không nhỏ trong thành
công của thiết bị công nghệ, giảm bớt những chi phí phát sinh.
Hình 1.2: Ứng dụng công nghệ Thực tại ảo trong thiết kế thiết bị công nghệ
Giải trí
Thị trƣờng giải trí cũng là một ứng dụng tiêu biểu khác của các môi
trƣờng Thực tại ảo. Trên thực tế, đây là lĩnh vực ứng dụng lớn nhất xét theo
khía cạnh lợi ích về tài chính. Rất nhiều công ty đang sản xuất ra các trò chơi
có sử dụng các nguyên lý Thực tại ảo. Số lƣợng ngƣời bị cuốn hút theo các
trò chơi nhƣ vậy, đặc biệt là giới trẻ, tăng theo cấp số nhân đánh dấu tiềm
năng thƣơng mại to lớn của công nghệ Thực tại ảo trong lĩnh vực này.
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
Hình 1.4: Mô hình huấn luyện bay sử dụng công nghệ Thực tại ảo
Tất cả những đặc tính này khiến công nghệ Thực tại ảo trở nên rất phù
hợp cho các ứng dụng có tính chất giáo dục hay đào tạo. Trong đó, những mô
hình trình diễn lập thể đóng vai trò quan trọng. Các vật thể trong thế giới ảo
đƣợc biểu diễn chính xác hơn nhiều so với các đối tƣợng phẳng (hình ảnh hai
chiều) do đƣợc bổ sung thêm chiều sâu. Kết quả là các trình diễn minh hoạ
hay những thí nghiệm cũng đƣợc mô phỏng chính xác hơn do có thể quan sát
từ nhiều góc độ khác nhau về mặt không gian, điều mà thế giới phẳng hai
chiều không làm đƣợc.
Tính chất trực quan của bài giảng đƣợc nâng cao một bƣớc làm tăng sự
hứng thú trong học tập cũng nhƣ khả năng ghi nhớ các khái niệm quan trọng
trong bài giảng. Xét về mặt này, khả năng tƣơng tác với môi trƣờng ảo là một
khía cạnh đáng lƣu ý. Nếu thiếu đi khả năng tƣơng tác (hai chiều) giữa môi
trƣờng ảo và ngƣời tham dự, Thực tại ảo không gì khác hơn là một giao diện
lập thể ấn tƣợng nhƣng không có sự sống. Trong các phòng thí nghiệm hay
huấn luyện ảo, thực hiện các thao tác trên các đối tƣợng trong môi trƣờng ảo,
nhận đƣợc những phản hồi kịp thời và có nghĩa từ các vật thể và môi trƣờng
là một trong những yếu tố tiên quyết khiến cho học viên có cảm nhận đang
đƣợc trải nghiệm trong những tình huống thực. Từ đó, học viên nắm bắt đƣợc
nhanh chóng và có ý thức hơn với những tính huống đƣợc học.
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
19
Y học
Y học là một trong những lĩnh vực ứng dụng tiềm năng trong công nghệ
Thực tại ảo và là một trong số ít lĩnh vực ứng dụng thuộc ngành khoa học của
Thực tại ảo. Cho đến nay, lĩnh vực nổi bật trong y học áp dụng thành công
công nghệ Thực tại ảo là giả lập giải phẫu (Surgical Simulation).
Trên cơ sở các kỹ thuật đồ hoạ máy tính và Thực tại ảo, hệ thống đào tạo
y học này bao gồm hai bộ phận cơ bản: Khối tƣơng tác ba chiều là mô hình
bệnh. Mô hình này mô phỏng đầy đủ các đặc điểm bệnh lý của ngƣời bệnh
thật. Theo cách này, ngƣời bác sỹ sẽ lựa chọn ra đƣợc cách thức an toàn nhất,
hiệu quả nhất và tốn ít thời gian nhất trong phòng phẫu thuật, hạn chế những
biến cố trong quá trình giải phẫu.
1.2. MÔ PHỎNG NƢỚC TRONG THỰC TẠI ẢO
1.2.1. Vai trò của mô phỏng nƣớc
Có thể nói nƣớc là thành phần không thể thiếu trong cuộc sống của mỗi
chúng ta. Nƣớc phục vụ cho đời sống hàng ngày, phục vụ cho sản xuất, cuộc
sống của con ngƣời gắn liền với nƣớc… Nhƣng để mô phỏng đƣợc nƣớc
không phải là điều đơn giản, việc tính toán, đo đạc các thông số của nƣớc
trong nhiều môi trƣờng và điều kiện khác nhau tốn rất nhiều thời gian và công
sức. Sau đó, để có thể biểu diễn đƣợc những dữ liệu đó thành hình ảnh trên
máy tính cần phải tìm ra những thuật toán, những phƣơng pháp để xử lý kho
dữ liệu đó. Tiếp theo, phải phân tích thiết kế một hệ thống các công cụ trợ
giúp cho việc lập trình tạo hiệu ứng nƣớc, rồi mới tới khâu thiết kế ra những
bản vẽ nƣớc đƣợc thể hiện trên màn hình. Cuối cùng, là khâu kết xuất
(Rendering) tạo ra sản phẩm thực sự.
Ngoài ra, còn một lý do nữa để xếp mô phỏng nƣớc có vị trí quan trọng
trong lĩnh vực mô phỏng chính là tầm quan trọng không thể thiếu của hiệu
ứng nƣớc trong các hệ mô phỏng. Hiệu ứng nƣớc tạo ra cảm giác thật, lôi
cuốn cho hệ vốn không phải là những hình ảnh thật, nó tạo ra sự hài hoà, nhẹ
nhàng cho những chuyển động của đối tƣợng. Việc thể hiện thành công hiệu
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
21
ứng nƣớc trong Thực tại ảo sẽ cho phép ta đi sâu vào thế giới ảo để tạo ra
những giá trị thật cho cuộc sống con ngƣời.
1.2.2. Một số hiệu ứng nƣớc cơ bản
Mô phỏng nƣớc có thể coi là một trong những công việc khó khăn nhất,
phức tạp nhất của Thực tại ảo, đã và đang là một thách thức lớn đối với công
- Dòng nƣớc chảy từ cao xuống thấp.
Giọt nƣớc:
- Giọt nƣớc rơi xuống mặt nƣớc
- Giọt nƣớc rơi nằm trên các bề mặt:
+ Giọt nƣớc trên bề mặt lá.
+ Giọt nƣớc trên bề mặt các chất rắn.
Khối nƣớc:
- Khối nƣớc tan chảy
- Khối nƣớc dƣới tác dụng của chất rắn
Mặt nƣớc:
- Mặt nƣớc dao động bình thƣờng
- Mặt nƣớc khi có vật rắn rơi xuống
- Mặt nƣớc khi có mƣa
- Mặt nƣớc khi có gió mạnh
Đối với các dạng nƣớc khác nhau, dƣới các tác dụng khác nhau thì sẽ
dẫn đến các hiệu ứng khác nhau. Sau đây là một số hiệu ứng nƣớc cơ bản mà
ta thƣờng gặp:
Hiệu ứng phản chiếu ánh sáng.
Hiệu ứng in bóng nƣớc.
Hiệu ứng sóng nƣớc.
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
23
Hiệu ứng giao thoa sóng nƣớc.
Hiệu ứng nƣớc chảy.
Hiệu ứng giọt nƣớc rơi.
Hiệu ứng nƣớc sôi (sủi bọt nƣớc).
Tìm hiểu các giải thuật để thể hiện đƣợc những hiệu ứng rất phức tạp
trên ngƣời ta đã đƣa ra nhiều giải pháp khác nhau :
- Khi muốn thể hiện sóng nƣớc có mấy cách sau: cho những điểm ảnh là
- Kỹ thuật thể hiện hiệu ứng nƣớc sôi tƣơng tự nhƣ kỹ thuật thể hiện hiệu
ứng giọt nƣớc rơi, bởi vì giọt nƣớc chuyển động trong không khí còn nƣớc sôi
thì bọt khí chuyển động trong nƣớc. Ta chỉ việc thay đổi các thông số cho phù
hợp với môi trƣờng thôi.
- Kỹ thuật thể hiện hiệu ứng nƣớc chảy mở rộng hơn một chút so với kỹ
thuật thể hiện hiệu ứng sóng nƣớc. Ta chỉ thêm thông số vận tốc, hƣớng
vector cho những điểm chuyển động (hay những hình cơ bản chuyển động).
Dựa vào mục đích sử dụng ngƣời ta đã chia ra hai kỹ thuật chính để thể
hiện hiệu ứng nƣớc. Kỹ thuật tạo hiệu ứng giả mặt nƣớc và kỹ thuật tạo hiệu
ứng mặt nƣớc thật. Các kỹ thuật tạo hiệu ứng giả mặt nƣớc nhƣ Texture,
Sclip, ghép ảnh, biến đổi ảnh… chỉ áp dụng cho những đối tƣợng ít quan
trọng trong một hệ mô phỏng để làm giảm dung lƣợng bộ nhớ và đáp ứng
nhanh hoặc trong các trò chơi game. Trong phạm vi đề tài, luận văn không đi
sâu vào tìm hiểu những phƣơng pháp đó mà trọng tâm là tìm hiểu những kỹ
thuật tạo ra hiệu ứng thật cho mặt nƣớc.
1.2.3. Cơ sở lý thuyết của mô phỏng nƣớc
Cơ sở lý thuyết của các phƣơng pháp mô phỏng nƣớc chính là các tính
chất vật lý của nó. Phần dƣới đây xin giới thiệu một số tính chất vật lý của
chất lỏng nói chung và nƣớc nói riêng để tạo điều kiện cơ sở cho nhận thức
các phƣơng pháp mô phỏng nƣớc.
Chất lỏng chiếm một vị trí trung gian giữa chất khí và chất rắn. Ở nhiệt
độ cao, chất lỏng giống trạng thái của thể khí và ở nhiệt độ thấp thì giống
trạng thái của vật rắn. Chất lỏng có sự biến đổi liên tục từ thể này sang thể
khác tuỳ thuộc vào nhiệt độ, áp suất. Biểu diễn chất lỏng biến đổi trạng thái từ
rắn sang lỏng, từ lỏng sang khí là bài toán hiệu ứng tan chảy và mây mù của
chất lỏng.
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
25
Khi nhận một lực hay một áp suất tác động thì lực sẽ đƣợc phân tán đều
c
= (1/W) * (dw/dp) m
2
/kg.
Từ công thức trên ngƣời ta tính toán đƣợc bảng β
c
của nƣớc ở các
nhiệt độ khác nhau:
T
0
C
0
10
20
30
Β
c
(m
2
/kg)
50,2.10
-10
48,2.10
-10
46,5. 10
-10
45,6. 10
-10
0,816
Khi nhiệt độ tăng thì động năng của phân tử tăng, nên “thể tích dao động”
sẽ dần dần lớn ra và hệ số nhớt giảm xuống.
1.2.3.3. Lực mao dẫn của chất lỏng
Chúng ta đã biết rằng mặt thoáng của chất lỏng hay nói tổng quát hơn là
mặt phân giới của chất lỏng và chất khí ở trong trạng thái cân bằng của sức
căng mặt ngoài.
Trị số của sức căng mặt ngoài σ qui về một đơn vị chiều dài của “đƣờng
tạo thành” chỉ phụ thuộc vào bản chất chất lỏng và nhiệt độ của nó. Đối với
nƣớc tiếp xúc với không khí, trị số σ ở 20
0
C bằng khoảng 0,0074kg/m
2
, và
giảm đi khi nhiệt độ tăng.
Trong một số lớn quá trình thủy lực, ảnh hƣởng của sức căng mặt ngoài vì
quá nhỏ nên bỏ qua, chỉ cần tính đến sức căng mặt ngoài nếu mặt thoáng của
chất lỏng có một độ cong rõ rệt hoặc nếu các lực căng mặt ngoài tạo thành áp
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn
27
lực phụ lên chất lỏng. Tác dụng của áp lực phụ này giải thích đƣợc hiện tƣợng
dâng mao quản của chất lỏng.
1.2.3.4. Sự hút khí của chất lỏng
Chất lỏng có khả năng hút và hòa tan các chất khí khi tiếp xúc với nó. Khi
đó, trọng lƣợng của chất khí bị hoà tan thay đổi tỷ lệ với áp lực của chất lỏng,
còn về thể tích thì thực tế vẫn không thay đổi.
Nƣớc trong trạng thái thiên nhiên bao giờ cũng chứa một lƣợng không khí
bị hòa tan: ở nhiệt độ bình thƣờng, lƣợng đó vào khoảng 2% thể tích nƣớc. Khi
áp lực giảm, một phần không khí hòa tan sẽ bốc lên khỏi chất lỏng. Áp lực
kéo căng và chia nhỏ, những giọt nƣớc lơ lửng trên bề mặt cong, và hiệu ứng
mao dẫn (Capillary Action).
2.1.2. Cơ sở vật lý
Sức căng bề mặt là yếu tố quan trọng trong mô phỏng chất lỏng co giãn
nhẹ. Nó đƣợc sinh ra do sự mất cân bằng của lực kết cấu phân tử trên miền
mặt phân giới, nơi mà 2 đối tƣợng gặp nhau (lỏng-khí, lỏng-rắn, khí-rắn). Có
2 cách để phân tích ảnh hƣởng của sức căng mặt ngoài đến sự chuyển động
của chất lỏng.
Copyright: Tài liệu đại học ©